CN111718192A - 基于氧化锌的变阻器和制造方法 - Google Patents

基于氧化锌的变阻器和制造方法 Download PDF

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Abstract

本公开涉及基于氧化锌的变阻器和制造方法。一种变阻器可以包括变阻器陶瓷，变阻器陶瓷包括摩尔百分比大于90％的氧化锌和一组金属氧化物，所述组金属氧化物可以包括：摩尔分数在0.2到2.5％之间的Bi2O3；摩尔分数在0.2到1.2％之间的Co3O4；摩尔分数在0.05到0.5％之间的Mn3O4；摩尔分数在0.05到0.5％之间的Cr2O3；摩尔分数在0.5到1.5％之间的NiO；摩尔分数在0.05到1.5％之间的Sb2O3；摩尔分数在0.001到0.03％之间的B2O3；以及摩尔分数在0.001到0.05％之间的氧化物形式铝。

Description

基于氧化锌的变阻器和制造方法
本申请是申请日为2012年12月27日、申请号为201280076078.0、发明名称为“基于氧化锌的变阻器和制造方法”的中国发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明的实施例涉及电路保护设备领域。更具体地，本发明涉及用于过载保护的金属氧化物变阻器。
背景技术
过电压保护设备被用以使电子电路和组成部分免受由于过电压故障状态的损害。这些过电压保护设备可以包括要被保护的电路与地线之间连接的金属氧化物变阻器(MOV)。MOV具有独特的电流-电压特性，其允许它们被用以保护此类电路免受灾难性的电压过载。但是，因为变阻器设备被如此广泛地部署以保护许多不同类型的装置，所以存在着改善变压器特性的持续需求。例如，改善它在高能过载事件下的工作寿命和/或性能可以是期望的。影响变阻器寿命预期的一个参数是它的能效(焦耳)等级。随着能效等级增加，变阻器寿命预期典型地指数增加，它可适应的瞬时脉冲的数量增加并且在每个瞬时期间提供的“钳制电压”下降。对防御高能量脉冲而言，变阻器性能的改善也是期望的。例如，如果发生诸如雷击之类的超大过载，耗散的能量可能超过变阻器可以适应的量。雷击结果的随后电流可能产生完全摧毁所述电阻器的过量电流。因此，要理解，改善目前使用金属氧化物变阻器的电路保护设备是期望的。
发明内容
本发明的示例实施例针对电路保护设备。在示例性实施例中，变阻器可以包括压敏陶瓷，其包括摩尔百分比大于90％的氧化锌；一组金属氧化物。所述组金属氧化物可以包括：包括的摩尔分数等价于在0.2到2.5％之间的Bi2O3的氧化物形式铋；包括的摩尔分数等价于在0.2到1.2％Co3O4之间的氧化物形式钴；包括的摩尔分数等价于在0.05到0.5％Mn3O4之间的氧化物形式锰；包括的摩尔分数等价于在0.05到0.5％Cr2O3之间的氧化物形式铬；包括的摩尔分数等价于在0.5到1.5％NiO之间的氧化物形式镍；包括的摩尔分数等价于在0.05到1.5％Sb2O3之间的氧化物形式锑；包括的摩尔分数等价于在0.001到0.05％B2O3之间的氧化物形式硼；以及包括的摩尔分数等价于在0.001到0.05％之间的Al3+形式的铝。
附图说明
图1绘出了示例性变阻器；
图2绘出了另一个示例性变阻器；
图3示出了示例性处理流程；
图4A介绍了用于三种不同配方的组成部分的示例性成分集合；
图4B介绍了用于图4A的配方的组成部分成分的另一种表述；
图5A介绍了在一系列实验中使用的第一粉末配方的基础成分；
图5B介绍了对用以综合变阻器样本和得到的变阻器电气特性的图5A中的基础成分的成分变化；
图5C介绍了在一系列实验中使用的第二粉末配方的基础成分；
图5D介绍了对用以综合变阻器样本和得到的变阻器电气特性的图5C中的基础成分的成分变化；
图6A介绍了传统变阻器样本的测量结果；
图6B介绍了根据本发明实施例制造的一组变阻器样本的测量结果；
图6C介绍了根据本发明实施例制造的额外的一组变阻器样本的测量结果；
图7绘出了传统变阻器样本与根据本发明实施例制造的变阻器样本的测量的比较；
图8绘出了根据L150配方综合出的高电压变阻器的电气性能的实验测量，也绘出了使用中电压L100配方综合出的变阻器的电气性能的实验测量，还绘出了使用低电压L20配方综合出的变阻器的电气性能的实验测量。
具体实施方式
本发明将随后参考所述附图被更全面地描述，其中示出了本发明的优选实施例。然而，本发明可以以许多不同形式体现并且不应被解释为限于本文提出的实施例。相反，提供这些实施例是为了本公开会完全和完备，并且会向本领域技术人员全面地表达出本发明的范围。在图中，自始至终，相同的编号指代相同的元件。
在下面描述和/或权利要求中，术语“上”，“在上面”，“布置在上面”和“上方”被使用在下面描述和权利要求中。“上”，“在上面”，“布置在上面”和“上方”可被用以表明两个或更多个元件相互直接物理接触。然而，“上”，“在上面”，“布置在上面”和“上方”也可以指两个或更多个元件不是相互直接接触。例如，“上方”可以指一个元件在另一个上面但相互不接触并且可以在所述两个元件之间具有另一个元件或多个元件。此外，术语“和/或”可以指“和”，它也可指“或”，它可指“异或”，它可指“一个”，它可指“某些，但不是全部”，它可指“全不是”，和/或它可指“两者”，但是所要求主体的范围不限于此。
本发明实施例一般涉及基于氧化锌材料的金属氧化物变阻器(MOV)。如所知，此类型的变阻器包括陶瓷体，陶瓷体的微结构包括氧化锌晶粒并且可以包括诸如布置在陶瓷微结构内的其他金属氧化物之类的各种其他组成部分。这种陶瓷氧化锌变阻器的特性通常依赖所述变阻器的精确成分和微结构而变化。作为背景，MOV主要由烧结在一起形成圆片的氧化锌颗粒构成，在圆片上作为固体的氧化锌颗粒是高导电材料，而由其他氧化物形成的粒间边界(intergranular boundary)是高阻的。只有在氧化锌颗粒接触的那些点处，烧结才产生与对称齐纳二极管相当的“微变阻器”。金属氧化物变阻器的电气行为由串联或并联的微变阻器的数量得出。MOV的烧结体也解释了它的高电气负载容量，其允许能量的高度吸收并且因此有极高的过载电流处理能力。
具体地，在各种已知MOV设备中，陶瓷的微晶(晶粒)之间的边界可以形成可允许电流只在一个方向流动的二极管结。在烧结后，陶瓷MOV的微结构内的晶粒集合可以建模为背对背的二极管对的网络，其中每个对被安排成与许多其他二极管对并联。当小或适中的电压施加到电极上时，反向漏电流通过所述二极管结只引起轻微的电流。当施加大电压时，由于热电子发射和电子隧穿以及大电流的组合，二极管结击穿。此行为的结果是高度非线性的电流-电压特性，其中MOV在低电压处有高电阻并且在高电压处有低电阻。
在此之前已经做出了大量努力以改善已知的MOV设备尤其是基于氧化锌的变阻器的特性。公开了与本发明实施例一致的一组基于氧化锌的新颖的并且非显而易知的MOV陶瓷材料。具体地，本发明人已经发现了一组新颖的成分能够得到如以下详述的非预期的出众的变阻器设备性能特性。一组用于形成此增强的变阻器设备的方法也被公开。
图1绘出了一种变阻器102并且图2绘出了另一种变阻器202，每种都被制造为具有如以下详述的增强的特性。具体地，可以使用给予变阻器120、202非预期的改善的电气特性的新颖成分来制造变阻器体104、204。变阻器102、202每个都描绘了具有一对分别的引线106、206的变阻器类型。但是，如将对本领域技术人员清晰的，在本发明实施例中变阻器可以使用任何方便的形状、尺寸和引线结构来制造。
图3示出了用于形成与本发明实施例一致的增强的变阻器的示例性处理300。处理300可被用以制造具有如下详述的增强的特性的基于氧化锌的变阻器。在框302处，制备了粘合剂溶液。所述粘合剂溶液被用以制成要被用于将变阻器材料处理成变阻器体或预制品的粘合剂。在各种实施例中，使用在高温中溶解在水中的聚合物材料可以制备粘合剂溶液。在一种例子中，粘合剂从聚乙烯醇(PVA)中制备，并且具体地，从去离子水中重量百分比为10的PVA的溶液中制备。所述溶液可以通过在高温搅拌PVA水混合物来制备。在一种例子中，所述溶液在大约90℃的温度搅拌大约2小时。
如图3中进一步所示，在框304处，制备了溶剂。所述溶剂通过将框302中制备的PVA溶液添加到水和其他组成部分的混合物中来制备。所述溶剂可以包括一个或多个分散剂、消泡剂、其他粘合剂、和其他添加剂，诸如调整pH的添加剂等。与本发明实施例一致，所述溶剂可以通过在诸如塑料容器的合适容器中搅拌上述配料来制备。
在框306到框310处，为了添加到所述溶剂，要形成增强的变阻器的各种组成部分被测量。例如，在框306处，诸如包含Al、B或碱土金属的添加剂等的各种添加剂被添加到所述溶剂。通常在要形成的最终变阻器中这些添加剂被合并作为微量组成部分。
在框308处，为了添加到所述溶剂，一组金属氧化物被测量。所述金属氧化物可以包括，例如，Bi2O3、Co3O4、Mn3O4、Cr2O3、NiO和Sb2O3。通常在最终变阻器中这些组成部分被合并作为微量组成部分，以便每种金属氧化物可以包括数量级约为0.1％到约为3％的摩尔百分比。根据针对以上金属氧化物组成部分的本发明实施例形成的变阻器的示例性组成范围包括：包括的摩尔分数等价于在0.2到2.5％Bi2O3之间的氧化物形式铋；包括的摩尔分数等价于在0.2到1.2％Co3O4之间的氧化物形式钴；包括的摩尔分数等价于在0.05到0.5％Mn3O4之间的氧化物形式锰；包括的摩尔分数等价于在0.05到0.5％Cr2O3之间的氧化物形式铬；包括的摩尔分数等价于在0.5到1.5％NiO之间的氧化物形式镍；包括的摩尔分数等价于在0.05到1.5％Sb2O3之间的氧化物形式锑；包括的摩尔分数等价于在0.001到0.05％B2O3之间的氧化物形式硼；以及包括的摩尔分数等价于在0.001到0.05％之间的Al3+形式的铝。在某些变种中，钛可以以包括的摩尔分数等价于在0.2到1.0％之间的TiO2的氧化物形式被包括在变阻器粉末中。通过调整金属氧化物组成部分的精确成分，所述变阻器性能可以显著增强。
图4A和4B绘出了用于称为“L20G”、“L100S”、和“L150A”的三种不同的特定配方的示例性氧化物组成部分成分。L20G配方是针对低电压变阻器而制备，L100S是针对中电压变阻器，以及L150A是针对高电压变阻器。在图4A中，根据使用诸如铋的情况中化学计量氧化物“Bi2O3”等的原材料，示出了用于配方L20G、L100S、和L150A的每个的各种组成部分的摩尔分数。为方便起见，在图4B中，根据氧化物的金属组成部分的摩尔分数，诸如在铋情况中的“Bi”，示出了用于成分L20G、L100S、和L150A的每个的各种氧化物组成部分的摩尔分数。如从图4A和4B清楚的，表示为金属(图4B)相比于表示为包含那种金属的化学计量混合物(图4A)，变阻器的组成部分的摩尔分数可以不同。
注意的是，为配方L20G、L100S、和L150A列出的成分仅仅是示例，并且一个或多个氧化物组成部分的摩尔分数可以变化以调整如下所述的变阻器粉末的特性。而且，尽管图4B列出了形成氧化物组成部分的金属元素的摩尔分数，如本领域技术人员将理解的，每种金属元素被合并作为变阻器材料中的氧化物。
在框310处，ZnO(氧化锌)被测量以在要被形成的最终变阻器中提供合适的重量分数。与某些实施例以及和以下详述一致，ZnO的摩尔分数可以是大约90到99％。
在框312处，添加剂、金属氧化物、氧化锌、和溶剂被混合在一起以形成变阻器悬浮液。在某些实施例中，这些组成部分可以以预定顺序被引入。例如，可以在搅拌的容器中将添加剂添加到溶剂中，接着，将金属氧化物引入到所述搅拌的容器中。最后，可以将ZnO添加到所述搅拌的容器中。
在框314处，所述变阻器悬浮液被研磨。在一种实施例中，可以进行持续10到20小时的球磨研磨。
在框316处，所述变阻器悬浮液被喷雾干燥由此形成颗粒。在框318处，所述变阻器颗粒被压制以形成期望的固体物体。在框320处，执行去粘合。在此步骤中，以诸如圆片等的固体物体形式的被压制的粉末被放置在诸如用于加热的烤箱等的装置中，以从所述压制的粉末移除粘合剂材料。在某些例子中，在去粘合处理期间用于加热所述压制的粉末的最大温度在400℃与700℃之间。在某些例子中所述处理时间的范围可以从大约10变化到40小时。
在框322处，在所述去粘合后执行对所述压制的粉末的烧结。在某些实施例中，所述压制的粉末固体物体可以在1000℃到1300℃的温度范围内的窑中被烧结。烧结时间可以是大约10到30小时。随后，可以执行银印刷烧制(框324)、焊接(框325)、和涂覆(框326)来制备所述变阻器以便可以执行测量(框328)。
如先前值得注意的，本发明人已经确定出基于ZnO的变阻器的成分的特定范围，其中所述设备性能非预期地显著增强。尽管已知了包括Co、Mn、Ni、Cr、Bi、和Sb的氧化物的变阻器材料的不同组成部分，在特定组成范围内的组成部分的特定组合已被发现以显著增强ZnO变阻器的期望的电气特性，诸如最大过载电流能力、对退化的抵抗力等。
在若干组实验中，ZnO变阻器的各种组成部分的成分被改变并且测量其电气性能。图5A和5B绘出了用于根据第一组材料以及电气测量的结果制备变阻器样本的不同组成部分的总结。图5A和5B示出的数据代表一组低电压L20变阻器配方，其变阻器电压从大约20V/mm到40V/mm变化。具体地，图5A示出了基本粉末成分(L20BC)，其中特定组成部分的成分指的是用于如图4B所示的各种金属氧化物组成部分的金属的摩尔分数。图5B示出了被添加到L20BC配方以得到图5B示出和测量出其电气特性的最终变阻器成分(L20)的各种材料的额外量(记为L20AC)。图5B中未示出实际变阻器成分，而只是示出了每个单独组成部分关于图5A中示出的它的基础值的额外量。因此，例如图5B中列出的0.15％的镍成分的一个条目指的是镍摩尔分数(虽然以氧化物形式合并在变阻器中)是0.85％(＝图5A中给定的0.70％基础成分+图5B中示出的添加的0.15摩尔分数)的变阻器粉末。
具体地，通过添加0.1～0.52mol％钴(以氧化物形式)、0.04～0.45mol％锰(以氧化物形式)、0.03～0.15mol％镍(以氧化物形式)、0.02～0.14mol％铬(以氧化物形式)、0.06～0.38mol％钛(以氧化物形式)、0.05～1.28mol％铋(以氧化物形式)、0.01～0.16mol％锑(以氧化物形式)，来调整图4A中示出的基础成分来制备粉末成分。除了ZnO之外，还有形成主要变阻器粉末组成部分的上述材料，被添加到水、有机分散剂、消泡剂，并且粘合剂被加入到混合器并且接着被研磨和喷雾干燥成颗粒状粉末。接着，此颗粒状粉末被填充模具中以被压制成直径14mm×厚度1.2mm的圆片。随后，压制后的圆片在温度为1230℃的推板炉内加热以移除粘合剂然后被烧结以形成烧结体。
图5B的数据示出了若干趋势。例如，镍氧化物含量从0.7％的基础成分增加等效为0.15摩尔％镍，使得变阻器电压增加到35.2V/mm。类似的，钛氧化物含量从0.5摩尔％钛(以氧化物形式)的基础成分增加若干个千分点，使得变阻器电压从29.9V/mm增加到35.7V/mm。另一方面，铋氧化物含量从铋的0.9％摩尔分数增加，使得变阻器电压有更复杂的变化。高达0.75％的增加使得变阻器电压从29V/mm增加到35.8V/mm，而超过0.9％基础成分进一步增加额外的1.28％导致变阻器电压下降到27.4V/mm。最终，基础成分超过0.1摩尔％的锑的锑氧化物含量增加高达0.16摩尔％额外的锑(以氧化物形式)，导致变阻器电压从41.3V/mm单调下降为32.6。还值得注意的是在某些情况中，过载电容受变阻器组成部分的成分变化显著影响。具体地，样本服从标准“8/20”波形，其结果在图5B中示出。8/20波形产生在8μs内达到最大值并且在20μs内降到最大值的50％的电流过载。注意的是，在传统MOV中，用于14mm低电压变阻器(VRMS≤40V)的8/20μs过载电流密度大约是10～20A/mm2。相反，在本发明实施例中，用于14mm低电压变阻器的8/20μs过载电流密度被增加到58A/mm2。
在另一组实验中，通过改变用以形成中电压“L100”粉末的另一基础粉末成分来制备多种不同的粉末。
图5C和图5D是一组具有包括范围从100V/mm到大约130V/mm变化的变阻器电压的L100配方。图5C和图5D中示出的组成数据遵循以上讨论的分别用于图5A和5B的相同工序。因此，图5D中示出其电气测量的实际L100粉末材料的成分由L100配方＝L100基础成分(图5C中示出的L100BC)+L100额外成分(图5D中示出的L100AC)来确定。另外，图5C中示出的L100BC成分指的是以构成各种原材料的金属的摩尔分数度量的特定元素。
具体地，如图5C和5D所示，通过增加上述组成部分的摩尔百分比来调整上述成分以制备粉末成分。除了ZnO之外，还有形成主要变阻器粉末组成部分的上述材料，被添加到水、有机分散剂、消泡剂，并且粘合剂被加入到混合器然后被研磨和喷雾干燥成颗粒状粉末。接着，此颗粒状粉末被填充模具中以被压制成直径14mm×厚度1.2mm的圆片。随后，压制后的圆片在温度为1230℃的推板炉内加热以移除粘合剂并且被烧结以形成烧结体。所述压制的圆片接着经受电气测量，其结果在图5D中示出。
图5D的数据示出了若干趋势。例如，镍氧化物含量从0.40摩尔％的镍的基础成分增加高达0.73％，使得变阻器电压从115V/mm增加到126V/mm，而钴氧化物成分在0.8摩尔％的钴的基础成分上增加高达额外的0.45摩尔％钴，使得变阻器电压有类似的增加。锰成分在超过0.2％的锰的基础成分上增加高达额外的0.68％，导致变阻器电压从大约112V/mm增加到131V/mm，而铝含量在超过0.002％的基础含量上增加高达额外的0.002％，导致变阻器电压从大约111V/mm增加到125V/mm。最终，铋含量在超过2.0％的基础成分上增加高达大约0.4％，变阻器电压不产生清晰的变化。在传统MOV设备中，用于14mm变阻器(≤50VRMS≤75V)的8/20μs过载电流密度大约是35～50A/mm2。在本发明实施例中，用于14mm和相同电压变阻器的8/20μs过载电流密度被增加到66A/mm2。
图6A到6C是介绍了进一步示出性能和可靠性改善的变阻器的测量结果的图，所述改善由根据本发明实施例制造的变阻器提供。图6A中介绍了在已知基于ZnO的MOV上执行的DC荷载测试的结果。具体地，在图6A中，为在125℃的高温处性能是不稳定的传统粉末示出了DC荷载测试结果的例子(Vdc＝85V，LR＝0.728)。图6B和6C介绍了用于根据本发明实施例制造的两种不同变阻器样本的DC荷载测试结果。
针对图6A的结果被测量的MOV样本在125℃经受到的施加电压为85V DC。最初所述样本(C-MOV)被测量，接着它经受到85V DC的持续施加。在样本经受所述DC电压持续总共168小时、500小时、和1000小时后执行测量。在这些测量中，参数Vn被测得并且被绘在图6A中的电压曲线602中。具体地，定义所述电压曲线602的Vn值被执行在1mA的电流处。图6A中示出的Vn值代表若干测试的平均值。所述C-MOV样本最初展示了117V的Vn值。但是，168小时以后Vn展示了到111V的轻微下降。在500小时处，Vn值下降到77V，而在1000小时处Vn的值下降到59V。
也在图6A中示出的，由施加的85V DC引起并且在电压曲线602中示出的Vn随时间的下降伴随着漏电流的增加。具体地，漏电流曲线604绘出了漏电流(μA)随时间变化的图。如制备的，C-MOV样本展示了小值的漏电流，平均大约为14μA。在168小时处，漏电流增加到大约μA，接着分别猛烈增加到500小时处的322μA和1000小时处的390μA。在168小时处十个样本中没有样本被记录为失败，但是在500小时和100小时所有的十个样本都被记录为失败。
图6B介绍了类似于其结果在图6A中介绍了的样本测试的结果。但是，图6B中反映的样本测量是使用与本发明实施例一致的中电压变阻器成分(L100配方)执行的。针对图6B的结果被测量的样本(34*34平方圆片，Vrms＝75V)在125℃经受到的施加电压为100V DC(LR＝0.822)。最初所述样本被测量，接着它经受到100V DC的持续施加。在样本经受所述DC电压持续总共168小时、336小时、500小时、和1000小时后，针对每个测试条件执行22个样本测量。在所述样本测量中，使用1mA测试电流测试参数Vn并且将其绘在图6B中的电压曲线612中，其反映了针对每个测试条件的若干不同样本测量的平均值。L100S样本最初展示了122V的Vn值。但是，168小时以后Vn展示了到127V的轻微增加。在336、500、和1000小时处，Vn的值在127V保持不变。因此，L100S样本示出了持续经受100V DC电压到高达至少1000小时的稳定行为。这也反映在漏电流曲线614中示出的漏电流测量的结果中。最初漏电流值是13μA，是与传统C-MOV样本的值一致的低值。168小时以后，测得的值下降到13μA的平均值，并且在1000小时处略微增加到15μA。对任何样本测量都没记录到失败。
图6C介绍了类似于其结果在图6B中介绍了的样本测试的结果，图6C的测试使用了与本发明实施例一致的低电压变阻器成分(本文记为L20配方)。针对图6C的结果被测试的样本在125℃经受到了60V DC的施加电压(34*34平方圆片，Vrms＝45V，LR＝0.810)。
最初所述样本被测试，接着它经受到60V DC的持续施加。在样本经受所述DC电压持续总共168小时、500小时、和1000小时后，针对每个测试条件执行22个样本测量。
在所述样本测量中，使用1mA测试电流测试参数Vn并且将其绘在图6C中的电压曲线622中，其反映了针对每个测试条件的若干不同样本测量的平均值。L20样本最初展示了74V的Vn值。但是，168小时以后Vn展示了到76V的轻微增加。在500、和1000小时处，Vn的值在77V保持不变。因此，L20样本示出了持续经受60V DC电压到高达至少1000小时的稳定行为。这也反映在漏电流曲线624中示出的漏电流测量的结果中。最初漏电流值是24μA，是与传统C-MOV样本的值一致的低值。168小时后，测得的值增加到33μA的平均值，并且接着在336小时处降到29μA，接着保持31μA直到1000小时。对22个样本测量的任意一个都没记录到失败。要注意，传统大尺寸低电压变阻器很难在125℃的高温经受DC荷载测试。传统商业MOV中用于这种低电压变阻器的尺寸目前的范围是5mm到20mm。在本发明实施例中，使用L20配方生产的34*34平方圆片可以在125℃的高温经受DC荷载测试。
已经对根据本发明实施例制造的L100变阻器样本执行了额外测试以评估对能量过载的抵抗。具体地，样本经受标准“8/20”和“10/350”波形。8/20波形产生在8μs内达到最大值并且在20μs内降到最大值的50％的电流过载，而10/350波形产生在10μs内达到最大值(IMAX)并且在350μs内降到最大电流的50％的电流过载。这些波形被认为接近于非直接雷击和直接雷击。
在一系列测试中，变化直径的低电压变阻器经受到8/20波形以确定最大电流处理能力。图7将测量一组传统变阻器样本702的性能的测试结果与根据本发明实施例的L20配方制造的变阻器样本704的结果比较。变阻器样本702、704的每组都包括直径为5、7、10、14和20mm的圆片。表706介绍了从传统变阻器样本702的测量得到的结果712以及基于变阻器样本704的结果714。表706中示出的参数Imax和Wmax指的是基于8/20波形测试的电流和功率过载等级。如表706中所示，与给定圆片直径的变阻器样本702相比，变阻器样本704的Imax电流过载等级大约是4到7倍高。另外，变阻器样本704的Wmax的值是它的传统变阻器702对手的大约10到20倍高。
在一系列传统变阻器样本和根据本发明实施例制造的变阻器样本上，对固定样本尺寸，也执行了使用10/350的测试。对传统变阻器样本，最大脉冲电流在大约3.1kA到5kA之间变化。经受到大于大约3.3kA的样本是不可靠的并且通常失败，导致对于10/350波形而言单个脉冲保护能力是大约3200A的级别。根据本发明实施例制造的变阻器样本经受到范围是650A到6.5kA的脉冲电流。所有这些样本在高达6.5kA的脉冲下保持稳定。
图8绘出了根据L150配方综合的高电压变阻器的电气性能的实验测量802。图8也绘出了使用中电压L100配方综合的变阻器的电气性能的实验测量804。最终，图8还绘出了使用中低电压L20配方综合的变阻器的电气性能的实验测量806。如图8所示，高电压变阻器材料802具有针对34mm×34mm变阻器的大约1400V的Vc，而低电压变阻器材料806具有针对34mm×34mm变阻器的大约580V的Vc。V10kA/V1mA比率从针对高电压材料802的大约2.8增加到针对低电压材料806的大约8.9。
总之，公开了用于基于ZnO的变阻器的新颖配方。具体地，已经发现为整体氧化锌材料制备金属氧化物成分和添加剂的新颖组合，以极大增强基于ZnO的变阻器的性能和可靠性。
尽管本发明已经参考某些实施例被公开，但是在不背离如所附权利要求限定的本发明的范围和领域的情况下，对所述实施例的各种修改、替换和改变是可能的。因此，要理解本发明不限于所述实施例，而是它具有如下述权利要求及其等价物的描述所限定的全部范围。

Claims (11)

1.一种变阻器陶瓷，包括：
摩尔百分比大于90％的氧化锌；
一组金属氧化物，所述组金属氧化物包括：
氧化物形式铋，包括的摩尔分数等价于在0.2到2.5％之间的Bi2O3；
氧化物形式钴，包括的摩尔分数等价于在0.2到2.0％之间的Co3O4；
氧化物形式锰，包括的摩尔分数等价于在0.05到1.5％之间的Mn3O4；
氧化物形式铬，包括的摩尔分数等价于在0.05到0.5％之间的Cr2O3；
氧化物形式镍，包括的摩尔分数等价于在0.5到1.5％之间的NiO；
氧化物形式锑，包括的摩尔分数等价于在0.05到1.5％之间的Sb2O3；
氧化物形式硼，包括的摩尔分数等价于在0.001到0.05％之间的B2O3；以及
氧化物形式铝，包括的摩尔分数等价于在0.001到0.05％之间；以及
具有摩尔百分比为0.001到0.03的至少一种碱土金属。
2.根据权利要求1所述的变阻器，包括：
氧化物形式铋，包括的摩尔分数等价于在0.8到1.0％之间的Bi2O3；
氧化物形式钴，包括的摩尔分数等价于在0.4到0.6％之间的Co3O4；
氧化物形式锰，包括的摩尔分数等价于在0.05到0.2％之间的Mn3O4；
氧化物形式铬，包括的摩尔分数等价于在0.1到0.2％之间的Cr2O3；
氧化物形式镍，包括的摩尔分数等价于在0.6到0.8％之间的NiO；
氧化物形式锑，包括的摩尔分数等价于在0.05到0.15％之间的Sb2O3；以及
氧化物形式钛，包括的摩尔分数等价于在0.5到0.7％之间的TiO2。
3.根据权利要求1所述的变阻器，包括：
氧化物形式铋，包括的摩尔分数等价于在2到2.2％之间的Bi2O3；
氧化物形式钴，包括的摩尔分数等价于在0.3到0.5％之间的Co3O4；
氧化物形式锰，包括的摩尔分数等价于在0.1到0.3％之间的Mn3O4；
氧化物形式铬，包括的摩尔分数等价于在0.05到0.2％之间的Cr2O3；
氧化物形式镍，包括的摩尔分数等价于在0.7到0.9％之间的NiO；以及
氧化物形式锑，包括的摩尔分数等价于在0.4到0.5％之间的Sb2O3。
4.根据权利要求1所述的变阻器，包括：
氧化物形式铋，包括的摩尔分数等价于在0.4到0.6％之间的Bi2O3；
氧化物形式钴，包括的摩尔分数等价于在0.3到0.4％之间的Co3O4；
氧化物形式锰，包括的摩尔分数等价于在0.2到0.4％之间的Mn3O4；
氧化物形式铬，包括的摩尔分数等价于在0.05到0.2％之间的Cr2O3；
氧化物形式镍，包括的摩尔分数等价于在1.0到1.2％之间的NiO；以及
氧化物形式锑，包括的摩尔分数等价于在0.4到0.5％之间的Sb2O3。
5.一种用于制造变阻器陶瓷的方法，包括：
形成变阻器悬浮液，包括：
溶剂混合物；
一组包括含铝物的添加剂，用于在变阻器陶瓷中产生0.001到0.1％摩尔分数的铝；
一组金属氧化物，包括：
氧化物形式铋，包括的摩尔分数等价于在0.2到2.5％之间的Bi2O3；
氧化物形式钴，包括的摩尔分数等价于在0.2到1.2％之间的Co3O4；
氧化物形式锰，包括的摩尔分数等价于在0.05到0.5％之间的Mn3O4；
氧化物形式铬，包括的摩尔分数等价于在0.05到0.5％之间的Cr2O3；
氧化物形式镍，包括的摩尔分数等价于在0.5到1.5％之间的NiO；
氧化物形式锑，包括的摩尔分数等价于在0.05到1.5％之间的Sb2O3；以及
用于在所述变阻器陶瓷中生成摩尔分数大于95％的氧化锌；以及
具有摩尔百分比为0.001到0.03的至少一种碱土金属；以及对所述变阻器悬浮液热处理以形成固体变阻器颗粒。
6.根据权利要求5所述的方法，其中形成所述变阻器悬浮液还包括：
制备包括聚合物材料的粘合剂溶液；
在形成所述变阻器悬浮液之前，在一组溶剂组成部分中溶解所述粘合剂溶液以形成溶剂混合物；以及
喷雾干燥所述变阻器悬浮液，其中粉末从所述变阻器悬浮液中形成。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括：
从所述变阻器悬浮液中形成变阻器粉末；
压制所述变阻器粉末以形成变阻器预制品；以及
通过在400℃到700℃的温度范围对所述变阻器粉末执行热处理，持续时间为有效地移除聚合物材料。
8.根据权利要求5所述的方法，其中对所述变阻器悬浮液热处理包括：
在500℃到600℃的范围的去粘合温度对从所述变阻器悬浮液形成的压紧的变阻器粉末执行去粘合热处理；
在1000℃与1300℃之间的最大烧结温度处烧结经热处理的压紧的变阻器粉末；以及
在大约500℃到700℃的温度范围执行银烧制。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述去粘合热处理包括大约15到40小时的持续时间。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述烧结包括大约18到25小时的持续时间。
11.根据权利要求8所述的方法，其中所述银烧制包括大约30到200分钟的持续时间。
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