CN1160274A - 正特性热敏电阻 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种正特性热敏电阻器件，它包含一个器件主体，该器件主体具有三层或三层以上半导体陶瓷层组成的多层结构并包含夹在孔隙率较低的陶瓷层中的孔隙率较高的陶瓷层。在器件主体形成后，再在每个外层的外表面上形成电极。当过电压施加在正特性热敏电阻器件上或者有过电流流过时，高孔隙率陶瓷层所产生的热量要大于低孔隙率陶瓷层所产生的热量。这在陶瓷层之间形成了热应力，从而导致该器件在高孔隙率的陶瓷层处发生层断裂。

Description

正特性热敏电阻

本发明涉及由半导体陶瓷材料构成的正特性热敏电阻器件。

普通的正特性热敏电阻器件(即具有正温度系数的正温度特性热敏器件，或者“PTC器件”)具有如图1所示的结构。在由大体上均匀的半导体陶瓷材料构成的器件主体2的相对两侧提供有电极3并通过焊接等技术使引线4与每个电极3电气连接，形成了正特性热敏器件1。

这种PTC器件具有各种用途，其中包括利用当温度等于或高于居里点时电阻急剧增大的事实，在过电流下对电路的保护。具体地说，当过电流流经PTC器件时，PTC器件的温度急剧升高，而这又使器件的电阻急剧增大。这样就截断了插入PTC器件的电路的电流，从而在过电流下对电路施行了保护。

当PTC器件因接线错误而施加了200V量级的过电压从而引起短路时，普通的PTC器件显示出自恢复(Self-resetting)特性作为保护措施。当过电压撤除时PTC器件由此回复到它的初始状态，而无需用新的PTC器件替换。

当电压通过引线4突然施加到如图1所示的PTC器件1上时，器件主体2会发热。图2示出了采用红外线温度分析仪得到的PTC器件在通电发热期间温度分布的测量结果。在图2中，PTC器件1的温度分布用等温线5表示。如图2所示，PTC器件内部区域的温度高于表面区域的温度。这样，当电压突然施加到PTC器件上时，由于器件内部区域与表面之间的温度差所引起的热应力，将使器件断裂。

通过深入研究热应力引起的断裂现象，本发明者对器件断裂的机理有了一定的理解。当电压突然施加到PTC器件上时，流过的电流使PTC器件发热。由于器件内部区域与表面的热耗散性质不同，器件内部区域的温度变得高于表面区域。当器件内部区域温度较高时，其电阻也比表面区域的高。这使得器件内部区域产生的热量进一步增加。由于热耗散性质的不同和器件内部区域电阻的增加，器件内部区域与表面之间的温度差异有所增大。当器件内部区域与表面区域之间热膨胀差异达到一定程度时就会导致PTC器件的断裂。

由于如上所述的热应力可能会引起断裂，所以当施加到PCT器件上的过电压高达600V时，电路有时候会因为PTC器件的断裂而得到保护。即断裂引起的开路避免了电路的损坏。但是，当普通PTC器件因600V量级的过电压而断裂时，器件主体常常处于开裂状态而不是完全断裂。当PTC器件处于开裂状态而不是完全断裂(这种断裂以下称为“不充分断裂”)时，在开裂区域会产生火花，从而在PTC器件中引起短路。当采用该器件例如作为过电流保护电路的一部分时，则在电路中将产生非常大的过电流。这会引起严重的事故，例如终端设备的短路并导致损坏。

保险丝可以用来替代引起不充分断裂的PTC器件。但是保险丝有其固有的缺点，具体而言，在过电流和过电压下保险丝会烧断并且不具有自恢复的性质。即，当施加200V量级的电压时，保险丝会烧断，所以必须用新的保险丝替代。这对于必须的维护操作来说是不方便的。

本发明的典型目标是解决上述问题，具体而言是提供一种正特性热敏电阻器件，它能够在施加过电压时，快速可靠地截断电流以产生开路。

按照本发明第一方面的正特性热敏电阻器件包含一个器件主体，所述器件主体具有三层或更多层半导体陶瓷层组成的多层结构并包含夹在孔隙率较低的陶瓷层之间的孔隙率较高的陶瓷层。

在这种正特性热敏电阻器件中，孔隙率较高的陶瓷层夹在孔隙率较低的陶瓷层之间。因此，当很高的过电压施加在正特性热敏电阻器件上或者有很高的过电流流过正特性热敏电阻器件时，电阻较大的高孔隙率陶瓷层所产生的热量要多于电阻较小的低孔隙率陶瓷层所产生的热量。这在高孔隙率的陶瓷层与低孔隙率的陶瓷层之间引起了热膨胀程度的差异。这样，就在这些区域内形成了热应力，从而导致正向热敏电阻器件在高孔隙率的陶瓷层附近发生分层(delamination)。

而且，由于高孔隙率陶瓷层的强度有所降低，所以当施加上过电压或者有过电流流过时更加容易分层。这样就使得正特性热敏电阻器件能够可靠地处于非导电状态以消除当正特性热敏电阻器件上施加有过电压或者有过电流流过时发生不充分断裂的可能性。

按照本发明第二方面的正特性热敏电阻器件包含由一种半导体陶瓷材料构成的器件主体，它具有一孔隙率高于相邻区域孔隙率的区域。

在按照本发明第二方面的正特性热敏电阻器件中，包含一个孔隙率高于相邻区域孔隙率的区域，当正特性热敏电阻器件上施加有较高的过电压或者有较大的过电流流过时，孔隙率较高的区域内产生不均称的热量。因此高孔隙率区域与邻近区域之间产生了热应力。这引起了正特性热敏电阻器件的层断裂。而且，被低孔隙率的邻近区域包围的高孔隙率区域辐射的热量很少，这有助于热应力的形成并由此使正特性热敏电阻器件分层断裂。而且，孔隙率较高区域的强度较低，进一步诱发了器件的层断裂。因此，按照本发明第二方面的正特性热敏电阻器件能够可靠地处于非导电状态以避免当正特性热敏电阻器件上施加有过电压或者有过电流流过时发生不充分断裂的情况。

按照本发明第三方面的正特性热敏电阻器件包含一个由孔隙率从表面区域向内部区域连续变化的半导体陶瓷材料构成的器件主体。并且，所述器件主体包含一个变化的孔隙率呈现最大值的较高孔隙率区域。

在按照本发明第三方面的正特性热敏电阻器件中，包含一个具有最大孔隙率的区域，由于当正特性热敏电阻器件上施加有过电压或者有过电流流过时具有最大孔隙率的陶瓷层将会发热而产生热应力，所以在该区域内也可产生层断裂。而且，孔隙率较高区域的强度较低，进一步诱发了器件的层断裂。因此，按照本发明第三方面的正特性热敏电阻器件能够可靠地处于非导电状态以避免当正特性热敏电阻器件上施加有过电压或者有过电流流过时发生不充分断裂的情况。孔隙率可以按一维(层)、两维和三维模式中的任一种变化。

按照本发明的第四方面，提供了根据本发明第一、第二和第三方面中任意一个方面的正特性热敏电阻，其特征在于孔隙率在器件主体中心部分附近最大。通过在包含陶瓷层的器件主体中央部分提供较高的孔隙率，通过提供孔隙率比邻近区域孔隙率更高的区域，或者提供具有孔隙率最大值的区域，可以在主体中央提供了最大孔隙率。由于这些区域产生的热量难以释放，所以这些区域与附近区域(例如位于高孔隙率区域两侧的区域)之间产生的热应力进一步增加。这一现象使得正特性热敏电阻器件在施加过电压或过电流时可靠地引起层断裂。

图1为普通PTC器件的侧视图；

图2为表示图1中器件主体内温度分布的等温线示意图；

图3为按照本发明一个实施例的PTC器件的侧视图；

图4为图3中已发生层断裂的PTC器件的透视图；

图5为按照本发明另一个实施例的PTC器件的侧视图；

图6为按照本发明还有一个实施例的PTC器件的侧视图；

图7a为按照本发明还有一个实施例的PTC器件的侧视图；

图7b为图7a中器件主体内孔隙率变化情况的示意图；

图8a为按照本发明还有一个实施例的PTC器件的平面图，而图8b为它的剖面图；

图9a为按照本发明还有一个实施例的PTC器件的平面剖视图，而图9b为它的纵向剖面图。

图3为按照本发明一个实施例的PTC器件11的剖面图。在PTC器件11中，电极13形成于由具有正向温度特性的半导体陶瓷材料构成的器件主体的相对两侧，而引线14通过例如焊接等方法与每个电极13导电连接。由具有正向温度特性的半导体陶瓷材料构成的器件主体12具有三层结构，由在中间的内层15和形成于内层15两侧的外层16组成。器件主体12的内层15的半导体材料孔隙率高于外层16的孔隙率(例如，内层15比外层16具有更高的孔隙比(ratio ofpores))。

例如，可以采用以下方式制造具有上述结构的PTC器件11。首先，制备用作外层材料的正特性热敏电阻陶瓷材料(材料内不含树脂珠)和用作内层材料的同一正特性热敏电阻陶瓷材料(材料内混有一定数量的树脂珠)。虽然对于树脂珠的形状和大小并无严格的要求，但是典型实施例中的树脂珠要大于正特性热敏电阻用陶瓷材料的孔隙并且采用球体形状。而且树脂珠的主要成份可以是任何在燃烧时会消散的物质，例如PMMA(丙烯酸酯)和聚苯乙烯。

预先确定数量的外层材料填充入干压式金属模具(未画出)并且在低压下加压。随后把预先确定数量的内层材料填充在模压后的外层材料上并在低压下加压。再把预先确定数量的外层材料填充在模压后的内层材料上，并且把这样获得的整个制品在更高的压力下加压以获得由三层材料组成的模压件。具有由内层15和外层16组成的三层结构的模压件在预先确定的温度下燃烧。在此燃烧过程中树脂珠消失从而在器件主体内形成孔隙。随后在模压件的两侧表面涂覆上导电胶以在模压件(器件主体12)的两侧提供电极13。并且通过焊接的方法使引线14与每个电极13导电连接。

当200V量级的电压施加在具有上述结构的PTC器件11上时，器件作出如同普通PTC器件未断裂时那样的可恢复保护操作。但是当施加到PTC器件11上的电压增加到600V量级(即，过电压)电时，与普通器件不同，PTC器件11不发生不充分断裂。相反，如图4所示，在内层15处它以分层模式被一分为二，将器件主体12分为裂片17和18。由图4可见，PTC器件11的层向断裂使得插入PTC器件11的电路在过电压下可靠地开路。

采用上述制造方法制造了上述实施例的20个PTC器件。按照一个典型实施例，采用钛酸钡型半导体材料代替陶瓷材料作为形成内外层的正特性热敏电阻。大约0.62克的外层材料填入干压金属模具内并在大约40MPa下加压。大约0.62克的包含直径为10-30微米的球形PMMA树脂珠的内层材料加在其上，并在大约40MPa下加压。再向制品加上大约0.62克的外层材料，随后在大约120MPa下对整个制品加压。经上述过程由此形成了三层模件，其直径为17.8mm左右而厚度为2mm左右，然后再进行燃烧处理。在燃烧后，涂覆上电极，三层模件的直径减少到14.0mm左右。用这种方式制造的PTC器件中，不含树脂珠的外层孔隙率(面积比)约为11％而含树脂珠的内层孔隙率(面积比)约为12-18％。为进行比较，制造出20个普通PTC器件，这些器件的主体以用作正特性热敏电阻的陶瓷材料制成，只包括一层不含树脂珠的层。测试了按照本发明构造的PTC器件和普通器件。具体而言，测试中测量了器件的电阻并确定器件的耐击穿电压(flashwithstand voltage)。对耐击穿电压的测试是检验PTC器件在瞬时以脉冲形式施加过电压时是否断裂。具体而言，耐击穿电压等于PTC器件在断裂发生前能够忍受的电压。测试的结果示于表1。表1所示的电阻值表示20个PTC器件的平均值，耐击穿电压表示20个PTC器件的最小值。表1还示出了在耐击穿电压测试期间层断裂的PTC器件数和不充分断裂的PTC器件数。

                           表1

	3层的实施例	比较实例
			电阻(平均值)	6欧姆	6欧姆
耐击穿电压(最小值)	280V	280V
			测量的器件数	20	20
层断裂的器件数	20	12
			不充分断裂的器件数	0	8

如表1所示，按照该特殊的实施例，上述实施例与普通器件在电阻和耐击穿电压方面没有差别。但是，就耐击穿电压测试的断裂模式来说，大约有一半的PTC器件发生了不充分断裂而所有的上述实施例发生的都是层断裂。

以下的理论解释了上述实施例与普通PTC器件在耐击穿电压方面没有差别但在断裂模式方面存在差别的原因。按照本发明实施例的PTC器件内层的导电路径因为孔隙的存在而减少，由于所用的微观结构，增加了内层的比电阻。因此，当突然施加过电压时，在比电阻增加的内层中发生了电场积聚，从而使该区域产生的热量增加。但是，由于引入的孔隙吸收和减小了热应力，所以可以避免耐击穿电压的明显降低。

但是当施加较高的电压时，超过了在层中引入孔隙吸收和减少热应力的能力，从而使PTC器件发生分层断裂。具体地说，由于孔隙的引入减少了导电路径总的截面积，所以在内层发生了电场积聚，从而增加了产生的热量。这使得内层与外层之间温差大于普通PTC器件的温差，并且内层较外层为低的热耗散性质使得内外层之间的温差进一步增加。而且，按照本发明的实施例，孔隙的存在使得在不增加器件主体厚度的情况下就可以增加内层的比电阻，因此可以制造能可靠地层断裂的小型PTC器件。

另外的实施例

虽然上述实施例示出了在内层15两侧具有外层16的三层结构的PTC器件11，但是也可以采用三层以上的多层结构，其中位于结构越深处的层，其材料的孔隙率要越大。例如，图5示出了一种情形，其中器件主体具有5层结构。在图5所示的PTC器件21中，器件主体12的最外层22为孔隙率适中的半导体陶瓷层；中心层24的孔隙率最大；而在最外层22与中心层24之间的中间层23具有最低的孔隙率。在具有这种结构的PTC器件21中，由于施加过电压时在最高孔隙率的中心层24与最低孔隙率的中间层23之间热应力的影响，在强度较低的中心层24处再次可靠地发生层断裂。

图6为本发明另一个实施例的侧视图。PTC31的器件主体12由高孔隙率层32和低孔隙率层33交替层叠为7层形成。最外层33为低孔隙率层33，而中心层为高孔隙率层32。当施加过电流时，由于位于中心的层32具有较高的孔隙率，所以在PTC器件31内再次可靠地发生层断裂。

而且，虽然未画出，具有多层结构的PTC器件无需为奇数层，它也可以具有偶数层，例如等于或大于4的偶数。

按照本发明的PTC器件并不局限于上述的多层结构，而且也可以是孔隙率可变的器件，其中材料的孔隙率连续变化，从而器件内越深的区域，孔隙率就越高。图7a为孔隙率可变的PTC器件34的侧视图，而图7b为表示沿PTC器件34的器件主体12厚度方向的孔隙率大小的曲线图。如图所示，器件主体12中心区域的孔隙率最高，并且孔隙率随着接近表面区域35而逐渐减小。因此，当施加过电压时位于孔隙率最高的中心区域36处的该PTC器件34的器件主体12内也发生了层断裂。

图8a和8b为按照本发明又一个实施例的PTC器件37的平面图和剖面图。在PTC器件37的器件主体12中，由高孔隙率的正特性热敏电阻材料组成的区域39位于由低孔隙率的正特性热敏电阻材料组成的区域38的内部。即，高孔隙率区域39被低孔隙率区域38包围。

当过电压施加在PTC器件37上时，在器件主体12的中心部分发生了电场积聚，电场积聚连同热耗散性质的差异，导致了器件主体12中心部分温度的升高。由于位于器件主体中心部分的高孔隙率区域39的强度较低，所以开裂从器件的中央部分开始，由此导致层断裂。

图9a和9b分别为按照本发明的另一个实施例的PTC器件40的剖面图和纵向剖面图。在该PTC器件40中，器件主体12内孔隙率的分布的变化与图8a和8b所示实施例的相似。但是孔隙率连续变化而不是突变，在中心区域41处孔隙率最大而在表面区域42处最小。

当过电压施加在PTC器件40上时，开裂从器件的中心部分开始，由此导致如图8a和8b所示实施例的层断裂。

虽然上述实施例中描述的是圆盘状PTC器件，但PTC器件可以取任何形状，例如环形或者方板形。器件主体材料的孔隙率可以从最外层或表面区域到内部区域或内层按照任何一种方法逐渐增加，例如使得内层的孔隙数(即，孔隙密度)、孔隙直径等增加，使得外层的孔隙数、孔隙直径减少，和/或采用不同的材料用作内层和外层，从而使得那些层具有不同的孔隙数和/或不同的孔隙直径。

而且，虽然在上述实施例中利用干法模压来制造器件主体，但是也可以采用其他任何方法，包括这样一种方法将挤压模塑工艺、刮浆工艺(doctor blade)等制造的生片通过热压连接在一起。

而且，器件主体的孔隙率可以按一维、两维或三维模式连续或不连续地变化。而且，器件主体的孔隙率可以沿任何方向(例如平行于电极的方向或与电极斜交的方向)变化，或者孔隙率分布可以线性地、波浪形地或者以其他复杂形式变化。

虽然已示出和描述了本发明的特殊实施例，但对于本领域技术人员而言显然可在上述描述的基础上，对本发明提出众多的修改和变化。因此本发明由后面所附权利要求的范围限定而不受上述具体描述的约束。

Claims (16)

1.一种正特性热敏电阻器件，其特征在于包含：

器件主体，所述器件主体具有由至少由三层半导体陶瓷层组成的多层结构，其中具有第一孔隙率的第一陶瓷层夹在具有第二和第三孔隙率的第二和第三陶瓷层之间，所述第一孔隙率高于所述第二和第三孔隙率。

2.一种正特性热敏电阻器件，其特征在于在由半导体陶瓷材料构成的器件主体内包含有孔隙率高于相邻区域孔隙率的区域。

3.一种正特性热敏电阻器件，其特征在于包含一个由孔隙率从表面区域向内部区域连续变化的半导体陶瓷材料构成的器件主体，并且所述器件主体包含一个变化的孔隙率呈现最大值的较高孔隙率区域。

4.如权利要求1所述的正特性热敏电阻器件，其特征在于孔隙率在器件主体中心部分附近取最大值。

5.如权利要求2所述的正特性热敏电阻器件，其特征在于孔隙率在器件主体中心部分附近取最大值。

6.如权利要求3所述的正特性热敏电阻器件，其特征在于孔隙率在器件主体中心部分附近取最大值。

7.如权利要求1所述的正特性热敏电阻器件，其特征在于所述第二孔隙率基本上等于所述第三孔隙率。

8.如权利要求1所述的正特性热敏电阻器件，其特征在于进一步包含分别具有第四和第五孔隙率的第四和第五陶瓷层，其中所述第四陶瓷层放置在第二陶瓷层之上而所述第五陶瓷层放置在所述第三陶瓷层之上。

9.如权利要求8所述的正特性热敏电阻器件，其特征在于所述第四孔隙率大于所述第二孔隙率而小于第一孔隙率，而所述第五孔隙率大于所述第三孔隙率而小于第一孔隙率。

10.如权利要求1所述的正特性热敏电阻器件，其特征在于所述第一层包含高孔隙率层，所述第二和第三层包含低孔隙率层，所述器件另外交替的高孔隙率层和低孔隙率层。

11.如权利要求10所述的正特性热敏电阻器件，其特征在于包含总共7层或7层以上孔隙率高孔隙率和低孔隙率交替变化的层。

12.如权利要求3所述的正特性热敏电阻器件，其特征在于所述孔隙率沿第一维在所述热敏器件内部变化。

13.如权利要求12所述的正特性热敏电阻器件，其特征在于所述孔隙率另外还沿第二维变化。

14.如权利要求13所述的正特性热敏电阻器件，其特征在于所述孔隙率另外还沿第三维变化。

15.一种制造正特性热敏器件的方法，其特征在于包含以下步骤：

形成具有第一孔隙率的第一层；

在所述第一层上面形成具有第二孔隙率的第二层；以及

在所述第二层上面形成具有第三孔隙率的第三层；

所述第二孔隙率大于第一和第三孔隙率从而在向所述热敏器件施加过电压或过电流时促使其层断裂。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于形成所述第二层的所述步骤包含加入塑料珠的步骤以提高热敏电阻混合物的孔隙率。

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