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陶瓷材料解析|压敏陶瓷

日期: 2018-02-09
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敏陶瓷是指电阻值随着外加电压变化有一显著的非线性变化的半导体陶瓷

用这种材料制成的电阻称之为压敏电阻器。

制造压敏陶瓷的材料有SiC、ZnO、BaTiO3、Fe2O3、SnO2、SrTiO3等

其中BaTiO3、Fe2O3利用的是电极与烧结体界面的非欧姆特性

而SiC、ZnO、SrTiO3利用的是晶界非欧姆特性。

目前应用最广、性能最好的是氧化锌压敏半导体陶瓷。


陶瓷材料解析|压敏陶瓷


压敏陶瓷的基本特性


1

电流电压特性


研究压敏陶瓷的电流电压特性,就是研究压敏电阻器的电流电压特性。压敏电阻器的电阻值随外加电压变化呈非线性变化。理想的I-V特性曲线如图1所示。实际压敏电阻器特性曲线没有那么强的非线性,图2示出氧化锌压敏电阻器的I-V特性曲线。曲线分成小电流区(Ⅰ),中电流区(Ⅱ)和大电流区(Ⅲ)电流在10-5A以下是小电流区,称为预击穿区,该区的I-V特性呈现lgIαV½的关系。在预击穿区以下更小的电流范围内,I-V特性是欧姆特性。在10-5~103A区间是中电流区,称为击穿区,与预击穿区相比,曲线呈非常高的非线性。可以用下式表示:

I=KVα

或  V=CIβ

式中:α——非线性系数,也称电压指数;

β——电流指数;

C●K——常数。


陶瓷材料解析|压敏陶瓷


▲图1  压敏电阻器的I-V特性曲线

1-ZnO 压敏电阻器  2-SiC压敏电阻器

3-线性电阻器


陶瓷材料解析|压敏陶瓷


图2  氧化锌压敏电阻器的I-V特性曲线


2

非线性指数和电压比


在击穿区通过试验求得的两个非线性指数α和β计算公式如下:

陶瓷材料解析|压敏陶瓷陶瓷材料解析|压敏陶瓷


令I2=10I1,可得下式:

陶瓷材料解析|压敏陶瓷10倍I1时压敏电阻上的端电压与I1时端电压之比称为电压比

用它来表示非线性比α方便。


3

压敏电压


对不同的压敏电阻器α达最大值时的电压不同,一般来讲,在一定的几何形状下,

电流子在1mA附近时,氧化锌压敏电阻器的α可达最大值。

往往取1mA电流所对应的电压作为I随V陡峭上升的电压大小的标志,

把此电压(V1mA)称为压敏电压。


4

漏电流


应用压敏电阻器的线路、设备、仪器正常工作时,所流过压敏电阻器的电流称为漏电流。

要使压敏电阻器可靠地工作,漏电流应尽可能小。

漏电流的大小一方面与材料的组成和制造工艺有关,另一方面与选用的压敏电压有关。

选取压敏电压的主要依据是工作电压。压敏电压与工作电压的关系可用经验公式表示:

陶瓷材料解析|压敏陶瓷

陶瓷材料解析|压敏陶瓷

式中:a——电压脉动系数,可取a=120%;

b——产品长期存放后V1mA允许下降的极限值,取b=10%;

c——V1mA产生误差下限,取c=15%;

V_——直流工作电压;

V~——交流工作电压(有效值)。

将个系数代入上式可得:

V1mA=1.5V_

V1mA=2.2V~

V_=0.66V1mA

V~=0.45V1mA

前两式是根据工作电压选择压敏电阻的压敏电压的参考。

后两式是已知压敏电阻器的压敏电压,确定它的工作电压的参考。

压敏电阻器的工作电压选得合适,漏电流可以控制在50~100μA之间。

漏电流若高于100μA,则工作可靠性较差。



5

压敏电阻器温度系数


在规定的温度范围内,温度每变化1℃,

零功率下压敏电压的相对变化率称为压敏电阻器的温度系数。

可用下式表示:

陶瓷材料解析|压敏陶瓷

式中:V1——室温下的压敏电压;

V2——极限使用温度下的压敏电压;

t1——室温;

t1——极限使用温度;

如果把αV推广到较宽的温度范围,严格讲αV不是一个常数。

大电流情况下的值比小电流情况下的要小些,

一般可控制在-10-3~-10-4/℃。



6

压敏电阻的蜕变和通流量


压敏电阻器经过长期交、直流负荷或高浪涌电流负荷的冲击后,

I-V特性变坏,使预击穿区的I-V特性曲线向高电流方向移动,

因而漏电流上升,压敏电压下降,这种现象称为压敏电阻器的蜕变。

蜕变发生在线性区和预击穿区,对击穿电压以上的特性无影响。

由于蜕变现象的存在,导致压敏电阻器的操作工率下降,甚至会导致热击穿。

另外,值得注意的是,温度对I-V特性有很大影响。

针对蜕变现象,必须对经高浪涌电流冲击后压敏电压V1mA的下降有所限制,

通常把满足V1mA下降要求的压敏电阻器所能承受的最大冲击电流

(按规定波形)叫作压敏电阻器的通流容量,又称为同流能力或通流量。

压敏电阻器的通流量与材料的化学成分、制造工艺及其几何尺寸等因素相关。



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