Elektro-mechanische Charakterisierung von Varistoren

Martin Stoiser

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDiplomarbeit

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Abstract

Varistorkeramiken weisen einen hoch nicht-linearen spannungsabhängigen Widerstand auf. Diese Funktionskeramiken werden in vielen Anwendungsbereichen als Überspannungsschutzelemente eingesetzt. Den Basiswerkstoff für Varistoren stellt polykristallines Zinkoxid dar, das speziell dotiert wird, sodass an den Korngrenzen negative Oberflächenladungen induziert werden und sich Elektronenbarrieren ausbilden, die als Doppel-Schottky-Barrieren (DSB) bezeichnet werden. Diese Potentialbarrieren limitieren den Stromfluss und sind für den Varistor-typischen Schaltvorgang verantwortlich. Die Strom-Spannungs-Charakteristik wird außerdem durch piezoelektrisch induzierte Ladungen an den DSB beim Aufbringen von mechanischer Spannung beeinflusst (i.e. „piezotronischer“ Effekt). In dieser Arbeit wurde einerseits die Änderung des elektrischen Verhaltens unter Einwirkung von uniaxialer mechanischer Druckspannung an Multilayer-Varistoren (MLV) mit einer Bauteilgröße von unter 1 mm untersucht. Hierbei wurden verschiedene geometrische Anordnungen in Bezug auf die Orientierungen des elektrischen Feldvektors und der angelegten Druckkraft geprüft, um die Auswirkungen des piezoelektrischen Effekts detailliert zu studieren. Andererseits wurden erstmals Mikro 4-Pol-Messungen mit anliegenden Zug- und Druckspannungen an einzelnen Zinkoxid-Korngrenzen durchgeführt. Aus MLV hergestellte Dünnschliffe wurden auf Biegebalken aufgeklebt, um ihnen mit Hilfe eines Mikro 4-Punkt-Biegeauflagers eine mechanische Zug- beziehungsweise Druckspannung aufzuprägen. Die makroskopischen Druckversuche an MLV-Proben zeigen Verschiebungen der charakteristischen Strom-Spannungs-Kennlinien sowie Veränderungen der natürlichen Asymmetrie. Dieser Befund ist auf den „piezotronischen“ Effekt zurückzuführen. Die direkten mikroskopischen Untersuchungen an einzelnen Korngrenzen bestätigten die beobachteten Effekte. Die Richtung der unter Druckspannungen gemessenen Verschiebungen der Kennlinien kehrt sich bei aufgebrachten Zugspannungen um.
Titel in ÜbersetzungElectro-mechanical characterisation of ZnO-Varistors
OriginalspracheDeutsch
QualifikationDipl.-Ing.
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Supancic, Peter Hans, Betreuer (intern)
Datum der Bewilligung1 Juli 2016
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2016

Bibliographische Notiz

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Schlagwörter

  • Varistor
  • Doppel-Schottky Barrieren
  • Überspannungsschutzelemente
  • nicht-linearer spannungsabhängiger Widerstand
  • Mikro 4-Pol Messung
  • MLV
  • Multilayer-Varistor
  • Piezoelektrizität
  • piezotronischer Effekt

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