CN1937106B - 正温度系数器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进的PTC器件和其制备方法。在一实施方式中，该器件和方法采用一种改进的金属-陶瓷复合PTC材料，该材料通过以下步骤制备：(a)将陶瓷材料加热到足够高的温度，以诱导出该陶瓷材料的PTC特性；(b)将所得陶瓷PTC材料碾磨成粉末；(c)将所得陶瓷PTC材料粉末与金属材料粉末混合，形成金属-陶瓷复合材料粉末；以及(d)在600℃到950℃的温度下烧结该复合材料粉末。在另外的实施方式中，公开了一种改进的多层结构和制造该结构的方法。在多个其它实施方式中，按照该改进的多层结构和制造方法生产的PTC器件，可以也可不采用此处改进的金属-陶瓷复合PTC材料，而可采用常规的瓷基PTC材料。

Description

正温度系数器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种正温度系数(positive temperature coefficient，PTC)器件，特别是改进的瓷基正温度系数器件及其制备方法。

背景技术

在本领域中已知，PTC材料表现出随温度升高而升高的电阻率。对于某些PTC材料，当高于某一温度时电阻率会急剧升高，以限制通过它的电流。由于PTC材料会因电流而被加热，电阻增加会引起负反馈，而电阻增加又是由材料温度升高引起的。这种特性使PTC材料适合用于，例如，应用于电涌保护装置(current surge protection devices)，以限制通过其中的电流大小。这样的装置可用于保护电动装置免受电源线的瞬态电涌冲击，使电源免受过载耗用电流的损害，或者经常用于因某个原因使电流超出设计限制的情况下保护电气设备。

由于PTC材料热容的原因，电流升高而导致PTC材料温度的升高，并非是一种短暂的瞬间现象，因而，PTC材料也可用于制备延时开关。当PTC材料中电流产生的热量使其可用作电热元件时，这种PTC材料的特性可用于恒温的自动调节。另外，通过测量电压降，PTC器件也可用于检测温度，该电压降对应于足够低的电流，以致可可忽略其产生的自加热。一些常见种类的基于PTC材料的电子元件包括可复位的保险元件和热敏电阻器。

两大类众所周知的PTC材料分别是聚合物基(polymer-based)的PTC材料和瓷基(ceramic-based)的PTC材料。

在本领域中已知很多种类的聚合物、共聚物以及聚合物的混合物可用于制备PTC材料。例如，将低电阻率微粒材料如碳嵌入到高电阻率的有机聚合物基质如聚乙烯中，如果该低电阻率微粒的浓度足够大，以致可在材料中形成传导通路，那么在室温下(如25℃)其表现出低电阻。由于聚合物的热膨胀系数远远大于低电阻率微粒的热膨胀系数，当该复合材料受热时，聚合物基质比嵌入其中的导电碳微粒膨胀更甚。这样，因碳微粒被膨胀的聚合物基质带动而与其它微粒彼此远离，邻近的碳微粒间的传导接触减少，从而提高了该复合材料的电阻率。

但是，当有机物如聚合物用作PTC复合材料中的高电阻率基质时，较长的高温时间或者反复的温度循环会破坏复合材料的结构完整性。这可能导致总电阻率随温度变化的特性的改变，而这种改变可能导致灾难性的后果，因为局部的高传导率、高电流区域使得失控电流密度引发过加热，破坏了复合材料的微结构。聚合物基复合材料的故障，很大程度上归结于在高温下聚合物材料化学稳定性的减弱。因此，传统的聚合物复合材料不能进行可靠的重复操作，因为这种材料的电阻率特性，特别是在经过了突变状况之后，不能回复到其先前的状态。

瓷基的PTC材料，如钛酸钡型的陶瓷，在高于某一温度阈值时，随着温度的上升表现出电阻率的急剧上升，如PTC特性，而且在高温时，其比聚合物基的材料具有更好的化学及物理稳定性。尽管瓷基的PTC材料比聚合物基的PTC材料更稳定，但瓷基PTC材料的一个缺点是：相对于聚合物基的PTC材料电阻率(如3Ω-cm)，其在室温下具有相对较高的电阻率(如30Ω-cm)。因此，在室温运行状态下，举例说明，当传导相同大小的电流通过相同或相似尺寸的器件时，瓷基的PTC材料的能量损失比聚合物基PTC材料的更高。在能量损失需要最小化的许多场合下，这是瓷基PTC材料器件的缺点。

Ishida在第6,300,862号美国专利中(下称“Ishida”)公开了一种复合材料，以克服上述聚合物基PTC材料及瓷基PTC材料的不足。Ishida叙述了一种PTC复合材料，其包括一个具有方石英晶体结构或者鳞石英晶体结构的陶瓷材料基质及一个散布于整个基质内的导电相(conductive phase)，其中，每种晶体结构掺杂有至少一种下述元素的氧化物：Be、B、Mg、Al、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga以及Ge，而导电相则包括金属、硅化物、氮化物、碳化物和硼化物中的至少一种。

Ishida所公开的陶瓷材料是一种包括方石英或者鳞石英晶体结构并且掺杂有氧化物的特殊陶瓷材料。该陶瓷材料表现出和聚合物基PTC材料极其相似的特性，因为当受热时，陶瓷基质体积膨胀并破坏了由散布于基质中的传导微粒所形成的传导通路。相反，其它种类的陶瓷PTC材料(例如掺杂的钛酸钡)受热时不会明显膨胀。尽管与其它瓷基的PTC材料相比，Ishida的复合材料表现出较低的室温电阻，但其仍具有如Ishida专利说明书中所述的许多缺陷。例如，如果晶体结构陶瓷的体积膨胀小于某一特定值，该复合材料在突变点(trip-point)温度时并不表现出充分的电阻率上升。或者，如果体积膨胀高于某一上限时，该复合材料会在基质和导电相的界面处产生应力断裂。所以，陶瓷材料本身的制备，和整个复合材料的制备一样，要求高度仔细、精确以及较高的费用，以确保微粒的尺寸在要求的范围内，陶瓷材料表现出期望的膨胀特性。总之，Ishida采用的材料和制备工艺非常昂贵、耗时，在大规模生产中难以具有良好的再现性。

Niimi等人的第6,359,327号美国专利(下称“Niimi”)公开了一种一体式的PTC器件，其包括交替堆叠的半导体陶瓷层和夹入其中的电极层形成的烧结叠片。其中，陶瓷层包括含有氧化硼的烧结钛酸钡。内电极由贱金属形成，如镍(Ni)、铜(Co)、铁(Fe)或者钼(Mo)。优选的贱金属为Ni。

Niimi公开的陶瓷PTC材料包含添加到钛酸钡中以改善其PTC特性的多种由BaCO₃、Sm₂O₃、BN及MnCO₃形成的混合物。这种陶瓷材料可被用作上述的烧结叠片的陶瓷层。Niimi进一步公开了一体式PTC器件，其包括具有交替堆叠的陶瓷和Ni层的叠片，而且其外电极形成于叠片上，该一体式PTC器件可以按如下有效地制备：将一体式器件在氢/氮还原舱中共烧，随后在空气中800℃下二次烧制。

尽管Niimi所描述的过程允许将一体式器件在相对较低的温度下(如950℃)共烧，但这一优点被以下事实抵消了：该过程要求还原性的气舱和相关的设备。这类设备很昂贵，并且在操作中难以根据保持工艺参数进行控制。而且，Niimi所公开的过程要求二次烧制的步骤，该步骤增加了制备过程的时间和成本。此外，Niimi采用的陶瓷PTC在室温时仍有高的电阻率(接近30ohm-cm)。因此，需要许多平行层的陶瓷PTC材料，以使陶瓷PTC器件具有较低的电阻(如0.01到0.1Ω-cm)，从而获得低的能耗。

尽管Yamada等人的第6,245,439号美国专利(下称“Yamada”)公开了由包含陶瓷材料及金属材料的复合材料制备的热敏电阻器，但是Yamada主要关注于提供具有改进的相间机械接合性能的复合材料。Yamada未致力于提高先前PTC材料的特定电/PTC特性，Yamada也未致力于解决上述先前的聚合物基和瓷基PTC材料的问题，Yamada也未致力于如何在金属相和PTC陶瓷相之间建立强的欧姆连接。不能在金属相和陶瓷相之间建立这种欧姆连接，将导致复合材料总电阻较高。

因此，需要一种改进的陶瓷或者陶瓷复合材料的PTC器件，其具有改善的PTC特性。这种改进的PTC器件应在室温下表现出低电阻，并在该PTC材料的突变点温度时电阻有大的提高；而且，该改进的PTC器件在延长或者重复暴露于突变点温度/突变电流时，不应该产生明显退化。更期望的是，该改进的PTC器件可在相对较低的温度下(如在600至900℃之间)烧制，使得该烧制过程可在一体式多层器件的组装完成之后再进行，该一体式多层器件包含有PTC材料和要求低共烧温度的其它电极。更进一步地，希望提供一种改进的复合PTC材料，该复合材料采用相对廉价的材料、并可在大气条件下的相对低成本的熔炉中进行烧制。

发明内容

在本发明的各种实施方式中，通过提供一种改进的瓷基PTC器件，来解决一个或多个上述的需要及期望，该瓷基PTC器件包含改进的金属-陶瓷复合PTC材料和/或如本发明所述的改进的多层结构。这种改进的PTC器件在室温下具有低电阻，而当长时间或重复暴露于一突变点温度时具有改进的可靠性。

在本发明的一实施方式中，这种改进的瓷基PTC器件可在大气中于相对较低的温度下烧结，以降低制备成本和制备设备成本。

在另一实施方式中，该改进的PTC器件由相对廉价的原料制成。

在本发明一实施方式中，提供了一种制备金属-陶瓷复合PTC材料的方法，其包括以下步骤：(a)将陶瓷PTC材料粉末与金属粉末混合，得到一种复合粉末；以及(b)在低于1000℃(优选在600至900℃之间)的温度下烧结该复合粉末，其中，金属粉末包含至少一种第一类微粒以及至少一种第二类微粒，第一类微粒选自于由银及银合金组成的第一组，第二类微粒选自于由锌、锡、铟、镓及铜组成的第二组。在其它实施方式中，金属粉末可以是前面列出的不同种类金属的混合物，和/或它们的合金。另外，金属粉末可以是第一组中的金属微粒且包覆有第二组中的金属。

在另一实施方式中，制备金属-陶瓷复合PTC材料的方法包括以下步骤：(a)将陶瓷材料加热到足够高的温度(如1300℃)以诱导出陶瓷材料的PTC特性；(b)将所得的陶瓷PTC材料碾磨成粉末；(c)将该陶瓷PTC材料粉末与一种或多种金属粉末混合，得到复合的陶瓷-金属粉末；以及(d)在低于1000℃的温度下烧结该复合粉末。此处，术语“金属”可指任何已知的金属、金属-合金或者其它的具有类似导电性能或特性的材料。

在又一实施方式中，制备PTC器件的方法包括以下步骤：(a)将陶瓷材料加热到足够高的温度(如1300℃)，以诱导出陶瓷材料的PTC特性；(b)将所得的陶瓷PTC材料碾磨成粉末；(c)将该陶瓷PTC材料粉末与一种金属粉末混合，得到一种复合的陶瓷-金属粉末；(d)形成包含至少一层金属-陶瓷复合材料以及至少一层金属电极层的交替堆叠的层结构；以及(e)在低于1000℃的温度下烧结该结构。

在再一实施方式中，通过将若干结构堆叠在一起形成改进的瓷基PTC器件，每个结构包括至少一层瓷基PTC材料和一外金属电极层，其中，该PTC材料层的每侧有一个欧姆电极层(ohmicelectrode layer)，该外金属电极层临近每个欧姆电极层，使得位于PTC材料层每侧的每个欧姆层被夹在PTC材料层及外电极层之间。欧姆电极层和外金属电极层结合形成一改进的电极。在一实施方式中，当上述的多层结构和另一相似的多层结构被堆叠在一起时，第一种结构的外电极与相邻的第二种结构的外电极被焊接在一起。然后，每个不同的电极(包含一欧姆电极和一外金属电极)被电耦合在一起，形成该器件的第一导线(lead)。然后，将余下的交替电极进行连接，形成该器件的第二导线。在一实施方式中，这种改进的PTC器件的瓷基PTC材料包括一如此处所述的改进的金属-陶瓷复合PTC材料。

附图说明

图1是本发明一实施方式的、具有多层金属-陶瓷复合PTC材料的可复位保险元件的侧视剖面图，该图包括金属-陶瓷复合PTC材料的显微图。

图2是一组曲线图，其表示了本发明若干实施方式中不同材料的电阻与温度的关系。

图3是本发明一实施方式的流程图，其概括表示了一种制备导电陶瓷复合材料PTC器件的方法。

图4是本发明一实施方式中PTC烧制时间进程图。

图5是本发明一实施方式中PTC材料的电阻率与温度关系图。

图6是本发明一实施方式中夹于两个电阻电极和两个外电极之间的单层PTC材料的剖视图。

图7是本发明一实施方式中多层PTC器件的剖视图。

图8是本发明另一实施方式中多层PTC器件的剖视图。

图9是图8所示PTC器件的俯视图。

图10是对本发明一实施方式制得的器件进行测试所得的突变点曲线(电流随时间的变化)。

具体实施方式

下文参考附图详述本发明的优选实施方式，附图中相同的元件始终采用相同的附图标记。图1是本发明一实施方式的、具有多层金属-陶瓷复合PTC材料的可复位保险元件10的侧视剖面图，其采用插入了交替的内金属电极层14a和14b的金属-陶瓷复合PTC材料层12。该金属-陶瓷复合PTC材料层12和该电极层14a及14b被绝缘材料16封装，绝缘材料16形成器件10的外包覆16。在优选的实施方式中，绝缘材料16可为任何适用于电子器件包覆的已知材料，如玻璃、玻璃-陶瓷和/或聚合物材料。器件10进一步包括连接于包覆16的相对两端部的外金属端子或接线端18a和18b。如图1所示，第一外接线端18a与若干第一内金属电极14a电耦合，第二接线端18b与若干第二金属电极14a电耦合。

在一实施方式中，金属-陶瓷复合PTC材料12是采用混合了陶瓷PTC粉末的金属和/或金属合金粉末制备的，其形成可在500-900℃之间烧结的复合材料。相对较低的烧结温度降低了可能的烧制熔炉的破坏，从而降低了熔炉的维护成本，并进一步降低了能耗。另外，该较低的烧结温度允许金属-陶瓷复合PTC材料12与器件10的其它结构同时共烧，例如内金属电极14a和14b，采用相对低成本的金属，如在大气条件下无明显氧化的银。在较高的温度下(如1300℃)电极14a和14b必须采用昂贵的金属，如钯或铂制备，才能在大气条件下烧制。或者，电极14a和14b可以采用低成本的镍制备，但如前述的Niimi所述，镍必须在昂贵的还原性熔炉内烧制。因此，本发明提供的低温共烧性能，保证了在材料和设备成本较低的条件下，可制备出高可靠性的一体式元件。

陶瓷PTC材料，如掺杂的钛酸钡，在本领域中是熟知的，且多年来被用于制备PTC器件，如热敏电阻器、加热元件和可复位保险元件。陶瓷PTC元件的大供应商包括EPCOS、Murata、TDK、Matsushita Hokkaido和GE-Thermometrics。为了使陶瓷材料产生PTC特性，材料一般在大约1300℃的高温下烧制(即加热)。这一烧制过程改变了陶瓷材料的电特性，使得其在室温下的电阻率降低，但在一较高的“突变点”温度时或临近该温度时，电阻率显著升高。

然而，如上所述，与聚合物基的PTC材料相比，陶瓷PTC材料的电阻率在室温时相对较高。因此，为了使过电保护器件在通常操作条件下能耗最小化，需要降低陶瓷PTC材料的电阻率。

再参考图1，其给出了本发明一实施方式中，金属-陶瓷PTC材料的显微图，该显微图为一个放大的圆形剖视图12a。应当理解，图12a是仅仅为了说明的目的，并不必然代表了真实的微粒数量、大小、形状和密度，而这些可能根据所需的PTC特性和性能而变化。该复合PTC材料包括若干形成半导体PTC基质或微粒网络20的陶瓷PTC材料微粒20。若干导电金属和/或金属合金微粒22遍布于陶瓷PTC材料基质20中。此处，术语“金属”一般是指任何金属(如银、锌、锡等)、任何金属合金(如银合金微粒)、或者任何金属与金属合金的混合物、或者包覆有其它金属的金属微粒，其可混合物或者单一金属。

当金属微粒22与陶瓷PTC材料微粒20按照所需的数量/比率混合时，金属微粒22与陶瓷PTC微粒20一起形成复合的PTC材料，其在室温时表现出显著低的电阻，而在突变点温度时表现出所需的电阻升高。金属微粒22的数量保持低于某一水平，使得在外接线端18a和18b之间金属微粒22不会单独形成一个完整的传导网络或路径。这样，金属微粒22在外接线端18a和18b之间不会形成“短路”，但仍可通过降低复合材料12的有效电阻或者表观电阻显著地降低复合PTC材料12的总电阻。

在一实施方式中，金属微粒22包括按照所需数量比率混合有锌和/或锡微粒的银微粒。在一实施方式中，金属微粒包含占重量40-90％的银微粒、占重量5-30％的锌微粒以及占重量5-30％的锡微粒。在另一实施方式中，金属微粒包含大约占重量60％的银微粒、大约占重量20％的锌微粒以及大约占重量20％的锡微粒。

本领域人员都知道，银是具有相对稳定的物理和化学性能的贵金属。锡和锌是容易氧化的贱金属，因而，当微粒被烧结在一起时，允许金属微粒22和陶瓷PTC微粒20之间强力的欧姆(电)连接以及结构接合。如上所述，在一实施方式中，金属微粒22和陶瓷PTC微粒20在600-900℃温度范围被烧结在一起。在一实施方式中，烧结温度大约为650℃。在另一实施方式中，贱金属如铟、镓和铜可用来代替或添加到锌和锡中。或者，或进一步地，也可采用包含这些贱金属的银合金。在另一实施方式中，银合金可被用于代替或添加到纯银微粒中。在又一实施方式中，可采用包覆有锌或镍或锡的银微粒。

应控制金属微粒22的数量，使得外接线端元件18a和18b之间不会形成贯穿金属相的导电网络或连续的导电路径。在一实施方式中，按体积计，金属微粒22的数量不到复合PTC材料12的总体积的50％。金属微粒22的数量同样取决于所需的复合PTC材料12的电阻率大小。在一实施方式中，按体积计，金属微粒22的数量占10-30％。

图2提供了一组曲线图，其表示了陶瓷PTC与金属材料以不同数量比率形成的各种材料的电阻与温度的关系曲线。最上方的曲线202表示了未在陶瓷PTC基质中掺杂任何金属微粒的常规陶瓷PTC材料(如钛酸钡)的电阻与温度的关系曲线。在室温时(25℃)，电阻大约为30Ω-cm。然而，在一较高的突变点温度时(如80-150℃之间)，可看到陶瓷PTC材料的电阻显著上升。所以，陶瓷PTC材料表现出强PTC特性。

相反，纯金属的电阻与温度的关系曲线204几乎没有PTC特性。在室温时，它具有很低的电阻而在温度升高时维持相对平缓的曲线。

中间的虚线曲线表示了本发明的多个实施方式的金属-陶瓷复合PTC材料的电阻与温度的关系曲线。最上面的复合PTC材料曲线206比其下方的虚线曲线208和210具有更高的陶瓷PTC材料对金属材料的百分比，它因而具有与陶瓷PTC曲线202更相似的PTC特性。随着组合物中金属材料百分比的增加，复合材料的PTC曲线变得更加平缓，并接近纯金属的曲线。而且，随着复合材料中金属百分比的增加，室温时的电阻也随之降低。因此，通过控制复合材料中金属微粒的百分比，同时避免形成连续的金属网络或者导电路径，本发明的复合材料可表现出相对较好的PTC特性，并在室温时具有较低的电阻。

图3高度概括地显示了本发明另一实施方式中制备PTC器件的方法的流程图。在步骤300中，将陶瓷PTC材料(如掺杂的钛酸钡)加热到一预定温度(如1300℃)，以诱导出其PTC特性。随后，在步骤302中，将形成的PTC材料碾磨成细粉末。在步骤304中，将陶瓷PTC粉末与金属粉末(或者金属粉末的混合物)按所需的数量比率进行混合。该混合步骤可采用本领域已知的混合技术来均匀混合这些粉末，例如采用高剪切混合(如滚动碾磨、珠碾磨、高速搅拌等)。在一实施方式中，这些粉末在乙醇溶液中混合，所得的混合物形成金属-陶瓷复合PTC材料的膏状物。

然后，在步骤306中，复合PTC膏状物的层12与内电极层14a和14b按照图1所示的交替方式进行堆叠。在步骤308中，复合材料层12与内电极14a及14b的堆叠被绝缘材料16封装，使得电极层14a及14b各自的端部暴露出来，以便分别与外接线端元件18a和18b进行电连接。在步骤310中，外接线端元件18a和18b连接到绝缘材料16的相对端部。在步骤312中，一体芯片式组件在500-900℃烧制温度下被烧结。这一烧结过程使复合材料12中的金属微粒22与陶瓷PTC微粒20实现机械接合和电接合。同时，复合材料12与内电极14a和14b进行机械接合和电接合，而内电极14a和14b也依次与绝缘材料16及各自的外接线端元件18a和18b接合。在一实施方式中，该烧结过程在650℃的温度下进行。

因此，如上所述，复合材料12的低烧结温度使其可与包含在多层一体芯片式器件中的其它结构(如内电极14a和14b、外接线端18a和18b)同时烧结。这保证了器件制备的快速及成本效益较高。

图4是本发明一实施方式中陶瓷粉末材料在与金属微粒22混合之前、为获得其PTC特性而进行烧制的烧制进程图。如图4所示，陶瓷粉末被逐渐加热，随后在大约600℃的温度下保持一小时。这一阶段有助于从喷雾干燥的粉末中脱除所有的粘合剂。然后，陶瓷粉末在1320℃的温度下保持两小时，以帮助优化陶瓷粉末的烧结。随后逐渐冷却该粉末。

然后，碾磨陶瓷PTC微粒，使其平均微粒尺寸在1到15微米之间。碾磨后的陶瓷PTC粉末随后与欧姆(ohmic)金属粉末(如银、锡和锌的混合物)相混合，以获得充分分散的、均匀的混合物。在一实施方式中，按重量计，欧姆金属粉末包括50％的银、15％的锡和35％的锌。下面的表1显示了表现出PTC特性的复合粉末混合物(由发明人命名为“COM-16”)的成分。然后，在该混合物中添加异丙醇，形成稠浆。优选采用稠浆，因为这样可减缓复合粉末混合物的沉降。在一实施方式中，在该稠浆中添加占重量0.2％的有机粘合剂(如PVB)，以便于材料随后的挤压。

表1

在适当混合之后，在105℃下于烤箱内干燥该均匀的稠浆，以去除异丙醇。然后，在研钵中将粉末块碾碎成细粉末。这样，复合PTC粉末为进一步的挤压和测试做好了准备。在一实施方式中，将复合PTC粉末放置于一个金属模具中，以5000磅/平方英尺(psi)的压力挤压成基本上扁平的圆盘。

然后，将挤压好的圆盘放置于氧化锆承烧板的上面，并放到分隔为四个加热区的隧道炉内。在一实施方式中，圆盘穿过隧道炉，在空气中按照500-650-650-500的温度曲线进行烧制，以获得金属微粒和陶瓷微粒之间优良的欧姆接触。总烧制时间大约六十分钟，在每个区域中的时间大约十五分钟。通过烧制也可以获得更好的机械强度。应该理解，该温度曲线仅为一个示例，在本发明中，在上述过程的各个阶段也可以采用其它的温度曲线。

将所得的圆盘进行测试，以确定其PTC特性。将圆盘放置到可编程的烤箱内逐渐加热。用放置于靠近每个圆盘表面的J-型热偶测量圆盘的温度。用Keithley源仪表(source meter)测量圆盘的电阻。图5是被测试的复合PTC材料圆盘的一典型的电阻率与温度曲线。

参考图6，圆盘1按如上所述烧制之后，将欧姆层2设置到圆盘1的每侧。在一实施方式中，欧姆层2包括混合有锡或锌等贱金属的银层。在一实施方式中，欧姆层2包括50-60％的银、25-35％的锌以及10-20％的锡。设有欧姆层2的圆盘1在隧道炉内按照500-650-650-500℃的曲线进行烧制。然后，在圆盘1和欧姆层2结构的两侧设置金属层3，使得每一金属层3接近并覆盖住位于圆盘1两侧的欧姆层2。在一实施方式中，金属层3是一纯银金属层。随后，这一包含圆盘1中心层、位于圆盘1两侧的欧姆层2和金属层3的结构，按照上述同样的500-650-650-500温度曲线进行烧制。PTC材料层1的两侧所得的电极层4包括与金属层3烧结在一起的欧姆层2。

图7是本发明一实施方式中的多层PTC结构，其包括由电极层4分隔开的至少两层PTC材料1。电极层4也覆盖了多层PTC结构的上、下表面。在一实施方式中，采用常规的焊接技术，将两个中央的电极层4焊接在一起。但是，本发明也可采用其它的方法(如采用导电聚合物粘合剂)，使电极层4之间实现电连接。

图8是本发明一实施方式中的多层PTC可复位保险元件的剖视图。在该实施方式中，四层PTC材料1被三个电极层4和4’彼此分离开。两个附加的外电极层4覆盖多层可复位保险元件的上、下表面。每个电极层4或4’可实际包括一个或多个如焊接或粘接在一起的电极层4。第一组电极4’彼此平行地被连接器5电连接，形成第一组平行电极。第二组电极4彼此平行地被连接器6电连接，形成第二组平行电极。该设计极大地降低了PTC可复位保险元件的电阻，同时，与包含贵金属电极的器件或要求还原气氛烧制的器件相比，保持了较低的材料及加工成本。

图9是图8中的圆盘型PTC可复位保险元件的俯视图。为了制备该可复位保险元件，按如上所述，烧制若干圆盘且在每一圆盘的两侧设置欧姆层及金属层。用砂纸去除最上方圆盘的一小部分，以暴露其下面电极4’的一部分。多个圆盘在较高温度下在相邻的外电极之间采用焊料连接在一起，该较高温度取决于所用焊料的特性。上、下表面(图中未示)通过夹紧并焊接在其上的铜连接器6相连接。在一实施方式中，如图8所示，连接器5也被夹紧并焊接，以在两个电极4’之间实现电连接。然后，两个导线7和8分别与内电极4’和外电极4电连接。

在一实施方式中，陶瓷圆盘1的直径约为16.3mm，陶瓷圆盘的厚度约为0.5mm。单层PTC可复位保险元件的电阻大约为0.32欧姆。然而，测得双层PTC可复位保险元件的电阻大约为0.18欧姆。

图10是本发明一实施方式中双层圆盘型PTC可复位保险元件在各种初始电流下的突变点曲线。

尽管本发明的多层PTC可复位保险元件可采用此处提到的改进的金属-陶瓷复合PTC材料，但是在其它的实施方式中，多层PTC可复位保险元件也可采用常规的瓷基PTC材料。应该理解，上述制备多层PTC器件的结构和过程，即使是在采用常规瓷基PTC材料层的情况下，相对于现有的瓷基PTC器件也具有明显的优点。如上所述，与具有相同底座(footprint)的常规器件相比，双层器件的电阻率降低了大约一半以下。

上面描述了本发明的多种优选实施方式。但是，应该理解，这些不同的实施方式仅仅是作为示例而不是对本发明权利要求中保护范围的限制。本领域的普通技术人员不需要过多的实验，就可以对上述优选实施方式进行多种改进。这些改进都应该认为是在本发明权利要求的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种制备PTC器件的方法，其包括：

(a)将陶瓷材料加热到足够高的温度，以诱导出该陶瓷材料的PTC特性；

(b)将所得的陶瓷PTC材料碾磨成粉末；

(c)将所得的陶瓷PTC材料粉末与金属粉末混合，形成金属-陶瓷复合PTC材料，其中，所述的金属粉末在所述的金属-陶瓷复合PTC材料中占体积小于50％；

(d)形成包含至少一层所述金属-陶瓷复合PTC材料以及至少两层金属电极层的交替堆叠的层结构；

(e)在所述结构的相对端部形成至少两个外接线端元件，每一外接线端元件与至少一个相应的金属电极层电连接；以及

(f)烧结所述的交替堆叠的层结构；

其中，所述的金属粉末包含至少一种第一类材料和至少一种第二类材料，所述的第一类材料选自于由银及银合金组成的第一组，所述的第二类材料选自于由锌、锡、铟、镓及铜组成的第二组。

2.如权利要求1所述的方法，其中：

所述的陶瓷材料包含掺杂的钛酸钡并被加热到大约1300℃；以及

所述的烧结是在600℃到950℃的温度下进行的。

3.如权利要求2所述的方法，其中，按重量百分比计，所述的金属材料粉末包括40％到90％的银、5％-30％的锌以及5％-30％的锡。

4.如权利要求3所述的方法，其中，按重量百分比计，所述的金属材料包括约60％的银、约20％的锌以及约20％的锡。

5.如权利要求1所述的方法，其中，按体积百分比计，所述的复合材料包含10-30％的金属材料粉末。

6.一种PTC器件，该PTC器件是采用以下步骤制备的：

(a)将陶瓷材料加热到足够高的温度，以诱导出该陶瓷材料的PTC特性；

(b)将所得的陶瓷PTC材料碾磨成粉末；

(c)将所得的陶瓷PTC材料粉末与金属粉末混合，形成金属-陶瓷复合材料，其中，所述的金属粉末在所述的金属-陶瓷复合PTC材料中占体积小于50％；

(d)形成包含至少一层所述的金属-陶瓷复合材料以及至少两层金属电极层的交替堆叠的层结构；

(e)在所述层结构的相对端部形成至少两个外接线端元件，每一外接线端元件与至少一个相应的金属电极层电连接；以及

(f)烧结所述的交替堆叠的层结构；

其中，所述的金属粉末包含至少一种第一类材料和至少一种第二类材料，所述的第一类材料选自于由银及银合金组成的第一组，所述的第二类材料选自于由锌、锡、铟、镓及铜组成的第二组。

7.如权利要求6所述的PTC器件，其中：

所述的陶瓷材料包含掺杂的钛酸钡并被加热到大约1300℃；以及

所述的烧结是在600℃到950℃的温度下进行的。

8.如权利要求7所述的PTC器件，其中，按重量百分比计，所述的金属材料粉末包括40％到90％的银、5％-30％的锌以及5％-30％的锡。

9.如权利要求8所述的PTC器件，其中，按重量百分比计，所述的金属材料包括约60％的银、约20％的锌以及约20％的锡。

10.如权利要求6所述的PTC器件，其中，按体积百分比计，所述的复合材料包含10-30％的金属材料粉末。

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