PTC热敏电阻器发展与应用动态

1、山东陶瓷第20卷第4期Vol. 20No. 41997年12月Dec. 1997SHANDONG CER AMICS 综述PT C 热敏电阻器发展与应用动态薛泉林(电子工业部第七研究所, 广州510310摘要介绍PT C 热敏电阻器发展的应用状况, 展望今后市场和技术动向, 并就国内存在问题与差距提出看法。关键词PT C 热敏电阻器发展动态1发展概述PT C 陶瓷是一种铁电半导体材料, 是近年来发展迅速的新型电子材料之一。PTC 热敏电阻器被国外称为在铁电应用中, 是继电容器和压电器件之后, 应用广、用量大的第三大类电子陶瓷元件。利用PTC 材料具有的阻温特性、电流时间延迟特性和自控发热的三大

2、特性, 迄今在电子、家电及其它各个领域(包括军用和航天设备 正在获得广泛的应用, 成为高可靠性电子元件之一。目前, PT C 热敏电阻器的世界年产量超过10亿只以上。日本在这方面居于领先地位。1985年日本PT CR 的年产量仅为0. 92亿只, 年产值为69. 15亿元, 1986年增加为1. 81亿只, 产值108亿元; 1987年达1. 93亿只, 产值106. 3亿元; 1992年产量已超过3亿只, 产值超过200亿元, 年平均增长率大于20%。最近几年继续保持增长的趋势。据日本电子材料工业会统计资料, 从19931996年热敏电阻器(含NT C 年产值分别达到393亿、448亿、47

3、4亿和514亿元。国内除了有规模生产的PTC 热敏电阻器公司外, 还建立有专门生产PT C 粉料的公司, 其中如富士钛公司, 生产有8个品种, 年产700万吨, 销售世界各地。KYORIT SU 陶瓷材料公收稿日期19970805司能够生产居里点从30330共十个品种的PT C 粉料, 已形成系列化(称之KY-ORX 系列 , 可满足各种不同用途的需要。PT C 陶瓷材料的发展已经历40多年。但目前仍以BaTiO 3系统为主流。1951年首先发现了PTC 效应, 1960年初, 由日本村田制作所最先开始投入生产PTCR, 1962年PT CR 元件被推选为日本工业新闻的十大新产品之一。PTCR

4、 被应用于温补元件、水位检测、马达过热保护、彩电消磁元件、恒温发热体元件等用途; 70年代, PTCR 的制造工艺和应用得到了较大的发展, 研制成蜂窝状、口琴式发热体, 单位面积的发热功率有大幅度地提高, 在一块 40m m 的PTC 片上, 从最初几瓦可提高到几百瓦, 于是在日本掀起了PT C 发热体的应用热潮, 1977年日本电子技术编辑部专门出版了“PT C 发热体及其应用”特集, 介绍PTC 发热体的设计、制造及应用。进入80年代, 又发展了多孔PTC 陶瓷材料, 研制成居里点超过400的高温PT C 材料, 开辟了在石油液化加热器、石油预热器等各方面的新应用。最近几年, PTCR 的

5、发展又取得长足的进展, 它表现在一方面继续深入对PT C 效应机理的研究, 提出了解释PTC 效应的新机理; 另一方面通过对微粉工程和微观结构的10山东陶瓷第20卷研究, 促进新材料、新器件和新结构的开发和应用。其中在材料方面开发出PbTiO 3-TiO 2系高温PT C 材料, 具有PTC-NT C 特性的V 型PT C 材料, 室温电阻率低于1 cm 的低阻PT C 材料、金属-PT C 陶瓷复合材料以及有机PT C 复合材料等; 在新产品方面研制成片式PT CR 复合元件、多层结构(独石 PT CR 、高可靠性PT CR 等; 在新结构方面开发出翅片发热体结构, 使发热效率得到明显改善,

6、 在家电产品上取得大量应用。其次, 国外在生产自动化和产品系列化方面进步明显。生产趋向自动化, 生产率高。如松下月产500万只, 村田制作所月产达1000万只, 生产彩电用的消磁热敏电阻器合格率大于80%(国内约为40%左右 。村田制作所能够生产电阻温度系数从1660%/的各种PTCR , 产品形成系列化, 产品种类包括温度传感器、定温发热体、过流保护元件和各种开关元件等, 应用范围从家电进一步扩大到整容、医疗各类电子产品、汽车工业及办公室自动化设备等, 产品结构从传统圆片元件发展到适于表面组装的片式元件、多层结构的PTCR 等。所生产的PTC 热敏电阻器品种, 规格计有169种之多。其中加热

7、器有65种、暖风器用4种、安全应用11种、保护用24种、传感器5种、马达起动器30种、彩电消磁器13种、时间延迟器7种、过热过流保护开关10种等。并还在不断地开拓PT C 热敏电阻器的新用途。国内PT CR 的发展相对NT CR 为迟, 从60年代后期开始。最早应用于电子线路中用作温补元件应用。特别是80年代以来, 随着彩电工业和家电工业的迅速发展, 促进PT CR 生产得到较大的发展。国内PT CR 与NT CR 的生产比例由最初的19, 提高到37, 现两者比例正在逐步缩小。据有关统计, 国内生产PTCR 厂家有近百家。其中, 拥有一定规模(产量大于100万只 的约有20多家。近几年由于市

8、场竞争的彩电用消磁热敏电阻器来说, 全国有33家。1988年全国消磁热敏电阻器销售量为100万只, 1989年为500万只, 1990年为700万只, 1991年达1113万只, 而目前年生产能力达到2000万只左右。电子部五所曾对国内生产消磁热敏电阻器进行测量评比, 其中6家产品的质量达到日本T DK 的水平; 8家已接近国外同类产品的水平。存在的差距是产品合格率与原材料问题。国内合格率比较低, 约40%(有些厂家仅为20% , 距80%国际先进水平仍有较大的差距。原材料问题, 国内尚无专门生产厂家。因料源不同, 所生产出来的产品一致性也不一样, 其次是制造工艺控制与设备精度也是影响产品质量

9、的一个重要因素。2应用状况由于PTC 热敏电阻器具有较大的正电阻温度系数和开关电阻温度特性, 检测电路可简化, 加之, 居里温度在很宽范围内(室温400 可任意调节, 它能够开拓NTC 热敏电阻器和其它热敏电阻材料所没有的许多新用途。PT C 热敏电阻器的主要用途如表1所示。它包括利用电阻温度特性, 用作温度补偿元件和温度传感器; 利用电流时间特性, 用作限流元件; 利用电压电流特性, 用作定温发热体; 利用热逸散差, 用作液位计、流量计等。2. 1利用电阻温度特性利用正电阻温度系数, 可以补偿晶体管电路中的负特性热敏电阻器, 使阻值可选择很高, 因而可减少输入阻抗的变化, 特别可避免功率晶体

10、管输入电路的损耗问题, 在宽温度范围内可发挥温度补偿作用。另外, 用作温度检测用途, 需利用PT CR 的陡峭电阻温度特性, 其电阻温度系数为1030%/, 被应用于高灵敏的温度控制和报警装置上, 作为电子烤炉温控用的温度传感器, 具有简第4期薛泉林:PT C 热敏电阻器发展与应用动态112. 2利用电压电流特性在电阻温度特性具有较陡转变点的元件上, 一旦加上电压, 在到达电流最大点时, 电压电流比保持一定, 显示出恒定电阻特性; 当超过电流最大点, 电压、电流乘积保持一定, 显示出恒定功率特性。因为恒定功率特性的电压范围宽, 即便电压变化, 在元件上仍保持一定温度, 这是PT CR 的最大特

11、点之一。利用该特性可制作定温发热体, 元件的功率可根据室温电阻值、开关温度、元件形状和尺寸、散热片间的热阻及散热片的结构进行任意调整, 它适用于表1所示的各种家电产品上。2. 3利用电流时间特性当在PT CR 上流过大于规定的电流时, 利用其发热, 在规定时间后, 到达开关温度, 使电阻增加起到限制电流的作用。利用该特性被广泛应用于彩色电视机的消磁、过流过热保护、马达起动、延迟继电器和定时器等各种用途。除此以外, PTCR 的应用还在不断地扩大, 近年来报导的新应用包括PT C 随动开关、用于直升飞机冰冻探测的PT C 传感器、用于火箭、人造卫星用的PT CR 温补元件以及汽车方面的各种应用等

12、。其中, 如西门子公司推出的PTCR 随动表1电阻温度特性温度补偿元件温度传感器定温发热体电压电流特性(静特性热风发热体消磁元件马达起动元件电流时间特性(动特性过电流保护定时器开关, 利用PT CR 控制双金属片工作, 用于浴室中控制排风扇的运转, 一旦人离开浴室, 几分钟后可自动关机。又如英国普莱赛公司开发的PTC 冰冻传感器, 安置在飞机入口处, 检测结成冰块的状况, 迅速报警。它是采用多片环状PT C 圆片叠合制成, 通过圆环表面银浆电极和PTC 片间铜环电极, 连接在控制电路中。其大小为 4. 5×40m m, 传感器的电阻为2 。最近几年, PT C 热敏电阻器应用在过流保

13、护方面的需求量有明显的增长。从1989年的应用比例仅8. 7%现已增加到39%以上, 其用量增加了约3倍多。对于过去传统使用保险丝或双金属片的一些大电流领域, 迄今正在设法使用PT C 过流保护元件来代替。为了满足这一需要, PTC 热敏电阻器的低阻化, 取得突破, 现市售产品的电阻值, 已可做到0. 10. 2 左右。另外, 在外形结构上制成小型化的SM D 型结构(已生产出8050型, 外形尺寸仅为2×1. 25×1mm , 可与其它片式元件一样, 适于用回流法焊接到电路板上。国内PT C 的应用, 除用作电路的温补元件和彩电用的消磁元件外, 近年来, 作为自控温发热体

14、, 在家电产品上得到大量推广应用。据不完全统计, 在家电产品中已开发的PT C 热敏电阻的主要用途各种电子设备的电路电子烤炉等温控用电子瓶、电饭煲、冰箱加热器、电子驱蚊器、电香炉、电脚炉、电长筒靴、复印机、VT R 防结露用、卷发钳、防冻加热器、熔胶喷枪、橡胶硫化机、塑料膜熔焊机等。家用暖风机、汽车用热风机、干衣机、被褥烘干机、食物干燥机、吹风机、被炉、热风屏机等。彩色电视机、彩色显示冰箱、空气压缩机马达、继电器绕组、电子电路、荧光灯蜂鸣器、灯泡12山东陶瓷第20卷产品有暖风机、驱蚊器、暖手器、干手器、电热盘、电热咖啡器、电烙铁、电熨斗、电饭锅、电热杯、卷发器、门铃、熔胶喷枪、烘衣机、冰箱启动

15、器、空调器、电扇微风微动器、热风屏机等不下数十种。大功率、大电流控制方面, 除了要求低阻、高耐压、高精度外, 还需通过元件比电阻的分布, 使元件发热均匀以及元件趋向SMD 化; 用作发热体元件, 为了充分发挥自控特点, 要求开发低热阻、高响应的PTC 发热体, 为提高发热效率和缩小发热体积, 需开发大功率高温PT C 材料等。展望PTCR 今后发展趋势, 可归纳为低阻、大功率、大电流、高耐压、高耐冲击电流、高温、高响应、高精度、高可靠及小型化、SMD 化。表3国内PT C 市场需求预测应用对象彩色电视机冰箱启动器程控交换机和通信机录象机电机过热保护汽车用家电、医疗保健器具用恒温发热体需用量(万

16、只30007504000200200200>20003展望3. 1市场展望PT CR 的今后市场规模, 一方面随着消费类产品的发展与产量的增长, 将继续得到同步的增长; 另一方面, 随着PT CR 扩大在投资类和其它各个领域(包括军用、宇航用电子产品 内的推广应用, 将促进其市场规模进一步增长。其中, PT CR 开拓在汽车工业上的应用, 将会成为今后较大的潜在市场。PT CR 在汽车上的应用如表2所示, 有广泛的应用前景。根据有关部门调查统计, 目前国内对热敏电阻器(含NTC 的年需求量大约在1. 5亿只左右。其中, 对PT C 热敏电阻器的需求量预测见表3。3. 2技术展望从PTC

17、今后市场需要和扩大其应用来看, 对其性能的要求会愈来愈高。这些要求包括低阻、电阻温度系数大、升阻比大、耐压高、承受大电流和冲击电流能力强、长期使用稳定性好、精度高、寿命长、可靠性高、电阻温度特性的线性好等。根据不同用途, 对上述要求有所侧重。如用作开关元件, 趋向表2功能定温发热体断路器延迟装置传感器4国内存在问题与差距国内PTCR 生产与应用, 正处于发展阶段。通过引进, 生产能力和产品质量均有较大提高, 但是, 国内相当一部分厂家, 仅限于生产PT C 发热体为主, 产品档次较低, 且部分产品的质量尚未完全过关。例如用于大功率应用的PTC 发热体和用于电话保安器的PT C 元件, 在经受耐

18、流冲击试验中, 发现PT C 片出现开裂问题, 多半出现在沿片的中心面(平行于电极面 , 经过分析, 与材料本身均匀性和成型工艺等因素有关; 另一问题, 在经受耐压试验后, PT C 片的机械强度引起明显下降, 通过显微结构观察, 发现在片内 ; 另外, 用作发热体应PT CR 在汽车上的应用产品汽车反光镜加热、风档清洗喷嘴加热、进气顶加热、门锁加热、风扇加热、引擎滤油器加热、暖手器、保温箱加热等。风扇电阻器过流保护(马达、电路 自动限制气门用电阻器温度传感器、电流传感器第4期薛泉林:PT C 热敏电阻器发展与应用动态13率逐渐衰减现象, 严重的甚至热功率下降到仅一半。造成的原因, 电极不良, 选用胶粘剂不当, 胶粘剂易老化, 引起