ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КОНДЕНСАТОР Российский патент 2005 года по МПК H01G7/06 

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 - ε_η оказывается значительно выше таковых для материала носителя ε_c и материала частиц ε_p, 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 ε_η:

(ε_η-1)/(ε_η+2)=[(ε_c-1)/(ε_c+2)]+η{(ε_p-1)/1+n(ε_p-1)]-[(ε_c-1)/1+n(ε_с-1)]}/3,

где 0<n<1 - это фактор деполяризуемости частиц, зависящий от соотношения их длин полуосей. Результаты расчета, где С_η - электроемкость предлагаемого конденсатора, приведены на фиг.2, где Р=С_η/С₀ε_р, 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 ε_c=800, а активным началом являются наночастицы сегнетоэлектрика с ε_p=1500. В этом случае согласно расчетам, приведенным на фиг.3, Р=С_η/С₀ε_р 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 ε_с=11,4, а активным началом являются наночастицы сегнетоэлектрика с ε_p=30-500 (например, BaTiO₃). В этом случае согласно расчетам, приведенным на фиг.4, Р=C_η/C₀ε_p 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 ε_c=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.

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.

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%.