氧化锌压敏电阻的电性能参数及添加剂的作用

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、Sb2O3、TiO2、Cr2O3、Ni2O3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参数，一般情况下是1mA(05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％ms。最大直流电压的值为80%〜92%U1mA，或产品在85°C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85C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25C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a非线性指数a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。a在预击穿区和击穿区是不同的，一般所指是预击穿区的非线性系数。IEC规定：1«= (瓷片直径7mm及以上的压敏电阻)lg(U1mA/U0.1mA)1市 ~U——)(瓷片直径5mm的压敏电阻)lg(U0.1mA/U0.01mA)IEC规定的非线性指数实际上只能表示压敏电阻在0.1mA〜1mA或0.01mA〜0.1mA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。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。残压UR残压Ur是指特定波形的浪涌电流流入压敏电阻器时，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個标准雷电流波形。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、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。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）Im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。最大能量Em最大能量Em是指1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。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20°C〜70°C）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°C时，压敏电阻器两端电压的相对变化。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。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 1C时，流过压敏电阻器电流的相对变化。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。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。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tIEEE定义的压敏电阻的响应时间t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卩s标准雷电流波或TS>8卩s的电流波，压敏电阻的响应时间t=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I的8/20卩s标准雷电流波，单方向冲击104次，间隔时间10s,Iaa的规定值见下表1-1，其后在室温中恢复,恢复时间1~2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1“瓷片直径（mm）57101420I(A)aUnW68V8265090130Un>68V20100140200250通过了一万次冲击寿命考核，定性说明压敏电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P。（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卩s、峰值为I“，冲击104次（每50次改变一次冲击方向），I的规定值见表1-1。各种规格压敏电阻的额定功a率P。的规定值见表1-2。表1-2各种规丿格压敏电阻的额定功率Po的规定值瓷片直径（mm）57101420P°(W)UnW68V0.010.020.050.10.2Un>68V0.10.250.40.61.01.19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20卩s，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15°C〜35°C，相对湿度45%〜75%，气压86kPa〜106kPa。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)a压敏电压（非线性）与额定电压有关C=U/Ia(1mA时的U)漏电流功耗与工作电压有关IR=U/Rb寿命稳定性PG<P-吸收能量的能力不破坏W=IUtI—电流；U—电压；C—常数；IR—阻性电流；U—稳态电压；Rb—粒界电阻；PG—R ss gb G产生的功率；Po—耗散的功率；W—能量；t—时间。2氧化锌压敏电阻添加物在氧化锌压敏瓷中使用的添加剂很多，表2-1为各种添加剂的主要作用。表2-1各种添加剂的主要作用主要作用添加剂孤立绝缘ZnO晶粒和提供兀素（O2、Co、Mn、ZnBi>Pr>Ba、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、B>Ni、Cr改善大电流区非线性指数（形成ZnO晶粒中的施主）Al、Ga>F、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Be>Ti>Sn下面简述几种常用添加剂的作用：Bi2O3。Bi2O3是含铋氧化物压敏瓷的重要添加物。在烧结中，Bi2O3和ZnO、Sb2O3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。Bi2O3的含量对势垒高度吗、施主密度Nd及耗尽层宽度L有显著的影响，Bi2O3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。Bi2O3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。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、钴氧化物的价态还影响其他阳离子，如Zn2+、Cr2+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。Co2O3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。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。Sb2O3的添加量一般在0.1〜3mol%的范围内。Cr2O3。Cr2O3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,Cr2O3的添加量为0.1%〜2mol%；在无Bi2O3系中，为0.01〜0.1mol%。NiO。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0.1〜3mol%。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0.1〜3mol%。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，Al2O3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0.001〜O.lmol%。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0.1〜3mol%。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0.05〜0.5mol%。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%。岛03、In2O3和Y2O3。Ti3+、In3+和丫3+的离子半径比较大，它们主要存在于晶界中，