ПЛЕНОЧНЫЙ КОНДЕНСАТОР
FILM CAPACITOR

Изобретение относится к электротехнике, а более конкретно, к композитным пленочным электролитическим конденсаторам, слои которых имеют существенные отличия по составу и физической структуре, в комбинации с твердыми полупроводниковыми электродами, например, оксидами, которые получают вакуумным распылением материалов с использованием высокочастотного разряда тока.
Уровень данной области техники характеризует изобретение по патенту RU 2391442 С1, С23С 14/28, H01G 9/045, 2010 г., где описан способ получения анодной фольги с твердым электролитом из проводящего полимера, образующими пленочный конденсатор.
9
15
-3
На поверхности алюминиевой фольги (подложки) нанесен пористый слой нитрида вентильного металла, преимущественно нитрида титана, посредством электронно-лучевого испарения металла в атмосфере азота или в смеси азота с инертными газами, который затем в вакуумной камере окисляется при непрерывной подаче алюминиевой подложки в плазме с плотностью 10-10 см стационарного или импульсного магнетронного разряда и/или высокочастотного разряда.
Для формирования анодного покрытия диоксида титана толщиной не более 10 мкм покрытие нитрида титана окисляется в среде кислорода или углекислого газа посредством плазмы, формируемой системой дуальных магнетронов (стационарного и импульсного) и генератор ВЧ-плазмы.
В результате воздействия плазмы происходит полное объемное окисление слоя нитрида титана, причем поры внутри слоя уплотняются, в то время как поверхность пленки остается высокоразвитой с большой степенью шероховатости.
Обработанная анодная фольга обладает высокой удельной емкостью за счет большой удельной поверхности и выдерживает большие пробойные напряжения в результате уплотнения внутренней структуры пленки.
Открытая высокопористая поверхность вентильного металла обеспечивает доступность для заполнения электролитом при формировании пленочного конденсатора.
Возникающий при этом между примыкающими средами (анодом и катодом в виде твердого электролита) двойной электрический слой образует непроводящий «диэлектрик».
Недостатком известного технического решения является относительно низкая емкость описанного пленочного конденсатора, ограниченная его неразвитой структурой и геометрическими параметрами рабочей поверхности.
Более совершенным является пленочный конденсатор по патенту RU 2402830 С1, H01G 4/33, В82В 1/00, 2009 г., который по технической сущности и числу совпадающих признаков выбран в качестве наиболее близкого аналога предложенному.
Известный пленочный конденсатор содержит многослойную анодную фольгу с высокоразвитой поверхностью, на которой адгезионно закреплена оболочка диэлектрика, покрытая твердым электролитом.
В слое электролита толщиной 2-10 нм диспергированы кластеры металла размером 0,5-50 нм, при этом между анодной фольгой и слоем твердого электролита размещено, как минимум два слоя диэлектрика, разделенных прослойкой из кластеров металла, причем слой диэлектрика сформирован осаждением кластеров металла из гидрозоля посредством импульсных дуговых разрядов последовательно кластеров серебра и кластеров алюминия и/или титана в требуемом массовом соотношении, которые затем на поверхности оболочки окисляют для формирования диэлектрического раздела, обеспечивающего рабочее напряжение пленочного конденсатора.
Известный пленочный конденсатор за счет улучшения механических характеристик, пластичности и адгезионной прочности монолитных соединений структурных составляющих прослоек имеет повышенную удельную емкость и напряжение функционирования порядка 0,6 В.
Однако дальнейший рост удельной емкости известного пленочного конденсатора ограничен закономерностями электротехники, что ограничивает его практическое использование и является недостатком конструкции.
Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является усовершенствование конструкции многослойного пленочного конденсатора для повышения показателей его назначения.
Требуемый технический результат достигается тем, что в известном пленочном конденсаторе, содержащем токосъемник - алюминиевую фольгу, поверхность которой через барьерный слой развита посредством электродного материала из губчатого вентильного металла, пропитанного электролитом, согласно изобретению, электродный материал выполнен многослойным, каждый композитный слой которого представляет собой пленочную основу с рифлениями 50-100 нм из губчатого титана толщиной 50-100 мкм, несущую на поверхности локальные шипы из нанокластеров вентильного металла для электроконтакта в примыкании между собой, при этом, начиная со второго, слой губчатого титана выполнен со сквозными порами размером 0,3-5 мкм суммарным объемом не менее 10-15% объема слоя.
Особенностью предложенной конструкции пленочного конденсатора является то, что конформный слой пористого титана с барьерным слоем на поверхности токосъемника связан гетеропереходом из композитных наночастиц, а барьерный слой на поверхности алюминиевой фольги выполнен из нитрида титана или алмазоподобного нанослоя из аморфного углерода α-С:Н, которые связаны между собой посредством адгезионной прослойки, образованной противным распределением материалов примыкающих слоев, взаимно дополняющих друг друга по толщине.
Отличительные признаки предложенного технического решения обеспечили заметное повышение удельной емкости пленочного конденсатора, изготавливаемого при использовании известных в нанотехнологии приемов и операций для практической реализации новой структуры, взаимосвязей и формы многослойного компактного пленочного конденсатора с улучшенными показателями назначения.
Пленочный многослойный конденсатор содержит в качестве токосъемника алюминиевую фольгу, на рабочую поверхность которой, предварительно очищенную и активированную посредством ионной обработки, нанесен через прослойку барьерного нанослоя из нитрида титана или аморфного углерода слой губчатого вентильного металла, предпочтительно титана.
Это необходимо потому, что рифленая поверхность алюминиевой фольги химически нестойка по отношению к электролиту и, вступая с ним в реакцию, динамично сокращает функциональность пленочного конденсатора, что не обеспечивает практический срок его эксплуатации по назначению.
Барьерный слой между алюминиевой фольгой (токосъемником) и функциональным электродным материалом из губчатого титана, имеющего высокоразвитую поверхность, предотвращает их химическое взаимодействие и электрический контакт.
Выполнение электродного материала многослойным из примыкающих друг к другу суперпористых рифленых пленок губчатого титана, которые посредством локальных токопроводящих шипов из нанокластеров вентильного металла (титана, меди, серебра) электрически связаны между собой и образует монолитную слоистую структуру, характеризующуюся повышенной электроемкостью, которая прямо пропорционально зависит от площади и обратно пропорционально от толщины каждого функционального слоя суперпористого титана.
Рифления пленок губчатого титана дополнительно увеличивают их рабочую поверхность и служат для размещения на них электроконтактных металлических шипов из нанокластеров титана.
При высоте рифлений каждого функционального слоя губчатого титана в электродном материале меньше 50 нм не достигается необходимое значение удельной емкости пленочного конденсатора.
Выполнение рифлений поверхности слоев губчатого титана высотой больше 100 нм технологически неоправданно, так как при этом необходимо полностью закрывать обрабатываемую поверхность губчатым титаном.
При толщине каждого слоя губчатого титана меньше 50 мкм кратно снижается емкость электродного материала, которая заметно не превышает емкости пленочного конденсатора-аналога.
При толщине слоев в электродном материале из губчатого титана больше 100 мкм возможно «зарастание» пор, в результате чего ухудшается качество пропитки электродного материала электролитом и снижается его удельная поверхность.
Электроперемычки, шунтирующие примыкающие прослойки электродного материала, выполнены осаждением из гидрозоля нанокластеров хорошо проводящих металлов, которые локально концентрируются и распределяются по поверхности, образуя рост электропроводящих шипов.
Электроконтакт между нанопленками губчатого титана позволяет выполнить функциональный слой электродного материала пленочного конденсатора с многократно развитой поверхностью, что способствует повышению его показателей назначения.
Выполнение слоев электродного материала из губчатого титана, начиная со второго, со сквозными порами необходимо для протекания насквозь электролита при пропитке, чтобы обеспечить электрическое замыкание всех его слоев, образующих при этом функциональную монолитность.
Каждый слой губчатого титана, имеющий сквозные поры, позволяет повысить качество пропитки электролитом за счет перепада давления над поверхностями обрабатываемой фольги, что обеспечивает возможность использования для пропитки многослойного электродного материала твердым электролитом.
Экспериментально установлено, что оптимальным поперечным размером сквозных пор в слоях губчатого титана является диапазон 0,3-5 мкм, при котором достигается максимальная величина удельной поверхности слоя и его удельной емкости.
Суммарный объем сквозных пор в слоях губчатого титана составляет не менее 10-15% объема материала слоя для того, чтобы гарантированно обеспечить электрическую связь между ними в моноструктуре электродного материала для получения максимальной емкости пленочного конденсатора.
При заполнении пропиткой пор прослоек губчатого титана электролитом на границе раздела титан-электролит возникает двойной электрический слой, обеспечивающий электропроводность электродного материала в целом.
Связь нанослоев губчатого титана посредством локальных шипов из кластеров металлического титана снижает внутреннее сопротивление пленочного конденсатора.
Отсутствие сквозных пор в слое губчатого титана, примыкающем к барьерному слою из нитрида титана или аморфного углерода, дополнительно предотвращает электрический контакт между токосъемником (алюминиевой фольгой) и электролитом.
Особенностью выполнения предложенного пленочного конденсатора является высокое качество бесшовного соединения примыкающих слоев барьерного и алюминиевой фольги за счет формирования адгезионной прослойки, в которой содержание каждого составляющего материала плавно изменяется от 100% на соединяемой поверхности до нуля на противной поверхности.
Это обеспечивает химическую защиту токосъемника из алюминиевой фольги от взаимодействия с электролитом и стабилизирует поровое пространство губчатого титана, предотвращая электромиграцию алюминия в процессе работы пленочного конденсатора.
При осаждении вентильного металла на поверхность барьерного слоя технологически обеспечивается формирование гетероперехода из кластеров титана и нитрида титана (аморфного углерода), прорастающих друг в друга с образованием композитного материала, по границам раздела которого возникает двойной электрический слой противного потенциала, что существенно увеличивает силы адгезии, стабилизируя геометрию развитой поверхности информационной матрицы изделия в целом.
Альтернативное использование алмазоподобного нанослоя из аморфного углерода α-С:Н в качестве барьера на поверхности токосъемника обосновано расширением технологических возможностей за счет того, что на поверхности пленки толщиной 5-50 нм создаются высокоразвитые геометрический и энергетический рельефы, обеспечивая насыщение избыточной энергией, что повышает адгезию на два порядка.
Этот барьерный слой содержит аморфную фазу углерода α-С, характеризующуюся структурой с координационным числом 4, подобно алмазу, что позволяет квалифицировать его как алмазоподобный.
Нанослой на основе аморфного углерода обладает полупроводниковыми свойствами, а токосъемник с алмазоподобным слоем покрытия получает двукратное увеличение электрической прочности, при этом объемная проводимость модифицированной алюминиевой фольги увеличивается вдвое.
Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их совокупность в устойчивой взаимосвязи являются достаточными для достижения новизны качества, неприсущего признакам в разобщенности, то есть поставленная в изобретении техническая задача решена не суммой эффектов, а новым сверхэффектом суммы признаков.
Сущность изобретения поясняется чертежом, который имеет чисто иллюстративную цель и не ограничивает объема притязаний совокупности существенных признаков формулы.
На чертеже схематично изображены:
на фиг.1 - фрагмент продольного сечения пленочного конденсатора;
на фиг.2 разрез по А-А на фиг.1;
на фиг.3 - вид Б на фиг.2.
Предложенный пленочный конденсатор представляет собой многослойную структуру, где слои последовательно конформно соединены в монолитном единстве:
1 - алюминиевая фольга - несущая подложка;
2 - барьерный слой из нитрата титана или аморфного углерода;
3 - суперпористый слой губчатого титана;
4 - шипы из кластеров вентильного металла;
5 - сквозные поры в функциональных слоях электродного материала;
6 - электролит.
Многослойный пленочный конденсатор изготавливают по рулонной технологии в смонтированных на общей станине и связанных шлюзовыми камерами вакуумных модулях, оснащенных блоком электропитания ионных источников, магнетронных систем, устройством вакуумирования и приводом перемотки обрабатываемой бесконечной алюминиевой ленты.
Обрабатываемая при непрерывной подаче в технологическом оборудовании основа пленочного конденсатора - алюминиевая фольга 1 имеет развитую поверхность в виде рифлений, сформированных посредством ионной бомбардировки, обеспечивающих фактор развития в диапазоне 100-1000 раз.
Нанесение пленочного слоя нитрида титана на алюминиевую фольгу 1 осуществляется в вакуумной камере путем электролучевого испарения титанового электрода в атмосфере азота или смеси азота с аргоном, для создания барьерного нанослоя 2, который служит для химической защиты токосъемника пленочного конденсатора.
Альтернативно барьерный слой 2 может быть изготовлен из паров циклогексана плазменным осаждением на рифленую поверхность алюминиевой фольги 1 в форме покрытия толщиной 5-50 нм аморфного углерода sp-гибридизированного состояния, представляющего собой алмазоподобный (α-С:Н) адгезионный слой. Этот потенциальный барьер, взаимодействующий с губчатым титаном покрывающего слоя 3, образует двойной электрический слой противного потенциала, что существенно увеличивает силы адгезии, стабилизируя геометрию развитой поверхности токосъемника 1.
-3
Для получения слоя 3 губчатого титана с порами диаметром от десятков нанометров до микрометров в изолированном вакуумном объеме устанавливается давление 6×10 мм рт.ст., при изменении состава газовой смеси за счет добавления 30-40 об.% кислорода.
Напряжение разряда ионного источника при этом составляет 3,0-4,5 кВ, а ток разряда 250-400 мА, в результате чего происходит напыление титана, атомы которого конденсируются на подложке, формируя тонкий пористый слой 3 толщиной до 100 нм.
Растущий пористый слой 3 осаждаемого губчатого титана обрабатывается ионами аргона и кислорода, в результате чего создается гетеропереход в виде наноструктурной композиции, включающей атомы нитрида титана (аморфного углерода) и губчатого титана, проросшие друг в друга. При этом структурные наночастицы гетероперехода между собой образуют геометрическое замыкание, по границам раздела которого возникает двойной электрический слой противного потенциала, что существенно увеличивает силы адгезии, стабилизируя геометрию развитой поверхности токосъемника 1, которая служит информационной матрицей изделия в целом.
Рифления поверхности алюминиевой фольги 1, кроме прямого развития ее площади, выполняют функции так называемой информационной матрицы, с помощью которой формируются конформные слои структуры осаждаемых компонентов покрытия с адекватным развитием поверхностей, что в сумме не менее чем на порядок увеличивает фактор развития поверхности - отношение фактической площади поверхности к ее геометрической площади, что в конечном итоге служит улучшению электрофизических свойств изделия в целом.
Ионно-уплотненный гетеропереход обеспечивает высокую адгезию соединения примыкающих слоев 1-2 и служит барьером, предотвращающим миграционные процессы.
Полученный электродный полуфабрикат далее обрабатывается в специальной ванне с гидрозолем кластеров вентильных металлов, в частности титана, размером 10-50 нм, взвешенных в дистиллированной воде или воде с добавлением ПАВ.
На проводящий слой электродного полуфабриката подается напряжение и посредством воздействия импульсных дуговых разрядов из гидрозоля на рифленую поверхность слоя 3 губчатого титана локально осаждаются кластеры титана, формируя шипы 4 в качестве шунтирующих перемычек.
Далее проводят осаждение губчатого титана, последовательно формируя покрывайте пористые слои 3 электродного материала толщиной от 0,05 до 30 мкм, имеющие радиационные дефекты в форме сквозных пор 5 размером 0,3-5 мкм, суммарный объем которых составляет не менее 10-15% объема материала.
Поры равно распределены в объеме последовательно формируемых слоев 3, причем сквозные поры 5 формируются специальными технологическими приемами, режимами ионно-лучевых потоков от излучателей в среде смеси азота и кислорода, параметры которых выходят за рамки описываемого технического решения и составляют предмет ноу-хау.
Наличие объемной пористости и создание ионной обработкой радиационных дефектов в слоях 3 губчатого титана приводит к повышению электрохимической активности многослойного электродного материала, который легко подвергается электрохимическому оксидированию.
Для создания пленочного конденсатора, как самодостаточного электротехнического устройства, сформированный электродный материал пропитывается электролитом, в том числе твердым.
Технология получения многослойного пленочного конденсатора, электролит которого покрывает объемно-пористый электродный материал и распределен в его конформно примыкающих слоях из губчатого титана, последовательно нанесенных на развитую поверхность токосъемника из алюминиевой рифленой фольги, которые связанны с барьерным слоем соответственно через структурно дифференцированную адгезионную прослойку и композитный гетеропереход, отработана в опытой установке и пригодна для промышленного использования.
Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого изобретение явным образом не следует для специалиста по электротехнике, показал, что оно неизвестно, а с учетом возможности промышленного серийного изготовления пленочных конденсаторов по рулонной технологии, можно сделать вывод о соответствии критериям патентоспособности.