过压保护装置的基于微变阻器粉体.pdf

本发明涉及用于产生包含具有非线性电流电压特性的微变阻器颗粒的非线性粉体的方法，包括以下产生步骤：将非金属颗粒与微变阻器颗粒混合；对非金属颗粒进行热处理，以便将它们分解为导电颗粒，并且用于将导电颗粒熔合到微变阻器颗粒。其中，实施例还涉及：在混合期间分解非金属颗粒的结块；使分解温度保持低于微变阻器颗粒的烧结或煅烧温度；以及选择用于微变阻器涂敷的微米尺寸或纳米尺寸不导电颗粒。产生方法产生具有非线性电流电压特性的改进可再生性以及具有降低的开关场(Es)的变阻器粉体。

1.  一种用于产生包含具有非线性电流电压特性的涂敷微变阻器颗粒的非线性粉体的方法，其特征在于以下产生步骤：
a)将非金属颗粒与所述微变阻器颗粒混合，
b)在所述混合状态，对所述混合物进行热处理，以便将所述非金属颗粒分解为导电颗粒并将所述导电颗粒接合到所述微变阻器颗粒。

2.  如权利要求1所述的方法，其特征在于：实现包括混合、分解和接合的涂敷过程，使得所述微变阻器颗粒的表面仅用所述导电颗粒部分覆盖。

3.  如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于：
a)执行所述混合过程，直到实现所述非金属颗粒在所述微变阻器颗粒之中的均质重新分配，和/或
b)在混合期间，具体通过使用磨球来分解所述非金属颗粒的结块。

4.  如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于：
a)所述分解温度低于所述微变阻器粉体的烧结或煅烧温度，和/或
b)用于分解所述非金属颗粒的所述分解温度低于700℃，优选低于500℃，最优选为大约400℃。

5.  如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于：
a)所述非金属颗粒包括金属氧化物、金属氮化物、金属硫化物和/或金属卤化物，和/或
b)所述非金属颗粒包括氧化金、氧化铂和/或氧化银，和/或
c)所述非金属颗粒包括优选地为AgNO₂、Ag₂F、AgO或Ag₂O的银化合物或者由其组成。

6.  如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于：所述非金属颗粒由在400℃进行热处理3个小时的氧化银(AgO，Ag₂O)组成。

7.  如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于：所述非金属颗粒的尺寸小于5μm，优选小于3μm，更优选小于1μm。

8.  如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于：所述非金属颗粒是纳米颗粒，具体来说具有小于300nm的尺寸。

9.  如以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于：所述非金属颗粒的数量相对于所述微变阻器颗粒的数量大约为0.01vol％至5vol％。

10.  一种具有非线性电气性质的化合物，所述化合物包含依照以上权利要求中任一项所产生的粉体并嵌入基体中。

11.  一种过电压或场控制装置，所述过电压或场控制装置包含依照权利要求1-9中任一项所产生的粉体。

12.  如权利要求11所述的过电压或场控制装置，其中，所述装置是电涌放电器或者静电放电保护部件。

过压保护装置的基于微变阻器粉体
技术领域
本发明涉及例如雷电、电磁脉冲、开关冲击或接地回路瞬变的保护或者静电放电(electrostatic discharge：ESD)保护等的电气和/或电子电路的过压保护领域。具体来说，本发明涉及用于这些方面的非线性电气材料和装置。本发明基于依照独立权利要求的导言产生非线性粉体(powder)的方法、包含这种粉体的化合物以及包含这种粉体的过电压或场(field)控制装置。
技术背景
微变阻器填充聚合物呈现非线性电流电压特性，并且可用于过电压保护，例如防止灵敏电子器件受到静电放电。由填充有导电和/或半导电和/或绝缘颗粒的聚合物基体组成的非线性材料是已知的，并且用于电子芯片的过应力保护。电子器件所需的保护电压等级很低，这表示材料应当具有低箝位或开关电压，或者应当很薄。
本发明始于EP 0992042(WO 99/56290)，它公开了包含嵌入基体的微变阻器填充剂颗粒的变阻器合成物以及这类变阻器合成物的产生方法。非线性填充剂材料包括由掺杂氧化锌制成的烧结微变阻器微粒。合成物的开关电压可通过用微尺寸(micro-sized)金属片涂敷微变阻器颗粒来降低。在涂敷过程中，在第一步骤，微变阻器颗粒和金属片密切混合，以及在第二步骤，通过热处理使薄片与微变阻器颗粒接合。这个过程遭遇微米金属颗粒趋向于结块的事实。在干磨机中分解这些结块是不可能的，因为金属是易延展的。这些结块而是趋向于通过冷焊来凝固。因此，涂敷的质量与金属粉体的处理密切相关，导致化合物的不可再生非线性性质。
在F.Greuter等人的论文《微变阻器：新电子陶瓷合成物的功能填充剂》(“Microvaristors：Functional Fillers ofr Novel ElectroceramicComposites”，J.Electroceramics，13，739-744(2004))中，公开了用于电子器件的静电放电(ESD)保护的包含嵌入聚合物基体的ZnO变阻器的合成物。ZnO微变阻器颗粒将其电阻的极强非线性呈现为所施加电场的函数。合成材料的非线性特性取决于微变阻器颗粒非线性、它们的充填(packing)结构以及颗粒-颗粒接触的微观性质。通过用小金属片来涂敷微变阻器，降低了合成物的开关场(switching field)并且改进了能量吸收。使用金属片的常规涂敷过程遇到上述结块问题。对于ESD保护中的应用，可将填充有涂敷微变阻器颗粒的聚合物模塑或浇铸到要保护的电子元件上。
发明内容
本发明的一个目的是提供用于产生非线性电粉体的改进方法以及提供具有改进的非线性电气性质的变阻器粉体和变阻器装置。根据本发明，这个目的通过独立权利要求中所述的主题来实现。
在第一方面，要求用于产生包含具有非线性电流电压特性的涂敷微变阻器颗粒的非线性粉体的方法的权益，该方法包括以下产生步骤：(i)将非金属颗粒与微变阻器颗粒混合；以及(ii)在混合状态，对混合物进行热处理，用于将非金属颗粒分解为导电颗粒，并且用于将导电颗粒接合或熔合到微变阻器颗粒。因此，本发明在于在微变阻器之中混合非金属或不导电颗粒，其中这些不导电颗粒可分解或分离为导电或金属颗粒，其中，这些不导电颗粒也不结块，或者即便结块了也是易碎的，与混合期间趋向于结块和冷焊的金属颗粒相反。因此，以崭新的同质性和可再生性实现了采用金属颗粒的新微变阻器涂敷方法。因此，能以极大改进的可靠性来产生具有规定非线性电流电压特性的变阻器粉体。整体上，实现了改进的非线性电气性质，具体来说，实现了变阻器降低的电开关场，这对静电放电保护有利。
在其它方面，本发明涉及包含按上文所述产生的粉体的化合物和过电压或场控制装置。
在一个优选实施例中，不导电纳米颗粒与微变阻器混合，以及在均质分布时被分解为导电颗粒，并且接合或熔合到微变阻器表面。
纳米颗粒的有利之处在于，它们实现开关场的进一步降低，以及可对开关场进行微调，具体来说是通过增加混合能量使其为最小。
通过权利要求或权利要求组合，以及通过思考以下详细描述和附图，本发明的其它实施例、优点和应用将会变得非常清楚。
附图说明
这种描述参照附图，附图在下图中示意示出
图1是示出根据本发明的优选实施例所产生的粉体的相对开关场强度的图表。
具体实施方式
本发明涉及用于产生具有非线性电流电压特性的微变阻器颗粒的非线性粉体的方法。为了降低开关场强度，使用以下步骤来涂敷微变阻器颗粒
(i)将非金属颗粒与微变阻器颗粒混合，以及
(ii)在混合状态，对混合物进行热处理，用于将非金属颗粒分解为导电颗粒并将导电颗粒接合或熔合到微变阻器颗粒。
术语“非金属颗粒”或“不导电颗粒”在这里表示没有包含在混合过程中呈现典型金属结块或冷焊特性的纯金属或者由其组成。在本申请的意义上，非金属或不导电颗粒的这个术语还将涉及例如在热处理时可分解或分离为颗粒、作为金属或呈现金属或导电特性的颗粒。下面论述优选实施例。
实现包括混合以及热处理感应分解(即，非金属到导电颗粒的转变)和接合(即，将所得导电颗粒熔合到微变阻器)的新涂敷过程，使得微变阻器颗粒的表面将仅用导电颗粒部分覆盖。
在一个示范实施例中，思路是将氧化银颗粒(AgO或Ag₂O)而不是银与微变阻器填充剂混合。即使氧化银微尺寸或纳米尺寸颗粒结块，但是由于它们与易延展金属相比的不同特性，也可成功地分解这些结块。例如可通过在具有磨球的磨机中、例如在具有ZrO₂磨球的滚磨机中将氧化银粉体与微变阻器混合来实现分解。相反，常规金属颗粒趋向于以不可控方式进一步结块甚至冷焊在一起。混合之后，混合物经过热处理，以便将氧化银颗粒还原为银。同时实现颗粒与微变阻器表面的接合。
因此，混合氧化银颗粒以及在混合状态从其中产生金属银颗粒并且将它们接合到微变阻器的过程确保涂敷颗粒在微变阻器颗粒之中的均质重新分配。
实验表明，以400℃的3小时热处理足以产生低开关场的变阻器粉体。通过使用照相术和EDX映射在视觉上检验根据本发明涂敷的变阻器粉体。发现混合物的同质性是优良的。总之，执行混合过程，直到实现非金属颗粒在微变阻器颗粒之中的均质重新分配。混合期间，具体通过使用具有磨球的磨机，可分解非金属颗粒的结块。分解温度优选地选择成低于粉体的烧结或煅烧温度。推荐用于分解非金属颗粒的分解温度为低于700℃，优选为低于500℃，最优选为大约400℃。
非金属颗粒可包括金属氧化物、金属氮化物、金属硫化物和/或金属卤化物或者由其组成。例如，非金属颗粒包括氧化金、氧化铂和/或氧化银或者由其组成。非金属颗粒优选为银化合物，例如AgNO₂、Ag₂F、AgO或Ag₂O。
图1示出被混合颗粒尺寸和混合能量、即磨球的混合速度和尺寸对变阻器粉体的所得开关场E_s的影响。已经发现，具有纳米尺寸的氧化银颗粒的混合物1b、2b、3b(典型尺寸小于1μm的Ag₂O颗粒)与具有微米尺寸(micron-sized)氧化银颗粒的混合物1a、2a、3a(典型尺寸范围为1μm-3μm或者最终更大的Ag₂O颗粒)表现极为不同。
虽然基本上没有观测到混合能量对微米尺寸Ag₂O(图1中的2a、3a)的所得开关场的影响，但是对于纳米尺寸Ag₂O(图1中的2b、3b)观测到极大影响。此外，对于相同量的Ag₂O，开关场的降低对于纳米Ag₂O粉体大许多。
因此，通过用纳米尺寸非金属颗粒来涂敷微变阻器，可获得开关场E_s的极有效且显著的降低。这允许制作小尺寸和极低保护开关场E_s或者相应地极低保护电压等级的过应力保护装置。
因此，在使用微米尺寸非金属或不导电颗粒的一个实施例中，这些颗粒的典型尺寸将小于5μm，优选小于3μm，更优选小于1μm。在采用纳米尺寸非金属或不导电颗粒的优选实施例中，这些颗粒的典型尺寸将小于300nm。
非金属颗粒的数量相对微变阻器颗粒的数量优选地选择在0.01vol％至5vol％的范围之内。图1给出的示例表示包含0.5vol％Ag₂O和99.5vol％的微变阻器颗粒的样本。
最后，本发明还涉及具有非线性电气性质并且包含如上所述所产生的粉体并且嵌入混合物、如聚合物基体、玻璃基体或油基体的化合物。包含这种粉体的过电压或场控制装置也将受到保护。该装置可以是电涌放电器(surge arrester)或者静电放电保护部件。
参考标号列表
1a，1b仅含微变阻器粉体(作为基准)
2a    具有较少能量混合以及宏尺寸(macro-sized)涂敷颗粒的粉体
2b    具有较多能量混合以及纳米尺寸涂敷颗粒的粉体
3a    具有较多能量混合以及宏尺寸涂敷颗粒的粉体
3b    具有较多能量混合以及纳米尺寸涂敷颗粒的粉体
4     开关场的降低
Es    (变阻器的)开关电场