FR2652675A1 - Composition for thermistors having a negative temperature coefficient and a very low electrical resistivity - Google Patents

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Abstract

The invention relates to a composition for thermistors having a negative temperature coefficient, of the type comprising manganese, nickel and copper, corresponding to the following formula:

Description

La présente invention concerne des compositions pour thermistances à coefficient de température négatif, plus particulièrement des compositions pour thermistances a coefficient de température négatif présentant une très faible résistivité électrique, cette résistivité étant stable dans le temps. The present invention relates to thermistor compositions with a negative temperature coefficient, more particularly negative temperature coefficient thermistor compositions having a very low electrical resistivity, this resistivity being stable over time.

Parmi les compositions pour thermistances à coefficient de température négatif à base d'oxydes semiconducteurs, dénommées thermistances CTN, actuellement disponibles sur le marché, certaines comportent au moins deux types de cations, ceux du manganèse et du nickel, ces compositions étant obtenues en utilisant de l'oxyde de manganèse, le plus souvent sous la forme Mu304, et de l'oxyde de nickel, le plus souvent sous la forme de NiO. Among the thermistor compositions with a negative temperature coefficient based on semiconducting oxides, known as NTC thermistors, currently available on the market, some contain at least two types of cations, those of manganese and nickel, these compositions being obtained using manganese oxide, most often in the form Mu3O4, and nickel oxide, most often in the form of NiO.

Toutefois, les thermistances de ce type présentent une résistivité comprise entre 1000 Q cm et 100 000 .cm. However, thermistors of this type have a resistivity of between 1000 and 100,000 cm.

Il est connu, pour abaisser la résistivité, d'ajouter au système Mn-Ni ci-dessus, l'élément cuivre. Cet élément Cu est ajouté le plus souvent dans la composition sous forme d'oxyde de cuivre CuO. On obtient dans ce cas une résistivité inférieure à 25 Q.cm pour une concentration atomique en cuivre d'environ 10 % , la résistivité diminuant lorsqu'on augmente la teneur en cuivre. Toutefois, la résistivité de cette composition n'est pas stable dans le temps.Ainsi, pour un système comportant en pourcentage atomique 78 % de Mn, 12 % de Ni et 10 % de Cu, on obtient au bout de 500 heures, une variation de résistance t. R/R > 15 % et pour un système comportant en pourcentage atomique 63 % de Mn, 22 % de Ni et 15 % de Cu, on obtient au bout de 500 heures, une variation de résistance R/R d'environ 8 %, les essais ci-dessus ayant été réalisés à 1250 C, les thermistances n'étant pas mises sous tension. It is known, to lower the resistivity, to add to the Mn-Ni system above, the copper element. This Cu element is most often added to the composition in the form of copper oxide CuO. In this case, a resistivity of less than 25 Ω · cm is obtained for a copper atomic concentration of approximately 10%, the resistivity decreasing when the copper content is increased. However, the resistivity of this composition is not stable over time. Thus, for a system comprising as atomic percentage 78% of Mn, 12% of Ni and 10% of Cu, a variation is obtained after 500 hours. of resistance t. R / R> 15% and for a system comprising in atomic percentage 63% of Mn, 22% of Ni and 15% of Cu, there is obtained after 500 hours, a variation of resistance R / R of about 8%, the above tests having been performed at 1250 C, the thermistors not being energized.

D'une manière générale, les thermistances de très faible résistivité présentent les moins bonnes stabilités. In general, the thermistors of very low resistivity have the least good stabilities.

Afin de limiter cette dérive de résistance, il a été proposé dans PR 2 598 021 d'ajouter des ions baryum ou calcium ou strontium au système Mn-Ni-Cu. Cette solution s 'avère efficace mais présente cependant l'inconvénient d'augmenter la résistivité électrique du matériau et de provoquer une réaction chimique de décarbonatation des sels de baryum, calcium ou strontium utilisés lors du frittage des céramiques. In order to limit this resistance drift, it has been proposed in PR 2 598 021 to add barium or calcium or strontium ions to the Mn-Ni-Cu system. This solution is effective but has the disadvantage of increasing the electrical resistivity of the material and causing a chemical decarbonation reaction of barium salts, calcium or strontium used in sintering ceramics.

Selon la présente invention, il a été découvert qu'il est possible moyennant un choix judicieux des concentrations en ions manganèse, nickel et cuivre, d'obtenir des thermistances à très faible résistivité électrique, stables en fonction du temps sans -avoir recours aux dopages précités, donc en évitant les inconvénients mentionnés précédemment. According to the present invention, it has been discovered that it is possible, by means of a judicious choice of manganese, nickel and copper ion concentrations, to obtain thermistors with very low electrical resistivity, which are stable as a function of time without resorting to doping. above, thus avoiding the disadvantages mentioned above.

L'invention a donc pour objet une composition pour thermistances à coefficient de température négatif, du type comprenant du manganèse, du nickel et du cuivre, caractérisée en ce qu'elle répond à la formulation suivante
Mn Ni Cu O
3-x-y x y 4
avec 0,9 < x < 1,8
0,45 < y < 0,9
x + y < 2,25.
The subject of the invention is therefore a composition for thermistors with a negative temperature coefficient, of the type comprising manganese, nickel and copper, characterized in that it corresponds to the following formulation
Mn Ni Cu O
3-xy xy 4
with 0.9 <x <1.8
0.45 <y <0.9
x + y <2.25.

L'invention a également pour objet une thermistance élaborée à partir de cette composition.  The invention also relates to a thermistor developed from this composition.

La présente invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront grâce à la description qui va suivre, donnée à titre non limitatif. The present invention will be better understood and other advantages will become apparent from the description which follows, given in a non-limiting manner.

Selon une caractéristique de la présente invention, les ions manganèse sont amenés sous forme d'oxyde de manganèse, les ions nickel sous forme d'oxyde de nickel, les ions cuivre sous l'oxyde de cuivre. De préférence, l'oxyde de manganèse sera sous la forme MnO2, Mn203, 'Mn304 ou d'un mélange de ces oxydes, ltoxyde de nickel sous la forme
NiO, l'oxyde de cuivre sous la forme CuO, Cu2O. Toutefois, d'autres types d'oxydes peuvent être envisagés.
According to one characteristic of the present invention, the manganese ions are supplied in the form of manganese oxide, the nickel ions in the form of nickel oxide, the copper ions under the copper oxide. Preferably, the manganese oxide will be in the form of MnO 2, Mn 2 O 3, Mn 3 O 4 or a mixture of these oxides, nickel oxide in the form of
NiO, copper oxide in the form CuO, Cu2O. However, other types of oxides can be envisaged.

Les thermistances CTN présentant les compositions données ci-dessus peuvent être réalisées en utilisant une technique de poudre connue en soi qui consiste à mélanger les poudres d'oxydes dans un mélangeur broyeur, à les sécher, à les tamiser et à les presser sous forme de disque de manière connue, puis à les soumettre à un frittage à une température comprise de préférence entre 11800C et 12500 C, le frittage étant réalisé de préférence par un palier d'au moins une heure. The CTN thermistors having the compositions given above can be made using a powder technique known per se which consists in mixing the oxide powders in a mill mixer, drying them, sieving and squeezing them in the form of disc in known manner, then sintering them at a temperature preferably between 11800C and 12500 C, the sintering being preferably performed by a step of at least one hour.

Selon un autre mode de réalisation, les thermistances
CTN présentant les compositions ci-dessus peuvent être obtenues par voie chimique, c'est-à-dire en chauffant un oxalate mixte de manganèse, nickel, cuivre ou un hydrate dudit oxalate, dans une atmosphère constituée par un mélange d'un gaz inerte et d'oxygène ayant une pression partielle d'oxygène réduite à la température de décomposition de l'oxalate. On maintient la température jusqu'à décomposition complète de l'oxalate. On chauffe le produit obtenu en atmosphère inerte à une température comprise entre 4200C et 8000C pendant un temps suffisant pour obtenir des particules ayant les dimensions de la surface spécifique souhaitées, puis on transforme les compositions particulaires en céramique selon les méthodes usuelles.
According to another embodiment, the thermistors
CTN having the above compositions can be obtained chemically, that is by heating a mixed oxalate of manganese, nickel, copper or a hydrate of said oxalate, in an atmosphere consisting of a mixture of an inert gas and oxygen having an oxygen partial pressure reduced to the decomposition temperature of the oxalate. The temperature is maintained until complete decomposition of the oxalate. The product obtained is heated in an inert atmosphere at a temperature of between 4200.degree. C. and 8000.degree. C. for a time sufficient to obtain particles having the desired surface area dimensions, and then the particulate ceramic compositions are converted according to the usual methods.

Le tableau 1, placé en fin de description, regroupe un certain nombre de compositions répondant à la présente invention et numérotées de 1 à 5. A partir de ces compositions, on a élaboré des thermistances sur lesquelles des essais ont été effectués. Les compositions ont été préparées par voie chimique. Table 1, placed at the end of the description, includes a number of compositions according to the present invention and numbered from 1 to 5. From these compositions, thermistors were developed on which tests were carried out. The compositions were prepared chemically.

Dans ce cas de synthèse par voie chimique, les poudres sont élaborées de la manière suivante : les oxalates de manganèse, de nickel, de cuivre sont mélangés dans les proportions correspondant aux formules indiquées dans le tableau 1, exemples 1 à 5. L'oxalate mixte obtenu est ' décomposé thermiquement à 7000 C. La poudre ainsi obtenue est broyée par voie liquide (eau) en présence d'éléments broyants de zircone pendant deux heures. In this case of chemical synthesis, the powders are prepared in the following manner: oxalates of manganese, nickel and copper are mixed in the proportions corresponding to the formulas indicated in Table 1, Examples 1 to 5. Oxalate The resulting mixture is thermally decomposed at 7000 C. The powder thus obtained is ground by liquid (water) in the presence of grinding elements of zirconia for two hours.

Une solution contenant un liant d'alcool polyvinylique est ajoutée à la barbotine durant 1/4 d'heure. La composition ainsi obtenue a été séchée en étuve à 120du, puis tamisée à travers un tamis de 315 microns. La composition ainsi tamisée a été pressée sous forme de disques en utilisant une machine hydraulique de type connu sous une pression comprise entre 3 a et 4 tonnes/cm
Les disques ainsi obtenus sont frittés à une température de 11800C pendant deux heures. Ils sont ensuite recouverts d'électrodes en argent de manière connue et traités thermiquement à 5500C.
A solution containing a binder of polyvinyl alcohol is added to the slip for 1/4 hour. The composition thus obtained was dried in an oven at 120 ° C. and then sieved through a 315 micron sieve. The composition thus sieved was pressed in the form of discs using a hydraulic machine of known type under a pressure of between 3 and 4 tons / cm.
The discs thus obtained are sintered at a temperature of 11800C for two hours. They are then covered with silver electrodes in known manner and heat treated at 5500C.

Le tableau 1 indique, pour chaque cas, la résistivité
en A . cm, B l'indice de sensibilité thermique en kelvin, la variation de résistivité A R/R en
Pour étudier le vieillissement des différents échantillons, et ainsi en déduire la variation de résistivité R/R avec le temps, ceux-ci ont été placés dans une enceinte sous une température de 1250C plus ou moins 20C, pendant 1000 heures et sans application de tension. La résistivité des pièces est mesurée sous un courant de 5 mA.
Table 1 indicates, for each case, the resistivity
in A. cm, B the thermal sensitivity index in kelvin, the variation of resistivity AR / R in
To study the aging of the different samples, and thus deduce the variation of resistivity R / R with time, they were placed in an enclosure under a temperature of 1250C plus or minus 20C, for 1000 hours and without application of voltage . The resistivity of the parts is measured under a current of 5 mA.

D'après le tableau 1, on observe que la variation de résistivité des matériaux est toujours inférieure ou égale à 3 96 pour des valeurs de résistivité électrique extrêmement faibles (de l'ordre de 1 Q. cm). Ces résultats sont très intéressants, non seulement du point de vue des caractéristiques électriques, mais encore du point de vue des matières premières impliquées qui restent limitées aux éléments essentiels manganèse, nickel, cuivre. From Table 1, it can be seen that the variation in the resistivity of the materials is always less than or equal to 3% for extremely low electrical resistivity values (of the order of 1 Ω cm). These results are very interesting, not only from the point of view of the electrical characteristics, but also from the point of view of the raw materials involved which remain limited to the essential elements manganese, nickel, copper.

On obtient des résultats satisfaisants pour des concentrations en manganèse, nickel et cuivre répondant aux inéquations suivantes
0,9 < x < 1,8
0,45 < y < 0,9
x + y < 2,25.

Figure img00060001
Satisfactory results are obtained for manganese, nickel and copper concentrations corresponding to the following inequalities
0.9 <x <1.8
0.45 <y <0.9
x + y <2.25.
Figure img00060001

<tb><Tb>

N <SEP> x <SEP> y <SEP> > <SEP> <SEP> B
<tb> <SEP> 1 <SEP> 0,99 <SEP> 0,66 <SEP> 0,5 <SEP> 1526 <SEP> 2
<tb> <SEP> 2 <SEP> 1,02 <SEP> 0,66 <SEP> 0,75 <SEP> 1381 <SEP> 3
<tb> <SEP> 3 <SEP> 1,23 <SEP> 0,69 <SEP> 1,2 <SEP> 1000 <SEP> 2
<tb> <SEP> 4 <SEP> 1,53 <SEP> 0,66 <SEP> 3 <SEP> 1100 <SEP> 2
<tb> <SEP> 5 <SEP> 1,23 <SEP> 0,51 <SEP> 1 <SEP> 1400 <SEP> 3
<tb>
TABLEAU 1
N <SEP> x <SEP> y <SEP>><SEP><SEP> B
<tb><SEP> 1 <SEP> 0.99 <SEP> 0.66 <SEP> 0.5 <SEP> 1526 <SEP> 2
<tb><SEP> 2 <SEP> 1.02 <SEP> 0.66 <SEP> 0.75 <SE> 1381 <SEP> 3
<tb><SEP> 3 <SEP> 1.23 <SEP> 0.69 <SEP> 1.2 <SEP> 1000 <SEP> 2
<tb><SEP> 4 <SEP> 1.53 <SEP> 0.66 <SEP> 3 <SEP> 1100 <SEP> 2
<tb><SEP> 5 <SEP> 1.23 <SEP> 0.51 <SEP> 1 <SEP> 1400 <SEP> 3
<Tb>
TABLE 1

Claims (2)

REVENDICATIONS 1 - Composition pour thermistances à coefficient de température négatif, du type comprenant du manganèse, du nickel et du cuivre, caractérisée en ce qu'elle répond à la formulation suivante 1 - Composition for thermistors with a negative temperature coefficient, of the type comprising manganese, nickel and copper, characterized in that it corresponds to the following formulation Mn 3-x-y Nix Cuy 4  Mn 3-x-y Nix Cuy 4 avec 0,9 < x < 1,8 with 0.9 <x <1.8 0,45 < y < 0,9  0.45 <y <0.9 x + y < 2,25.  x + y <2.25. 2 - Thermistance à coefficient de température négatif, caractérisée en ce quelle est élaborée à partir d'une composition selon la revendication 1.  2 - Thermistor with a negative temperature coefficient, characterized in that it is produced from a composition according to claim 1.
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CHEMISCHES ZENTRALBLATT, vol.139, no.29, 1968, Berlin, DE, page 263; ref. no. 2395, KOLOMAZNIK: "Eigenschaften der Thermistormassen im System der Mn-Ni-Cu-Oxide", & SILIKATY (Prague) 10, 48-62 (1966) *

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