专利名称：电涌保护器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及电涌保护器及其制造方法，通过包括雷击的电涌，在转换成导电状态后，它在很短时间自身能恢复到绝缘状态。
背景技术：
包括避雷器的电涌保护器是非常重要的装置，它用于保护不同的电子设备避免其受到包括雷击的电涌。电涌保护器是一种设备的通用名称，该设备用来保护其它电子设备不受过压即电涌。避雷器用于保护其它电子设备避免雷击，即极高电压和大电流。避雷器是其中一种电涌保护器设备。术语“保护器”这里指用于保护其它电子设备不受过电压或过电流的设备。然而，过电压不限于极高电压，例如雷击，还包括超过额定电压的低压。
传统上使用玻璃管避雷器。在玻璃管内的两电极之间含有特殊气体。除非感应到电涌，否则它是绝缘的。当感应到电涌或雷时，开始放电，并且电极之间的气体变成可导电的。电流经过避雷器，并且导向大地。电涌停止后，放电不会马上停止。避雷器不能保护其它电子设备免受连续电流或者电涌、雷的随后冲击。在已经使用的玻璃管和其它类型的保护器中存在着严重问题。其中一个问题是当其受到电涌冲击时，保护器必须在如0.03μsec的很短时间从电阻性状态变换到导电状态。另一个问题是当电涌停止时，保护器应该从导电状态恢复到初始电阻性状态。
现有技术中为了解决这些问题，推出一种改进的避雷器(SeitaOhmori的“钼避雷器”，日本专利公开号为118361/1995)。它使用若干表面被氧化的钼条。这里将该避雷器命名为“钼避雷器”。
当感应电涌或雷时，钼避雷器将电流导向大地。由于钼避雷器在导电状态和绝缘状态之间自动反复转换，因此钼避雷器是非常实用而且经济有效。
在保护器中使用钼之外的金属也是可能的，其与钼避雷器原理相同。该使用金属包括钽、铬和铝。
在Ohmori的改进保护器中存在严重问题，该问题是由于该保护器使用了表面具有电阻膜的若干条简单堆积而产生。图1为现有技术的避雷器(10)的示意图，该避雷器被称为由Ohmori发明的钼避雷器(日本专利公开号118361/1995“钼避雷器”)。
该避雷器(10)包括两个钼条(11)，在钼条(11)的表面上具有高电阻氧化膜(12)和电极(13)。该避雷器(10)在高电阻膜(12)之间的交界面上利用击穿现象。击穿电压主要取决于交界面的微观结构。即，如图2所示，在两个钼条上的高电阻膜(12)微观上通过点对点相互接触，尽管宏观上它们看上去象通过线与线或面与面接触。
在两个钼条上高电阻膜之间存在有至少若干原子尺寸厚度的空气层(21)。击穿发生在该空气层内。因此，通过如图3所示的电路(30)，当直流电压施加到图1所示的由Ohmori发明的避雷器时，如图4所示，电压振荡由示波器所观察到。在图3中，电路(30)包括电源(31)、试样(32)、电阻(33、34)、示波器(35)以及安培表(36)。类似的，当交流电压施加到Ohmori避雷器上时，可观测到特别大尖脉冲电流。这些现象意味着Ohmori避雷器不能在实际应用中使用。Ohmori和其他人没有对上述Ohmori避雷器作出测试报告。上述事实意味着只要避雷器由钼条简单堆积构成，它就不可能实现实际应用。换句话说，只要在两表面之间的空气层中利用击穿现象，就不可能实现电涌保护器的实际应用。
因此，所希望的是提供一种在两表面之间的空气层中不利用击穿现象的电涌保护器。
发明内容
在一个方面，本发明提供一种新颖和独特的电涌保护器。该电涌保护器基本上包括若干金属条，该金属条通过半导体晶体的连续高电阻膜结合成单体，以便相邻的金属条之间无间隙；和在构成单体的所述金属条的端部元件上形成的电极。这样，本发明的电涌保护器制造成在相邻的金属条之间无空气间隙。结果，当由于电涌使施加在电极上的电压超过阈值电压时，本发明的保护器可以如下方式操作，即由于附随半导体晶体的势垒区击穿，保护器从绝缘状态转变成导电状态。本发明的操作原理与现有技术的由Ohmiri发明的电涌保护器有本质的区别，现有技术保护器的操作是基于在多个条之间的空气间隙内放电而从绝缘状态转变成导电状态。
在本发明的电涌保护器中，最好钼用作金属条的主要成分。然而，还有可能使用钽、铬或铝作为金属条的主要部分。
根据本发明的另一方面，提供一种新颖而独特的制造电涌保护器(如上所述)的方法。本发明的新颖而独特的制造方法基本上包括两个特殊工艺步骤(即第一和第二氧化步骤)。在第一氧化步骤中，若干金属条被氧化，以便相邻的金属条相互结合。在第一氧化步骤中，若干金属条首先开始接触，接着这些金属条制成在相邻条之间无任何间隙的单体。在第二步骤中，由若干金属条组成的单体再次被氧化，以便在单体的整个表面上形成高电阻半导体膜。同时在最后的步骤中，在单体的相对侧上的端金属条上形成电极。根据电涌保护器的用途，适当选择单体中金属条的数量。通常，金属条的数量是2-4。在一些用途中，还可能使用若干单体电串联。
如上所述，尽管可以使用如钽、铬和铝的其它金属，然而金属条的优选金属是钼。在电涌保护器使用钼条情况下，一旦该保护器由于电涌变成导电状态后，当电涌(或雷击)停止时它立刻从导电状态恢复到原始绝缘状态。即使当钼氧化膜被大电流烧掉时这也会发生，因为如果它在氧化气氛下，钼会迅速氧化。这样，在使用钼情况下，电涌保护器操作，以便自动地在两状态(即绝缘状态和导电状态)之间重复转换。另外，根据本发明的新颖电涌保护器，可以精确地控制电涌保护器从绝缘状态向导电状态转换的转换电压(阈值电压)。
图1是现有技术的电涌保护器的示意图，它包括具有高电阻膜的两个圆柱形钼条，高电阻膜通过使每个条在堆积前分别氧化而形成。
图2是在其表面上具有氧化膜的两个钼条之间的交界面的示意图。
图3表示用于测试现有技术电涌保护器的电路的示意图。
图4表示当直流电压加在现有技术电涌保护器时观察到的电流振荡。
图5是多个金属条和支持器的示意图，支持器用来氧化金属条，并使其保持接触。
图6是电涌保护器主要元件的示意图，主要元件通过使多个金属条氧化并使其保持接触形成。
图7是其上固定有主要元件的板的示意图。
图8是通过将板与主要元件设置在箱内和在主要元件上形成电极与电极终端所形成结构的示意图。
图9是在箱上设置盖后的结构示意图。
图10是在箱内设置主要元件、氧化和耐火剂后、根据本发明第一实施例的电涌保护器的横截面图。
图11是根据本第二实施例的电涌保护器的示意图。
具体实施例方式
在下文中，将参考附图详细解释本发明的优选实施例。
在下面的实施例中，使用圆柱形钼条。
在第一实施例中，四个直径是2毫米且长度是7毫米的钼条用来制造保护器的主要元件。
在第一步骤，用丙酮接着用甲醇漂洗钼条。接着用高纯度水清洗，然后烘干。
在第二步骤，四个钼条被氧化以便将金属条制成单体。如图5所示，在支持器(100)上设置钼条(101)。支持器(100)的顶面倾斜，以便钼条(101)接触。最好支持器由高纯度石英(quarts)构成。顶面上设有钼条的支持器设在设备中用于氧化。图5中显示支持器(100)的顶面上设有两组钼条(101)。然而，支持器(100)设计成更多组是容易理解的。在该实施例中，通过在650℃加热钼条30分钟、在高纯度氧气气体环境下实施第一氧化，以便使四个钼条形成单体。然而，这是一个优选的实例，并且它可以根据特殊用途而改变。该气体环境也可改变。如，可使用包括高纯度蒸汽的高纯度氧气。
当实施第一次氧化使四个钼条制成单体时，一个薄的高电阻膜在钼条组成主体的整个表面上形成。
在第三步骤，实施第二次氧化，以便使主体整个表面上的薄高电阻膜变厚。在该实施例中，在550℃实施氧化达5.5小时。该条件应该根据特殊用途而改变。当实施第一次和第二次氧化时单体保持在氧化设备内。第一次氧化后，设备中的气体环境从氧气转变到高纯度氮气，直到设备的温度达到550℃。第二次氧化也在高纯度氧气中实施。
图6大致示出了主要元件(200)，即完成第二次氧化后由四个钼条(101)构成的单体。图6中，高电阻膜(201)在整个表面上和钼条之间的交界面区域形成。膜(201)由钼氧化物制成，并在整个表面上和交界部连续。即，在钼条之间和膜中无间隙。尽管通过在550℃氧化5.5小时形成的膜厚度实际约为20μm，但在图6中该厚度被放大，以便清楚可见。
在第四步骤，如图7所示，由四个钼条构成的主要元件(200)用胶(302)固定在板上(301)上，以便机械稳定该主要元件。板(301)可以由电阻性和耐热的任何材料构成。胶(302)还可由电阻性任何材料构成。最好使用变硬时不收缩的胶。而且最好，仅主要元件(200)的底部用胶固定，以便胶(302)不阻碍电极在下一步骤中形成，并且当主要元件和氧化剂设置在一个箱内时，氧化剂在尽可能多的区域接触主要元件。
在第五步骤，如图8所示，其上固定有主要元件(200)的板(301)粘在箱(400)内。然后，电极(401)在构成主要元件(200)的钼条两个端部件上形成。电极(401)用铟焊料粘贴在端部件上。这些电极可以用其它材料如导电胶粘接。然而，最好不需要高温工艺形成电极(401)。在该实施例中，通过利用铟焊料向钼条的最中心部分焊接两个电极终端(402)，形成电极(401)。该电极终端由薄黄铜板制造。电极终端(402)的长度使得它们向箱(400)的外部伸展，并且与箱(400)外部的装置电连接。电极终端(402)可以由其它导电材料如铜制造。在该实施例中，箱(400)由耐热塑料制造。然而，箱可以由其它材料如陶瓷制造，只要它们是电绝缘和耐热材料。
如图9所示在第六步骤，由氧化剂和耐火剂组成的混合物(501)插入箱(400)内，箱内固定有主要元件(200)，，同时箱(400)的盖(502)用胶固定。接着，箱(400)设置在真空容器内，并且箱的内部通过在盖(502)内形成的孔(503)被抽空。胶布置在孔(503)的周围。当箱(400)内的压力达到10-3托时，通过将胶(504)加热以便其熔化从而封闭孔来密封箱(400)。通过密封箱，完成根据本发明的第一实施例的电涌保护器(600)。在图10(a)和图10(b)中，显示成品电涌保护器(600)的横截面示意图。图10(a)是沿图9中线A-A’获得的横截面图，而图10(b)是沿线B-B’获得的横截面示意图。
成品电涌保护器(600)通过应用4000伏脉冲从绝缘状态向导电状态转变。这意味着电涌保护器(600)可令人满意地用作电涌保护器。
将作为氧化剂的氯酸钾和作为耐火剂的二氧化硅以重量比1∶3混合，当由此获得的混合物(501)插入到具有主要元件(200)的箱(400)内时，即使当施加4500伏脉冲和300安电流时，电涌保护器(600)也重新形成。
尽管钼条上的高电阻膜由通过钼氧化形成的半导体晶体制造，它也可以是由其它方法制造的半导体晶体，该方法例如是汽相生长和真空蒸发。
图11示出了根据本发明第二实施例的电涌保护器(1000)。在本实施例中，两个主要元件(1200，1201)相互电连接。每一个元件与在第一实施例中的主要元件相同，并且由四个钼条组成。连接电极(1001)布置在两个主要元件(1200，1201)之间，以便使这些元件电串联。在第一主要元件(1200)的与连接电极(1001)相对侧上，形成向箱(1400)的外侧伸展的电极终端(1200)。通过与上述涉及第一实施例的方法形成电极终端(1002)。在第二主要元件(1201)的与连接电极(1001)相对侧上，形成向箱(1400)的外侧伸展的电极终端(1003)。两个主要元件(1200，1201)和连接电极(1001)用导电胶相互连接。主要元件(1200，1201)通过与上述涉及第一实施例的相同方法固定。与第一实施例类型，氧化剂和耐火剂插入到箱(1400)内。箱(1400)通过与第一实施例有关的与上述相同方法密封。
根据第二实施例的电涌保护器(1000)通过施加8000伏脉冲从绝缘状态转变到导电状态，即使当施加9000伏脉冲和600安电流时，其功能也有效。
当施加直流电压时，根据本发明的第一和第二实施例的电涌保护器未显示由Ohmori发明的钼避雷器的电压和电流振荡。该事实意味着在根据本发明的电涌保护器的电流通路任意部分中不存在空气间隙。
当在相同条件下制造电涌保护器时，根据第一和第二实施例的电涌保护器的每一个箱在性能上存在±2％的误差。另一方面，实际上在相同条件下制造的、由Ohmori发明的避雷器的性能具有达±20％的非均匀性。其中一个原因在于，钼条之间的分界面结构不能控制在原子尺寸内，这是因为Ohmori发明的避雷器具有多个钼条简单堆积的结构。另外一个原因在于，施加到钼条间的压力不受控制，这是因为钼条也是简单的堆积。分界面的原子结构和施加到分界面的压力在包括击穿的电子性能上均有影响。根据本发明的电涌保护器不会产生如电流振荡和非均匀性能的问题，这是因为在电流通路内无间隙。
如下考虑根据本发明保护器的功能原理。当感应在阈值之上的电场时，在钼条之间区域内和钼条表面上的钼氧化膜内，由于在伴随半导体晶体的势垒区发生击穿，因此发生从绝缘状态向导电状态的转换功能。另一方面，由Ohmori发明的避雷器从绝缘状态转变到导电状态，这是因为当电场达到阈值时，在钼条之间空气间隙内发生放电。因此，在Ohmori提出的专利申请中清楚描述转换功能是基于放电。在根据本发明的电涌保护器的情况下，不利用放电产生转换功能。即，根据本发明的电涌保护器的转换功能原理根本不同于Ohmori发明的避雷器。
当保护器从绝缘状态转变到导电状态时，如果施加电压较大且电流较大，由于发热，部分电流通路中断是可能的。在这种情况下，如果处于氧化环境中，由于钼迅速氧化，根据本发明的保护器很快复位。这与Ohmori发明的避雷器相似。
根据本发明电涌保护器不具有由Ohmori发明的避雷器的下述问题1)如电流振荡的较差特性2)较差的可控制性，以及3)较差的制造再现特性根据本发明的电涌保护器从绝缘状态转变到导电状态转换功能的原理是基于在伴随半导体晶体势垒区击穿。它是完全不同于基于由Ohmori发明的避雷器，即空气放电。
权利要求
1.一种用于保护电子设备不受浪涌电压冲击的电涌保护器，所述电涌保护器包括若干金属条，该若干金属条通过半导体晶体的连续高电阻膜结合成单体，因此在相邻金属条之间无间隙；所述半导体晶体的高电阻膜，该高电阻膜成形以便涂在由所述若干金属条组成的所述单体的整个表面上；和电极，该电极在构成所述单体的所述金属条的端部件上形成，其中，当由于电涌使施加在所述电极上的电压超过阈值电压时，由于在附随所述半导体晶体的势垒区出现的击穿，所述电涌保护器从绝缘状态转变成导电状态。
2.根据权利要求1所述的电涌保护器，其特征在于，所述金属条的主要成分是钼。
3.根据权利要求1所述的电涌保护器，其特征在于，所述金属条的主要成分是钽、铬或铝。
4.一种用于制造用来保护电子设备不受浪涌电压冲击的电涌保护器的方法，所述方法包括第一氧化步骤，在该步骤中，若干金属条被氧化，并使其保持相互接触，以便通过半导体晶体的连续单一高电阻膜，使所述金属条结合成在相邻的所述金属条之间无任何间隙的单体；以及第二氧化步骤，在该步骤中，使所述金属条氧化并结合成所述单体，以便高电阻膜形成在由所述金属条组成的所述单体的整个表面上。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述金属条的主要成分是钼。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述金属条的主要成分是钽、铬或铝。
全文摘要
本发明提供一种改进的电涌保护器及其制造方法。本发明的电涌保护器主要包括若干金属条，该金属条通过半导体晶体的连续高电阻膜结合成单体，以便相邻的金属条之间无间隙；和在构成单体的所述金属条的端部元件上形成的电极。这样，本发明的电涌保护器制造成在相邻的金属条之间无空气间隙。结果，当由于电涌使施加在电极上的电压超过阈值电压时，本发明的保护器可以如下方式操作，即由于附随半导体晶体的势垒区击穿，保护器从绝缘状态转变成导电状态。并且，本发明装置的制造方法包括第一氧化步骤，该步骤中若干金属条被氧化，保持相互接触，以便通过半导体晶体的连续单一高电阻膜，使所述金属条结合成在相邻的所述金属条之间无任何间隙的单体；以及第二氧化步骤，该步骤中使所述金属条氧化并结合成所述单体，以便高电阻膜形成在所述金属条组成的所述单体的整个表面上。
文档编号H01T4/10GK1658338SQ20051000942
公开日2005年8月24日 申请日期2005年2月16日 优先权日2004年2月16日
发明者河东田隆 申请人:河东田隆