基于氧化锌的变阻器和制造方法
【技术领域】
[0001]本发明的实施例涉及电路保护设备领域。更具体地，本发明涉及用于过载保护的金属氧化物变阻器。
【背景技术】
[0002]过电压保护设备被用以使电子电路和组成部分免受由于过电压故障状态的损害。这些过电压保护设备可以包括要被保护的电路与地线之间连接的金属氧化物变阻器(MOV)。MOV具有独特的电流-电压特性，其允许它们被用以保护此类电路免受灾难性的电压过载。但是，因为变阻器设备被如此广泛地部署以保护许多不同类型的装置，所以存在着改善变压器特性的持续需求。例如，改善它在高能过载事件下的工作寿命和/或性能可以是期望的。影响变阻器寿命预期的一个参数是它的能效(焦耳)等级。随着能效等级增加，变阻器寿命预期典型地指数增加，它可适应的瞬时脉冲的数量增加并且在每个瞬时期间提供的“钳制电压”下降。对防御高能量脉冲而言，变阻器性能的改善也是期望的。例如，如果发生诸如雷击之类的超大过载，耗散的能量可能超过变阻器可以适应的量。雷击结果的随后电流可能产生完全摧毁所述电阻器的过量电流。因此，要理解，改善目前使用金属氧化物变阻器的电路保护设备是期望的。
【发明内容】
[0003]本发明的示例实施例针对电路保护设备。在示例性实施例中，变阻器可以包括压敏陶瓷，其包括摩尔百分比大于90%的氧化锌；一组金属氧化物。所述组金属氧化物可以包括:包括的摩尔分数等价于在0.2到2.5%之间的Bi2O3的氧化物形式铋；包括的摩尔分数等价于在0.2到1.2% Co3O4之间的氧化物形式钴；包括的摩尔分数等价于在0.05到0.5% Mn3O4之间的氧化物形式锰；包括的摩尔分数等价于在0.05到0.5% Cr 203之间的氧化物形式铬；包括的摩尔分数等价于在0.5到1.5% N1之间的氧化物形式镍；包括的摩尔分数等价于在0.05到1.5% Sb2O3之间的氧化物形式锑；包括的摩尔分数等价于在0.001到0.05% B2O3之间的氧化物形式硼；以及包括的摩尔分数等价于在0.001到0.05%之间的Al3+形式的铝。
【附图说明】
[0004]图1绘出了示例性变阻器；
[0005]图2绘出了另一个示例性变阻器；
[0006]图3示出了示例性处理流程；
[0007]图4A介绍了用于三种不同配方的组成部分的示例性成分集合；
[0008]图4B介绍了用于图4A的配方的组成部分成分的另一种表述；
[0009]图5A介绍了在一系列实验中使用的第一粉末配方的基础成分；
[0010]图5B介绍了对用以综合变阻器样本和得到的变阻器电气特性的图5A中的基础成分的成分变化；
[0011]图5C介绍了在一系列实验中使用的第二粉末配方的基础成分；
[0012]图介绍了对用以综合变阻器样本和得到的变阻器电气特性的图5C中的基础成分的成分变化；
[0013]图6A介绍了传统变阻器样本的测量结果；
[0014]图6B介绍了根据本发明实施例制造的一组变阻器样本的测量结果；
[0015]图6C介绍了根据本发明实施例制造的额外的一组变阻器样本的测量结果；
[0016]图7绘出了传统变阻器样本与根据本发明实施例制造的变阻器样本的测量的比较；
[0017]图8绘出了根据L150配方综合出的高电压变阻器的电气性能的实验测量，也绘出了使用中电压LlOO配方综合出的变阻器的电气性能的实验测量，还绘出了使用低电压L20配方综合出的变阻器的电气性能的实验测量。
【具体实施方式】
[0018]本发明将随后参考所述附图被更全面地描述，其中示出了本发明的优选实施例。然而，本发明可以以许多不同形式体现并且不应被解释为限于本文提出的实施例。相反，提供这些实施例是为了本公开会完全和完备，并且会向本领域技术人员全面地表达出本发明的范围。在图中，自始至终，相同的编号指代相同的元件。
[0019]在下面描述和/或权利要求中，术语“上”，“在上面”，“布置在上面”和“上方”被使用在下面描述和权利要求中。“上”，“在上面”，“布置在上面”和“上方”可被用以表明两个或更多个元件相互直接物理接触。然而，“上”，“在上面”，“布置在上面”和“上方”也可以指两个或更多个元件不是相互直接接触。例如，“上方”可以指一个元件在另一个上面但相互不接触并且可以在所述两个元件之间具有另一个元件或多个元件。此外，术语“和/或”可以指“和”，它也可指“或”，它可指“异或”，它可指“一个”，它可指“某些，但不是全部”，它可指“全不是”，和/或它可指“两者”，但是所要求主体的范围不限于此。
[0020]本发明实施例一般涉及基于氧化锌材料的金属氧化物变阻器(MOV) ο如所知，此类型的变阻器包括陶瓷体，陶瓷体的微结构包括氧化锌晶粒并且可以包括诸如布置在陶瓷微结构内的其他金属氧化物之类的各种其他组成部分。这种陶瓷氧化锌变阻器的特性通常依赖所述变阻器的精确成分和微结构而变化。作为背景，MOV主要由烧结在一起形成圆片的氧化锌颗粒构成，在圆片上作为固体的氧化锌颗粒是高导电材料，而由其他氧化物形成的粒间边界(intergranular boundary)是高阻的。只有在氧化锌颗粒接触的那些点处，烧结才产生与对称齐纳二极管相当的“微变阻器”。金属氧化物变阻器的电气行为由串联或并联的微变阻器的数量得出。MOV的烧结体也解释了它的高电气负载容量，其允许能量的高度吸收并且因此有极高的过载电流处理能力。
[0021]具体地，在各种已知MOV设备中，陶瓷的微晶(晶粒)之间的边界可以形成可允许电流只在一个方向流动的二极管结。在烧结后，陶瓷MOV的微结构内的晶粒集合可以建模为背对背的二极管对的网络，其中每个对被安排成与许多其他二极管对并联。当小或适中的电压施加到电极上时，反向漏电流通过所述二极管结只引起轻微的电流。当施加大电压时，由于热电子发射和电子隧穿以及大电流的组合，二极管结击穿。此行为的结果是高度非线性的电流-电压特性，其中MOV在低电压处有高电阻并且在高电压处有低电阻。
[0022]在此之前已经做出了大量努力以改善已知的MOV设备尤其是基于氧化锌的变阻器的特性。公开了与本发明实施例一致的一组基于氧化锌的新颖的并且非显而易知的MOV陶瓷材料。具体地，本发明人已经发现了一组新颖的成分能够得到如以下详述的非预期的出众的变阻器设备性能特性。一组用于形成此增强的变阻器设备的方法也被公开。
[0023]图1绘出了一种变阻器102并且图2绘出了另一种变阻器202，每种都被制造为具有如以下详述的增强的特性。具体地，可以使用给予变阻器120、202非预期的改善的电气特性的新颖成分来制造变阻器体104、204。变阻器102、202每个都描绘了具有一对分别的引线106、206的变阻器类型。但是，如将对本领域技术人员清晰的，在本发明实施例中变阻器可以使用任何方便的形状、尺寸和引线结构来制造。
[0024]图3示出了用于形成与本发明实施例一致的增强的变阻器的示例性处理300。处理300可被用以制造具有如下详述的增强的特性的基于氧化锌的变阻器。在框302处，制备了粘合剂溶液。所述粘合剂溶液被用以制成要被用于将变阻器材料处理成变阻器体或预制品的粘合剂。在各种实施例中，使用在高温中溶解在水中的聚合物材料可以制备粘合剂溶液。在一种例子中，粘合剂从聚乙烯醇(PVA)中制备，并且具体地，从去离子水中重量百分比为10的PVA的溶液中制备。所述溶液可以通过在高温搅拌PVA水混合物来制备。在一种例子中，所述溶液在大约90°C的温度搅拌大约2小时。
[0025]如图3中进一步所示，在框304处，制备了溶剂。所述溶剂通过将框302中制备的PVA溶液添加到水和其他组成部分的混合物中来制备。所述溶剂可以包括一个或多个分散剂、消泡剂、其他粘合剂、和其他添加剂，诸如调整PH的添加剂等。与本发明实施例一致，所述溶剂可以通过在诸如塑料容器的合适容