CN110033910A - 一种可实现定向炸裂的压敏电阻 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可实现定向炸裂的压敏电阻，包括压敏陶瓷瓷片，所述压敏陶瓷瓷片包括第一端面和第二端面，所述第一端面连接的部件的物理性能与所述第二端面连接的部件的物理性能具有差异，所述差异使得当所述压敏陶瓷瓷片炸裂时，所述第二端面连接的部件发生炸裂或变形。本发明通过弱化第二端面连接的部件的物理性能，或强化第一端面连接的部件的物理性能，实现了两个端面连接部件的抗冲击能力的差异化设计，第二端面连接的部件先于第一端面连接的部件发生变形和炸裂，泄放多余的能量，从而实现了定向炸裂，确保了第一端面连接的部件完好无损，进而保证与之相连接的元器件不受损坏，连接不被破坏。
Description
技术领域
本发明涉及一种压敏电阻，特别涉及一种可实现定向炸裂的压敏电阻。
背景技术
压敏电阻作为电涌抑制元件在设备电源和输电线路中得到广泛的应用。当电涌产生时，压敏电阻迅速导通将电涌能量吸收并转换成热能，同时将电涌的电压幅度限制在安全值以下，达到保护后级电路的目的。当电涌能量过大时，超过了压敏电阻的吸收极限，压敏电阻将击穿炸裂，多余的能量以动能的形式进行泄放，碎片高速飞溅，对周边的元器件造成损坏。如果压敏电阻作为一个复杂电路组合模块的组成部分，其电极上还直接连接有其他元器件，也会将其它元器件损坏或将电路连接破坏，造成更大的损失。当压敏电阻工作到寿命后期，本身已经严重劣化，电涌吸收能力严重下降的时候，这种炸裂的情况更容易发生。
传统的压敏电阻两个端面的电极结构是对称的，均是在压敏陶瓷瓷片1的第一端面和第二端面上采用丝网印刷、喷涂或者溅射等工艺附着一层薄层电极，所述薄层电极的厚度一般在20微米左右。对小尺寸的压敏电阻，通常是在第一端面薄层电极2以及第二端面薄层电极3上均焊接金属引线电极4，结构如图1。而对大尺寸的压敏电阻，由于电涌电流的强度太大，一般是用厚度为0.5毫米左右的铜片制成结构和尺寸一致的电极片5焊接在第一端面薄层电极2以及第二端面薄层电极3上，结构如图2。由于电极结构的对称性，传统压敏电阻在击穿炸裂失效时，炸裂点和碎片飞溅的端面是随机的，两个端面都有可能对外部造成破坏，而无法采取有效的预防措施。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种可实现定向炸裂的压敏电阻。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种可实现定向炸裂的压敏电阻，包括压敏陶瓷瓷片，所述压敏陶瓷瓷片包括第一端面和第二端面，所述第一端面连接的部件的物理性能与所述第二端面连接的部件的物理性能具有差异，所述差异使得当所述压敏陶瓷瓷片炸裂时，所述第二端面连接的部件发生炸裂或变形。
本发明通过弱化第二端面连接的部件的物理性能，或强化第一端面连接的部件的物理性能，实现了两个端面连接部件的抗冲击能力的差异化设计。该差异化属于压敏电阻的专门设计，区分于压敏电阻制作过程中出现的误差值。
当电涌能量过大时，压敏陶瓷瓷片发生击穿炸裂，冲击力会分别传递至第一端面和第二端面，此时，第二端面连接的部件由于抗冲击能力较差，其承受冲击力后将最先发生变形和炸裂，压敏陶瓷瓷片的碎片从变形处溅出，多余的电涌能量以动能的形式得到泄放，从而实现了定向炸裂，确保了第一端面连接的部件完好无损，进而保证与第一端面相连接的元器件不受损坏，连接不被破坏。
利用压敏电阻的定向炸裂，在设计时就可以对压敏电阻的击穿炸裂失效采取有效的预防措施，从而尽量降低对整个电路上其他器件的影响。当压敏电阻作为一个独立元件单独封装使用时，第二端面侧可设计成能量泄放区，留出一定的空间或者靠近一些坚固的结构件，而在第一端面侧却可以相邻一些娇贵的元器件。当压敏电阻作为一个复杂电路组合模块的组成部分时，可在其第一端面上直接连接其它元器件并可封装为一体，那么，当压敏电阻击穿炸裂后，可以保证其它元器件和电连接不被损坏，组合模块的其它功能不会丧失。
优选的，所述差异包括所述第一端面连接的部件的冲击韧性大于所述第二端面连接的部件的冲击韧性，通常，所述第一端面连接的部件的冲击韧性大于所述第二端面连接的部件的冲击韧性10％以上。因此，在同样的冲击能量的作用下所述第二端面连接的部件会先于第一端面连接的部件发生炸裂，从而泄放多余的能量，进而保证了第一端面连接的部件的完好。
优选的，所述差异还包括所述第一端面连接的部件的刚度大于所述第二端面连接的部件的刚度，通常，所述第一端面连接的部件的刚度大于所述第二端面连接的部件的刚度10％以上。因此，在同样的冲击能量的作用下所述第二端面连接的部件会先于第一端面连接的部件发生弹性变形，从而泄放多余的能量，进而保证了第一端面连接的部件的完好。
优选的，所述第一端面连接的部件的屈服强度大于所述第二端面连接的部件的屈服强度，通常，所述第一端面连接的部件的屈服强度大于所述第二端面连接的部件的屈服强度10％以上。因此，在同样的冲击能量的作用下所述第二端面连接的部件会先于第一端面连接的部件发生塑性变形，进一步泄放能量。例如，第一端面处的第一金属电极可以选择屈服强度较高的特殊黄铜材料，而第二端面处的第二金属电极则选择较柔软的纯铜材料。
优选的，所述差异包括所述第一端面连接的部件的焊接强度大于所述第二端面连接的部件的焊接强度。通常，所述第一端面连接的部件的焊接强度大于所述第二端面连接的部件的焊接强度10％以上。
本发明通过强化第一端面连接的部件的焊接强度，或弱化第二端面连接的部件的焊接强度，实现了两个端面焊接强度的差异化设计，即实现了两个端面的焊缝抗冲击能力的差异化设计。当电涌能量过大时，压敏陶瓷瓷片发生击穿炸裂，冲击力传递至端面并冲击焊缝，焊缝受损使得部件脱离端面，进而压敏陶瓷瓷片的碎片沿着部件和端面之间形成的开口继续往外飞溅，并以动能的形式泄放多余的电涌能量。本发明中由于两个端面的部件的焊接强度具有差异，那么焊缝受损将最先发生于焊接强度较弱的第二端面处，并在第二端面处发生炸裂，从而实现了定向炸裂。
优选的，所述差异包括所述第一端面连接的部件为金属电极片，且所述第二端面连接的部件为金属引线。金属引线对压敏陶瓷瓷片的约束较小，一旦发生炸裂，压敏陶瓷瓷片的碎片更容易从第二端面溅射，实现泄能。
而第一端面连接的金属电极片可以与所述压敏陶瓷瓷片的第一端面具有相同或相似的形状，使得金属电极片可以最大限度地遮挡住碎裂的压敏陶瓷瓷片，碎片不会从第一端面溅出。
优选的，所述第一端面连接有第一金属电极，所述第二端面连接有第二金属电极，所述第一金属电极和第二金属电极均为金属电极片，所述差异包括所述第一金属电极的厚度大于所述第二金属电极的厚度，和/或所述第一金属电极的面积大于所述第二金属电极的面积，从而可增大所述第一金属电极的刚度，增大第一金属电极耐冲击的能力。通常，所述第一金属电极的厚度大于所述第二金属电极的厚度10％以上，所述第一金属电极的面积大于所述第二金属电极的面积10％以上。所述第一金属电极可以直接选择较厚的单片金属材料，也可以用两片或更多片金属采用焊接或铆接等方式增加厚度。
如果压敏陶瓷瓷片的尺寸较大，则代表着要耐受更大的电涌电流冲击，第二端面就不能直接采用金属引线，而必须要用金属电极片。所述第一金属电极可以带引出端，也可以不带引出端而直接与其它元器件连接，而由于第二金属电极会先于第一金属电极发生变形和炸裂，为了避免对其他元器件造成影响，一般第二金属电极不直接与其他元器件相连接，而是在第二金属电极上设有引出端。在特殊设计下，当与第二金属电极相连接的元器件被设计为要先于其他元件劣化失效时，所述第二金属电极上也可以不设引出端，而直接与该元器件相连接。
优选的，所述第一端面连接有第一金属电极，所述第二端面连接有第二金属电极，所述第一金属电极和第二金属电极均为金属电极片，所述差异包括所述第二金属电极包含有中空区域，和/或所述第二金属电极包含有若干个缺口，既不影响金属电极的导电功能，又使得金属电极更容易弯折变形，有利于能量泄放。优选的，所述第二金属电极为放射形枝状或者树枝状。
优选的，所述第一金属电极上设有若干个检查孔，检查孔用以进一步检查焊接的质量。开孔后会降低金属电极的受力特性，因此，开孔不宜太多，孔径不宜太大。
优选的，所述第一端面和第二端面均设有封装层，所述差异包括所述封装层在所述第一端面处的厚度大于在所述第二端面处的厚度，通常，所述差异包括所述封装层在所述第一端面处的厚度大于在所述第二端面处的厚度10％以上，从而使得第一端面的封装层的抗冲击性能强于所述第二端面，所述第二端面处的封装层首先发生炸裂。所述封装层的材料可以选择为环氧树脂。甚至，所述第一端面和第二端面处可以采用不同的封装材料进行封装，所述第一端面的封装层的抗冲击性能优于所述第二端面的封装层的抗冲击性能，可以在冲击韧性、刚度、屈服强度等方向进行差异化设计，从而实现定向炸裂。
优选的，所述差异可表现为所述第一端面连接的部件的物理性能与所述第二端面连接的部件的物理性能的比值大于或等于110％，此处的物理性能指有利于提高抗冲击能力的相关性能，比如冲击韧性、屈服强度、焊接强度等。优选的，该物理性能参数值的比值范围为150％-300％，比如150％，200％。
或所述差异可表现为所述第一端面连接的部件的物理性能与所述第二端面连接的部件的物理性能的比值小于或等于90％，此处的物理性能指不利于提高抗冲击能力的相关性能，比如脆性等。优选的，该物理性能参数值的比值范围为30％-60％，比如35％，50％。
优选的，所述第一端面连接的部件包括在所述第一端面连接有的第一金属电极，以及在所述第一金属电极外部封装有的封装层；所述第二端面连接的部件包括在所述第二端面连接有的第二金属电极，以及在所述第二金属电极的外部封装有的封装层。所述薄层电极的厚度一般在20微米左右，所述金属电极与所述薄层电极焊接连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明通过弱化第二端面连接的部件的物理性能，或强化第一端面连接的部件的物理性能，实现了两个端面连接部件的抗冲击能力的差异化设计。当电涌能量过大时，压敏陶瓷瓷片发生击穿炸裂，冲击力会分别传递至第一端面和第二端面，此时，第二端面连接的部件由于抗冲击能力较差，其承受冲击力后将最先发生变形和炸裂，压敏陶瓷瓷片的碎片从变形处溅出，多余的电涌能量以动能的形式得到泄放，从而实现了定向炸裂，确保了第一端面连接的部件完好无损，进而保证与第一端面相连接的元器件不受损坏，连接不被破坏。
利用压敏电阻的定向炸裂，在设计时就可以对压敏电阻的击穿炸裂失效采取有效的预防措施，从而尽量降低对整个电路上其他器件的影响。当压敏电阻作为一个独立元件单独封装使用时，第二端面侧可设计成能量泄放区，留出一定的空间或者靠近一些坚固的结构件，而在第一端面侧却可以相邻一些娇贵的元器件。当压敏电阻作为一个复杂电路组合模块的组成部分时，可在其第一端面上直接连接其它元器件并可封装为一体，那么，当压敏电阻击穿炸裂后，可以保证其它元器件和电连接不被损坏，组合模块的其它功能不会丧失。
附图说明：
图1是背景技术所述的现有的小尺寸的压敏电阻的正视图。
图2是背景技术所述的现有的小尺寸的压敏电阻的侧视图。
图3是背景技术所述的现有的大尺寸的压敏电阻的正视图。
图4是背景技术所述的现有的大尺寸的压敏电阻的侧视图。
图1至图4中标记：1-压敏陶瓷瓷片，2-第一端面薄层电极，3-第二端面薄层电极，4-金属引线电极，5-电极片。
图5是本发明实施例1所述的一种可实现定向炸裂的压敏电阻的结构示意图。
图6是本发明实施例1所述的一种可实现定向炸裂的压敏电阻的侧视图。
图7是本发明实施例2所述的一种可实现定向炸裂的压敏电阻的零件爆炸图。
图8是本发明实施例2所述的一种防雷过压保护器件的零件爆炸图。
图9是本发明实施例3所述的一种可实现定向炸裂的压敏电阻的正视图。
图10是本发明实施例3所述的一种可实现定向炸裂的压敏电阻的侧视图。
图5-图10中标记：1-压敏陶瓷瓷片，2-第一端面薄层电极，3-第二端面薄层电极，4-第一金属电极，5-第二金属电极，6-检查孔，7-第一压敏电阻，8-第二压敏电阻，9-气体放电管，10-正温度系数热敏电阻，11-封装层。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
如图5-图6所示，一种可实现定向炸裂的压敏电阻，包括压敏陶瓷瓷片1，压敏陶瓷瓷片1采用直径20毫米的圆形瓷片。所述压敏陶瓷瓷片1的第一端面附着有第一端面薄层电极2，所述压敏陶瓷瓷片1的第二端面附着有第二端面薄层电极3，第一端面薄层电极2和第二端面薄层电极3为直径18毫米，厚度20微米，采用丝网印刷、高温烧附工艺涂敷的圆形银电极。所述第一端面薄层电极2上覆盖连接有第一金属电极4，第一金属电极4为直径17.5毫米，厚度0.5毫米的带引出端的圆形铜片。所述第二端面薄层电极3上连接有第二金属电极5，第二金属电极5为金属引线，金属引线采用直径1毫米的圆铜线。采用焊接的方式将第一金属电极4覆盖连接在第一端面薄层电极2上，将第二金属电极5连接在第二端面薄层电极3上，所述第一金属电极4上设有若干个焊缝检查孔6，用环氧树脂封装后制成独立的压敏电阻样品。
用波形8/20微秒、强度12KA的电涌电流冲击压敏电阻样品，若干次冲击后样品击穿炸裂，所有样品均是在第二端面炸开，而第一端面保持完好，取得了预期的效果。
实施例2
如图7所示，本实施例与实施例1的区别在于，所述第一金属电极4和所述第二金属电极5均为金属电极片。为了便于所述第二金属电极5发生变形，利于能量泄放，所述第二金属电极5包含有中空区域，或所述第二金属电极5包含有若干个缺口，在本实施例中，所述第二金属电极5为放射形枝状。
优选的，所述第一金属电极4的厚度大于所述第二金属电极5的厚度，所述第一金属电极4的面积大于所述第二金属电极5的面积。
所述可实现定向炸裂的压敏电阻可应用于多种电路结构中，例如在一种防雷过压保护器件中，包括第一压敏电阻7和第二压敏电阻8，在第二压敏电阻8的一个电极面上焊接连接有放电管9的一个电极面和正温度系数热敏电阻10的一个电极面，并封装成一体，如图8所示。其中，第二压敏电阻8被设计成要先于其他元件劣化失效，当其严重劣化后在电涌冲击下击穿炸裂的概率很大。采用本发明所述的技术方案，将第二压敏电阻8焊接连接有放电管9和正温度系数热敏电阻10的电极面设定为第一端面，与它对应的另一个端面为第二端面。
如图7所示，第二压敏电阻8采用40K391方形瓷片，尺寸为34×34毫米；第一、第二端面薄层电极为尺寸31×31毫米，厚度20微米，采用丝网印刷、高温烧附工艺涂敷的方形银电极；第一金属电极4为尺寸30×30毫米，厚度1毫米的不带引出端的方形铜片；第二金属电极5采用厚度0.5毫米的铜片，冲压加工成放射形枝状的带引出端的形状。采用焊接的方式将第一金属电极4覆盖连接在第一端面薄层电极2上，第二金属电极5覆盖连接在第二端面薄层电极3上，再将放电管9的一面电极面和正温度系数热敏电阻10的一面电极面直接焊接连接在第一金属电极4上，最后按照电路将其他元件连接，用环氧树脂封装后制成一种防雷过压保护器件样品。
用波形8/20微秒、强度40KA的电涌电流冲击防雷过压保护器件样品，若干次冲击后样品的第二压敏电阻8击穿炸裂，所有样品均是在第二压敏电阻8的第二端面炸开，放射形枝状的第二金属电极5局部折弯变形，内部压敏陶瓷瓷片1部分炸裂。而第一端面包括第一金属电极4、以及与其焊接连接的放电管9、正温度系数热敏电阻10均保持完好，整个电路的电连接完好。将试验后的样品接入220伏交流电网，热保护功能立即启动，达到了第二压敏电阻8失效后，电路安全脱离电网的预期效果。本发明技术方案的实施，避免了第二压敏电阻8炸裂后由第一端面损坏造成的其他元器件和电连接的破坏，进而使整个电路的保护功能丧失的重大隐患，使整个电路的可靠性得到了极大的提升。
实施例3
本实施例公开了一种可实现定向炸裂的压敏电阻，如图9-图10所示，压敏陶瓷瓷片1采用直径20毫米的圆形瓷片；第一端面薄层电极2、第二端面薄层电极3的为直径18毫米，厚度20微米，采用丝网印刷、高温烧附工艺涂敷的圆形银电极；第一金属电极4和第二金属电极5采用直径1毫米的圆铜线；采用焊接的方式将第一金属电极4连接在第一端面薄层电极2上，第二金属电极5连接在第二端面薄层电极3上，用环氧树脂浸封形成封装层11，当第一端面和第二端面附着的树脂厚度达0.5mm后，再单独将第一端面多浸涂几次，使第一端面附着的环氧树脂厚度达1.2mm，制成独立的压敏电阻样品。
用波形8/20微秒、强度12KA的电涌电流冲击压敏电阻样品，若干次冲击后样品击穿炸裂，所有样品均是在第二端面炸开，而第一端面保持完好，实现了定向炸裂。
实施例4
本实施例公开了一种可实现定向炸裂的压敏电阻，本实施例与实施例1的区别在于，所述第一金属电极4和所述第二金属电极5均为金属电极片，且所述第一金属电极4和所述第二金属电极5的形状、面积、厚度均相同。为了实现定向炸裂，本发明对第一金属电极4和第二金属电极5抵抗冲击力的能力进行了差异化设计，在本实施例中，第一端面处的第一金属电极4选择屈服强度较高的特殊黄铜材料，而第二端面处的第二金属电极5则选择较柔软的纯铜材料。该差异化属于压敏电阻的专门设计，区分于压敏电阻制作过程中出现的误差值，通常来说，第一金属电极4的屈服强大于所述第二金属电极10％以上，比如50％，100％。
优选的，所述第一金属电极4的冲击韧性大于所述第二金属电极5的冲击韧性10％以上。优选的，所述第一金属电极4的焊接强度大于所述第二金属电极5的焊接强度10％以上。优选的，所述第一金属电极4的刚度大于所述第二金属电极5的刚度10％以上。
以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述具体实施方式，因此任何对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种可实现定向炸裂的压敏电阻，其特征在于，包括压敏陶瓷瓷片(1)，所述压敏陶瓷瓷片(1)包括第一端面和第二端面，所述第一端面连接的部件的物理性能与所述第二端面连接的部件的物理性能具有差异，所述差异使得当所述压敏陶瓷瓷片(1)炸裂时，所述第二端面连接的部件发生炸裂或变形。
2.根据权利要求1所述的一种可实现定向炸裂的压敏电阻，其特征在于，所述差异包括所述第一端面连接的部件的冲击韧性大于所述第二端面连接的部件的冲击韧性。
3.根据权利要求2所述的一种可实现定向炸裂的压敏电阻，其特征在于，所述差异还包括所述第一端面连接的部件的刚度大于所述第二端面连接的部件的刚度，和/或所述第一端面连接的部件的屈服强度大于所述第二端面连接的部件的屈服强度。
4.根据权利要求1所述的一种可实现定向炸裂的压敏电阻，其特征在于，所述差异包括所述第一端面连接的部件的焊接强度大于所述第二端面连接的部件的焊接强度；和/或所述差异包括所述第一端面连接的部件为金属电极片，且所述第二端面连接的部件为金属引线。
5.根据权利要求1所述的一种可实现定向炸裂的压敏电阻，其特征在于，所述第一端面连接有第一金属电极(4)，所述第二端面连接有第二金属电极(5)，所述第一金属电极(4)和第二金属电极(5)均为金属电极片，所述差异包括所述第一金属电极(4)的厚度大于所述第二金属电极(5)的厚度，和/或所述第一金属电极(4)的面积大于所述第二金属电极(5)的面积。
6.根据权利要求1所述的一种可实现定向炸裂的压敏电阻，其特征在于，所述第一端面连接有第一金属电极(4)，所述第二端面连接有第二金属电极(5)，所述第一金属电极(4)和第二金属电极(5)均为金属电极片，所述差异包括所述第二金属电极(5)包含有中空区域，和/或所述第二金属电极(5)包含有若干个缺口。
7.根据权利要求6所述的一种可实现定向炸裂的压敏电阻，其特征在于，所述第二金属电极(5)为放射形枝状或者树枝状。
8.根据权利要求1所述的一种可实现定向炸裂的压敏电阻，其特征在于，所述第一端面和第二端面均设有封装层，所述差异包括所述封装层在所述第一端面处的厚度大于在所述第二端面处的厚度。
9.根据权利要求1所述的一种可实现定向炸裂的压敏电阻，其特征在于，所述差异可表现为所述第一端面连接的部件的物理性能与所述第二端面连接的部件的物理性能的比值大于或等于110％，或所述第一端面连接的部件的物理性能与所述第二端面连接的部件的物理性能的比值小于或等于90％。
10.根据权利要求1-9任一所述的一种可实现定向炸裂的压敏电阻，其特征在于，所述第一端面连接的部件包括在所述第一端面连接有的第一金属电极(4)，以及在所述第一金属电极(4)外部封装有的封装层；所述第二端面连接的部件包括在所述第二端面连接有的第二金属电极(5)，以及在所述第二金属电极(5)的外部封装有的封装层。
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