DE2631776A1

DE2631776A1 - Elektrischer kondensator

Info

Publication number: DE2631776A1
Application number: DE19762631776
Authority: DE
Inventors: Peter Michael Dr Rer Nat Hille
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1976-07-15
Filing date: 1976-07-15
Publication date: 1978-01-19
Also published as: JPS5330767A; DE2631776B2; FR2358739A1; GB1540332A; FR2358739B1; DE2631776C3

Description

Standard Elektrik Lorenz AG
Stuttgart

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Elektrischer Kondensator

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Kondensator mit mindestens einem auf einer Unterlage angeordneten und mit dieser verbundenem porösen Körper oder einer porösen Schicht aus Ventilmetall.

Es sind bereits seit langem elektrische Kondensatoren bekannt, die zur Erzielung einer großen Volumenkapazität poröse Körper aus Ventilmetall enthalten, bei denen auf der ganzen äußeren und inneren Oberfläche durch elektrische Formierung eine dielektrische Oxidschicht erzeugt ist. Die zweite Belegung von solchen Kondensatoren wird durch einen flüssigen oder festen Elektrolyten gebildet. Der elektrische Anschluß an den porösen Körper aus Ventilmetall, wie z.B. aus Aluminium, Tantal, Niob usw., wird in der Regel dadurch erhalten, daß ein entsprechender Draht in den Körper mit eingesintert wird. Schwieriger ist die Herstellung des Kathodenanschlusses, der die elektrische Verbindung zu dem festen oder flüssigen Elektrolyten herstellt. Bei Verwendung eines flüssigen Elektrolyten ist ein flüssigkeitsdichter Behälter erforderlich, der meist aus Metall besteht und den Kathodenanschluß selbst darstellt.

Der elektrische Anschluß zu dem porösen Körper aus Ventilmetall muß dann flüssigkeitsdicht und elektrisch isoliert aus dem Behälter herausgeführt sein. Bei elektrischen Kondensatoren mit sogenanntem festen Elektrolyten, der meist

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aus einem leicht Sauerstoff abgebenden Metalloxid, wie Mangandioxid, besteht, wird der elektrische Anschluß über eine Schichtenfolge von Kohlenstoff, Leitsilber und Lötmetall vorgenommen. Diese Schichten sind durchweg sehr brüchig, so daß nicht nur die Gefahr einer mechanischen Zerstörung, sondern auch eines großen Übergangswiderstandes gegeben ist.

Man hat bei elektrischen Kondensatoren mit einem porösen Körper aus Ventilmetall den porösen Körper auch schon auf einer Unterlage aufgebracht oder direkt durch Aufsintern auf dieser erzeugt. Als Unterlage wird in der Regel ein Blech aus dem gleichen Ventilmetall verwendet, aus dem auch der poröse Körper besteht. Der" metallische Träger bildet dann gleichzeitig den elektrischen Anschluß zum Ventxlmetallkörper. Der elektrische Anschluß zum festen Elektrolyten muß dann gleichfalls am porösen Ventilmetallkörper isoliert von der Unterlage angebracht werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, elektrische Kondensatoren mit einem porösen Körper oder einer porösen Schicht aus Ventilmetall dadurch zu verbessern, daß der 'Kathodenanschluß elektrisch isoliert von dem porösen Ventxlmetallkörper aber mechanisch starr mit ihm verbunden angeordnet wird.

Diese Aufgabe wird bei einem elektrischen Kondensator der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der poröse Körper oder die poröse Schicht aus Ventilmetall auf einer Unterlage aus einem porösen Körper aus wärmebeständigem Isolierstoff angeordnet ist.

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Ein solcher poröser Körper aus wärmebeständigem Isolierstoff eignet sich dazu, in seinen Poren und auf seiner Oberfläche einen festen oder flüssigen Elektrolyten aufzunehmen. Der Kathodenanschluß kann auf einer Fläche dieses Isolierstoffkörpers elektrisch isoliert vom Ventilmetallkörper angebracht sein. Trotzdem ist aber der Ventilmetallkörper mit dem Kathodenanschluß durch den porösen Isolierstoffkörper mechanisch starr verbunden. Hierdurch ergibt sich nicht nur ein mechanisch guter Anschluß für die Kathode des Kondensators, sondern auch ein sehr raumsparender und einfacher Aufbau, so daß ein besonderes Gehäuse in der Regel entfallen kann. Außerdem wird der Kathodenanschluß auf dem porösen Körper aus Isolierstoff mechanisch fest gehalten, so daß bei Verwendung von festen Elektrolyten die Gefahr einer Erhöhung des Übergangswiderstandes oder des Abblätterns der Elektrodenschicht entfällt.

Auch das Herstellungsverfahren von solchen Kondensatoren wird dadurch wesentlich verbessert, da der Sinterkörper aus Ventilmetall während seiner Behandlung zur Herstellung der Schichtenfolge von dielektrischer Sohieht und der Schicht des festen Elektrolyten mittels des Körpers aus Isolierstoff in einfacher Weise gehalten und gehandhabt werden kann. Aber auch elektrische Kondensatoren mit einem flüssigen Elektrolyten lassen sich dadurch wesentlich verein- fachen, da der flüssige Elektrolyt leicht in die Poren des Isolierstoffkörpers eingebracht werden kann und außer einer schützenden Umhüllung für den Kondensator ein besonderes Kondensatorgehäuse nicht erforderlich ist.

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Der poröse Körper aus wärmebeständigem Isolierstoff hat vorzugsweise eine Porosität von mindestens 30 %. Er besteht vorzugsweise aus Keramik oder Aluminiumoxid.

Die Unterlage aus Isolierstoff für den porösen Körper aus Ventilmetall kann verschiedene Formen haben.

Für Kondensatoren von besonders flacher Bauweise eignet sich besonders eine Unterlage in Form einer ebenen Platte. Auf dieser Platte können auf einer oder auf beiden gegenüberliegenden Seiten auch mehrere voneinander getrennte poröse Körper oder Schichten aus Ventilmetall angeordnet sein. Diese Platte kann nach der Fertigstellung der Kondensatoren in einzelne Einheiten unterteilt werden, in manchen Fällen wird es aber vorteilhaft sein, mehrere Kondensatoren auf einer einzigen Unterlage zu belassen, die dann in der erforderlichen Weise miteinander elektrisch verbunden werden. Wenn zwei Körper oder Schichten auf einer gemeinsamen Unterlage aus Isolierstoff angeordnet sind, so werden diese durch die beide umgebende Schicht aus festem Elektrolyten oder durch den in der porösen Isolierschicht enthaltenen flüssigen Elektrolyten derart miteinander verbunden, daß sich eine bipolare Kondensatoreinheit ergibt.

Die Unterlage aus porösem Isolierstoff kann aber auch eine andere Form haben. So kann sie als zylindrischer langge- streckter Körper ausgebildet sein, also in Form eines Stabes, der nach Erzeugung verschiedener Kondensatoreinheiten ebenfalls in einzelne Elemente unterteilt werden kann.

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Die zylindrische Form der porösen Isolierstoffunterlage kann aber auch als Rohr ausgebildet sein, so daß sich der poröse Körper aus Ventilmetall im Inneren des Rohres befindet, und so die Unterlage aus Isolierstoff gleichzeitig eine mechanische Umhüllung und einen Schutz für den porösen Körper aus Ventilmetall bildet.

Zur Erzielung einer besonders großen Oberfläche kann der poröse Körper aus Isolierstoff so ausgebildet sein, daß er im Querschnitt einspringende Winkel aufweist. Ein soleher Körper hat beispielsweise einen sternförmigen Querschnitt. Dadurch wird eine weitere Vergrößerung der Oberfläche bei kleiner Bauweise erzielt.

Der Kathodenanschluß, also der Anschluß an dem festen oder flüssigen Elektrolyten, kann auf der Unterlage aus porösem Isolierstoff in Form einer fest haftenden Schicht angeordnet sein. Besonders vorteilhaft ist es aber, in dem porösen Isolierstoffkörper eine Vertiefung oder eine Bohrung vorzusehen, in der der Kathodenanschluß in Form eines Metallstiftes, Metalldrahtes oder Bleches eingesteckt ist und da- durch noch besser mechanisch gehalten ist.

Es ist zwar bereits bekannt, in einem Sinterkörper aus Ventilmetall die Gegenelektrode in einer Vertiefung oder Bohrung mechanisch zu haltern bzw. federnd zu lagern (DT-AS 1 142 967). Im vorliegenden Falle wird aber die Elektrode nicht in dem Sinterkörper aus Ventilmetall, sondern in der Unterlage aus porösem Isolierstoff gehalten.

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Der Anschluß an dem porösen Körper aus Ventilmetall wird in der Weise erhalten, daß der Körper oder die Schicht aus Ventilmetall an einer geeigneten Stelle vor der Erzeugung der dielektrischen Oxidschicht abgedeckt wird. Nach dem Aufbringen oder der Erzeugung der halbleitenden Schicht j die den festen Elektrolyten darstellt, wird diese Abdeckung wieder entfernt, wodurch das Ventilmetall an dieser Stelle freigelegt wird, so daß dort ein elektrischer Anodenanschluß angebracht werden kann. Die Abdeckung kann beispielsweise mittels eines geeigneten härtenden Isolierstoffs erfolgen, der später durch Abschleifen oder Ablösen wieder entfernt wird.

Der Kondensator gemäß der Erfindung kann aber auch so aufgebaut sein, daß er aus einer Schicht aus porösem Ventilmetall besteht, die beidseitig von Schichten aus porösem Isolierstoff begrenzt ist. In Weiterbildung dieser Ausbildungsform kann auch eine mehrfache Folge von abwechselnden Schichten aus Isolierstoff und Ventilmetall vorgesehen sein. Bei diesen Ausführungsformen ist es vorteilhaft, den Kathodenanschluß an einer Stirnseite der Schichtenfolge aufzubringen, wobei das Ventilmetall an dieser Stirnseite durch Abschleifen freigelegt wird. In diesem Falle muß nur darauf geachtet werden, daß der Kathodenanschluß ausschließlich mit der Ventilmetallschicht in Kontakt steht und nicht mit dem in der porösen Isolierschicht vorhandenen Elektrolyten. Gegebenenfalls muß an dieser Stelle ein geeigneter Isolierstoff oberflächlich in die Poren des porösen Isolierst off körpers eingebracht werden, um zu verhindern, daß der Elektrolyt an dieser Stelle an die Oberfläche tritt.

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Der elektrische Kontakt an der Ventilmetallschicht und mit dem Elektrolyten auf der Oberfläche des Isolierstoffkörpers kann auch über geeignete Kontaktfedern erfolgen.

Zum Schutz des Kondensators kann er nach seiner Fertigstellung mit einer geeigneten Isolierschicht als Schutzhülle überzogen werden. Dies geschieht am einfachsten dadurch, daß der Kondensator und ein Teil der Anschlußdrähte in einen zunächst flüssigen und dann erhärtenden Isolierstoff getaucht wird.

Die Herstellung des Kondensators kann gemäß der Erfindung in der Weise erfolgen, daß das Ventilmetallpulver mit einem geeigneten Bindemittel vermischt auf eine poröse Unterlage aus wärmebeständigem Isolierstoff aufgebracht und anschliessend zu einem porösen Körper oder einer porösen Schicht gesintert wird.

Es ist aber auch möglich, das Ventilmetallpulver mit einem Bindemittel vermischt auf einen noch .. nicht gebrannten Körper aus dem Material der Unterlage, z.B. aus Keramikrohmasse aufzubringen und beide gemeinsam miteinander zu einem zusammenhängenden Körper zu sintern.

Dieses Verfahren, bei dem das Ventilmetallpulver und das Material der Unterlage gemeinsam gesintert werden, kann in der Weise weitergebildet werden, daß sowohl das Ventilmetallpulver, als auch das Rohmaterial für die Unterlage unter Zusatz eines Lösungs- oder Dispersionsmittels sowie eines organischen polymeren Bindemittels zu selbsttragenden

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Schichten verarbeitet werden, von denen geeignete Teile aufeinander gebracht und miteinander gesintert werden. Das Verfahren zur Herstellung von Kondensatoren aus Ventilmetallpulver unter Zusatz eines polymeren Bindemittels und eines Lösungs- oder Dispersionsmittels ist an sich aus der DT-OS 2 418 117 bekannt.

Wenn nach einem dieser Verfahren der poröse Isolierstoffkörper mit dem darauf angeordneten porösen Körper aus Ventilmetall oder der porösen Schicht aus Ventilmetall hergestellt ist, wird in üblicher Weise eine elektrische Formierung in einem geeigneten Elektrolyten zur Herstellung der dielektrischen Oxidschicht auf dem .Ventilmetallkörper vorgenommen. Dabei dringt der Elektrolyt in die Poren des porösen Isolierstoffkörpers und gelangt so auch von der Seite an den Ventilmetallkörper, wo er auf der Unterlage aufliegt. Nach der Formierungsbehandlung muß natürlich der Formierelektrolyt wieder aus den Poren des Isolierstoff körpers entfernt werden, sofern er nicht gleichzeitig der Betriebselektrolyt des Kondensators ist.

Nach Herstellung der dielektrischen Oxidschicht wird die zweite Belegung auf die Oxidschicht in Form eines geeigneten Elektrolyten aufgebracht. Zu diesem Zweck wird der ganze einstückige poröse Körper mit dem Elektrolyten getränkt. Bei Verwendung von flüssigen Elektrolyten ist es vorteilhaft, wenn die Schicht oder der Körper aus Ventilmetall beidseitig oder allseitig von dem porösen Körper aus Isolierstoff bedeckt ist.

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Zur Erzeugung einer Schicht von festen Elektrolyten kann beispielsweise in an sich bekannter Weise die Anordnung in eine wässrige Lösung aus Mangannitrat getaucht und durch Erhitzen des Mangannitrats in den Poren zu Mangandioxid zersetzt werden. Es bildet sich dann eine zusammenhängende Schicht aus Mangandioxid, sowohl auf der inneren als auch auf der äußeren Oberfläche der porösen Körper aus Ventilmetall und aus Isolierstoff.

Der elektrische Kontakt zu dem Elektrolyten wird in der oben beschriebenen Weise durch eine geeignete leitende Schicht auf dem Isolierstoffkörper oder durch einen Leiter, der in eine Vertiefung oder Bohrung des Isolierstoffkörpers eingesteckt ist, hergestellt.

In der Zeichnung sind schematisch Ausführungsbeispiele für elektrische Kondensatoren gemäß der Erfindung dargestellt.

Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Kondensator mit einer plattenförmigen Isolierstoffunterlage;

Figur 2 zeigt drei verschiedene Querschnittsformen von Isolierstoffkörper und Ventilmetallschicht;

Figur 3 zeigt im Schnitt und in Draufsicht eine andere Ausführungsform für einen Kondensator gemäß der Erfindung.

Der im Schnitt dargestellte Kondensator nach Figur 1 besteht aus einer plattenförmigen Unterlage 1 aus porösem

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Isolierstoff, auf der eine poröse Ventilmetallschicht 2 angeordnet ist. Die Ventilmetallelektrode k ist in Form einer leitenden Schicht auf der Ventilmetallschicht 2 angeordnet und zwar dort, wo diese nicht mit einer dielektrisehen Oxidschicht und einer Halbleiterschicht 3 bedeckt ist. Die Halbleiterelektrode 5 ist in Form einer leitenden Schicht auf der Halbleiterschicht 3 angeordnet und zwar dort, wo diese direkt auf der porösen Unterlage 1 aufliegt. Zur besseren Übersicht ist sowohl die dielektrische Oxidschicht auf der ganzen Oberfläche der Ventilmetallschicht weggelassen, als auch die Erstreckung der Halbleiterschicht 3 in die Poren der porösen Körper 1 und 2.>An den Elektroden 4 und 5 sind die Anschlußdrähte 6 und 7 angebracht. Der ganze Kondensator ist mit einer geeigneten Isoliermasse 8 umhüllt.

Figur 2 zeigt als Beispiel drei verschiedene Querschnittsformen für die poröse isolierende Unterlage und die darauf angeordnete poröse Ventilmetallschicht. Figur 2a zeigt im Querschnitt eine stabförmige poröse Unterlage 1 aus Isolierstoff, die von einem Mantel aus einer porösen Ventilmetallschicht 2 umgeben ist.

Bei der Ausführungsform von Figur 2b ist die poröse Isolierstoff unterlage 1 als Hohlzylinder ausgebildet, der von dem porösen Ventilmetallkörper 2 ausgefüllt ist. Figur 2c zeigt eine Ausführungsform, bei der die poröse Unterlage 1 einen sternförmigen Querschnitt hat, also einspringende Winkel aufweist, wie dies bei 9 zu sehen ist. Dadurch wird eine besonders große Oberfläche der Unterlage und damit eine große Fläche der porösen Ventilmetallschicht 2 auf kleinem Raum erzielt.

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Figur 3 zeigt im Schnitt und in Draufsicht einen elektrischen Kondensator gemäß der Erfindung, bei dem die poröse Unterlage 1 als rechteckige Platte ausgebildet ist. Auf den beiden einander gegenüberliegenden Flächen dieser Plat· te sind zwei poröse Schichten aus Ventilmetall 2a und 2b angeordnet, die durch eine gemeinsame Halbleiterschicht 3 miteinander verbunden sind. Die dielektrische Oxidschicht auf der äußeren und inneren Oberfläche der Ventilmetallschichten und die im Inneren der porösen Körper 1, 2a und 2b angeordneten Teile der Halbleiterschicht 3 sind in der Figur nicht dargestellt. An freigelegten Stellen der Venr tilmetallschiehten 2a und 2b sind die Elektroden ¹Ja und Hb in Form von leitenden Schichten angeordnet, an denen die Anschlußdrähte 'Vk und 6b angebracht sind. Die Isolierstoffplatte 1 besitzt bei 10 eine Bohrung, in welche auch die Halbleiterschicht 3 hineinreicht. Diese ist dort durch einen eingeschobenen Anschlußdraht oder Stab 7 a kontaktiert. Die ganze Anordnung kann natürlich auch, wie in Figur 1 dargestellt, noch mit einer schützenden Isolierhülle umgeben sein.

Verzeichnis der Bezugszeichen

1	2a,	2b	poröse Isolierstoffunterlage
2,			poröse Ventilmetallschicht
3	4a,	i\b	Halbleiterschicht
4,			Ventilmetallelektrode
5	6a,	6b	Halbleiterelektrode
6,	7a		Anschlußdraht
7,
8			Umhüllung
9			einspringender Winkel
10			Halbleiterelektrode
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23 Patentansprüche
1 Bl. Zeichnung

Leerseife

Claims

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Ansprüche

l.)7 Elektrischer Kondensator mit mindestens einem auf einer —' Unterlage angeordneten und mit dieser verbundenen porösen Körper oder einer porösen Schicht aus Ventilmetall, dadurch gekennzeichnet, daß die • Unterlage aus einem porösen Körper (1) aus einem wärmebeständigen Isolierstoff besteht.

2.) Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Porosität der Unterlage (1) mindestens 30 % beträgt.

3.) Kondensator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage (1) aus Keramik besteht.

¹U) Kondensator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage (1) aus Aluminium/besteht.

5.) Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis ¹T, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage (1) eine ebene Platte ist.

6.) Kondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage (1) ein zylindrischer Körper ist. ■■".-"

7.) Kondensator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage (1) ein Rohr ist.

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8.) Kondensator nach Anspruch 1 bis H, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage (1) aus einem Körper besteht, dessen Querschnitt einspringende Winkel aufweist.

9.) Kondensator nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Unterlage (1) mehrere voneinander getrennte poröse Körper (2a, 2b) oder Schichten aus Ventilmetall angeordnet sind.

10.) Kondensator nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß voneinander getrennte poröse Körper (2a, 2b) oder Schichten aus Ventilmetall nebeneinander auf der gleichen Oberfläche der Unterlage (1) angeordnet sind.

11.) Kondensator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß voneinander getrennte poröse Körper (2a, 2b) oder Schichten aus Ventilmetall auf einander gegenüberliegenden Seiten der Unterlage (1) angeordnet sind.

12.) Kondensator nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß auf der inneren und äußeren Oberfläche des porösen Sinterkörpers (2) oder der Schicht aus Ventilmetall eine durch Formierung erzeugte dielektrische Oxidschicht angeordnet ist und daß auf der Oxidschicht und der inneren und äußeren Oberfläche der Unterlage (1) eine Schicht aus einem halbleitenden Oxid (3) angeordnet ist.

13.) Kondensator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß in der Unterlage (1) mindestens eine Vertiefung oder Bohrung vorhanden ist, in der ein Elektrodenanschluß (10) angeordnet ist.

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14.) Kondensator nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein poröser Ventilmetallkörper (2) oder eine Ventilmetallschicht zwischen zwei porösen Unterlagen (1) aus Isolierstoff angeordnet ist.

15·) Kondensator nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß abwechselnd mehrere poröse Ventilmetallschichten (2) und poröse Isolierstoffschichten (1) aufeinander angeordnet sind.

16. ) Kondensator nach Anspruch I¹J und 15, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Ventilmetallschicht (2) an der Stirnseite des Schichtaufbaus kontaktiert ist.

17.) Kondensator nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage (1) mindestens im Bereich des darauf angeordneten porösen Körpers (2) oder der Schicht aus Ventilmetall mit Isolierstoff (8) überzogen ist.

18.) Verfahren zur Herstellung von elektrischen Kondensatoren nach Anspruch 1 bis 17» dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilmetallpulver mit einem Bindemittel vermischt, auf eine poröse Unterlage aus wärmebeständigem Isolierstoff aufgebracht und anschließend zu einem porösen Körper oder zu einer porösen Schicht gesintert wird.

19.) Verfahren zur Herstellung von elektrischen Kondensatoren nach Anspruch 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilmetallpulver mit einem Bindemittel vermischt auf einen Körper aus Keramikrohmasse aufgebracht und beide gemeinsam zu miteinander zusammenhängenden porösen Körpern gesintert werden.

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2Ot) Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl das Ventilmetallpulver als auch das Rohmaterial für die keramische Unterlage unter Zusatz eines Lösungsoder Dispersionsmittels sowie eines organischen polymeren Bindemittels zu selbsttragenden Schichten verarbeitet werden, von denen geeignete Teile aufeinandergebracht und miteinander gesintert werden.

21.) Verfahren nach Anspruch 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß größere einstückige Körper hergestellt und diese vor oder nach der Sinterung in einzelne Einheiten verteilt werden.

22.) Verfahren nach Anspruch 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Sintern Teile der porösen Ventilmetallkörper oder -schichten abgedeckt und nach der Erzeugung der dielektrischen Oxidschicht und der halbleitenden Oxidschicht die Abdeckung entfernt und das Ventilmetall an dieser Stelle kontaktiert wird.

23«) Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß nach Erzeugung der halbleitenden Schicht auf der dielektrischen Oxidschicht des porösen Ventilmetallkörpers und auf der ganzen Oberfläche der porösen Unterlage Kontaktschichten dort auf der halbleitenden Oxidschicht angebracht werden, wo sie direkt auf der porösen Unterlage aufliegen.

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