氧化锌压敏电阻的电性能参数及添加剂的作用.doc

1、氧化锌压敏电阻的电性能参数及添加剂的作用压敏电阻是由在电子级 ZnO 粉末基料中掺入少量的电子级Bi2O3、 Co2O3、 MnO2、Sb 2O3、TiO 2、Cr 2O3、Ni 2O3 等多种添加剂，经混合、成型、烧结等工艺过程制成的精细电子陶瓷；它具有电阻值对外加电压敏感变化的特性，主要用于感知、限制电路中可能出现的各种瞬态过电压、吸收浪涌能量。1 氧化锌压敏电阻电性能参数1.1 压敏电压 U1mA压敏电阻的电流为 1mA 时所对应的电压作为 I 随 U 迅速上升的电压大小的标准，该电压用 U1mA 表示，称为压敏电压 。压敏电压是 ZnO 压敏电阻器伏安曲线中预击穿区和击穿区转折点的一个

2、参数，一般情况下是 1mA（ 5 产 品 为 0.1mA）直流电流通过时，产品的两端的电压值，其偏差为0.1%。1.2 最大连续工作电压 MCOV最大连续工作电压 MCOV 指的是压敏电阻在应用时能长期承受的最大直流电压 UDC或最大交流电压有效值 URMS。最大直流电压的值为 80%92%U1mA，或产品在 85下，正常工作 1000h，施加的最大直流电压；最大交流电压的值为 60%65% U1mA，或产品在85下，正常工作 1000h，施加的最大交流电压。1.3 漏电流 IL 漏 电 流 (mA)也 称 等 待 电 流 ， 是 指 压 敏 电 阻 器 在 规 定 的 温 度 和 最 大 直

3、 流 电 压 下 ， 流过 压 敏 电 阻 器 电 流 。 IEC 对漏电流 IL 较为普遍的定义是：环境温度 25时，在压敏电阻上施加其所属规格的最大连续直流工作电压 UDC 时，流过压敏电阻的直流电流。一般而言，在材料配方和烧结工艺固定的情况下，漏电流适中的压敏电阻具有较好的安全性和较长的寿命。1.4 非线性指数 非线性指数 指 压 敏 电 阻 器 在 给 定 的 外 加 电 压 作 用 下 ， 其 静 态 电 阻 值 与 动 态 电 阻值 之 比 。 它 是一个元件的电阻值是否随电压或电流变化和变化是否敏感的标志。ZnO 压敏电阻器是一种非线性导电电阻。 在预击穿区和击穿区是不同的，一般

4、所指是预击穿区的非线性系数。IEC 规定：（瓷片直径 7mm 及以上的压敏电阻）)/lg(1.0mAU（瓷片直径 5mm 的压敏电阻）)/l(01.1.0AIEC 规定的非线性指数实际上只能表示压敏电阻在 0.1mA1mA 或 0.01mA0.1mA 之间的平均非线性指数。由于击穿区的特性接近于直线，而且上述电流区域处于击穿区内，因此 IEC 规定的非线性指数可以近似地表示压敏电阻击穿后的整体非线性特性的好坏。1.5 电 压 比电压比指压敏电阻器的电流为 1mA 时产生的电压值与压敏电阻器的电流为 0.1mA 时产生的电压值之比。1.6 残压 UR残压 UR 是指特定波形的浪涌电流流入压敏电阻

5、器时，它两端电压的峰值。一般来说，流入压敏电阻器的浪涌电流的峰值都在 1mA 以上，对通用压敏电阻和防雷型压敏电阻而言，所谓特定波形指的是 IEC 本 60060-2: 1973 标准规定的 8/20 s 标准雷电流波形。1.7 残压比 KR通 过 压 敏 电 阻 器 的 电 流 为 某 一 值 时 ， 在 它 两 端 所 产 生 的 电 压 称 为 这 一 电 流 值 的 残 压 。残 压 比 则 是 残 压 与 标 称 电 压 之 比 。残压比 KR 的定义公式为：KR =UR/UN残压比可以比较直观地反应出压敏电阻限制过电压的能力，在压敏材料的研究工作中已得到广泛的应用，在防雷压敏电阻、

6、避雷器阀片和高能型压敏电阻阀片中以成为标准电性能参数。1.8 限制电压 Up最 大 限 制 电 压 (V)指 压 敏 电 阻 器 两 端 所 能 承 受 的 最 高 电 压 值 。 限制电压 Up 是残压 UR 的一种特殊形式，也是考核特定规格的压敏电阻抑制瞬态过电压能力的特征指标。限制电压 Up 实际上是生产厂家向用户承诺的每个规格产品的保护电压水平。1.9 通流量（最大峰值电流）I m通 流 容 量 (kA)也 称 通 流 量 ， 是 指 在 规 定 的 条 件 （ 规 定 的 时 间 间 隔 和 次 数 ， 施 加 标 准的 冲 击 电 流 ） 下 ， 允 许 通 过 压 敏 电 阻 器

7、 上 的 最 大 脉 冲 （ 峰 值 ） 电 流 值 。 目前大多数厂家在说明书中通常给出两个通流量指标，一个是冲击一次的指标，另一个是冲击两次（间隔 5 分钟）的指标。1.10 最大能量 Em最大能量 Em 是指压敏电阻能够耗散的规定波形的浪涌电流或脉冲电流的的最大能量。最大能量是产品能够承受规定次数的 2ms 方波或 10/1000us 脉冲电流峰值，这是用户选择防护操作电压用 ZnO 压敏电阻器时的重要参考值。1.11 电压温度系数 TC电压温度系数指在规定的温度范围（温度为 2070）内，压敏电阻器标称电压的变化率，即在通过压敏电阻器的电流保持恒定时，温度改变 1时，压敏电阻器两端电压

8、的相对变化。严格说，电压温度系数不是一个常数，在不同温度下，TC 值是不同的，不过通常不需要给出 TC 与温度的关系曲线。1.12 电 流 温 度 系 数电 流 温 度 系 数 指 在 压 敏 电 阻 器 的 两 端 电 压 保 持 恒 定 时 ， 温 度 改 变 1 时 ， 流 过 压敏 电 阻 器 电 流 的 相 对 变 化 。1.13 绝 缘 电 阻绝 缘 电 阻 指 压 敏 电 阻 器 的 引 出 线 (引 脚 )与 电 阻 体 绝 缘 表 面 之 间 的 电 阻 值 。1.14 电容量 C0压敏电阻在导通前的电阻值很大，可视为电介质材料，两个电极之间存在着 pF 级的电容在工频下，如

9、此之小的电容对被保护电路的正常工作几乎没有任何影响，但在高频或数字线路中，如不考虑压敏电阻的电容量，有时会造成信号失真或产生谐振。因此生产厂家应向用户提供压敏电阻的电容量参考数据（一般以最大值或典型值的方式） ，以便用户设计电路时参考。1.15 静 态 电 容 量 （ PF）静 态 电 容 量 指 压 敏 电 阻 器 本 身 固 有 的 电 容 容 量 。1.16 响应时间 IEEE 定义的压敏电阻的响应时间 并不是压敏电阻材料本身的特性，而是由测试波形、引线、印制电路版的布线方式、外部测试连接线，以及它们所构成的磁环路等外部原因造成的，根据这一定义，对 8/20 s 标准雷电流波或 TS8

10、s 的电流波，压敏电阻的响应时间 0。1.17 脉冲电流稳定性（一万次冲击寿命）对压敏电阻施加峰值 Ia 的 8/20 s 标准雷电流波，单方向冲击 104 次，间隔时间10s，I a 的规定值见下表 1-1，其后在室温中恢复,恢复时间 12 小时。恢复后压敏电阻器应满足下列要求：外观检验：不应有可见损伤，且标志清楚。压敏电压（规定电流下的电压）：变化率不大于10%。表 1-1 各种规格压敏电阻的脉冲电流寿命值 Ia瓷片直径（mm） 5 7 10 14 20UN68V 8 26 50 90 130Ia（A）UN68V 20 100 140 200 250通过了一万次冲击寿命考核，定性说明压敏电

11、阻已具有备承受多次雷电流冲击而不损坏的能力。1.18 额定功率 Po（最大平均脉冲功率）额定功率 Po 是指在电流脉冲群作用下，压敏电阻器能承受且保持热稳定和不发生结构破坏的最大平均功率。在没有专门要求的情况下，电流脉冲波形为 8/20 s、峰值为 Ia，冲击 104 次（每 50 次改变一次冲击方向） ，I a 的规定值见表 1-1。各种规格压敏电阻的额定功率 Po 的规定值见表 1-2。表 1-2 各种规格压敏电阻的额定功率 Po 的规定值瓷片直径（mm） 5 7 10 14 20UN68V 0.01 0.02 0.05 0.1 0.2Po(W)UN68V 0.1 0.25 0.4 0.6

12、 1.01.19 温度降额曲线和脉冲电流降额曲线当脉冲电流的波宽不等于 20s，或脉冲电流的峰值小于一次通流量 Im 时，压敏电阻能够承受的冲击次数 n 将随着电流波宽（等效方波持续时间）和电流峰值的大小发生变化，冲击次数与波宽和峰值之间的关系曲线称为脉冲电流降额曲线。标准测试条件：温度 1535，相对湿度 45%75%，气压 86kPa106kPa。表 1-3 为器件的主要参数及其应用性能表 1-3 器件的主要参数及其应用性能参数 功能 方程式非线性系数 保护电平 I=(U/C)压敏电压（非线性） 与额定电压有关 C=U/I (1mA 时的 U)漏电流 功耗与工作电压有关 IR=Uss/Rg

13、b寿命 稳定性 PGPrBa、Sr、Pb、U等）到晶界改善非线性指数（形成表面态） Co、Mn（Sb）改善稳定性 Sb、玻璃粉、Ag 、BNi 、Cr改善大电流区非线性指数（形成 ZnO 晶粒中的施主） Al、GaF 、Cr 和 Y、Ho、Er 等稀土抑制 ZnO 晶粒生长 Sb、Cr、Si 和 Y、Ho、Er 等稀土促进 ZnO 晶粒生长 BeTiSn下面简述几种常用添加剂的作用：1. Bi2O3。 Bi2O3 是含铋氧化物压敏瓷的重要添加物。在烧结中，Bi 2O3 和 ZnO、Sb 2O3等氧化物发生反应，生成富 Bi 的液相，促进烧结。在显微结构中，形成富 Bi2O3 的晶间相，并且一部

14、分 Bi 被吸附到 ZnO 晶粒间界上，形成富 Bi 薄层，产生表面态，从而形成晶界势垒，使压敏瓷的电气性能具有非线性。Bi 2O3 的含量对势垒高度 B、施主密度 Nd 及耗尽层宽度 L 有显著的影响，Bi 2O3 在高温烧结时，容易挥发，影响显微结构的均匀性和压敏瓷的寿命特性。Bi 2O3 挥发越多，残留率越小，则压敏瓷的稳定性越差。因此，烧结时温度不宜太高，保温时间不宜过长，并应该保持 Bi 的气氛，尽量减少 Bi 的损失。2. MnO 和 Co2O3。Mn 和 Co 可以固溶在 ZnO、尖晶石和富 Bi2O3 相中。它们在各相中的分布与加入到压敏瓷料中的锰、钴氧化物的价态有关。同时，锰

15、、钴氧化物的价态还影响其他阳离子，如 Zn2+、Cr 2+在各相中的分布。剩余的 Mn、Co 则偏析在晶界上。MnO 显著地改善压敏电阻的非线性。实验表明，Mn 在晶界上形成陷阱，从而对电压非线性产生影响。但是，MnO 添加过量，会影响压敏瓷的稳定性。Co 2O3 可提高界面势垒的高度，使泄漏电流减少，显著地提高压敏瓷的稳定性。Co 有助于在 ZnO 界面上形成界面态和陷阱产生非线性。在烧结中，Mn 的作用主要是活化晶界，对晶粒尺寸和气孔率有影响。提高 Mn 的价态，可以使晶粒尺寸减小，气孔率降低；但如果瓷料中不含 Bi 和 Sb，则 Mn 的价态对晶粒尺寸和气孔率无影响。Co 的作用主要是活

16、化晶粒，不论 Bi 和 Sb 存在与否，Co 的价态增加，气孔率随之增加，但对晶粒尺寸无影响。MnO 和 Co2O3 的添加量一般在 0.1%3mol%的范围内。3. Sb2O3。Sb 在压敏瓷中主要以尖晶石 Zn7Sb2O12 的形式存在，剩余部分固溶于富Bi2O3 相中。 Sb 可以抑制 Bi2O3 挥发，改善压敏瓷的电阻非线性和稳定性，并且使介电常数降低。实验表明，当 Sb 以 Sb2O3 的形式加入到压敏瓷料中可以抑制晶粒长大，使 U1mA 值显著增加；而以尖晶石或焦绿石的形式加入时，Sb 是 5 价，则有利于晶粒的生长。Sb 2O3的添加量一般在 0.13mol%的范围内。4. Cr

17、2O3。Cr 2O3 在含 Bi2O3 系统和无 Bi2O3 系统中，显示不同的作用。在含 Bi2O3 系统中，约有 4/5 的 Cr 固溶在尖晶石中，其余部分作为施主杂质固溶在 ZnO 中，以及形成富氧化铋的铬酸盐。Cr 可以提高含 Bi2O3 系统的 U1mA 值，改善其大电流的耐受能力和长十斤电压作用下的稳定性，但它会使含 Bi2O3 系统的泄漏电流增加和电阻的非线性略微降低。在无 Bi2O3 系统中，Cr 使其 U1mA 值降低，并可显著地改善其电阻的非线性。在含 Bi2O 系中，Cr 2O3 的添加量为 0.1%2mol%；在无 Bi2O3 系中，为 0.010.1mol%。5. N

18、iO。其作用是提高压敏瓷的 U1mA 值、方波通流容量和稳定性。添加量为0.13mol%。6. SiO2。其中一部分形成富 Bi2O3 的硅酸盐，剩余部分在晶界中析出，抑制晶粒生长，提高压敏瓷的 U1mA 值和稳定性。其添加量一般为 0.13mol%。7. Al2O3 和 Ga2O3。他们可以固溶在 ZnO 晶粒内，提高 ZnO 晶粒载流子浓度，降低晶粒电阻率，可改善压敏电阻大电流残压特性，并增加 ZnO 耗尽层电容。但应注意，Al 2O3和 Ga2O3 会使泄漏电流及其温度系数增大，影响压敏电阻连续电压作用下的寿命特性。Al2O3 有抑制 ZnO 晶粒长大的作用。通常，添加量为 0.0010

19、.1mol%。8. TiO2。它可增加 ZnO 在液相中的溶解度，促进晶粒长大，使压敏电阻的 U1mA 值降低，并提高冲击电流作用后的电压稳定性。添加量为 0.13mol%。9. ZrO2。它可抑制 ZnO 晶粒长大，提高方波通流容量和冲击电流后的电压稳定性。添加量为 0.050.5mol%。10. B2O3。它会在晶界上析出，促进 ZnO 晶粒长大。使晶界玻化，提高压敏电阻的非线性和寿命特性。添加量为 0.005%1.0mol%。11. Ti2O3、In 2O3 和 Y2O3。Ti 3+、In 3+和 Y3+的离子半径比较大，它们主要存在于晶界中，使晶界稳定，提高寿命特性。添加量为 0.0010.05mol%。12. Ag2O3。它再晶界中析出，可以抑制持续工作电压作用下离子的迁移，提高其寿命特性。添加量为 0.0010.3mol%。13. CaO。它可降低压敏瓷的烧结温度，并偏析于晶界中改善压敏电阻的非线性和减少其泄漏电流，添加量在 0.012mol%范围内。14. Pr8O11。在烧结中，Pr 8O11 被还原成 Pr2O3，偏析在晶界上，形成 ZnO 晶粒Pr 2O3薄膜ZnO 晶粒的结构。Pr 8O11 的作用是促进烧结，并增加界面态密度； Pr 有助于 ZnO 晶粒的长大和致密化。添加量在 0.1%3mol%范围内。