CN1152785A - 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，涉及一种用于改善抗冲击电流的热击穿特性的技术。

通过将少量杂质和添加剂加到钛酸钡中去的方式可以得到这样一种半导体陶瓷，这种半导体陶瓷的电阻具有正温度特性，即这种特性在温度高于居里点时使得电阻值急剧上升。这样一种半导体陶瓷常常被用于提供一些正特性热敏电阻装置，这些装置，用于自动消磁、马达启动、抗过电流保护、加热器等。

如图4所述，这种类型的具体的正特性热敏电阻器件一般具有呈用具有正温度特性电阻的半导体陶瓷制的圆片状或类似形状的正特性热敏电阻元件11和形成于其两个主表面上的电极12和13。引线(未示出)借助于焊接或其他手段被连接到每一个电极12和13上。

在这种正特性热敏电阻器件中，当将电压通过电极12和13加到该正特性热敏电阻元件上时，在该元件中就产生热量。利用红外温度分析仪测量在该正特性热敏电阻元件11中这样产生的热可以指示出在正特性热敏电阻元件11的中心部分(即内区)与靠近两个主表面和圆周表面的若干部分(即其外区)之间存在一个温度差，如从用虚线表示的等温线T可清楚地显示出的那样。这样的温度差被认为是由以下情况造成的。正特性热敏电阻元件11的主表面与大气相接触。在紧靠主表面和圆周表面上的较大量的热耗散往往会使得这些部分温度较低，而中心部分往往会由于热耗散量少而具有较高的温度。

这样的一种温度差导致在正特性热敏电阻元件11的中心部分的温度高于靠近两个主表面和圆周表面的那些部分。进一步讲，在该中心部分要比在靠近两个主表面和圆周表面的那些部分更容易产生热应力。这使在这些点在不同热平衡状态下的温度差提高，从而增加了正特性热敏电阻器件11被击穿的可能性。尤其是这业已导致在其中加有相当高的冲击电流的应用场合(例如自动消磁、马达启动和抗过电流保护)正特性热敏电阻元件11的突然出穿的问题。

本发明一直被设想涉及上述问题，本发明的目的是提供一种具有极好的热击穿性能的正特性热敏电阻器件。

按照本发明提供了一种具有正特性热敏电阻器件和若干形成于该正特性热敏电阻元件的主表面上的若干电极的正特性热敏电阻器件，其特征在于上述目的是通过提供具有内区和外区的正特性热敏电阻元件和通过将外区的孔隙率设定得高于内区的方式实现的。

根据以上所述的在其中正特性热敏电阻元件的外区较其内区具有较高的孔隙拥有率的布局，靠近两个主表面和圆周表面的若干部分(即外区)的温度高于中心部分(即内区)，这是由于这些部分与中心部分相比较热传导路径较少，因此比电阻较高。这降低了正特性热敏电阻元件的中心部分和靠近两个主表面和圆周表面的若干部分的温度差，从而降低了它在不同平衡状态下的差别。此外，在这种情况下，遍布该正特性热敏电阻元件的孔隙吸收或减少了在其中产生的热应力，这就降低了正特性热敏电阻元件的热击穿的可能性。

图1是显示根据本发明的第一实施例的正特性热敏电阻器件的结构的侧视截面图。

图2是显示根据本发明的第二实施例的正特性热敏电阻器件的结构的侧视截面图。

图3是显示本发明的第三实施例的正特性热敏电阻器件结构的结构侧视截面图。

图4是显示按照已有技术的正特性热敏电阻器件的结构的侧视截面图。

现在，将参照各个附图来说明本发明的一些最佳实施例。

图1是用于显示根据本发明的第一个实施例的正特性热敏电阻器件的侧视截面图。这个正特性热敏电阻器件包括由具有正温度特性电阻值的半导体陶瓷构成的正特性热敏电阻元件1，该元件呈片状，例如圆片状，其外表面是由二个主表面和若干圆周表面构成并包括形成于相应的主表面上的电极2和3。引线(未示出)借助于焊接或类似手段与电极2和3之中的每一个相连。

正特性热敏电阻元件1具有扁平的或平板形的内区4(即其中心部分)以及扁平的或平板形的外区5和6(即靠近两个主表面的部分)，这两个区沿元件的厚度方向被松开。外区5和6的孔隙拥有率被设定高于中心区4。更具体地讲，正特性热敏电阻元件1包括具有预定的孔隙拥有率值(例如11-13％)的内区4和具有预定的孔隙拥有率(例如14-15％)的外区5和6，外区5和6被设置在电极2和3与内区4之间。

外区5和6在这个正温度特性热电阻电件1的两个主表面上被暴露，在这个实施例的元件的圆周表面上暴露出内区4和外区5和6之间的界面。内区4和外区5和6的孔隙拥有率不限于以上所述的值，例如，外区5和6的孔隙拥有率可以为大约19％。简单地讲，在正特性热敏电阻装置中孔隙的尺寸和数量可以随意设置，条件是外区5和6的孔隙拥有率高于内区4的孔隙拥有率。

说明将根据制造具有上述结构的正特性热敏电阻器件的步骤来进行。第一个步骤是制备一个第一热敏电阻材料X(例如Ba·Sr·Pb·Ca·Y·Mn)Ti·O₃+SiO₂，以及第二热敏电阻材料Y，Y是通过将约2％(按重量计)的直径约为10-30μm、主要由PMMA(聚异丁烯酸甲酯)构成的球形树脂粒加到第一热敏电阻材料X中得到的。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，被加入的树脂粒的量可以根据所需要的特性适当地进行设定。例如，可以将约1％(按重量计)的树脂粒子加到第一热敏电阻材料X中，而将2％(按重量计)的树脂粒子加到第二热敏电阻材料Y中。

其次，利用干式模压机对第一和第二热敏电阻材料X和Y进行模压。特别是如下所述那样得到模压元件。

(1)首先，将预定量的(即，约0.62g)的第二热敏电阻材料Y填充到构成所述干式压力机的部件的金属模具中，然后在大约40MPa那样低的预定压力下进行压制，以便形成相应于正特性热敏电阻元件1的外区5的部件。

(2)其次，将预定量的(即，约0.62g)的第一热敏电阻材料X填充到处在金属模具中的相应于外区5的部件上，而后在大约40MPa那样低的压力下进行压制，以便形成相应于正特性热敏电阻元件1的内区4的部件。

(3)接下去，将预定量的(即，约0.62g)的第二热敏电阻材料Y填充到处在金属模具中的相应于内区4的部件上，而后，在120MPa那样高的压力下进行压制，以便形成相应于正特性热敏电阻元件1的外区6的部件。此时，基本上完成了对这些部件压制工作，得到模压元件。

而后，将所得到的模制元件在大约1340℃的温度下进行烧结，以便得到正特性热敏电阻元件1。在烧结过程中，被加到第二热敏电阻材料中的树脂粒消失了，在它们原来占据的位置上留下若干孔隙。这样，正特性热敏电阻元件1的外区5和6的孔隙拥有率就被设定得高于内区4。具体讲，如果在第二热敏电阻材料Y加入的是2％(按重量计)的直径为20μm的树脂粒，那么由第二热敏电阻材料Y构成的外区5和6的孔隙拥有率为14～15％。另一方面对于由未加树脂粒的第一种热敏电阻材料X制成的内区4来说，孔隙拥有率为11～13％。显然，增加所加入的树脂粒的量可以增加孔隙，以及减少所加入的树脂粒的量就可以减少孔隙。

进一步，如果在将导电胶涂在正特性热敏电阻元件1的两个主表面上之后进行烧结，那么，就得到具有形成于其上的由Ni-Ag或类似材料构成的电极2和3的正特性热敏电阻器件。通过这些步骤生产的正特性热敏电阻器件直径为14mm，而厚度为2mm。

而后，发明人测量了具有图1所示结构，通过根据本实施例的那些步骤制造的正特性热敏电阻器件的瞬间耐击穿电压(V)(即抗冲击电流电压)，测量的是其电阻(Ω)和热击穿电压(V)。表1示出了这种测量的结果。表1还示出作为对照例子的包括仅由热敏电阻材料X构成的正特性热敏电阻元件的正特性热敏电阻器件的电阻(Ω)和耐击穿电压(V)。所示耐击穿电压是按照以下方式得到的。加100V电压5秒钟，在温度降低至与常温相同后，测量正特性热敏电阻元件1的电阻。若所测得的电阻与初始电阻相同，在提高了的若干电压下重复同样的测量，以便得到这样一个电压，在该电压下被测电阻出现变化。

表1

	发明实施例	对比例
			电阻(Ω)	6	6
耐击穿电压(伏)	500	280

从表1可以清楚地看出该实施例的正特性热敏电阻器件业已得到改进，它具有500V耐击穿电压，是对照例的正特性热敏电阻器件的耐击穿电压(280V)的1.8倍。具体地说，构成该实施例的正特性热敏电阻器件的正特性热敏电阻元件1具有内区4(即其中心部分)和外区5和6(即靠近其两个主表面的部分)，它们沿元件厚度方向分开，并且外区5和6的孔隙拥有率被设定得高于内区4。结果，靠近正特性热敏电阻元件1的两个主表面的那些部分与中心部分相比较热传导通路少，而比电阻较高。这使得这些部分的温度升高，而在中心部分和靠近两个主表面的那些部分之间的温度差相应地降低，从而减少了该元件在不同平衡状态下的差别。同时，遍布正特性热敏电阻元件1的孔吸收或减弱了在其中产生的应力。耐击穿电压的改进被认为可归因于上述结构。

在用于制造根据该实施例的正特性热敏电阻元件的以上所述步骤中，作为正特性热敏电阻元件1的模压元件是使用干式模压机制造的。用另一种方法，该模压元件可以通过使用已知的挤压成形工艺、scalpel-blade工艺或其他类似工艺制成在其中加有不同量的树脂粒的一种未烧结的陶瓷片多层体，而后将这些未经烧结陶瓷片叠起来并进行接触粘合而制成。尽管并没有显示出来，通过这样一些步骤来制造模压元件提供了这样的一种优点，这种优点就是可以制成由在其厚度方向上被分开的那些层的多层体构成正特性热敏电阻元件，并且孔隙拥有率可以设定得连续上升，使得外面一层的孔隙拥有率高于里面的一层。

图2是显示根据本发明的第二个实施例的正特性热敏电阻器件结构的侧剖视图。和第一个实施例一样，这个实施例的正特性热敏电阻器件包括一个呈圆片形、由具有正温度特性热敏电阻的半导体陶瓷构成的正特性热敏电阻元件并包括形成于两个主表面上的、与引线(未示出)相连接的电极2和3。与图1的部件相同或相应的图2中的那些部件用相同的标号表示，在这里不做详细描述说明。

构成这个实施例的正特性热敏电阻器件的正特性热敏电阻元件1包括设置在两个主表面伸展方向上元件1的中心的圆柱形中心部分的内区7，并包括围绕内区7的侧面设置的靠近其圆周表面的部分的环形外区8。外区8的孔隙拥有率被设定的高于内区7的孔隙拥有率。内区7和外区8之间的边界暴露在这个正特性热敏电阻元件1的两个主表面上，而外区8暴露在元件的圆周表面上。内区7的孔隙拥有率大约为11-13％，而外区8的孔隙拥有率约14-15％。

在这个实施例中，正特性热敏电阻元件1是由内区7(即其中心部分)和外区8(即靠近元件的圆周表面的那些部分)构成的，并且将外区8的孔隙拥有率设定的高于内区7的孔隙拥有率。结果，靠近正特性热敏电阻元件的圆周表面那些部分与中心部分相比较导热通路较少并因此比电阻较高。这导致了在这些部分温度升高以及在中心部分与靠近两个主表面的那些部分之间的温差相应地降低，从而减少了在元件的不同热平衡状态下的差别。此外，遍布正特性热敏电阻元件1的孔隙吸收或减弱在其中产生的热应力。结果，热击穿特性得到改善。

图3是用于显示根据本发明的第三个实施例的正特性热敏电阻器件的结构的侧剖视图。与第一和第二个实施例一样，这个实施例的正特性热敏电阻器件包括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元件1，该元件呈板状、例如圆片状，其外表面由两个主表面及圆周表面构成，该装置还包括形成于两个主表面之上、与引线相连的电极2和3。在图3中与图1中相同或相对应的部件用相同的标号表示，在这里不作详细描述。

正特性热敏电阻元件1包括设置在元件1的在厚度方向上和其两主表面扩展方向上该元件的中心的中心部分的内区9并包括包围内区9的、即、形成围绕内区9的两主表面和圆周表面上的部分的外区10。外区10的孔隙拥有率被设定的高于内区9。具体讲，本实施例的正特性热敏电阻元件1是由孔隙拥有率为11～13％的内区9和围绕内区9的整个周边设置的孔隙拥有率为14～15％的外区10构成。只有外区被暴露在该正特性热敏电阻元件1的两个主表面和圆周表面上。

因为该实施例的正特性热敏电阻元件1包括具有被设定得高于内区9的孔隙拥有率的外区10，作为外区10的、靠近两个主表面和圆周表面的那些部分同作为内区9的中心部分比较具有较少的导电通路因此有较高的比电阻。这导致了这些部分的温度升高和这些区间和中心部分之间的温差的降低，从而减少了其温度平衡状态方面的差别。此外，所产生的热应力被这些孔隙吸收或减弱。结果，如在第一个实施例和第二个实施例中那样热击穿特性得到改善。

本发明不限于以上具体描述的那些实施例。不用说，在本发明的原理的范围之内，还会有各种各样的应用和修改。例如，可以在内区外侧设置二个或更多个外区，以便形成正特性热敏电阻元件。这种布局也可以应用于第一个实施例，以便提供这样一种结构，在这种结构中，由2个或多个具有不同孔隙拥有率的外区构成了分别设置在两电极和内区之间的每个外区5和6。当使用这样一种结构时，最好使孔隙拥有率随距内区4的距离的增加而增加。此外，尽管在以上这些实施例中，内区和外区两者都是由具有基本上相同的组分的热敏电阻材料构成，不用说它们也可以由具有不同成分的材料并且用不同的工艺制成。

如上所述，在根据本发明的正特性热敏电阻器件中，形成其一部分的外区的孔隙拥有率高于内区。结果，靠近两主表面及其圆周表面的、作为外区的若干部分同作为内区的中心部分相比较具有较少的导热通路并因此具有较高的比电阻。这导致靠近两主表面及其圆周表面的那些部分的温度的升高值大于中心部分。这样降低了中心部分与靠近两主表面及其圆周表面的部分之间的温度差并因此降低了其热不同平衡状态方面的差别。因此，就提供了一种可改进抗冲击电流的特性的优点。

此外，本发明使得可以利用孔隙吸收或消弱在正特性热敏电阻元件中产生的热应力，减少该正特性热敏电阻元件发生击穿的可能性。这样就使得正特性热敏电阻的热击穿特性得到改善。

尽管业已对本发明若干具体的实施例作过了显示和说明，但是对于本领域普通技术人员来说，在本发明的较为广泛的若干方面在不脱离本发明的前提下，显然还可以作出若干变动和修改。因此，本发明的权利要求书将所有这些变动和修改基本上包括在其范围之中。

Claims (20)

1.一种正特性热敏电阻器件，它包括：

正特性热敏电阻元件，以及

形成在所述正特性热敏电阻元件的若干主表面上的若干电极，

其特征在于：所述正特性热敏电阻元件包括内区和外区，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所述的器件，其特征在于所述外区包括所述正特性热敏电阻元件的处在所述内区和所述电极之一之间的一部分以及所述正特性热敏电阻元件的处在所述内区和所述电极中的另一个之间的另一部分。

3.根据权利要求2所述的器件，其特征在于所述正特性热敏电阻元件的所述的那些部分呈平面层状。

4.根据权利要求1所述的器件，其特征在于所述正特性热敏电阻元件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所述的器件，其特征在于所述外区包括所述正特性热敏电阻元件的周边部分，而所述内区包括所述正特性热敏电阻元件的中心部分。

6.根据权利要求4所述的器件，其特征在于所述内部呈圆柱形，而所述外部呈环形。

7.根据权利要求1所述的器件，其特征在于所述外区将所述内区完全包围。

8.一种正特性热电阻器件，包括：

正特性热敏电阻元件，以及

形成在所述正特性热敏电阻元件的若干主表面上的若干电极，

其特征在于，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所述的器件，其特征在于所述这些层是平的。

10.根据权利要求9所述的器件，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所述的器件，其特征在于所述那些外层包围那些内层。

12.一种热敏电阻器件，包括：

热敏电阻元件，以及

形成在所述热敏电阻元件的若干表面上的若干电极，

其特征在于，所述热敏电阻元件包括内区和外区，并且所述外区的孔隙拥有率被设定得高于所述内区的孔隙拥有率。

13.一种制造正特性热敏电阻元件的方法，其特征在于包括如下步骤：

制备第一热敏电阻材料，

制备第二热敏电阻材料，

将所述第一和第二热敏电阻材料模压成形，以及

焙烧所得到的模压元件，以便得到所述正特性热敏电阻元件。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于所述制备第二热敏电阻材料的步骤包括将树脂粒加到所述第一热敏电阻材料中。

15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于所述制备第二热敏电阻材料的步骤包括将约2％(按重量计)的直径约为10-30μm并且含有聚甲基丙烯酸甲酯的球形树脂粒加到第一热敏电阻材料中。

16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于所述制备第二热敏电阻材料的步骤包括向第一热敏电阻材料中加入一种具有焙烧步骤后可以消失的主要组分的材料。

17.根据权利要求13所述的方法，其特征在于所述制备第二热敏电阻材料的步骤包括向第一热敏电阻材料中加入这样一种物质，这种物质具有在焙烧步骤后可以消失的主要组分并且其形状和尺寸使得可以形成大于处在第一热敏电阻材料中的孔隙的孔隙。

18.根据权利要求13所术的方法，其特征在于所述模压工艺包括如下步骤：

将预定量的所述第二热敏电阻材料放入构成干式模压机的一个部件的模具中，

对所述模中的所述第二热敏电阻材料加压，以便形成第一部件，

将一预定量的第一热敏电阻材料放在压制成的第一部件上，

对所述模具中的所述第一和第二热敏电阻材料加压，以便形成一个组合的第一和第二部件，

将一预定量的所述第二热敏电阻材料放在所述组合的第一和第二部件上，以及而后

对的述模具中的所述第一和第二热敏电阻材料加压，以便形成所述正特性热敏电阻元件。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于所述对所述模具中的所述第一和第二材料加压形成所述正特性热敏电阻元件的步骤是在高于其他加压步骤的压力下进行的。

20.根据权利要求13所述的方法，其特征在于所述制备第二热敏电阻材料的步骤包括向第一热敏电阻材料中加入一种具有在焙烧步骤后可以消失的主要组分的材料，并且其形状和尺寸使得可以形成比所述第一热敏电阻材料中的孔隙数目更多的孔隙数目。

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