ZnO压敏陶瓷的发展现状

数, α表示电阻值随电压增加而下降的程度指数, 称为非线性系数，非线性系数α是衡量压
敏电阻性能好坏的一个非常重要的电参数，α值越大，压敏电阻的保护特性越好。通常非线
性系数采用下式求出，α=1/lg(V10mA/V1mA)。 压敏陶瓷的主要电参数除非线性系数α外还有压敏电压，泄漏电流，残压比和通流能力
研究制粉方式对高压 ZnO 压敏陶瓷组织结构和电参数的影响，表 2 列出了一些研究者采
用化学沉淀法和溶胶凝胶法粉体制备的压敏电阻的性能，可见不同研究者由于采用不同的
配方，其压敏电压梯度变动较大。
表 1 日本三菱公司的新型 MOA 参数[8]
电参数
系统的标称电压（KVr.m.s） 额定电压 Ur（KVr.m.s） 残压（KVP）,10KA
1. 华北电力大学动力工程系，北京 102206 2. 中国电力科学研究院，北京 100085
摘要： 本文从高电压和低电压两个方面综述了 ZnO 压敏陶瓷的发展现状。指出化学法制备压敏陶瓷粉体 是一种很有发展潜力的方法。在制备低压 ZnO 压敏电阻方面需深入研究抑制晶粒异常长大，提高压敏电阻 非线性系数和通流能力的添加剂。 关键词：ZnO 压敏陶瓷，压敏电压，通流能力
通流能力大等特点，因而被广泛应用在 IC 保护和 CMOS，MOSFET 器件保护及汽车线路保
__中__国__科__技__论__文__在__线_______________________________________________w_w_w__.p_a_p_e_r_.e_d_u_._c_n__
等。
压敏电压 V1mA：压敏电阻器上通过 1mA 直流电流时的电压。通常采用压敏电压梯度来 衡量压敏陶瓷材料压敏电压的高低。压敏电压梯度是指 1mm 厚度上的压敏电压。
泄漏电流 IL：压敏电阻器正常工作时，通过的直流电流。该电流值越小越好，工程上 规定在 75％V1mA 下进行测试。
残压比：压敏电阻器上流过某一浪涌电流时，电阻片两端的峰值电压 VP 与 V1mA 的比 值。浪涌电流一定时，该值越小压敏电阻片的非线性越好。
表 2 湿式化学法制粉对压敏电阻性能的影响
制粉方法及参考文献
晶粒尺寸 μm
压敏电压梯度 U1mA/mm
非线性 指数
化学沉淀法[9]
3
180
44
溶胶凝胶法[10]
<4.2
375
55～60
溶胶凝胶法[11]
4.6
830～980
30～33
溶胶凝胶法[12]
3
715
50
化学沉淀法[13]
3
1000
30
对比研究发现采用化学方法制备的微细粉或纳米粉做成的压敏电阻，具有较小的 ZnO
__中__国__科__技__论__文__在__线_______________________________________________w_w_w__.p_a_p_e_r_.e_d_u_._c_n__
晶粒和较好的组织均匀性，使 ZnO 压敏电阻的压敏电压和通流能力明显提高。费自豪等[14,15] 采用化学共沉淀粉体制备的 ZnO 压敏电阻将 U1mA/mm 值由 202V/mm 提高到 298V/ mm 提 高约 48％。美国 Raychem 公司采用共沉淀包膜法制备的 ZnO 压敏电阻具有较高的压敏电压， 较小的泄漏电流和较大的通流能力[16]。 袁方利等采用化学共沉淀粉体制备的 ZnO 压敏电阻 较相同配方的传统压敏电阻具有较高的压敏电压和通流能力[17]。康雪雅等采用溶胶凝胶粉 体制备的压敏电阻较传统球磨法粉体制备的压敏电阻的击穿电压由 976V 提高至 1546V[18]。 可见，虽然采用化学法粉料制备的压敏电阻的压敏电压和非线性系数随配方不同而有所变 化。但与机械法粉料制备的压敏电阻相比具有较小且均匀的 ZnO 晶粒从而使压敏电阻具有 较大的通流能力和较高的压敏电压。经过 35 年改进配方的研究，再尝试通过配方提高 ZnO 压敏陶瓷的压敏电压梯度难度很大，改变制粉方法，采用化学法制粉将是今后一个时期的研 究热点。但值得注意的是，注意获得压制性能好的球形粉末。因为即便选用相同的配方，由 于采用不同的沉淀剂，得到不同形状的粉体，其压敏电阻的电学特性也不相同[19]。因此， 需选用合适的沉淀剂，制备出近似球状的粉体，进而获得良好电学性能的压敏电阻。 2.2 低压 ZnO 压敏电阻的发展现状
表 3 我国研制的低压 ZnO 压敏电阻
电压梯度 V1mA/mm 非线性系数 漏电流/μA 参考文献
8
18
6
[24]
<50
>25
<5
[25]
15
34
[5]
2.2.2．片式无引线低压压敏电阻器的研究现状
降低 ZnO 压敏陶瓷的压敏电压的另一个途径是通过层叠方式减小压敏电阻片的厚度。
近年来开发的片式叠层氧化锌压敏电阻器具有响应时间短、电压限制特性好、受温度影响小、
20 世纪 80 年代初期, 低压 ZnO 压敏电阻器在电话线路上取代了 SiC 陶瓷[20]。此后低压 ZnO 压敏电阻器的研制引起了人们的普遍关注。目前在大型发电机组、汽车、铁路信号装 置、电话机和集成电路的保护等领域都需要低电压压敏电阻器。
该类 ZnO 压敏电阻器主要是通过增大晶粒尺寸降低 ZnO 体电阻值来降低压敏电压。近 年来为了制备低压 ZnO 压敏电阻，发展了一种籽晶混入技术[21～23]。这种方法的实质是在 ZnO 配料的过程中，加入一些预先用特别方法制备的大尺寸 ZnO 晶粒，让它均匀分布于陶瓷配 料中，在烧结时通过籽晶吞并小晶粒，来获得晶粒很大而又分布均匀的压敏电阻陶瓷体，从 而制得低压 ZnO 压敏电阻。但该方法的缺点是籽晶的制备及筛选耗时长, 工艺复杂, 材料的 均匀性差。
Development of Zinc Oxide Varistor Ceramic Liu Dongyu1,2, Xu Hong1, Yang Kun1, Li Bin1, Cai Guoxiong2 (1. Department of Power Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206
雷电冲击耐受电压（KVP）
66 154 275 500 84 196 266 420 235 500 600 870 350 750 950 1300
与现行 MOA 的
比较
尺寸 变化
高度（％） 直径（％）
体积变化 （％） 重量变化 （％）
57 92 56 60 94 74 86 92
50 50 40 50 80 60 60 50
更多工作投入于研制低压 ZnO 压敏电阻配方。研究表明添加 Al2O3 可使 ZnO 晶粒阻抗 下降，添加 TiO2 可促使晶粒生长，但造成晶粒不均匀长大，添加 B2O3 可改善晶粒均匀性。 添加适量 Zn7Sb2O12 可降低压敏电压梯度。但随压敏电阻的压敏电压梯度降低，压敏电阻的 非线性系数减小，使压敏电阻的性能恶化。因此研制非线性好、耐浪涌能力强的低压压敏电 阻器是当前急待解决的课题。我国研制的低压 ZnO 压敏电阻的性能见表 3。今后的发展方 向还是进一步降低压敏电压，提高非线性系数，增大通流能力。
_______________________________________________________________w_w_w__.p_a_p_e_r_.e_d_u_._c_n__
430 材料科学
华北电力大学博士电力基金资助
ZnO 压敏陶瓷的发展现状
刘东雨 1, 2 徐鸿 1 杨昆 1 李斌 1 蔡国雄 2
从低压压敏电阻器的应用情况来看有引线的低压压敏电阻器近两年来仍有一定幅度的 增长，目前为总需求的 55～60％。由于手持式电子产品的广泛使用，片式无引线的低压压 敏电阻器市场增长率将不断提高，将逐步超过有引线的压敏电阻器产量，成为今后的主流产 品。从性能要求来看，有引线的低压压敏电阻器需进一步降低压敏电压，片式无引线低压压 敏电阻器需提高浪涌吸收能力。 2.2.1 有引线低压 ZnO 压敏电阻器的研究现状
能力。通过改进配方来提高压敏陶瓷材料的压敏电压梯度已进行了多年研究，日本三菱公
司在多年研究的基础上通过添加稀土元素，降低 ZnO 压敏陶瓷的晶粒尺寸提高压敏电压，
进而减小了氧化物避雷器的尺寸。日本三菱公司通过该措施研制出的新型 MOA，使 MOA 的结构大大简化，尺寸可缩小一半左右，见表 1[8]。随着纳米科技的兴起，众多学者开始
2. China Electric Power Research Institute, Beijing 100085) Abstract: The development of high-voltage and low-voltage zinc oxide varistor ceramic was reviewed in this paper. Manufacturing ZnO varistor ceramic powder by chemical method is a potential method for improving varistor’s electric properties. For making low voltage varistor, it is worth to study additives which improve nonlinearity exponent and current capacity of the ZnO varistor. Key Words: ZnO varistor, breakdown voltage, current capability
通流能力：以规定的波形(例如 2ms 方波)对器件进行正反两方向的电流冲击, 以△V1mA/V1mA 变化小于 10%能通过的最大冲击电流为通流容量。
2. ZnO 压敏电阻的发展现状
2.1 高压 ZnO 压敏电阻的发展现状
高压 ZnO 压敏电阻的研究热点一直是提高 ZnO 压敏电阻的压敏电压梯度，提高通流
ＩFra Baidu bibliotek(Ｖ/Ｃ)α
__中__国__科__技__论__文__在__线_______________________________________________w_w_w__.p_a_p_e_r_.e_d_u_._c_n__
式中Ｉ是流过变阻器的电流; Ｖ是加在变阻器两端的电压; Ｃ是量纲为欧姆的材料系
自 1968 年日本松下电器公司首先研制成功氧化锌压敏陶瓷以来，由于它具有优异的非 线性电压──电流特性和吸收能量（浪涌）的能力，经过近三十年的研究与开发，在电子 线路和电力系统的过电压保护中得到广泛的应用。在高电压方面，用 ZnO 压敏陶瓷阀片制 作的氧化物避雷器（MOA）已取代 SiC 避雷器用于电力系统的过压保护和浪涌吸收，用 ZnO 压敏陶瓷制作的压敏电阻已取代齐纳二极管用于电子线路中稳压和脉冲抑制[1～4]。在低电压 方面，用 ZnO 压敏陶瓷制作的低压压敏电阻已用作 IC 保护，CMOS 保护，液晶显示驱动元 件，电压波动检测元件，直流电平移位元件以及均压元件等[3,5,6]。虽然经过 35 年的发展 ZnO 压敏陶瓷无论是在高电压方面还是在低电压均得到了广泛的应用，但 MOA 存在尺寸偏大的 问题，尤其是配合 GIS 时，尺寸问题更为突出[7]。在低压方面，随压敏电压降低，非线性系 数降低，使 ZnO 压敏电阻性能恶化。然而作为液晶显示驱动元件，若压敏电阻的压敏电压 低于 15V，就可以显著降低能耗，降低液晶显示器的成本。为此，本文从高压和低压两方 面介绍 ZnO 压敏电阻研究进展情况。 1. ZnO 压敏陶瓷的电性能参数
ZnO 压敏陶瓷或称压敏变阻器（varistor）是一类电阻值随加于其上的电压而灵敏变化 的电子陶瓷。其工作原理是基于所用压敏电阻特殊的非线性电流─电压(Ｉ─Ｖ)特性。电流 ─电压的非线性特性主要表现在, 当电压低于某一临界电压(阀值电压 VB)之前, 变阻器的阻 值非常高, 其作用接近于绝缘体(其Ｉ─Ｖ关系服从于欧姆定律), 当电压超过这一临界值时, 电阻就会急剧减少, 其作用又相当于导体(其Ｉ─Ｖ关系为非线性), 此时，Ｉ─Ｖ关系可用 下式表示: