压敏电阻制备与性能的综合实验报告

功能材料—压敏电阻制备与性能的综合实验

一、实验目的

1.了解ZnO压敏电阻的制备原理及方法

2.通过ZnO压敏电阻的制备及性能测试，掌握该压敏电阻的测试方法

3.研究ZnO压敏电阻伏—安特性的非线性效应

二、实验原理

ZnO压敏电阻可由ZnO添加少量的Bi2O3、Sb2O3、Co2O3和Cr2O3等添加剂烧结制备而成，可广泛应用于各种电子领域。该压敏电阻的伏安特性表现为优异的非线性，具有强耐浪涌能力以及压敏电压在宽范围内可调等优异特性。ZnO 压敏电阻在正常电压条件下，这相当于一只小电容器，而当电路出现过电压时，它的内阻急剧下降并迅速导通，其工作电流增加几个数量级，从而有效地保护了电路中的其它元器件不致过压而损坏，它的伏安特性是对称的，这种元件是利用陶瓷工艺制成的。微观结构中包括氧化锌晶粒以及晶粒周围的晶界层。氧化锌晶粒的电阻率很低，而晶界层的电阻率却很高，相接触的两个晶粒之间形成了一个相当于齐纳二极管的势垒，这就是一压敏电阻单元，每个单元击穿电压大约为3.5V，如果将许多的这种单元加以串联和并联就构成了压敏电阻的基体。

ZnO压敏电阻器的典型V-I特性曲线：

非线性系数α是氧化锌压敏电阻最重要参数，即I—V曲线在非线性区域斜率的倒数，定义为：

α的值越高装置越好，然而，当电流增强，α渐渐改变，α渐渐改变，α值在预击穿区升高了，在击穿区取得了最大值，在翻转区减小，因为随电流α值改变；α的值取决于两个因素即电流值和电压值。

其中，V1和V2是电流为I1和I2时对应的电压值,氧化锌压敏电阻优于其他压敏电阻就在于它有更好的α值。

本实验采用商业ZnO粉体，采用低温烧结的方法。低温烧结的方法主要引入添加使用易烧结的粉料。添加剂的作用机理：一、添加剂的引入使晶格空位增加，易于扩散。二、添加剂的引入使液相在较低的温度下生成，出现液相后晶体能作粘性流动，因而促进了烧结。

三、实验步骤

1. 确定氧化锌压电陶瓷摩尔比配方

表1 压敏陶瓷摩尔比配方

组分ZnO Bi2O3Cr2O3Co2O3Sb2O3MnO2B2O3KNO3总计：含量/mol% 96.4 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 1 0.1 100

2.依据各组分的摩尔比配方，确定各原料质量百分比配方及配料用量

表2 各原料质量百分比及用量

组分ZnO Bi2O3Cr2O3Co2O3Sb2O3MnO2H3BO3KNO3总计：含量/wt% 91.62 2.715 0.886 0.966 1.698 0.507 1.443 0.165 100 配料/g 27.486 0.815 0.266 0.290 0.509 0.152 0.433 0.0495 30

3. 进行配料混合。采用手工研磨，将称量好的原料放入研钵中进行混合研磨，滴入4—6滴5%PV A，研磨30min。

4. 研制成型

干压制直径10mm，厚度为1—2mm左右的薄片若干个。

5. 烧结

将坯体在1040℃的最高烧结温度下烧结并保温1小时。

6. 被银

将烧好的的制品两面涂银，放入电炉中，在550℃下保温3—5min。

为减少接触电阻，制得的样品需要进行涂银，首先将样品表面打磨，将银浆抹在样品表面，圆片边缘部位不能有银浆，否则易引起上下电极短路。

7. 测定样品的I-V曲线

采用压敏电阻测定仪进行样品的电流与电压值的测定，通过调整电压值，从而在仪器上读出相应电流值，进行记录。

四实验数据处理及结果讨论

1.测定数据汇总分析处理

调节压敏电阻测定仪读出电压与电流的对应值，测得数据总结如下表：

样品1

电压V/V 5.57 15.42 25.32 34.14 49.76 59.23 64.73 电流I/mA 0.14 0.16 0.17 0.19 0.23 0.28 0.31 非线性系数α — 0.13 0.12 0.37 0.51 1.13 1.15 样品2 电压V/V 6.10 21.13 27.89 42.58 48.32 52.49 55.12 电流I/mA 0.18 0.20 0.24 0.35 0.41 0.47 0.55 非线性系数α — 0.08 0.66 0.90 1.25 1.65 3.22 样品3 电压V/V 7.16 11.90 18.31 24.72 33.72 40.60 44.43 电流I/mA 0.15 0.19 0.21 0.24 0.29 0.35 0.40 非线性系数α — 0.46 0.054 0.072 0.61 1.01 1.48 样品4 电压V/V 6.08 15.07 20.94 25.61 30.21 35.12 40.01 电流I/mA 0.14 0.17 0.20 0.23 0.26 0.31 0.36

非线性系数α

—

0.21

0.49

0.69

0.74

1.17

1.15

绘制压敏电阻的I —V 特性曲线

2. 实

验误差分析

实验误差来自多个方面，由各个样品的I-V 特性曲线可知，虽然各个样品的

电流/m A

电压/V 电流/m A

电压/V

电流/m A

电压/V

电流/m A

电压/V

组成成分及其含量是相同的，其特性曲线的总体趋势相同，但在不同的电流下，各个样品的非线性系数是不同，略有区别。

在进行配合料的研磨混合过程中，会不可避免的损耗一些原料，混合进行并不能使各组分混合到均匀程度，造成各个样品的组分会略有区别，从而会造成各个样品的I-V特性曲线的不同。

在样品的烧结过程中，由于使用的硅碳棒电阻炉，其温度场并不能得以均匀分布，各个样品的所处位置不同，有可能造成其在相同的时间时所处的温度环境不同，从而影响其烧结程度，进而影响其性能的测试。

在样品的测试过程中，I-V曲线测定仪的灵敏程度及其精度同样影响样品的测定，造成实验误差。

3.实验讨论及体会

本实验测定ZnO压敏电阻的I-V特性曲线，由于实验过程中配料、研磨、烧结、被银及测试过程中存在各个因素的影响而造成实验结果的差异。

通过本实验，我了解到ZnO压敏电阻的实验原理，掌握了其制备方法及测试方法，对ZnO压敏电阻的用途也有了一定的了解。由于实验中用到的各种试剂用量相对较少，需要精确称量。因此，实验中的称量误差也是造成实验结果差异的原因之一。因此，在以后的实验中，我们应该认真仔细，尽量减小实验误差，避免实验中的错误。