电介质材料以及包括电介质材料的电容器制造技术

适合在电子部件中使用的电介质材料包括铁酸铋、钛酸锶和添加剂。添加剂包括钛酸钡。钛酸钡降低电介质材料的温度电容变化以及允许增大的工作电压。材料对构造电容器有用，以及特别对构造打算在高温下使用的电容器有用。还提供了包括电介质材料的电容器、制造电介质材料和电容器的方法以及添加剂的使用，用以提高电容器的寿命和/或减小电容器的耗散因数。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及电介质材料、包括电介质材料的电容器以及制造电介质材料和电容器的方法。
技术介绍
在某些应用中，尤其在汽车、航空航天以及石油和天然气行业内使用的电容器可能常规地暴露于高达200℃的温度。常规电容器的电容随着温度显著地变化，使得它们不适合在高温环境中使用。因此，提供具有提高的高温性能的电容器是合乎需要的。电容还可以随所施加的电压而变化。例如，当施加电压时，具有100nF标称电容的常规电容器实际上可能在仅20nF下工作。提供对所施加的电压的影响具有降低的灵敏度的电容器是合乎需要的。低耗散因数(或者损耗)是电容器的有用特性(尤其在用于AC应用时)。然而，该性质通常被局限于低电容C0G型电容器并且在较高电容X7R或者X8R范围中不可用。已经为提供在高温下具有提高的性能的电容器进行了各种尝试。国际专利申请公开号WO2013/144637提供了包括由高能量密度电介质材料形成的间隔元件的高容量电容器。电介质材料包括掺杂的铁酸铋。掺杂剂包括锶和钛。掺杂剂具有增大铁酸铋的饱和极化与剩余极化之间的差以及减少电荷泄漏的作用，使得铁酸铋成为用于高能量密度电容器的合适材料。掺杂的铁酸铋呈现良好的温度稳定性。为了提高常规电容器的可靠性也进行了各种尝试。国际专利申请公开号WO2013/186172提供包括第一和第二部件的电容结构，至少一个部件包括多个电容性电介质层，每个层布置在不同极性的电极之间，其中第一和第二部件布置在由应力减小层分隔的叠层中，该应力减小层具有带开放网孔的支撑结构，在该开放网孔中，空气作用以减小裂纹穿过应力减小层的传递性。本专利技术旨在提供具有提高的效率、较低损耗和对温度以及所施加的电压灵敏度较小的电容器。
技术实现思路
在一个方面中，本专利技术提供了根据权利要求1所述的电介质材料。电介质材料适合于在电子部件中使用。电介质材料包括铁酸铋、钛酸锶和添加剂。添加剂包括钛酸钡。在另一个方面中，本专利技术提供根据权利要求18所述的电容器。电容器包括第一电极、第二电极以及设置在第一电极与第二电极之间的电容性层。电容性层包括本专利技术的电介质材料。在另一个方面中，本专利技术提供了根据权利要求36所述的制造电介质材料的方法。方法包括提供粉末(powder)组成物和烧结粉末组成物以形成电介质材料。粉末组成物包括铁酸铋、钛酸锶和添加剂。至少一个添加剂包括钛酸钡。在另一个方面中，本专利技术提供了根据权利要求57所述的制造电容器的方法。方法包括提供第一电极、沉积包括粉末组成物的浆料(slurry)以用于形成电容性层、沉积第二电极以及烧结所产生的结构以形成电容器。粉末组成物包括铁酸铋、钛酸锶和添加剂。添加剂包括钛酸钡。在另一个方面中，本专利技术提供根据权利要求85所述的用途。本专利技术提供了添加剂的用途，用以提高电容器的寿命和/或减小电容器的耗散因数。添加剂是电容器的电容性层中设置的电介质材料的组分。电容性层包括钛酸锶和铁酸铋。添加剂包括钛酸钡。从下文提供的描述中，本专利技术另外的可应用区域将变得显而易见。应当理解，具体示例的详细描述尽管指示本专利技术的优选实施例，但是旨在仅用于例示目的以及不旨在限制本专利技术的范围。本专利技术的范围由所附权利要求限定。附图说明下面参照附图对本专利技术的实施例进行描述，在附图中：图1是电容器的示意图；图2是多层电容器的示意图；图3是具有应力减小层的多层电容器的示意图；图4是残余K相对于对使用一系列电介质材料构建的电容器施加的电压的曲线图；图5是电容变化相对于包括各种电介质材料的一系列电容器的温度的曲线图；图6是电容变化相对于在25℃下对使用各种电介质材料构建的一系列电容器施加的电压的曲线图；图7是随着在125℃下对使用一系列电介质材料构建的电容器施加的电压的电容变化的曲线图；以及图8示出了作为温度的函数的一系列电容器的耗散因数。具体实施方式除非另有指定，此处以及本说明书中其它地方表达的所有百分比和数量应当理解为指代重量百分比。应当理解，此处表达的数字值的测量受实验不确定性影响。数字值可以被测量到在±10％内，以及优选地在±1％内。在一个方面中，本专利技术提供适合于在电子部件中使用的电介质材料。本专利技术的电介质材料尤其非常适合于在电容器的电容性层中使用。提供具有高能量密度的电容器是合乎需要的。电容器存储电荷的能力主要受电容器中存在的电介质材料的性质主导。当材料暴露于电场时，它被极化。期望电介质材料是可高度极化的。相对介电常数K(即，材料相对于真空介电常数的介电常数)是提供材料被极化的能力的量度的无量纲参数。如此处使用的，术语“相对介电常数”和“介电常数”可互换。电介质材料理想地具有高K。材料在静电场(即，暴露于DC电流)中的相对介电常数被称为静态相对介电常数。材料在AC电场中的相对介电常数是电场的频率的函数。本文报告的K值是使用在1kHz的交流电场频率和1V的均方根电压下工作的电容计测量的。对电容器施加的电压是0V。K值可以随温度变化。除非另有指定，在本专利技术的上下文中，K值是在室温(大约20至25℃)下测量的。电容器存储电荷的能力根据所施加的电压而变化。在本专利技术的上下文中，电容器对所施加电压的响应由其残余K进行量化。通过将给定电压下的电容变化乘以0伏特下测量的K以获得残余K。残余K可以被计算如下：残余其中Cv是在每微米V伏特的施加电压下测量的电容器的电容，以及C0是在0伏特下测量的电容器的电容。例如，在V的施加电压下损耗其电容的50％的具有3000的K的电容器将具有1500的残余K。本专利技术的电介质材料包括铁酸铋、钛酸锶和添加剂。添加剂包括钛酸钡。在没有添加剂或者掺杂剂的情况下，铁酸铋(BiFeO3)具有高剩余极化。在电介质材料中包括钛酸锶(SrTiO3)掺杂剂降低剩余极化，以及由此提高材料的能量存储能力。令人惊讶地，已经发现，包括钛酸钡(BaTiO3)还增强电介质材料的性质。特别地，钛酸钡降低材料的温度电容变化以及允许增大工作电压。包括钛酸钡可以使得材料与X7R或者X8R规范的要求一致。如此处使用的，如由EIA定义术语X7R和X8R。X7R电容器将其电容维持在其室温值的15％内直到125℃。X8R电容器在150℃下将其电容维持在其室温值的15％内。本专利技术的电介质材料可以是陶瓷材料。可以根据材料的期望使用选择材料中存在的铁酸铋、钛酸锶和添加剂的量。应当相信，改变添加剂的相对量将影响电介质材料对温度变化的响应。可以通过构建包括电介质材料的电容器以及根据温度测量电容器的电容以研究温度响应。钛酸锶按重量可以存在于材料中的量的范围为45％至75％以及优选地为55％至65％。铁酸铋按组成物的重量可以存在于材料中的量为至少5％，按重量可以存在于材料中的量的范围优选地为10％至50％以及最优选地为20％至30％。钛酸钡按重量可以存在于材料中的量上至50％。优选地，钛酸钡按重量存在于材料中的量的范围为5％至25％以及更优选地为18％至22％。本专利技术的电介质材料可选地包括一个或者多个另外的添加剂。锰是特别优选的另外的添加剂。已经发现锰进一步地增强电介质材料的性质。锰按重量可以存在于材料中的量为至少0.1％，以及按重量可以存在于材料中的量的范围优选地为0.25％至0.75％、更优选地为0.4％至0.6％。最优选地，锰按重量存在的量为大约0.5％。锰的形式可选本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适合在电子部件中使用的电介质材料，所述电介质材料包括铁酸铋、钛酸锶和添加剂，其中所述添加剂包括钛酸钡。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.02.21 GB 1403117.31.一种适合在电子部件中使用的电介质材料，所述电介质材料包括铁酸铋、钛酸锶和添加剂，其中所述添加剂包括钛酸钡。2.根据权利要求1所述的电介质材料，还包括锰。3.根据权利要求2所述的电介质材料，其中所述锰按重量存在于材料中的量的范围为0.1％至0.75％。4.根据权利要求3所述的电介质材料，其中所述锰按重量存在于材料中的量的范围为0.4％至0.6％。5.根据前述权利要求中的任一项所述的电介质材料，还包括从X7R和X8R添加剂中选择的一种或者多种添加剂。6.根据前述权利要求中的任一项所述的电介质材料，还包括稀土金属。7.根据权利要求6所述的电介质材料，其中所述稀土金属是钕。8.根据权利要求6或者权利要求7所述的电介质材料，其中所述稀土金属按重量存在于材料中的量的范围为0.2％至1.5％。9.根据前述权利要求中的任一项所述的电介质材料，还包括从钴、镁、锌、硼、钙、硅和铌中选择的一种或者多种组分。10.根据前述权利要求中的任一项所述的电介质材料，其中所述添加剂按重量存在于材料中的量上至50％。11.根据权利要求10所述的电介质材料，其中所述添加剂按重量存在于材料中的量的范围为5％至25％。12.根据权利要求11所述的电介质材料，其中所述添加剂按重量存在于材料中的量的范围为18％至22％。13.根据前述权利要求中的任一项所述的电介质材料，其中所述钛酸锶按重量存在于材料中的量的范围为45％至75％。14.根据权利要求13所述的电介质材料，其中所述钛酸锶按重量存在于材料中的量的范围为55％至65％。15.根据前述权利要求中的任一项所述的电介质材料，其中所述材料在1kHz的频率下的交流电场中所测量的在0V的施加电压下的K至少是1000。16.根据权利要求15所述的电介质材料，其中所述材料的K的范围为1100至1300。17.一种基本上如上文中参照示例描述的电介质材料，所述电介质材料不包括对比示例。18.一种电容器，包括第一电极、第二电极以及设置在所述第一电极与所述第二电极之间的电容性层，其中所述电容性层包括根据前述权利要求中的任一项所述的电介质材料。19.根据权利要求18所述的电容器，其中所述电容器是多层电容器。20.根据权利要求19所述的电容器，其中所述电容器包括20至300个电极。21.根据权利要求20所述的电容器，其中所述电容器包括20至100个电极。22.根据权利要求18至21中的任一项所述的电容器，包括设置在所述电极中的至少一个电极上的端接材料，其中所述端接材料包括银和环氧聚合物。23.根据权利要求18至22中的任一项所述的电容器，其中所述电容性层具有在10μm至200μm的范围中的厚度。24.根据权利要求23所述的电容器，其中所述电容性层的厚度的范围为20μm至70μm。25.根据权利要求18至24中的任一项所述的电容器，其中所述电容器具有小于或者等于3％的耗散因数。26.根据权利要求25所述的电容器，其中所述电容器具有小于或者等于1％的耗散因数。27.根据权利要求26所述的电容器，其中所述电容器具有小于或者等于0.4％的耗散因数。28.根据权利要求27所述的电容器，其中所述电容器具有小于或者等于0.2％的耗散因数。29.根据权利要求18至28中的任一项所述的电容器，其中所述电容器在-55℃至200℃的范围内具有小于或者等于30％的电容温度系数。30.根据权利要求29所述的电容器，其中所述电容器在-55℃至200℃的范围内具有小于或者等于25％的电容温度系数。31.根据权利要求30所述的电容器，其中所述电容器在-55℃至200℃的范围内具有小于或者等于20％的电容温度系数。32.一种基本上如上文中参照示例描述的电容器，所述电容器不包括对比示例。33.根据权利要求18至32中的任一项所述的电容器，其中所述电容器可操作地链接到电动机。34.根据权利要求18至33中的任一项所述的电容器，其中所述电容器可操作地链接到集成电路。35.根据权利要求18至34中的任一项所述的电容器，其中所述电容器是X7R或者X8R电容器。36.一种制造电介质材料的方法，包括：a.提供粉末组成物；以及b.烧结所述粉末组成物以形成所述电介质材料，其中所述粉末组成物包括铁酸铋、钛酸锶和添加剂，以及其中所述添加剂包括钛酸钡。37.根据权利要求36所述的方法，其中所述粉末组成物包括：第一陶瓷材料的第一粉末，其中所述第一陶瓷材料包括铁酸铋和钛酸锶；以及第二陶瓷材料的第二粉末，其中所述第二陶瓷材料包括铁酸铋和至少一种掺杂剂。38.根据权利要求37所述的方法，其中所述至少一种掺杂剂包括稀土金属。39.根据权利要求37或者38所述的方法，其中所述至少一种掺杂剂包括钴、镁、锌、硼、钙、硅和铌中的一个或者多个。40.根据权利要求37至39中的任一项所述的方法，其中所述第二陶瓷材料是X7R材料或者X8R材料。41.根据权利要求36至40中的任一项所述的方法，其中在950℃至1150℃的范围中的温度下实施步骤b。42.根据权利要求36至41中的任一项所述的方法，其中所述粉末组成物具有由激光衍射光谱法所测量的范围在0.2μm至20μm中的平均颗粒直径。43.根据权利要求36至42中的任一项所述的方法，其中钛酸钡按重量存在于所述粉末组成物中的量上至50％。44.根据权利要求43所述的方法，其中钛酸钡按重量存在于所述粉末组成物中的量的范围为5％至25％。45.根据权利要求44所述的方法，其中钛酸钡按重量存在于所述粉末组成物中的量的范围为18％至22％。46.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：K·埃尔伯森，A·埃尔莫，
申请(专利权)人：赛飞尔科技有限公司现诺尔斯英国有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB