CN1171603A - 正向温度特性热敏电阻以及热敏电阻元件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种正向温度特性热敏电阻元件,它包括:具有正向温度特性的平面型陶瓷部件,所述陶瓷部件包含主表面,所述主表面上带有包围中央部分的边缘部分,所述陶瓷部件在边缘的厚度大于中央的厚度,既可渐渐减小也可呈阶梯状方式减小,以及位于所述主表面上的电极,上层电极的表面积小于底层电极,底层电极主要是Ni,上层电极主要是Ag。

Description

正向温度特性热敏电阻以及热敏电阻元件
本发明涉及正向温度特性(PTC)热敏电阻元件以及PTC热敏电阻，特别是涉及这样一种热敏电阻元件和热敏电阻，它们具有大的耐击穿电压并且适于在过电流、去磁电流或者电机启动的保护电路中使用。
如图13所示，普通的PTC热敏电阻121包含欧姆电极123和124，它们形成于平面热敏电阻元件122的两个主表面上。当电压施加到这样的热敏电阻上时，由于一开始热敏电阻121的电阻较小，所以时浪涌电流较大，从而使它迅速加热并使得它跨越与主表面基本平行的平面分裂或几层。层状的开裂发生前一瞬间由通过PTC热敏电阻的浪涌电流产生的电压被称为耐击穿电压。PTC热敏电阻越小，耐击穿电压也越小。
因此本发明的一个目标是提供具有大的耐击穿电压的PTC热敏电阻元件和PTC热敏电阻。
按照本发明的PTC热敏电阻能够实现本发明的各项目标，其特征在于主表面中央部分薄于边缘部分。具体而言，本发明的PTC热敏电阻元件包括具有正温度特性的平面型陶瓷部件，该部件包括中央部分被边缘部分包围的主表面，并且中央部分的厚度小于边缘部分的厚度。作为一个实例，这样的PTC热敏电阻元件可以在它的围绕较薄的中央部分的周边区域形成凸起构成。陶瓷部件的厚度也可以从边缘部分向中央部分逐渐减小。作为另一个实施例，厚度可以从边缘部分向中央部分呈台阶状减小。
按照本发明的PTC热敏电阻的特征在于有在上述PTC热敏电阻元件的主表面上形成的电极。每个电极由遍布整个主表面的底层电极和位于底层电极之上的上层电极构成。上层电极的表面积小于底层电极的表面积从而在四周露出一部分底层电极。上层电极可以形成于除了四周部分和形成凸起的地方以外的主表面中央部分。底层电极绝大多数为Ni而上层电极主要是Ag。
通过结合以下的附图描述本发明的实施例并结合说明足以解释本发明的原理。
图1为按照本发明第一实施例的PTC热敏电阻元件的示意图；
图2为本发明测试实例1的PTC热敏电阻的剖面图；
图3为本发明测试实例2的PTC热敏电阻的剖面图；
图4为本发明测试实例3的PTC热敏电阻的剖面图；
图5为本发明测试实例4的PTC热敏电阻的剖面图；
图6为在按照本发明第二实施例的PTC热敏电阻元件上形成电极而得到的PTC热敏电阻局部剖面图；
图7为在按照本发明第三实施例的PTC热敏电阻元件上形成电极而得到的PTC热敏电阻剖面图；
图8为在按照本发明第四实施例的PTC热敏电阻元件上形成电极而得到的PTC热敏电阻剖面图；
图9为在按照本发明第五实施例的PTC热敏电阻元件上形成电极而得到的PTC热敏电阻剖面图；
图10为在按照本发明第六实施例的PTC热敏电阻元件上形成电极得到的PTC热敏电阻剖面图；
图11表示通过去磁电路中去磁线圈的渐渐衰减的交流电流；
图12为测量下面定义的Pmax电路图；以及
图13为普通PTC热敏电阻的示意图。
图1示出了按照本发明第一实施例的PTC热敏电阻元件1，它采用铸模和烧结平面形陶瓷材料的方法制造，每个主表面上沿四周形成有凸起2或3而在中央形成凹陷部分4或5。PTC热敏电阻可以从两个主表面上形成，其主成份是In-Ga，Al或Ag电极的这样一个元件而制得。
图2所示的按照本发明的测试实例1的PTC热敏电阻6制造成圆盘形状，其外径为8.2毫米，凸起部分厚度T为4毫米，沿径向的凸起的宽度h为1毫米而形成于二个主表面上的In-Ga电极7和8的凹陷部分的厚度t为3毫米。表1示出了这些PTC热敏电阻6的耐击穿电压测量值。这些热敏电阻6的居里温度为120℃而常温下的电阻为23Ω。
作为比较实例1，图13所示圆盘状PTC热敏电阻元件的外径为8.2毫米而厚度一样为3毫米的PTC热敏电阻121通过在主表面上形成In-Ga电极123和124得到，这与测试实例1相似。表1也示出了这些PTC热敏电阻121的耐击穿电压测量值。它们的居里温度和常温下的电阻与测试实例1相同。
                           表1
    击穿电阻电压(V)
    最小     平均
    测试实例1     710     超过780
    比较实例1     355     510
表1清楚地表明测试实例1的最小耐击穿电压大约是比较实例1的两倍，这是一个显著的提高。由于用于测量的测试仪器所能提供的最大电压仅为810伏并且在810伏下热敏电阻没有裂开，所以测试实例1的平均值仅给出“超过780伏”。
作为测试实例2，制备了与测试实例1中采用的一样的PTC热敏电阻元件1，如图3所示，在它们的二个主表面上形成有Ni制成的底层电极12和13，而在底层电极12和13上分别形成Ag制成的上层电极14和15，由此获得了PTC热敏电阻11。底层电极12和13的四周与上层电极14和15之间的间隙G为0.5毫米。表2示出了这些PTC热敏电阻11的耐击穿电压的测量值。这些热敏电阻11的居里温度为120℃而常温下的电阻为23Ω。
作为比较实例2，制备了与比较实例1中采用的一样的PTC热敏电阻元件122，通过在它们的主表面上形成Ni制成的底层电极和Ag制成的上层电极获得了PTC热敏电阻，底层电极的四周与上层电极之间的间隙G为0.5毫米。表2也示出了这些PTC热敏电阻的耐击穿电压的测量值。这些热敏电阻的居里温度和常温下的电阻与测试实例2相同。
                             表2
    击穿电阻电压(V)
    最小     平均
    测试实例2     710     超过800
    比较实例2     355     535
表2清楚地表明测试实例2的最小耐击穿电压大约是比较实例2的两倍，这是一个显著的提高。基于与表1同样的理由，测试实例2的平均值仅仅给出最小值。
作为测试实例3，制备了与测试实例1中采用的一样的PTC热敏电阻元件1，如图4所示，在它们的二个主表面上形成有Ni制成的底层电极12和13，而在底层电极12和13上分别形成Ag制成的上层电极14a和15a，由此获得了PTC热敏电阻11a。底层电极12和13的四周与上层电极14a和15a之间的间隙G为1.0毫米，并且上层电极14a和15a只形成于PTC热敏电阻1凹陷部分4和5的上方。表3示出了这些PTC热敏电阻11a的耐击穿电压的测量值。这些热敏电阻11a的居里温度为120℃而常温下的电阻为23Ω。
作为比较实例3，制备了与比较实例1中采用的一样的PTC热敏电阻元件122，通过在它们的主表面上形成Ni制成的底层电极和Ag制成的上层电极获得了PTC热敏电阻，底层电极的四周与上层电极之间的间隙G为1.0毫米。表3也示出了这些PTC热敏电阻的耐击穿电压的测量值。这些热敏电阻的居里温度和常温下的电阻与测试实例3的相同。
                           表3
    击穿电阻电压(V)
    最小     平均
    测试实例3     710     超过785
    比较实例3     355     535
表3清楚地表明测试实例3的最小耐击穿电压大约是比较实例3的两倍，这是一个显著的提高。基于与表1同样的理由，测试实例3的平均值仅仅给出最小值。
作为测试实例4，制备了基本上呈矩形的平面PTC热敏电阻元件1a，其宽度W＝6毫米，长度D＝8毫米而凸起部位的厚度T＝4毫米，凸起部位的宽度h＝1毫米，并且两个主表面之间的厚度为t＝3毫米，如图5所示，在它们的二个主表面上形成有In-Ga电极7a和8a，由此获得了PTC热敏电阻6a。表4示出了这些PTC热敏电阻6a的耐击穿电压的测量值。这些热敏电阻6a的居里温度为120℃而常温下的电阻为20Ω。
作为比较实例4，制备了矩形平面型PTC热敏电阻元件，其宽度W＝6毫米，长度D＝8毫米而厚度均匀为t＝3毫米，并且在它们的主表面上与测试实例一样形成有In-Ga电极。表4也示出了这些PTC热敏电阻的耐击穿电压的测量值。这些热敏电阻的居里温度和常温下的电阻与测试实例4的相同。
                                  表4
    击穿电阻电压(V)
    最小     平均
    测试实例4     630     超过720
    比较实例4     315     460
表4清楚地表明测试实例4的最小耐击穿电压是比较实例4的两倍，这是一个显著的提高。基于与表1同样的理由，测试实例4的平均值仅仅给出最小值。
接下来借助图6描述按照本发明第二实施例的PTC热敏电阻元件31。
通过采用铸模和烧结用作PTC热敏电阻用陶瓷材料的方法制造出了按照本发明实施例的PTC热敏电阻元件31，其形状近似为圆盘状，在每个主表面四周形成有凸起32或33而在里边形成凹形成有被凸起32和33包围的凹陷部分34和35。在凸起位置32和33处沿陶瓷材料的厚度方向提供有槽36和37。
如图6所示，在这样一个热敏电阻元件31上，通过在两个主表面上形成有底层电极39和40并且在底层电极上形成有上层电极41和42，并且留出间隙使得边缘部分沿周边露出，形成PTC热敏电阻38。
接下来借助图7描述按照本发明第三实施例的PTC热敏电阻元件43。
通过采用铸模和烧结用于PTC热敏电阻的陶瓷材料的方法制造出了按照本发明实施例的PTC热敏电阻元件43，其形状近似为圆盘状，其厚度从四周逐渐向中央减小从而在二个主表面的中央形成凹陷部分44和45。
如图7所示，在这样一个热敏电阻元件的两个主表面上形成有底层电极47和48并且在底层电极上形成有上层电极49和50，并且留出间隙使得边缘部分沿周边露出从而制得PTC热敏电阻46。
接下来借助图8描述按照本发明第四实施例的PTC热敏电阻元件51。
通过采用铸模和烧结用于PTC热敏电阻的陶瓷材料的方法制造出了按照本发明实施例的PTC热敏电阻元件51，其形状近似为圆盘状，其厚度从四周向中央呈台阶状减小从而在二个主表面的中央形成凹陷部分52和53。
如图8所示，在这样一个热敏电阻元件51的两个主表面上形成有底层电极55和56并且在底层电极上形成有上层电极57和58，并且留出间隙使得边缘部分沿周边露出，从而制得PTC热敏电阻54
接下来借助图9描述按照本发明第五实施例的PTC热敏电阻元件59。
通过采用铸模和烧结用于PTC热敏电阻的陶瓷材料的方法制造出了按照本发明实施例的PTC热敏电阻元件59，其形状近似为圆盘状，其厚度从四周逐渐向中央减小从而在二个主表面的中央形成凹陷部分60和61并且主表面连接边缘表面的四周边缘62和63是圆形的。
如图9所示，在这样一个热敏电阻元件59的两个主表面上形成有底层电极65和66并且在底层电极上形成有上层电极67和68，并且留出间隙使得边缘部分沿周边露出，从而制得PTC热敏电阻64。另一种情况是四周边缘62和63只有其中一个是圆形的。
接下来借助图10描述按照本发明第六实施例的PTC热敏电阻元件70。
通过采用铸模和烧结用于PTC热敏电阻的陶瓷材料的方法制造出了按照本发明实施例的PTC热敏电阻元件70，其形状近似为圆盘状，其凸起71沿其中一个主表面的边缘形成并且在该主表面的中心形成凹陷部分72，该由凸起71包围。
如图10所示，在这样一个热敏电阻元件70的两个主表面上形成有底层电极74和75并且在底层电极上形成有上层电极76和77，并且留出间隙使得边缘部分沿周边露出，从而取得PTC热敏电阻73。
应该指出的是按照本发明第六实施例的PTC热敏电阻元件与按照本发明第一实施例的PTC热敏电阻元件的不同之处在于凹陷部分仅仅形成于其中一个主表面以其边缘厚度T大于中央厚度。同样，按照本发明第二-第五实施例的PTC热敏电阻元件改动为只在一个主表面上形成薄的中央区域和厚的边缘区域。
作为测试实例5，制备了如图6所示的PTC热敏电阻元件31，其外径为8.2毫米，边缘厚度T为4毫米，凸起部分的宽度h为1.2毫米，槽的宽度h为0.4毫米而凹陷部分的厚度t为3毫米。作为底层电极39和40的Ni层和作为上层电极41和42的Ag层留出0.2毫米的间隙G形成于两个主表面上从而获得PTC热敏电阻38。表5示出了这些热敏电阻38的耐击穿电压的测量值。
作为测试实例6，制备了如图7所示的PTC热敏电阻元件43，其外径为8.2毫米，边缘厚度T为4毫米，凸起部分的剖面为弧形，半径为17.06毫米，而凹陷部分中心的厚度为3毫米。作为底层电极47和48的Ni层和作为上层电极49和50的Ag层留出0.2毫米的间隙形成于两个主表面上从而获得PTC热敏电阻46。表5示出了这些热敏电阻46的耐击穿电压的测量值。
作为测试实例7，制备了如图8所示的PTC热敏电阻元件51，其外径为8.4毫米，边缘厚度T为4毫米，台阶状凸起的每个台阶宽度为1.2毫米，高度为0.16毫米，而中心凹陷部分的厚度t为3.04毫米。作为底层电极55和56的Ni层和作为上层电极57和58的Ag层留出0.2毫米的间隙形成于两个主表面上从而获得PTC热敏电阻54。表5示出了这些热敏电阻54的耐击穿电压的测量值。
作为测试实例8，通过将测试实例6的PTC热敏电阻元件的边缘磨成半径R＝1毫米的形状制备了PTC热敏电阻元件59。作为底层电极65和66的Ni层和作为上层电极67和68的Ag层留出0.2毫米的间隙形成于两个主表面上从而获得图9所示的PTC热敏电阻64。表5示出了这些热敏电阻64的耐击穿电压的测量值。
作为测试实例9，制备了如图10所示的PTC热敏电阻元件70，其外径为8.2毫米，边缘厚度T为3.5毫米，凸起部分的h宽度为1毫米，而凹陷部分的厚度t为3毫米。作为底层电极74和75的Ni层和作为上层电极76和77的Ag层留出0.2毫米的间隙形成于两个主表面上从而获得PTC热敏电阻73。表5示出了这些热敏电阻73的耐击穿电压的测量值。
测试实例5-9的PTC热敏电阻的居里温度为120℃而常温下的电阻为22Ω。对于每个测试实例，都检测了18个PTC热敏电阻样品。
作为比较实例5，制备了如图13所示的圆盘状PTC热敏电阻元件，其外径为8.2毫米，厚度T为3毫米，并且与测试实例5-9一样，通过在两个主表面上形成间隙为0.2毫米的Ni底层电极和Ag上层电极获得了热敏电阻。表5也示出了这些PTC热敏电阻的耐击穿电压的测量值。这些PTC热敏电阻的居里温度和常温下电阻与测试实例5的PTC热敏电阻相同。
                                表5
    击穿电阻电压(V)     形状
    最小     平均
  测试实例5     630     超过720     图6
  测试实例6     710     超过800     图7
  测试实例7     630     超过760     图8
  测试实例8     710     超过800     图9
  测试实例9     560     超过680     图10
  比较实例5     355     510     图13
由表5的比较实例可见，按照本发明测试实例5-9在主表面中央带凹陷部分的PTC热敏电阻的耐击穿电压有了明显的提高。基于与表1同样的理由，测试实例5-9的平均值仅给出最小值。
作为测试实例10-14，制备了形状与测试实例5-9相同但是材料不同的PTC热敏电阻元件，在元件上面形成底层电极和上层电极由此获得居里温度为70℃而常温下电阻为9Ω的PTC热敏电阻。
当电流通过采用PTC的去磁电路而如图11所示的渐渐衰减器交流衰减电流流过去磁线圈时，相邻峰值之差称为包络微分P。如图11所示，Pmax表示最大值。对于测试实例10-14的18个PTC热敏电阻，测量了耐击穿电压和Pmax并计算了它们的体积。结果示于表6。
作为比较实例5，制备了图13所示呈圆盘状的PTC热敏电阻，其外径为8.2毫米，均匀厚度t为3毫米，并且通过与测试实例10一样在两个主表面上形成间隙为0.2毫米的Ni底层电极和Ag上层电极获得了PTC热敏电阻。表6还示出了这些PTC热敏电阻的测量结果。这些热敏电阻的居里温度和常温电阻与测试实例10的PTC热敏电阻相同。在这些测试中，利用电阻20Ω的电阻器73代替去磁线圈并在与PTC热敏电阻74和电阻73的串联电路上上施加200伏、60赫兹的交流电压，由此得到图12所示的Pmax数值。
                          表6
    击穿电阻电压(V) Pmax   卷积(cm3)     形状
    最小     平均
测试实例10     450     560   3.9   0.1760     图6
测试实例11     400     560   3.7   0.2024     图7
测试实例12     355     560   3.8   0.1920     图8
测试实例13     450     560   3.7   0.2014     图9
测试实例14     400     560   3.9   0.1697     图10
比较实例15     280     355   4.3   0.2112     图13
通过与表6的比较实例15比较可见，按照本发明测试实例10-14的主表面中央凹陷部分的PTC热敏电阻的耐击穿电压有了明显的提高而Pmax数值降低。这意味着与比较实例15相比，PTC热敏电阻可以做得更小。
虽然通过以上几个有限的实例对本发明作了描述，但是这些实例并不限定本发明的范围。在本发明范围内可以有各种修改和改进。例如外部形状无需是圆形或者矩形。可以在主表面上形成不止一个的槽来代替图6所示的单个槽36和37。图9所示的PTC热敏电阻59的圆形边缘可以用在其它形状PTC热敏电阻上。
底层电极的材料也不局限于In-Ga和Ni。也可以采用诸如Al，Cr，Cr合金和Ag等其它欧姆材料。电极可以用任何方法形成，例如溅射、印制、烧结、电镀等。电极可以由三层或多层构成，例如由Cr底层电极、莫乃耳合金中间电极和Ag上层电极构成的三层结构。总之，由于在主表面上形成了凹陷部分，所以按照本发明的PTC热敏电阻元件和PTC热敏电阻的耐击穿电压明显提高。本发明还可以减小PTC热敏电阻的尺寸以及Pmax数值。由于底层电极与上层电极之间的间隙，所以防止了银的迁移。而且，由于PTC热敏电阻元件上的凹陷没有降低比电阻而电极间距离增大了，所以减少了电极间火茶的产生。

Claims (13)

1.一种正向温度特性(PTC)热敏电阻元件，其特征在于包括具有正向温度特性的平面型陶瓷部件，所述陶瓷部件包含主表面，主表面上带有包围中央部分的边缘部分，所述陶瓷部件在边缘部分的厚度大于中央部分的厚度。
2.如权利要求1所述的PTC热敏电阻元件，其特征在于所述陶瓷部件包括沿着所述主表面的所述边缘部分有凸起。
3.如权利要求1所述的PTC热敏电阻元件，其特征在于所述边缘部分包含凹槽。
4.如权利要求1所述的PTC热敏电阻元件，其特征在于所述陶瓷部件的厚度从所述边缘部分逐渐向所述中央部分减小。
5.如权利要求2所述的PTC热敏电阻元件，其特征在于所述陶瓷部件的厚度从所述边缘部分逐渐向所述中央部分减小。
6.如权利要求3所述的PTC热敏电阻元件，其特征在于所述陶瓷部件的厚度从所述边缘部分逐渐向所述中央部分减小。
7.如权利要求1所述的PTC热敏电阻元件，其特征在于所述陶瓷部件的厚度从所述边缘部分呈台阶状向所述中央部分减小。
8.如权利要求1所述的PTC热敏电阻元件，其特征在于所述陶瓷部件具有沿所述边缘部分的圆边。
9.一种正向温度特性(PTC)热敏电阻元件，其特征在于包括：
具有正向温度特性的平面型陶瓷部件构成的热敏电阻元件，所述陶瓷部件包含主表面，所述主表面上带有包围中央部分的边缘部分，所述陶瓷部件在边缘部分的厚度大于中央部分的厚度，以及
位于所述主表面上的电极。
10.如权利要求9所述的PTC热敏电阻元件，其特征在于所述电极包括遍布于相应的一个主表面的底层电极和位于所述底层电极之上的上层电极。
11.如权利要求10所述的PTC热敏电阻元件，其特征在于所述上层电极的表面积小于所述底层电极的表面积，在所述边缘部分露出一部分所述底层电极。
12.如权利要求10所述的PTC热敏电阻元件，其特征在于所述上层电极位于所述中央部分并且在所述每一个主表面的所述边缘部分没有上层电极。
13.如权利要求10所述的PTC热敏电阻元件，其特征在于底层电极包含Ni作为主成份的金属而所述上层电极包含Ag作为主成份的另一种金属。
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