TWI409829B - 一種高溫使用的氧化鋅突波吸收器 - Google Patents

Description

一種高溫使用的氧化鋅突波吸收器

本發明涉及一種高溫使用的氧化鋅突波吸收器，尤指一種適用在工作溫度範圍高於125℃使用的氧化鋅突波吸收器。

氧化鋅突波吸收器是一種電阻值隨電壓非線性改變的阻抗體，其主要成份是氧化鋅(ZnO)粉體，再混合金屬氧化物添加劑，例如：Bi₂ O₃ 、Sb₂ O₃ 、CaO、Cr₂ O₃ 、Co₂ O₃ 、MnO等，經過高溫燒結成陶瓷燒結體。為了提高材料的燒結性能，可再均勻地添加少量SiO₂ 。

這種氧化鋅突波吸收器具有優異的非歐姆特性及優良的突波吸收能力，其電流一電壓特性曲線為優異的非線性，在低電壓時，電阻值很高，在高壓時，電阻值急速下降，因此又稱變阻器(varistor)。

氧化鋅突波吸收器通常用來保護電子電路，防止受到過大的暫態電壓破壞或干擾。在正常工作環境下，突波吸收器處於預備狀態，相對於受保護的電子組件而言，具有很高的阻抗(數兆歐姆)，能阻止電流通過，故電流走原設計電路線路，不會影響到原設計電路的特性。但當瞬間突波電壓出現，超過突波吸收器的崩潰電壓時，該突波吸收器的阻抗會變低(僅有幾個歐姆)，以近於短路的狀態使大量突波電流通過，並且將電流分流到接地元件，以避免電子產品或昂貴電路元件受到突波而損壞。

突波吸收器應用於一般資訊產品上作為電壓安定與突波吸收時，突波吸收器的工作溫度範圍上限，大都在85℃左右。而隨著電子產品和通訊產品的快速發展，突波吸收器的使用溫度不斷地提高。例如，突波吸收器應用於汽車的ABS(Antilock Brake System，防鎖死煞車系統)、安全氣囊或動力方向盤的電子電路上面時，工作溫度範圍就需高達125℃，甚至高達150℃。但，在目前現有技術中，尚未見到使用溫度超過150℃的氧化鋅突波吸收器。

此外，現有技術的氧化鋅突波吸收器的陶瓷燒結體中，在氧化鋅晶粒與晶粒之間的晶界層成分，通常是負溫度係數(NTC)熱敏電阻材料，電阻值隨著溫度升高而降低，當使用溫度升高時，原添加於晶界層成分中的載流子遷移速度增大，在工作電壓作用下，會造成氧化鋅突波吸收器產生電阻降低、非歐姆指數值減小、漏電流增大及崩潰電壓降低等劣化現象，最後導致氧化鋅突波吸收器熱燒毀。

因此，如何發展出一種適用在工作溫度範圍高於125℃使用的氧化鋅突波吸收器，是目前主要研發議題之一。本發明提出的解決方法，是在氧化鋅突波吸收器的氧化鋅晶粒與晶粒之間的晶界層成分中增加了正溫度係數(PTC)熱敏電阻材料，當使用溫度升高時，該PTC熱敏電阻材料的電阻急遽增高，以補償或部份補償原氧化鋅晶粒與晶粒之間的晶界層成分因溫度升高而降低的部份電阻，如此，可使氧化鋅突波吸收器的晶界層的電阻對溫度的敏感度降低，從而大幅度提高氧化鋅突波吸收器的使用溫度。

為此，本發明的主要目的在於揭露一種高溫使用的氧化鋅突波吸收器，其製造方法為在氧化鋅突波吸收器的氧化鋅晶粒與晶粒之間的晶界層成分中增加了正溫度係數(PTC)熱敏電阻材料，其目的在於使晶界層成分中的負溫度係數熱敏電阻材料與所添加的PTC熱敏電阻材料達到一種電阻-溫度間的相互補償作用，當使用溫度升高時，該PTC熱敏電阻材料的電阻急遽增高，以補償或部份補償該晶界層成分中的NTC熱敏電阻材料因溫度升高而降低的部份電阻，使得氧化鋅突波吸收器不會在高溫下產生漏電流升高及崩潰電壓降低等劣化現象，尤其在工作溫度範圍高於125℃，甚至高於150℃，例如在160℃-180℃的工作環境下，仍然保證可以正常使用。

本發明的另一主要目的在於揭露一種高溫使用的氧化鋅突波吸收器的陶瓷燒結體結構組成，其結構包括主要成份氧化鋅晶粒及位於氧化鋅晶粒與晶粒間的晶界層，且該晶界層包含正溫度係數(PTC)熱敏電阻材料成分，在工作溫度範圍高於150℃的高溫環境中，保證該氧化鋅突波吸收器可以正常使用。

所述的正溫度係數熱敏電阻材料成分，佔氧化鋅突波吸收器的陶瓷燒結體的晶界層總量的10~85mol%，且選自多晶態或玻璃態的鈦酸鋇或鈦酸鋇摻雜鈦酸鍶的其中一種。

所述的正溫度係數熱敏電阻材料成分，可掺加半導體化及調整居里點(或稱居里溫度Curie temperature)所需的稀土離子，選自Li⁺¹ 、Ca⁺² 、Mg⁺² 、Sr⁺² 、Ba⁺² 、Sn⁺⁴ 、Mn⁺⁴ 、Si⁺⁴ 、Zr⁺⁵ 、Nb⁺⁵ 、Al⁺³ 、Sb⁺³ 、Bi⁺³ 、Ce⁺³ 或La⁺³ 離子的其中一種或以上。

本發明的氧化鋅突波吸收器，是以習知陶瓷製程高溫燒結製得，可為圓板型(Disc Type)，晶片型(Chip Type)及環型(Ring Type)，兼具變阻及突波吸收特性，且適用在高溫使用。

本發明的氧化鋅突波吸收器具有一陶瓷燒結體，其適用在高溫使用的關鍵技術，在於其結構包括主要成分氧化鋅晶粒及位於氧化鋅晶粒與晶粒間的晶界層，且該晶界層的成分中，包含正溫度係數(PTC)熱敏電阻材料成分，佔該晶界層總量的10~85mol%。

其中，該陶瓷燒結體的氧化鋅晶粒，是由氧化鋅粉末或氧化鋅摻雜Bi₂ O₃ 、Sb₂ O₃ 、CaO、Cr₂ O₃ 、Co₂ O₃ 或MnO等金屬氧化物添加劑經過燒結而形成。本發明的氧化鋅突波吸收器，以含97mol/%氧化鋅晶粒的陶瓷燒結體為最佳實施例，而且，該陶瓷燒結體的氧化鋅晶粒與燒結成晶界層的燒結料或玻璃粉的重量配比為100：2-100：30。

所述晶界層成分中的正溫度係數(PTC)熱敏電阻材料成分，選自多晶態或玻璃態的鈦酸鋇或者鈦酸鋇摻雜鈦酸鍶的其中一種。

所述鈦酸鋇(BaTiO₃ )是鋇和鈦的混合氧化物，可通過碳酸鋇和二氧化鈦為原料製得。同樣地，所述鈦酸鍶(SrTiO₃ )可以通過碳酸鍶和二氧化鈦為原料製得。而且，為使正溫度係數(PTC)熱敏電阻材料成分燒結後能夠提升半導體化以及能夠設定直至溫度高於某一特定溫度點(即，居里點或居里溫度)時的電阻值會大幅增加，可再掺加半導體化及調整居里點(或稱居里溫度Curie temperature)所需的稀土離子，選自Li⁺¹ 、Ca⁺² 、Mg⁺² 、Sr⁺² 、Ba⁺² 、Sn⁺⁴ 、Mn⁺⁴ 、Si⁺⁴ 、Zr⁺⁵ 、Nb⁺⁵ 、Al⁺³ 、Sb⁺³ 、Bi⁺³ 、Ce⁺³ 或La⁺³ 離子的其中一種或以上。

本發明的氧化鋅突波吸收器，在氧化鋅晶粒與晶粒間的晶界層成分中，因為含鈦酸鋇的正溫度係數(PTC)熱敏電阻材料，當使用溫度升高時，該晶界層成分中的鈦酸鋇成分的電阻急遽增高，將補償或部份補償該晶界層成分中的負溫度係數(NTC)熱敏電阻材料因溫度升高而降低的部份電阻，這種溫度-電阻的相互補償作用，可使得氧化鋅突波吸收器在高溫下沒有漏電流升高及崩潰電壓降低等劣化現象。因此，在工作溫度範圍高於125℃或高於更高溫150℃的環境下，例如160℃-180℃的工作環境下，仍然可以正常使用，不發生局部熱擊穿或燒毀。

實施例

以下以實施例說明本發明的氧化鋅突波吸收器可以在高溫下正常使用，但本發明的專利權範圍不受限於實施例。

實施例1：

1.用化學共沉澱法，製備氧化鋅突波吸收器的氧化鋅晶粒與晶粒間的晶界層成分。所述晶界層的原料成分及莫耳比如下：

經計算，本實施例的氧化鋅突波吸收器的正溫度係數特性的鈦酸鋇(BaTiO₃ )熱敏電阻材料，占晶界層總量的55.4 mol %。

2.洗淨後的沉澱物再加純淨水攪拌均勻後，再加入氧化鋅粉末，其配比約為20：100的比例(重量比)，繼續攪拌均勻後，以230℃烘乾後，再以760℃進行煅燒約3小時後，將煅燒後粉末磨細至平均粒徑小於2微米。

3.按習知的積層晶片變阻器之常規工藝，製成內電極印刷8層，經燒結製成1812規格的積層晶片型變阻器。經測量所製得的積層晶片型變阻器在不同溫度下的電性，其結果如表1所示、電阻值如圖1。

以上數據顯示，本實施例的積層晶片型變阻器，在160℃下還是具有相當高的非線性系數α值及低的漏電流值。這個結果顯示本實施例的積層晶片型變阻器的最高使用溫度可以使用到160℃。

實施例2：

1.用溶膠凝膠法，製備氧化鋅突波吸收器的氧化鋅晶粒與晶粒間的晶界層成分。所述晶界層的原料成分及莫耳比如下：

經計算，本實施例的氧化鋅突波吸收器的正溫度係數特性的鈦酸鋇(BaTiO₃ )熱敏電阻材料，占晶界層總量的28.7%。

2.將製得之凝膠經230℃烘乾，將烘乾後粉末磨細，再用純淨水洗滌5次，經烘乾後，將烘乾後粉末再加入氧化鋅粉末，其配比約為20：100的比例(重量比)，繼續加入純淨水攪拌均勻後，以230℃烘乾後，再以760℃進行煅燒約3小時後，將煅燒後粉末磨細至平均粒徑小於2微米。

3.將前步驟所製備的粉末壓製成8mm×1mm圓片，燒結後製成圓板型變阻器，經測量所製得的圓板型變阻器在不同溫度下的電性，其結果如表2所示。

以上數據顯示，本實施例的圓板型變阻器，在175℃下還是具有相當高的非線性系數α值及低的漏電流值。這個結果顯示本實施例的圓板型變阻器的最高使用溫度可以使用到175℃。

比較例1：

1.用化學共沉澱法，製備氧化鋅突波吸收器的氧化鋅晶粒與晶粒間的晶界層成分。所述晶界層的原料成分及莫耳比如下：

2.洗淨後的沉澱物再加純淨水攪拌均勻後，再加入氧化鋅粉末，其配比約為20：100的比例(重量比)，繼續攪拌均勻後，以230℃烘乾後，再以760℃進行煅燒約3小時後，將煅燒後粉末磨細至平均粒徑小於2微米。

3.按習知的積層晶片變阻器之常規工藝，製成內電極印刷8層，經燒結製成1812規格的積層晶片型變阻器。經測量所製得的積層晶片型變阻器在不同溫度下的電性，其結果如表3所示、電阻值如圖1。

結果

1.從比較例1可知，氧化鋅突波吸收器的氧化鋅晶粒與晶粒間的晶界層沒有鈦酸鋇成分，其特性為：隨著溫度升高，電阻值迅速降低，漏電流增大，非線性系數α值減少，如溫度繼續升高至100℃，導致崩潰電壓降低、非線性系數α值急遽減少，其工作性能喪失。

2.從實施例1和實施例2可知，氧化鋅突波吸收器的氧化鋅晶粒與晶粒間的晶界層含有鈦酸鋇成分，無論是多晶態或是玻璃態，可以提高氧化鋅突波吸收器的使用溫度至160℃。

氧化鋅突波吸收器的晶界層添加鈦酸鋇的結果，可以達到提高氧化鋅突波吸收器的使用溫度，其原因在於所添加的具正溫度係數特性的鈦酸鋇成分會隨著溫度升高而急遽上升電阻值，而且其電阻值上升的部分將彌補該晶界層成分中的負溫度係數材料因溫度升高所造成的電阻值下降。

因此，在同樣溫度條件下，實施例1和實施例2的氧化鋅突波吸收器的電阻值，比未添加鈦酸鋇的氧化鋅突波吸收器的電阻值更高，十分適用於高溫狀況下使用。

3.從實施例1可知，溫度升高至200℃，氧化鋅突波吸收器的崩潰電壓不下降，溫度升高至180℃，其線性系數仍大於10；從實施例2可知，溫度升高至200℃，氧化鋅突波吸收器的線性系數仍大於10，仍然具有壓敏的工作性能。

因此，實施例1和實施例2的氧化鋅突波吸收器，十分適用於工作溫度範圍高於150℃的環境。

圖1係本發明實施例1與比較例1在不同溫度範圍下的電阻變化說明圖。

Claims (8)

1. 一種高溫使用的氧化鋅突波吸收器，包括一陶瓷燒結體，含有97 mol/%氧化鋅晶粒及位於氧化鋅晶粒與晶粒間的晶界層，其特徵在於，該晶界層的成分中包含正溫度係數熱敏電阻材料，且佔該晶界層總量的28.7~55.4mol%。
2. 如申請專利範圍第1項所述之一種高溫使用的氧化鋅突波吸收器，其中，所述陶瓷燒結體的氧化鋅晶粒與燒結成晶界層的燒結料或玻璃粉的重量配比為100：2-100：30。
3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之一種高溫使用的氧化鋅突波吸收器，其中，所述正溫度係數熱敏電阻材料為鈦酸鋇或鈦酸鋇摻雜鈦酸鍶的其中一種。
4. 如申請專利範圍第3項所述之一種高溫使用的氧化鋅突波吸收器，其中，所述正溫度係數熱敏電阻材料為多晶態或玻璃態的正溫度係數熱敏電阻材料。
5. 如申請專利範圍第3項所述之一種高溫使用的氧化鋅突波吸收器，其中，所述鈦酸鋇掺雜稀土離子選自Li⁺¹ 、Ca⁺² 、Mg⁺² 、Sr⁺² 、Ba⁺² 、Sn⁺⁴ 、Mn⁺⁴ 、Si⁺⁴ 、Zr⁺⁵ 、Nb⁺⁵ 、Al⁺³ 、Sb⁺³ 、Bi⁺³ 、Ce⁺³ 或La⁺³ 離子的其中一種或以上。
6. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之一種高溫使用的氧化鋅突波吸收器，其中，所述氧化鋅突波吸收器的工作溫度範圍達125~200℃。
7. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之一種高溫使用的氧化鋅突波吸收器，其中，所述氧化鋅突波吸收器的工作溫度範圍 達150~180℃。
8. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之一種高溫使用的氧化鋅突波吸收器，其中，所述氧化鋅突波吸收器的工作溫度範圍達160~180℃。