Электрический конденсатор

Изобретение относится к области электротехники и электроники, в частности к устройствам, накапливающим электрические заряды - конденсаторам, и может быть использовано при создании конденсаторов с существенно повышенной электроемкостью. Согласно изобретению в конденсаторе между токопроводящими пластинами помещается разделяющее вещество, используемое в качестве носителя, и введенное в него активное начало в виде наночастиц сегнетоэлектрика. Техническим результатом изобретения является увеличение удельной емкости конденсатора. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники и электроники, в частности к устройствам, накапливающим электрические заряды - конденсаторам, и может быть использовано при создании конденсаторов с существенно повышенной электроемкостью.

Широко известны электрические конденсаторы, состоящие из электропроводящих пластин с помещенным между ними слоем диэлектрика [1]. Недостатком указанных конденсаторов является относительно малая удельная электроемкость.

Широко известны также электрические конденсаторы с повышенной по сравнению с [1] удельной электроемкостью, состоящие из электропроводящих пластин с помещенным между ними слоем сегнетоэлектрика [2], которые выбраны в качестве прототипа данного изобретения. Недостатком указанных конденсаторов является также недостаточно высокая удельная электроемкость.

Целью данного изобретения является устранение указанного недостатка и существенное увеличение удельной (на единицу площади, на единицу объема) электроемкости конденсатора.

Указанная цель достигается в предлагаемом электрическом конденсаторе за счет того, что в известном конденсаторе, состоящем из электроконтактных выводов, электропроводящих пластин и помещенного между указанными пластинами разделяющего эти пластины диэлектрического или сегнетоэлектрического вещества, в указанное разделяющее вещество, используемое в качестве носителя, введено активное начало в виде наночастиц из сегнетоэлектрического материала, отличного от материала указанного носителя; а также за счет того, что для работы в цепях постоянного тока указанное активное начало, введенное в указанный носитель, выполненный из сегнетоэлектрического материала, например BaTiO3, представляет собой наночастицы, имеющие форму эллипсоидов вращения с отношением длин полуосей 0,31 из сегнетоэлектрического материала, например из (PbLaBaS)(ZrTi)O3, ориентированные в направлении к указанным пластинам, причем объемная концентрация указанных наночастиц в указанном носителе составляет от 18,5% до 19,5%; а также за счет того, что для работы в электромагнитном поле с длиной волны λ указанное активное начало, введенное в указанный носитель, выполненный из диэлектрического, например кремниевого материала, представляет собой наночастицы, имеющие форму эллипсоидов вращения с отношением длин полуосей 0,31 из сегнетоэлектрического материала, например из BaTiO3, ориентированные в направлении к указанным пластинам и имеющие характерные размеры много меньше λ, причем объемная концентрация указанных наночастиц в указанном носителе составляет от 20,0% до 21,0%.

Сущность заявляемого изобретения изложена в нижеследующем описании.

На фиг.1 представлено схематическое изображение предлагаемого конденсатора, где

1 - электроконтактные выводы,

2 - электропроводящие пластины,

3 - разделяющее вещество (носитель),

4 - активное начало (наночастицы),

5 - направление поляризации электромагнитного поля в конденсаторе.

На фиг.2 представлены зависимости относительного увеличения электроемкости (Р) предлагаемого конденсатора от объемной концентрации в носителе (η) активного начала - наночастиц для различных значений отношения (r) мнимой части диэлектрической функции вещества указанных наночастиц к ее действительной части, равной 50, где

1-r=0,1,

2-r=0,03,

3-r=0,01,

4-r=0,003.

На фиг.3 представлена зависимость относительного увеличения электроемкости (Р) предлагаемого конденсатора, предназначенного для работы в цепях постоянного тока, от объемной концентрации (η) в носителе сегнетоэлектрике с ε=800 его активного начала - сегнетоэлектрических наночастиц частиц с ε=1500.

На фиг.4 представлены зависимости от частоты электромагнитного поля в конденсаторе (ω) относительного увеличения электроемкости (Р) предлагаемого конденсатора при объемной концентрации (η) в носителе его активного начала - наночастиц частиц, имеющих форму эллипсоидов вращения с отношением длин полуосей 0,31, равной 21%, для различных значений отношения (r) мнимой части диэлектрической функции вещества указанных частиц к ее действительной части, равной 50, где

2-r=0,03,

3-r=0,01,

4-r=0,003.

Пунктиром обозначено Р=1.

Известно, что С=εС0, где

С - электроемкость конденсатора с веществом между пластинами, имеющим значение диэлектрической функции ε, a

С0 - электроемкость конденсатора с вакуумным зазором между пластинами.

В случае введения в разделяющее вещество, служащее в качестве носителя, активного начала - наночастиц при определенной объемной концентрации указанных частиц, их размере, форме, материале и частоте электромагнитного поля, в которой работает конденсатор, т.к. значение диэлектрической функции - εη оказывается значительно выше таковых для материала носителя εc и материала частиц εp, электроемкость конденсатора существенно увеличивается. Действительно, рассмотрим электрический конденсатор, схематически изображенный на фиг.1. Частицы расположены в носителе в геометрии, близкой к кубической решетке. На основе формулы Клаузиуса-Мосотти для такой формы расположения частиц в носителе и формулы Лоретц-Лоренца для поправки локального поля частиц - эллипсоидов вращения получаем соотношение для нахождения εη:

η-1)/(εη+2)=[(εc-1)/(εc+2)]+η{(εp-1)/1+n(εp-1)]-[(εc-1)/1+n(εс-1)]}/3,

где 0<n<1 - это фактор деполяризуемости частиц, зависящий от соотношения их длин полуосей. Результаты расчета, где Сη - электроемкость предлагаемого конденсатора, приведены на фиг.2, где Р=Сη0εр, показывающие, что увеличение может достигать до 100 раз.

Оценим достижимое значение электроемкости предлагаемого конденсатора для цепей постоянного или медленно изменяющегося тока, в котором в качестве носителя выбран сегнетоэлектрик с εc=800, а активным началом являются наночастицы сегнетоэлектрика с εp=1500. В этом случае согласно расчетам, приведенным на фиг.3, Р=Сη0εр достигает величины около 200 раз. Это означает, что при толщине пластин 2 мкм и толщине слоя разделяющего вещества 18 мкм конденсатор объемом в 20 см имеет электроемкость около 0.1 Фарад. И оценки показывают, что при этом пробивное напряжение для такого конденсатора достигает 50 В.

Оценим достижимое увеличение электроемкости предлагаемого конденсатора для работы в полях высокой от 1 до 1000 ГГц частоты, в котором в качестве носителя является кремний с εс=11,4, а активным началом являются наночастицы сегнетоэлектрика с εp=30-500 (например, BaTiO3). В этом случае согласно расчетам, приведенным на фиг.4, Р=Cη/C0εp достигает величины до 100 раз.

Таким образом предлагаемое техническое решение электрического конденсатора обеспечивает значительное увеличение удельной электроемкости конденсаторов как для постоянного, так и для переменного тока.

Пример реализации предлагаемого электрического конденсатора

1. Для постоянного тока.

На металлическую подложку, полученную распылением из сплава AgPa в вакууме, наносится пленочный слой сегнетоэлектрика BaTiO3 высокочастотным распылением в вакууме. Сегнетоэлектрик сложного состава (PbLaBaS)(ZrTi)O3 с εc=1500 получается из коллоидного раствора смеси окислов исходных компонентов прокаливанием в тигле при температуре 900°.

Частицы сегнетоэлектрика получаются вытягиванием из расплава на платиновом стержне при медленном снижении температуры расплава. Для получения нужной формы частиц стержень вращается. Размеры и форма частиц контролируются атомно-силовым микроскопом и помещаются на пленочный сдой сегнетоэлектрика BaTiO3. Ориентация частиц создается с помощью приложенного электрического поля определенной полярности, величины и длительности между затвором и истоком сегнетоэлектрика. Для последующих слоев процедура повторяется. У полученного таким способом конденсатора ε достигает величины 200000-300000.

2. Для частотного диапазона 1-1000 ГГц.

На металлическую подложку эпитаксиально наносится слой за слоем кремниевый полупроводник. При этом между слоями помещаются наночастицы из сегнетоэлектрика BaTiO3 нужной формы, полученные методом вытягивания на платиновом стержне из расплава при медленном понижении температуры расплава и вращении стержня. Ориентация частиц создается с помощью приложенного электрического поля определенной полярности, величины и длительности. Положение и форма частиц контролируются микроскопом, например, атомно-силовым. У полученного таким способом конденсатора s достигает величины 3000-30000.

Литература

1. Карпихин В.В., Технология производства слюдяных и стеклоэмалевых конденсаторов, «Энергия», 1964 г.

2. Казарновский Д.М., Сегнетоэлектрические конденсаторы, «Госэнергоиздат», 1956 г.

1. Электрический конденсатор, состоящий из электроконтактных выводов, электропроводящих пластин и помещенного между указанными пластинами разделяющего эти пластины диэлектрического или сегнетоэлектрического вещества, отличающийся тем, что в указанное разделяющее вещество, используемое в качестве носителя, введено активное начало в виде наночастиц из сегнетоэлектрического материала, отличного от материала указанного носителя.

2. Электрический конденсатор по п.1 для работы в цепях постоянного тока, отличающийся тем, что указанное активное начало, введенное в указанный носитель, выполненный из сегнетоэлектрического материала, например BaTiO3, представляет собой наночастицы, имеющие форму эллипсоидов вращения с отношением длин полуосей 0,31 из сегнетоэлектрического материала, например из (PbLaBaS)(ZrTi)O3, ориентированные в направлении к указанным пластинам, причем объемная концентрация указанных наночастиц в указанном носителе составляет от 18,5 до 19,5%.

3. Электрический конденсатор по п.1 для работы в электромагнитном поле с длиной волны X, отличающийся тем, что указанное активное начало, введенное в указанный носитель, выполненный из диэлектрического, например кремниевого, материала, представляет собой наночастицы, имеющие форму эллипсоидов вращения с отношением длин полуосей 0,31 из сегнетоэлектрического материала, например из BaTiO3, ориентированные в направлении к указанным пластинам и имеющие характерные размеры много меньше λ, причем объемная концентрация указанных наночастиц в указанном носителе составляет от 20,0 до 21,0%.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электроники и может быть использовано при конструировании датчиков оптического излучения видимой области спектра и преобразователей солнечной энергии

Изобретение относится к радиоэлектронной промышленности, а именно к способу управления емкостью электрического конденсатора и конденсатору переменной емкости на основе этого способа, и может быть использовано в конденсаторостроении

Изобретение относится к способам, химическим составам и устройству для генерации электричества

Заявленное изобретение относится к области электротехники и направлено на предотвращение изменения емкости при смещении электродов, расположенных один напротив другого через слой диэлектрика. Емкостный прибор согласно изобретению содержит слой (10) диэлектрика, первый электрод (11), выполненный на заданной поверхности (10а) слоя (10) диэлектрика, и второй электрод (12), выполненный на противоположной поверхности (10b) слоя (10) диэлектрика. Первый и второй электроды (11, 12) выполнены такой формы, чтобы даже в случае смещения первого электрода (11) в заданном направлении относительно второго электрода (12) площадь перекрывающейся области противоположных электродов между первым электродом (11) и вторым электродом (12) оставалась неизменной. Повышение стабильности работы емкостных приборов с переменной емкостью является техническим результатом заявленного изобретения. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 61 ил.

Изобретение относится к области СВЧ радиоэлектроники и предназначено для работы в СВЧ устройствах при повышенном уровне мощности СВЧ сигнала в качестве нелинейного элемента в виде сегнетоэлектрического конденсатора с электрическим управлением номинала емкости. Сегнетоэлектрический (СЭ) конденсатор состоит из диэлектрической подложки (1), на которой из электропроводящей пленки сформированы электроды планарного конденсатора (2) и (3), электроды (6) и (7) для подачи управляющего напряжения и полосковые линии (4) и (5), соединяющие электроды (2),(6) и электроды (3), (7), СЭ пленки (8), покрывающей диэлектрическую подложку с электродами, на которой из электропроводящей пленки сформированы электроды (9) и (10) над электродами (2) и (3) с частичным перекрытием площадей для подключения к внешней СВЧ цепи и электроды (11) и (12) над электродами (6) и (7) для подключения к внешней цепи управления. Конденсаторы с электродами (2) и (9) и с электродами (3) и (10) блокируют протекание постоянного тока от источника управляющего напряжения через СВЧ цепи. Индуктивное сопротивление полосковых линий (4) и (5) предотвращает утечку мощности СВЧ сигнала во внешние цепи управления СЭ конденсатором. Техническим результатом заявленного изобретения является снижение уровня управляющего напряжения при повышенных уровнях мощности СВЧ сигнала. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение может быть использовано в микроэлектронике при изготовлении широкого класса управляемых электрическим полем элементов, в частности для производства энергонезависимых сегнетоэлектрических запоминающих устройств. Для изготовления сегнетоэлектрического конденсатора на подложку (1) напыляют нижний электрод (2), на который послойно наносят пленкообразующий раствор на основе цирконата-титаната свинца с послойными сушкой и пиролизом для формирования нескольких слоев твердого раствора (3-1)…(3-n). Сформированные несколько слоев твердого раствора (3-1)…(3-n) подвергают кристаллизации (4) для получения сегнетоэлектрической пленки (5). На сегнетоэлектрическую пленку (5) напыляют верхний электрод (6). В пленкообразующий раствор на основе цирконата-титаната свинца для формирования слоя твердого раствора (3-1), примыкающего к нижнему электроду, вводят 0÷7%-ный избыток свинца сверх стехиометрии, а в пленкообразующий раствор на основе цирконата-титаната свинца для формирования остальных слоев твердого раствора (3-2)…3-n вводят 8÷30%-ный избыток свинца сверх стехиометрии. Изобретение обеспечивает улучшение электрических свойств сегнетоэлектрической пленки (5) на основе цирконата-титаната свинца: повышает остаточную поляризацию, увеличивает диэлектрическую нелинейность и снижает токи утечки. 8 з.п. ф-лы, 6 ил., 2 пр.

Изобретение относится к области нанесения тонких диэлектрических пленок для создания устройств микро- и наноэлектроники на основе перспективных материалов, в частности элементов энергонезависимой памяти на основе явления сегнетоэлектричества (FeRAM, ferroelectric random access memory) с деструктивным считыванием, к которому предъявляются жесткие требования к ресурсу, времени хранения информации и энергоемкости. В основе изобретения лежит способ нанесения тонкой пленки многокомпонентного оксида гафния и циркония методом атомно-слоевого осаждения из металлоорганических прекурсоров гафния Hf[N(CH3)(C2H5)]4 (ТЕМАН) и циркония Zr[N(CH3)(C2H5)]4 (TEMAZ) на нижний электрод в виде смеси из двух металлоорганических реагентов ТЕМАН и TEMAZ, подаваемой из общего прогреваемого контейнера. Повышение электрофизических характеристик сегнетоэлектрического конденсатора является техническим результатом изобретения. 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 4 пр.
Наверх