基于氧化鋅的變阻器和制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明的實施例涉及電路保護設(shè)備領(lǐng)域。更具體地，本發(fā)明涉及用于過載保護的金屬氧化物變阻器。
【背景技術(shù)】
[0002]過電壓保護設(shè)備被用以使電子電路和組成部分免受由于過電壓故障狀態(tài)的損害。這些過電壓保護設(shè)備可以包括要被保護的電路與地線之間連接的金屬氧化物變阻器(MOV)。MOV具有獨特的電流-電壓特性，其允許它們被用以保護此類電路免受災(zāi)難性的電壓過載。但是，因為變阻器設(shè)備被如此廣泛地部署以保護許多不同類型的裝置，所以存在著改善變壓器特性的持續(xù)需求。例如，改善它在高能過載事件下的工作壽命和/或性能可以是期望的。影響變阻器壽命預(yù)期的一個參數(shù)是它的能效(焦耳)等級。隨著能效等級增加，變阻器壽命預(yù)期典型地指數(shù)增加，它可適應(yīng)的瞬時脈沖的數(shù)量增加并且在每個瞬時期間提供的“鉗制電壓”下降。對防御高能量脈沖而言，變阻器性能的改善也是期望的。例如，如果發(fā)生諸如雷擊之類的超大過載，耗散的能量可能超過變阻器可以適應(yīng)的量。雷擊結(jié)果的隨后電流可能產(chǎn)生完全摧毀所述電阻器的過量電流。因此，要理解，改善目前使用金屬氧化物變阻器的電路保護設(shè)備是期望的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的示例實施例針對電路保護設(shè)備。在示例性實施例中，變阻器可以包括壓敏陶瓷，其包括摩爾百分比大于90%的氧化鋅；一組金屬氧化物。所述組金屬氧化物可以包括:包括的摩爾分?jǐn)?shù)等價于在0.2到2.5%之間的Bi2O3的氧化物形式鉍；包括的摩爾分?jǐn)?shù)等價于在0.2到1.2% Co3O4之間的氧化物形式鈷；包括的摩爾分?jǐn)?shù)等價于在0.05到0.5% Mn3O4之間的氧化物形式錳；包括的摩爾分?jǐn)?shù)等價于在0.05到0.5% Cr 203之間的氧化物形式鉻；包括的摩爾分?jǐn)?shù)等價于在0.5到1.5% N1之間的氧化物形式鎳；包括的摩爾分?jǐn)?shù)等價于在0.05到1.5% Sb2O3之間的氧化物形式銻；包括的摩爾分?jǐn)?shù)等價于在0.001到0.05% B2O3之間的氧化物形式硼；以及包括的摩爾分?jǐn)?shù)等價于在0.001到0.05%之間的Al3+形式的鋁。
【附圖說明】
[0004]圖1繪出了示例性變阻器；
[0005]圖2繪出了另一個示例性變阻器；
[0006]圖3示出了示例性處理流程；
[0007]圖4A介紹了用于三種不同配方的組成部分的示例性成分集合；
[0008]圖4B介紹了用于圖4A的配方的組成部分成分的另一種表述；
[0009]圖5A介紹了在一系列實驗中使用的第一粉末配方的基礎(chǔ)成分；
[0010]圖5B介紹了對用以綜合變阻器樣本和得到的變阻器電氣特性的圖5A中的基礎(chǔ)成分的成分變化；
[0011]圖5C介紹了在一系列實驗中使用的第二粉末配方的基礎(chǔ)成分；
[0012]圖介紹了對用以綜合變阻器樣本和得到的變阻器電氣特性的圖5C中的基礎(chǔ)成分的成分變化；
[0013]圖6A介紹了傳統(tǒng)變阻器樣本的測量結(jié)果；
[0014]圖6B介紹了根據(jù)本發(fā)明實施例制造的一組變阻器樣本的測量結(jié)果；
[0015]圖6C介紹了根據(jù)本發(fā)明實施例制造的額外的一組變阻器樣本的測量結(jié)果；
[0016]圖7繪出了傳統(tǒng)變阻器樣本與根據(jù)本發(fā)明實施例制造的變阻器樣本的測量的比較；
[0017]圖8繪出了根據(jù)L150配方綜合出的高電壓變阻器的電氣性能的實驗測量，也繪出了使用中電壓LlOO配方綜合出的變阻器的電氣性能的實驗測量，還繪出了使用低電壓L20配方綜合出的變阻器的電氣性能的實驗測量。
【具體實施方式】
[0018]本發(fā)明將隨后參考所述附圖被更全面地描述，其中示出了本發(fā)明的優(yōu)選實施例。然而，本發(fā)明可以以許多不同形式體現(xiàn)并且不應(yīng)被解釋為限于本文提出的實施例。相反，提供這些實施例是為了本公開會完全和完備，并且會向本領(lǐng)域技術(shù)人員全面地表達出本發(fā)明的范圍。在圖中，自始至終，相同的編號指代相同的元件。
[0019]在下面描述和/或權(quán)利要求中，術(shù)語“上”，“在上面”，“布置在上面”和“上方”被使用在下面描述和權(quán)利要求中?！吧稀?，“在上面”，“布置在上面”和“上方”可被用以表明兩個或更多個元件相互直接物理接觸。然而，“上”，“在上面”，“布置在上面”和“上方”也可以指兩個或更多個元件不是相互直接接觸。例如，“上方”可以指一個元件在另一個上面但相互不接觸并且可以在所述兩個元件之間具有另一個元件或多個元件。此外，術(shù)語“和/或”可以指“和”，它也可指“或”，它可指“異或”，它可指“一個”，它可指“某些，但不是全部”，它可指“全不是”，和/或它可指“兩者”，但是所要求主體的范圍不限于此。
[0020]本發(fā)明實施例一般涉及基于氧化鋅材料的金屬氧化物變阻器(MOV) ο如所知，此類型的變阻器包括陶瓷體，陶瓷體的微結(jié)構(gòu)包括氧化鋅晶粒并且可以包括諸如布置在陶瓷微結(jié)構(gòu)內(nèi)的其他金屬氧化物之類的各種其他組成部分。這種陶瓷氧化鋅變阻器的特性通常依賴所述變阻器的精確成分和微結(jié)構(gòu)而變化。作為背景，MOV主要由燒結(jié)在一起形成圓片的氧化鋅顆粒構(gòu)成，在圓片上作為固體的氧化鋅顆粒是高導(dǎo)電材料，而由其他氧化物形成的粒間邊界(intergranular boundary)是高阻的。只有在氧化鋅顆粒接觸的那些點處，燒結(jié)才產(chǎn)生與對稱齊納二極管相當(dāng)?shù)摹拔⒆冏杵鳌?。金屬氧化物變阻器的電氣行為由串?lián)或并聯(lián)的微變阻器的數(shù)量得出。MOV的燒結(jié)體也解釋了它的高電氣負載容量，其允許能量的高度吸收并且因此有極高的過載電流處理能力。
[0021]具體地，在各種已知MOV設(shè)備中，陶瓷的微晶(晶粒)之間的邊界可以形成可允許電流只在一個方向流動的二極管結(jié)。在燒結(jié)后，陶瓷MOV的微結(jié)構(gòu)內(nèi)的晶粒集合可以建模為背對背的二極管對的網(wǎng)絡(luò)，其中每個對被安排成與許多其他二極管對并聯(lián)。當(dāng)小或適中的電壓施加到電極上時，反向漏電流通過所述二極管結(jié)只引起輕微的電流。當(dāng)施加大電壓時，由于熱電子發(fā)射和電子隧穿以及大電流的組合，二極管結(jié)擊穿。此行為的結(jié)果是高度非線性的電流-電壓特性，其中MOV在低電壓處有高電阻并且在高電壓處有低電阻。
[0022]在此之前已經(jīng)做出了大量努力以改善已知的MOV設(shè)備尤其是基于氧化鋅的變阻器的特性。公開了與本發(fā)明實施例一致的一組基于氧化鋅的新穎的并且非顯而易知的MOV陶瓷材料。具體地，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一組新穎的成分能夠得到如以下詳述的非預(yù)期的出眾的變阻器設(shè)備性能特性。一組用于形成此增強的變阻器設(shè)備的方法也被公開。
[0023]圖1繪出了一種變阻器102并且圖2繪出了另一種變阻器202，每種都被制造為具有如以下詳述的增強的特性。具體地，可以使用給予變阻器120、202非預(yù)期的改善的電氣特性的新穎成分來制造變阻器體104、204。變阻器102、202每個都描繪了具有一對分別的引線106、206的變阻器類型。但是，如將對本領(lǐng)域技術(shù)人員清晰的，在本發(fā)明實施例中變阻器可以使用任何方便的形狀、尺寸和引線結(jié)構(gòu)來制造。
[0024]圖3示出了用于形成與本發(fā)明實施例一致的增強的變阻器的示例性處理300。處理300可被用以制造具有如下詳述的增強的特性的基于氧化鋅的變阻器。在框302處，制備了粘合劑溶液。所述粘合劑溶液被用以制成要被用于將變阻器材料處理成變阻器體或預(yù)制品的粘合劑。在各種實施例中，使用在高溫中溶解在水中的聚合物材料可以制備粘合劑溶液。在一種例子中，粘合劑從聚乙烯醇(PVA)中制備，并且具體地，從去離子水中重量百分比為10的PVA的溶液中制備。所述溶液可以通過在高溫攪拌PVA水混合物來制備。在一種例子中，所述溶液在大約90°C的溫度攪拌大約2小時。
[0025]如圖3中進一步所示，在框304處，制備了溶劑。所述溶劑通過將框302中制備的PVA溶液添加到水和其他組成部分的混合物中來制備。所述溶劑可以包括一個或多個分散劑、消泡劑、其他粘合劑、和其他添加劑，諸如調(diào)整PH的添加劑等。與本發(fā)明實施例一致，所述溶劑可以通過在諸如塑料容器的合適容