正温度系数器件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种改进的PTC器件和其制备方法。在一实施方式中，该器件和方法采用一种改进的金属-陶瓷复合PTC材料，该材料通过以下步骤制备：(a)将陶瓷材料加热到足够高的温度，以诱导出该陶瓷材料的PTC特性；(b)将所得陶瓷PTC材料碾磨成粉末；(c)将所得陶瓷PTC材料粉末与金属材料粉末混合，形成金属-陶瓷复合材料粉末；以及(d)在600℃到950℃的温度下烧结该复合材料粉末。在另外的实施方式中，公开了一种改进的多层结构和制造该结构的方法。在多个其它实施方式中，按照该改进的多层结构和制造方法生产的PTC器件，可以也可不采用此处改进的金属-陶瓷复合PTC材料，而可采用常规的瓷基PTC材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种正温度系数(positivetemperature coefficient，PTC)器件，特别是改进的瓷基。
技术介绍
在本领域中已知，PTC材料表现出随温度升高而升高的电阻率。对于某些PTC材料，当高于某一温度时电阻率会急剧升高，以限制通过它的电流。由于PTC材料会因电流而被加热，电阻增加会引起负反馈，而电阻增加又是由材料温度升高引起的。这种特性使PTC 材料适合用于，例如，应用于电涌保护装置(current surge protection devices)，以限制通过其中的电流大小。这样的装置可用于保护电动装置免受电源线的瞬态电涌冲击，使电源免受过载耗用电流的损害，或者经常用于因某个原因使电流超出设计限制的情况下保护电气设备。由于PTC材料热容的原因，电流升高而导致PTC材料温度的升高，并非是一种短暂的瞬间现象，因而，PTC材料也可用于制备延时开关。当PTC材料中电流产生的热量使其可用作电热元件时，这种PTC材料的特性可用于恒温的自动调节。另外，通过测量电压降，PTC 器件也可用于检测温度，该电压降对应于足够低的电流，以致可可忽略其产生的自加热。一些常见种类的基于PTC材料的电子元件包括可复位的保险元件和热敏电阻器。两大类众所周知的PTC材料分别是聚合物基(polymer-based)的PTC材料和瓷基 (ceramic-based)的 PTC 材料。在本领域中已知很多种类的聚合物、共聚物以及聚合物的混合物可用于制备PTC 材料。例如，将低电阻率微粒材料如碳嵌入到高电阻率的有机聚合物基质如聚乙烯中，如果该低电阻率微粒的浓度足够大，以致可在材料中形成传导通路，那么在室温下(如25°C)其表现出低电阻。由于聚合物的热膨胀系数远远大于低电阻率微粒的热膨胀系数，当该复合材料受热时，聚合物基质比嵌入其中的导电碳微粒膨胀更甚。这样，因碳微粒被膨胀的聚合物基质带动而与其它微粒彼此远离，邻近的碳微粒间的传导接触减少，从而提高了该复合材料的电阻率。但是，当有机物如聚合物用作PTC复合材料中的高电阻率基质时，较长的高温时间或者反复的温度循环会破坏复合材料的结构完整性。这可能导致总电阻率随温度变化的特性的改变，而这种改变可能导致灾难性的后果，因为局部的高传导率、高电流区域使得失控电流密度引发过加热，破坏了复合材料的微结构。聚合物基复合材料的故障，很大程度上归结于在高温下聚合物材料化学稳定性的减弱。因此，传统的聚合物复合材料不能进行可靠的重复操作，因为这种材料的电阻率特性，特别是在经过了突变状况之后，不能回复到其先前的状态。瓷基的PTC材料，如钛酸钡型的陶瓷，在高于某一温度阈值时，随着温度的上升表现出电阻率的急剧上升，如PTC特性，而且在高温时，其比聚合物基的材料具有更好的化学及物理稳定性。尽管瓷基的PTC材料比聚合物基的PTC材料更稳定，但瓷基PTC材料的一个缺点是相对于聚合物基的PTC材料电阻率(如3 Ω -cm)，其在室温下具有相对较高的电阻率(如30Q-cm)。因此，在室温运行状态下，举例说明，当传导相同大小的电流通过相同或相似尺寸的器件时，瓷基的PTC材料的能量损失比聚合物基PTC材料的更高。在能量损失需要最小化的许多场合下，这是瓷基PTC材料器件的缺点。Ishida在第6，300，862号美国专利中(下称“Ishida，，)公开了一种复合材料，以克服上述聚合物基PTC材料及瓷基PTC材料的不足。Ishida叙述了一种PTC复合材料，其包括一个具有方石英晶体结构或者鳞石英晶体结构的陶瓷材料基质及一个散布于整个基质内的导电相(conductive phase)，其中，每种晶体结构掺杂有至少一种下述元素的氧化物:Be、B、Mg、Al、Ca、k、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga 以及 Ge，而导电相则包括金属、 硅化物、氮化物、碳化物和硼化物中的至少一种。Ishida所公开的陶瓷材料是一种包括方石英或者鳞石英晶体结构并且掺杂有氧化物的特殊陶瓷材料。该陶瓷材料表现出和聚合物基PTC材料极其相似的特性，因为当受热时，陶瓷基质体积膨胀并破坏了由散布于基质中的传导微粒所形成的传导通路。相反，其它种类的陶瓷PTC材料(例如掺杂的钛酸钡)受热时不会明显膨胀。尽管与其它瓷基的PTC 材料相比，Ishida的复合材料表现出较低的室温电阻，但其仍具有如Ishida专利说明书中所述的许多缺陷。例如，如果晶体结构陶瓷的体积膨胀小于某一特定值，该复合材料在突变点(trip-point)温度时并不表现出充分的电阻率上升。或者，如果体积膨胀高于某一上限时，该复合材料会在基质和导电相的界面处产生应力断裂。所以，陶瓷材料本身的制备，和整个复合材料的制备一样，要求高度仔细、精确以及较高的费用，以确保微粒的尺寸在要求的范围内，陶瓷材料表现出期望的膨胀特性。总之，Ishida采用的材料和制备工艺非常昂贵、耗时，在大规模生产中难以具有良好的再现性。Niimi等人的第6，359，327号美国专利(下称“Niimi”)公开了一种一体式的PTC 器件，其包括交替堆叠的半导体陶瓷层和夹入其中的电极层形成的烧结叠片。其中，陶瓷层包括含有氧化硼的烧结钛酸钡。内电极由贱金属形成，如镍(Ni)、铜(Co)、铁(Fe)或者钼 (Mo)。优选的贱金属为Ni。Ni imi公开的陶瓷PTC材料包含添加到钛酸钡中以改善其PTC特性的多种由 BaC03、Sm203、BN及MnCO3B成的混合物。这种陶瓷材料可被用作上述的烧结叠片的陶瓷层。 Niimi进一步公开了一体式PTC器件，其包括具有交替堆叠的陶瓷和Ni层的叠片，而且其外电极形成于叠片上，该一体式PTC器件可以按如下有效地制备将一体式器件在氢/氮还原舱中共烧，随后在空气中800°C下二次烧制。尽管Niimi所描述的过程允许将一体式器件在相对较低的温度下(如950°C )共烧，但这一优点被以下事实抵消了 该过程要求还原性的气舱和相关的设备。这类设备很昂贵，并且在操作中难以根据保持工艺参数进行控制。而且，Niimi所公开的过程要求二次烧制的步骤，该步骤增加了制备过程的时间和成本。此外，Niimi采用的陶瓷PTC在室温时仍有高的电阻率(接近30ohm-cm)。因此，需要许多平行层的陶瓷PTC材料，以使陶瓷PTC器件具有较低的电阻(如0. 01到0. 1 Ω-cm)，从而获得低的能耗。尽管Yamada等人的第6，M5，439号美国专利(下称“Yamada”)公开了由包含陶瓷材料及金属材料的复合材料制备的热敏电阻器，但是Yamada主要关注于提供具有改进的相间机械接合性能的复合材料。Yamada未致力于提高先前PTC材料的特定电/PTC特性， Yamada也未致力于解决上述先前的聚合物基和瓷基PTC材料的问题，Yamada也未致力于如何在金属相和PTC陶瓷相之间建立强的欧姆连接。不能在金属相和陶瓷相之间建立这种欧姆连接，将导致复合材料总电阻较高。因此，需要一种改进的陶瓷或者陶瓷复合材料的PTC器件，其具有改善的PTC特性。这种改进的PTC器件应在室温下表现出低电阻，并在该PTC材料的突变点温度时电阻有大的提高；而且，该改进的PTC器件在延长或者重复暴露于突变点温度/突变电流时，不本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种制备ＰＴＣ器件的方法，包括：（ａ）在第一ＰＴＣ材料层的每侧设置一欧姆层；（ｂ）按照预定的温度曲线烧制所述的第一ＰＴＣ材料层和欧姆层；（ｃ）在所述第一ＰＴＣ层两侧的每一欧姆层上设置外金属层；（ｄ）按照第二温度曲线烧制所得到的结构，该结构包含一ＰＴＣ材料层、两个欧姆层以及两个金属层，从而获得第一ＰＴＣ结构，其中，位于所述ＰＴＣ材料层每侧的欧姆层和金属层分别形成所述第一ＰＴＣ结构相应的第一和第二电极，其分别位于所述第一ＰＴＣ结构的上、下表面；（ｅ）重复上述步骤（ａ）－（ｄ），形成包含一ＰＴＣ材料层、两个欧姆层以及两个外金属层的第二ＰＴＣ结构，该第二ＰＴＣ结构包括分别位于所述第二ＰＴＣ结构的上、下表面的第三和第四电极，其中，所述的第三和第四电极均分别包含一欧姆层和一金属层；（ｆ）上下堆叠所述第一ＰＴＣ结构和第二ＰＴＣ结构，使得所述第一ＰＴＣ结构的第二电极与所述第二ＰＴＣ结构的第三电极电连接；（ｇ）将所述第二电极焊接或粘接于所述第三电极上；以及（ｈ）将所述第一和第四电极电连接到该器件的第一连接导线，并将所述第二和第三电极电连接到该器件的第二连接导线。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：李向明，杨晓鹏，汪立无，张海明，
申请(专利权)人：AEM科技苏州股份有限公司，
类型：发明
国别省市：32