CN1081384C - 正特性热敏电阻器件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有极好的热击穿特性的正特性热敏电阻器件。根据本发明，正特性热敏电阻器件具有正特性热敏电阻元件1和形成在该正特性热敏电阻元件1的二个主表面上的电极2和3。该正特性热敏电阻元件1包括内区4和外区5和6以及外区5和6的孔隙拥有率被设定得高于内区4的孔隙拥有率。

Description

正特性热敏电阻器件

本发明涉及正特性热敏电阻器件，更确切地说，涉及改善抗冲击电流的热击穿特性的技术。

通过把少量的杂质和添加剂加到钛酸钡中可以得到具有正温度特性电阻的半导体陶瓷，即其电阻的温度特性为，在温度等于或高于居里临界点时电阻突然增大。这种半导体陶瓷用于正特性热敏电阻器件，后者用于诸如自动消磁、马达启动，抗过流保护以及加热器。

正如图4所示，这种类型的正特性热敏电阻器件通常具有正特性热敏电阻体11和在其二个主面上的构成的电极12和13，体11呈由具有正温度特性电阻的半导体陶瓷做成的圆盘或类似形状。用焊接或类似方法把引线(图中未表示)与电极12和13相连接。

在正特性热敏电阻器件中，当通过电极12和13加上电压时，正特性热敏电阻体11上就会产生热量。用红外线温度分析仪测量正特性热敏电阻体11产生的热量表明，在正特性热敏电阻体11的中心部分(即内部区域)与靠近二个主面和圆周面的部分(即外部区域)之间存在一定的温度差，正如从用虚线表示的等温线T可以看到的。这种温度差可以认为是由下面的事实引起的。正特性热敏电阻体11的主面和圆周面与大气接触。紧靠二个主面和圆周面的部分耗散较大的热量，因而这部分的温度就较低，而中心部分由于耗散的热量较小，因此具有较高的温度。

这种温度差会使正特性热敏电阻体11的中心部分的电阻高于接近二个主面和圆周面的部分的电阻，从而使中心部分热应力的出现早于靠近二个主面和圆周面的部分。这样就增加了各部分区域的热平衡状态的差异，因而增加了正特性热敏电阻体11击穿的可能性。具体地说，在诸如自动消磁、马达启动、抗过流保护等等加上相当高的冲击电流的应用场合，已经产生正特性热敏电阻体11的突然击穿的问题。

本发明就是涉及上面所叙述的问题，本发明的目的在于提供具有极佳的热击穿特性的正特性热敏电阻器件。

按照本发明，提供一种正特性热敏电阻器件，包括：一个正特性热敏电阻体；以及，分别形成在所述正特性热敏电阻体的两个主表面上的两个电极，其中，所述正特性热敏电阻体包括一个内区和一个外区，并且所述外区的孔隙拥有率被设定得高于内区的孔隙拥有率，可以实现上述目的。

按照上述结构，正特性热敏电阻体的外部区域具有高于其内部区域的孔隙占有率，这样，靠近二个主面和圆周面部分(即外部区域)的温度就要高于中心部分的温度，这是由于这些部分的热传导通路较小，并且因此其电阻率高于中心部分的缘故。这样就减小了正特性热敏电阻体的中心部分与紧靠二个主面和圆周面的部分之间的温度差，因而减小了其中的热平衡状态的差别。在这种情况下，分散在整个正特性热敏电阻体中的微孔缓冲或减轻了在其中产生的热应力，从而就进一步减小了正特性热敏电阻体的热击穿的可能性。

图1是说明按照本发明的第一实施例的正特性热敏电阻器件结构的侧视截面图。

图2是说明按照本发明的第二实施例的正特性热敏电阻器件结构的侧视截面图。

图3是说明按照本发明的第三实施例的正特性热敏电阻器件结构的侧视截面图。

图4是说明按照先有技术的正特性热敏电阻器件结构的侧视截面图。

现在参考附图描述本发明的最佳实施例。

图1是说明按照本发明的第一实施例的正特性热敏电阻器件结构的侧视截面图。这个正特性热敏电阻器件包括：正特性热敏电阻体1，它由具有正温度特性电阻的半导体陶瓷以板状形式(例如，圆盘状)制成，其外表面由二个主面和圆周面构成；在二个主面上形成的电极2和3；以及引线(未昼出)，它通过焊接或类似的方法与电极2和3中的每一个相连接。

正特性热敏电阻体1具有内部区域4，即，其中心部分，和外部区域5和6(即，紧靠二个主面的部分)，区域5和6在其厚度方向上分开。设定外部区域5和6的孔隙占有率高于内部区域4的孔隙占有率。更具体地说，正特性热敏电阻体1包括：内部区域4，它具有预定的孔隙占有率，例如，大约11～13％；外部区域5和6，它们分别在内部区域4的上面或下面，具有较高的孔隙占有率，约为14～15％。

外部区域5和6表露在这个正特性热敏电阻体1的二个主面上，其内部区域4和外部区域5和6之间的边界表露在其圆周面上。内部区域4和外部区域5和6的孔隙占有率并不限于上面所说的数值，例如，外部区域5和6的孔隙占有率可以大约为19％。简言之，正特性热敏电阻体1中的微孔的大小和数量可以任意设定，只要外部区域5和6的孔隙占有率高于内部区域4的孔隙占有率。

现在描述具有上述结构的正特性热敏电阻体1的生产步骤第一步是制备第一种热敏电阻材料X，例如，(Ba·Sr·Pb·Ca·Y·Mn)TiO₃＋SiO₂，和第二种热敏电阻材料Y，Y是通过将约2％(按重量计)的直径约为10～30μm、主要包含有机玻璃(PMMA)构成的球形树脂粒加到第一种热敏电阻材料X中而得到。该树脂粒是否满足上述条件并不是实质性的，它们只需满足这样一些要求就可以：这些要求包括它们的主要构成成分在经烧结后消失以及它们的尺寸使得可以形成较通常包含在半导体陶瓷中的孔隙更大的孔隙。此外，可以将约1％(按重量计)的树脂粒子加到第一种热敏电阻材料X中，而约2％(按重量计)的树脂粒子加到第二种热敏电阻材料Y中。

下一步，用干压机压制第一种和第二种热敏电阻材料X和Y。具体地说，可按下面的步骤得到压制件

(1)首先，把预定量的，即，约0.62克的第二种热敏电阻材料填充到构成干压机的一部分的金属压模中，然后在低到40MPa的压力下压制，从而形成相当于正特性热敏电阻体1的外部区域5的零件。

(2)其次，把预定量的，即，约0.62克的第一种热敏电阻材料X填充到金属模中相当于外区域5的零件上，然后在低到约40MPa压力下压制，从而形成相当于正特性热敏电阻体1的内区域4的部分。

(3)最后，把预定量的，即，约0.62克的第二种热敏电阻材料Y填充到金属模中内相当于区域4的部分上，然后在高到约120 MPa的压力下压制，从而形成相当于正特性热敏电阻1的外区域6的部分。此时，大体上完成了这些部分的压制工作，得到一个模制体。

其后，把合成的模制体在约1340℃的温度下焙烧从而得到正特性热敏电阻体1。焙烧期间，加到第二种热敏电阻材料Y上的树脂玻璃粉消失了，在其占有的位置上留下微孔。这样，就使得正特性热敏电阻体1的外区域5和6的孔隙占有率高于内区域4。具体地说，如果第二种热敏电阻材料Y加入2％重量比其直径为20微米的树脂玻璃粉，制成的第二种热敏电阻材料Y的外区域5和6的孔隙占有率为14～15％。另一方面，没有加树脂玻璃粉的第一种热敏电阻材料X制成的内区域4的孔隙占有率为11～13％。显然，孔隙占有率会随所加的树脂玻璃粉的量的增加而增加，或者可以通过减少所加的树脂玻璃粉的量来减小孔隙占有率。

此外，如果在正特性热敏电阻体1的二个主面上涂上导电胶以后再进行焙烧，就可以得到具有由镍-银制成的电极2和3的正特性热敏电阻器件。通过这些步骤生产出的正特性热敏电阻器件具有约14毫米的直径，约2毫米的厚度。

然后，本发明人测量按照本实施例的步骤生产的、具有图1中所示的结构的正特性热敏电阻器件的脉冲耐压性能，即，抗冲击电流的耐压性能，所述耐压性能用电阻(欧姆)和其热击穿特性表示。表1表示了测量的结果。表1示出正特性热敏电阻器件的电阻(欧姆)和脉冲耐压(伏)，表1还示出仅用热敏电阻材料X制成的作为对比例的正特性热敏电阻体的性能。所示的脉冲耐压性能是用下面的方法测出的：加100伏电压，持续5秒，然后在其温度降低到与环境温度相同以后，测量正特性热敏电阻体1的电阻值。如果测得的电阻值与最初的相同，那么就增加电压，重复进行测量，直到在某一电压值，测量的电阻值出现了改变为止。

                  表1

	实施例	对比例
			电阻(欧姆)	6	6
脉冲耐压(伏)	500	280

根据表1，显然，本发明的正特性热敏电阻器件已经改进，具有500伏脉冲耐压，为对比例的正特性热敏电阻体280伏脉冲耐压的1.8倍。具有地说，构成本实施例的正特性热敏电阻器件的正特性热敏电阻体1有内部区域4(即其中心部分)和外部区域5和6(即，紧靠其两个主面并在其厚度方向上分开的两部分)，并且，使得外部区域5和6的孔隙占有率高于内部区域4。结果，紧靠正特性热敏电阻体1的主面部分有较少的热传导路径，因此其电阻率就比中心部分要高。这样就引起这部分温度的升高，相应的也就减小了中心部分和紧靠二主面部分之间的温度差，从而减小了其热平衡状态的差异。同时，分散在整个正特性热敏电阻体1中的微孔就缓冲或减轻了在其中产生的热应力。可以认为脉冲耐压性能的改进归因于上述结构。

在按照本发明生产正特性热敏电阻体的上述步骤中，正特性热敏电阻体1的模制体采用干压机制造。周另一种方法，模制体也可以用下面的方法制造用已知的挤压模制工艺、刮片工艺或者类似的工艺，制造大量加入不同数量的树脂玻璃粉的未烧结的析瓷片，然后把它们层叠和接触焊接。虽然未示出，但是通过这样的步骤来制造所述模制体提供了如下的优点：能够制造出由在其厚度方向上分开的许多层构成的正特性热敏电阻体，并且，可以使其孔隙占有率连续地增加，使得某层的孔隙占有率比其内层的高一些。

图2示出本发明的第二实施例的正特性热敏电阻器件结构的侧视截面图。像第一实施例一样，该实施例的正特性热敏电阻器件包括：正特性热敏电阻体1，呈由具有正温度特性电阻的半导体陶瓷做成的圆盘状或类似形状，在主面上形成的电极2和3，其上将连接引线。图2与图1中相同或相应的部分用同样的标号表示，并且，这里不详细描。

构成本实施例正特性热敏电阻器件的正特性热敏电阻体1包括：内区域7，它是设置在二个主面展开方向上体1的中心的中心部分；外区域8，它是紧靠体1的圆周面围绕内区域7的侧面而设置的部分。使外区域8的孔隙占有率高于内区域7。内区域7和外区域8之间的边界表露在这个正特性热敏电阻体1的二个主面上，外区域8表露在其圆周面上。内区域7的孔隙占有率约为11～13％，而外区域8的孔隙占有率约为14～15％。

在该实施例中，正特性热敏电阻体1由以下部分构成：内部区域7，即其中心部分外部区域8，即紧靠圆周面的部分；并且，使外区域8的孔隙占有率高于内区域7。结果，紧靠正特性热敏电阻体1的圆周面的部分有较少的热传导路径，因此与中心部分相比有较高的电阻率。这引起这些部分的温度升高，并导致中心部分与紧靠二主面的部分之间的温度差的相应的减小，从而减小了其热平衡状态的差别。另外，分布在整个正特性热敏电阻体1中的微孔缓冲或减轻了在其内部产生的热应力。结果就改善了热击穿特性。

图3是表示本发明的第三实施例的正特性热敏电阻器件的结构的侧视截面图。与第一和第二实施例一样，该实施例的正特性热敏电阻器件包括：平板形的、例如、其外表面由二个主面和圆周面构成的圆盘、由具有正温度特性电阻的半导体陶瓷制成的正特性热敏电阻体1；在二个主面上形成的电极2和3，其上将连接引线。图3与图1和图2中相同或相当的部分用相同的标号表示，并且，这里不详细描述。

正特性热敏电阻体1包括：内部区域9，它是设置在体1的厚度方向上和其两个主面的展开方向上该体的中心的中心部分；外部区域10，它是形成二个主面和圆周面的围绕内部区域9而设置的部分，使外部区域10的孔隙占有率高于内部区域9。具有地说，本实施例的正特性热敏电阻体1由如下部分构成：内部区域9，具有约11～13％的孔隙占有率；外部区域10，具有约14～15％的孔隙占有率，并围绕内部区域9的整个***而设置。只有外部区域10表露在这个正特性热敏电阻体1的主面和圆周面上。

由于本实施例正特性热敏电阻体1的外部区域10，具有高于内部区域9的孔隙占有率，所以，紧靠二个主面和圆周面的部分(即，外部区域10)具有较少的热传导路径，因此与中心部分(内部区域9)相比有较高的电阻率。这导致这些部分的温度升高，并导致这些部分与中心部分之间的温度差的相应的减小，从而减小了其热平衡状态的差别。另外，所产生的热应力被微孔缓冲或减轻了。结果，热击穿特性改善了，正如第一和第二实施例中那样。

本发明并不限于上面具体描述的实施例，不用说，在本发明的原理范围内，各种不同的应用和修正都是可能的。例如，在内部区域外可以设置二个或二个以上的外区域，以形成一个正特性热敏电阻体。这种排列方式可以用于第一实施例中，以便设置这样的结构，其中，分别设置在内区域4的上面和下面的外区域5和6中的每一个由二个或二个以上具有不同孔隙占有率的外区域构成。当使用这种结构时，最好使其孔隙占有率随距内部区域4的距离的增加而增加。此外，虽然在上面的实施例中，内部区域和外部区域二者都由基本上相同组分的热敏电阻材料制成，但是，显然，用不同组分的热敏电阻材料来制造它们也是可以的。

如上所述，在本发明的正特性热敏电阻器件中，构成该器件的一部分的外部区域具有高于内部区域的孔隙占有率。结果，靠近该器件的二个主面和圆周面的部分(外部区域)具有较少的热传导路径，因此，与中心部分(内部区域)相比具有较高的电阻率。这样就造成靠近主面和圆周面的各部分的温度增量比中心部分的温度增量大。这减小了中心部分与靠近二个主面和圆周面的部分之间的温度差，并且因此减小了它们之间热平稳状态的差别。于是提供了以下好处：改善了冲击电流的热击穿特性。

另外，本发明使在正特性热敏电阻体中产生的热应力能够被微孔缓冲或减轻，减小了该体的击穿的可能性。使得有可能提供一种具有改善的热击穿特性的正特性热敏电阻器件。

虽然已经图示和描述了本发明的特定的实施例，但是，显然，对于本专业的技术人员来说本发明的较宽的范围内可以做出一些修正和变化，因此，所附权利要求书将把所有这些变化和修正包括在其范围内，就总体来说，包括在本发明的真正的精神和范围内。

Claims (11)

1.一种正特性热敏电阻器件，包括：

  一个正特性热敏电阻体；以及

  分别形成在所述正特性热敏电阻体的两个主表面上的两个电极，

其中，所述正特性热敏电阻体包括一个内区和一个外区，并且所述外区的孔隙拥有率被设定得高于内区的孔隙拥有率。

2.根据权利要求1所述的正特性热敏电阻器件，其特征在于，所述外区包括处在所述内区和所述电极中一个电极之间的部分和处于所述内区和所述电极中的另一个电极之间的部分。

3.根据权利要求2所述的正特性热敏电阻器件，其特征在于，所述正特性热敏电阻体的所述的那些部分呈平面层状。

4.根据权利要求1所述的正特性热敏电阻器件，其特征在于，所述正特性热敏电阻体沿其厚度方向被分为构成外区的若干部分和构成内区的一部分。

5.根据权利要求1所述的正特性热敏电阻器件，其特征在于，所述外区包括所述正特性热敏电阻体的周边部分，而所述内区包括所述正特性热敏电阻体的中心部分。

6.根据权利要求5所述的正特性热敏电阻器件，其特征在于，所述内区呈圆柱形，而所述外区呈环形。

7.根据权利要求1所述的正特性热敏电阻器件，其特征在于，所述外区将所述内区完全包围。

8.一种正特性热敏电阻器件，包括：

  一个正特性热敏电阻体；以及

分别形成在所述正特性热敏电阻体的两个主表面上的两个电极，

其中，孔隙拥有率被设定得连续地增加，使得相对于内层来说，外层具有较高的孔隙拥有率。

9.根据权利要求8所述的正特性热敏电阻器件，其特征在于，所述这些层是平的。

10.根据权利要求8所述的正特性热敏电阻器件，其特征在于，所述这些层包括若干圆柱环形层。

11.根据权利要求8所述的正特性热敏电阻器件，其特征在于，所述那些外层包围那些内层。

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