什么叫壓敏電阻？

“壓敏電阻是中國大陸的名詞，意思是"在一定電流電壓范圍內(nèi)電阻值隨電壓而變"，或者是說"電阻值對電壓敏感"的阻器。相應(yīng)的英文名稱叫“Voltage Dependent Resistor”簡寫為“VDR”。
壓敏電阻器的電阻體材料是半導體，所以它是半導體電阻器的一個品種?，F(xiàn)在大量使用的"氧化鋅"（ZnO）壓敏電阻器，它的主體材料有二價元素（Zn）和六價元素氧（O）所構(gòu)成。所以從材料的角度來看，氧化鋅壓敏電阻器是一種“Ⅱ-Ⅵ族氧化物半導體”。
      在中國臺灣，壓敏電阻器是按其用途來命名的，稱為"突波吸收器"。壓敏電阻器按其用途有時也稱為“電沖擊（浪涌）抑制器（吸收器）”。
壓敏電阻是一種以氧化鋅為主要成份的金屬氧化物半導體非線性電阻元件；電阻對電壓較敏感，當電壓達到一定數(shù)值時，電阻迅速導通。由于壓敏電阻具有良好的非線特性、通流量大、殘壓水平低、動作快和無續(xù)流等特點。被廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備防雷。

1、壓敏電阻的主要參數(shù)：
殘壓：壓敏電阻在通過規(guī)定波形的大電流時其兩端出現(xiàn)的最高峰值電壓。
通流容量：按規(guī)定時間間隔與次數(shù)在壓敏電阻上施加規(guī)定波形電流后，壓敏電阻參考電壓的變化率仍在規(guī)定范圍內(nèi)所能通過的最大電流幅值。
泄漏電流：在參考電壓的作用下，壓敏電阻中流過的電流。
額定工作電壓：允許長期連續(xù)施加在壓敏電阻兩端的工頻電壓的有效值。而壓敏電阻在吸收暫態(tài)過電壓能量后自身溫度升高，在此電壓下能正常冷卻，不會發(fā)熱損壞。

2、壓敏電阻的發(fā)展：
      1967年7月,松下電器公司無線電實驗室的松岡道雄在研究金屬電極—氧化鋅陶瓷界面時,無意中發(fā)現(xiàn)氧化鋅(ZnO)加氧化鉍(Bi2O3)復(fù)合陶瓷具有非線性的伏安特性.進一步實驗又發(fā)現(xiàn),如果在以上二元系陶瓷中再加微量的三氧化二銻(Sb2O3)、三氧化二鈷(Co2O3)、二氧化錳(MnO2)、三氧化二鉻(Cr2O3)等多種氧化物,這種復(fù)合陶瓷的非線性系數(shù)可以達到50左右,伏安特性類似兩只反并聯(lián)的齊納二極管,通流能力不亞于碳化硅(SiC)材料,臨界擊穿電壓可以通過改變元件尺寸方便地加以調(diào)節(jié),而且這種性能優(yōu)異的壓敏元件通過簡單的陶瓷工藝就能制造出來,其性能價格比極高.  
2.1 理論研究
      1972年美國通用電氣公司(GE)購買了松下電器公司有關(guān)氧化鋅壓敏材料的大部分專利和技術(shù)決竅.自從美國掌握了氧化鋅壓敏陶瓷的制造技術(shù)以后,大規(guī)模地進行了這種陶瓷材料的基礎(chǔ)研究工作.自80年代起,對氧化鋅壓敏陶瓷材料的研究逐漸走進了企業(yè).迄今為止,主要的理論研究工作都是在美國完成的.主要的研究課題有:  
(1) 以解釋宏觀電性為目的的導電模型的微觀結(jié)構(gòu)的研究(70~80年代);
(2) 以材料與產(chǎn)品開發(fā)為目的的配方機理和燒結(jié)工藝的研究(70~80年代);  
(3) 氧化鋅壓敏陶瓷材料非線性網(wǎng)絡(luò)拓撲模型的研究(80~90年代);
(4) 氧化鋅壓敏陶瓷復(fù)合粉體的制備研究(80~90年代);  
(5) 納米材料在氧化鋅壓敏陶瓷中的應(yīng)用研究(90年代).  
2.2 研制開發(fā)
      70年代末到80年代,基礎(chǔ)理論研究取得了重大進展.據(jù)不完全統(tǒng)計,截止到1998年,公開發(fā)表的論文和專利說明書等累計達700多篇,其中有關(guān)基礎(chǔ)研究的約占一半.在基礎(chǔ)研究的推動下,80~90年代,壓敏陶瓷的材料開發(fā)速度大大加快,目前已取得的成果有:  
(1) 氧化鋅壓敏陶瓷的電壓梯度已從最初的150V/mm擴散到(20~250)V/mm幾十個系列,從集成電路到高壓、超高壓輸電系統(tǒng)都可以使用;  
(2) 開發(fā)出大尺寸元件,直徑達120mm,2ms方波,沖擊電流達到1200A,能量容量平均可達300J/cm3左右;
(3) 汽車用(85~120)℃工作溫度下的高能元件;   
(4) 視在介電常數(shù)小于500的高頻元件;
(5) 壓敏—電容雙功能電磁兼容(EMC)元件;
(6) 毫秒級三角波、能量密度750J/cm3以上的低壓高能元件;  
(7) 老化特性好、電容量大、陡波響應(yīng)快的無鉍(Bi)系氧化鋅壓敏元件;;
(8) 化學共沉淀法和熱噴霧分解法壓敏電阻復(fù)合粉體制備技術(shù);  
(9) 壓敏電阻的微波燒結(jié)技術(shù);
(10) 無勢壘氧化鋅大功率線性電阻.

3 壓敏電阻器的應(yīng)用原理 ：
      壓敏電阻器是一種具有瞬態(tài)電壓抑制功能的元件,可以用來代替瞬態(tài)抑制二極管、齊納二極管和電容器的組合.壓敏電阻器可以對IC及其它設(shè)備的電路進行保護,防止因靜電放電、浪涌及其它瞬態(tài)電流(如雷擊等)而造成對它們的損壞.使用時只需將壓敏電阻器并接于被保護的IC或設(shè)備電路上,當電壓瞬間高于某一數(shù)值時,壓敏電阻器阻值迅速下降,導通大電流,從而保護IC或電器設(shè)備;當電壓低于壓敏電阻器工作電壓值時,壓敏電阻器阻值極高,近乎開路,因而不會影響器件或電器設(shè)備的正常工作.
      壓敏電阻器的應(yīng)用廣泛,壓敏電阻主要可用于直流電源、交流電源、低頻信號線路、帶饋電的天饋線路.從手持式電子產(chǎn)品到工業(yè)設(shè)備,其規(guī)格與尺寸多種多樣.隨著手持式電子產(chǎn)品的廣泛使用,尤其是手機、手提電腦、PDA、數(shù)字相機、醫(yī)療儀器等,其電路系統(tǒng)的速度要求更高,并且要求工作電壓更低,這就對壓敏電阻器提出了體積更小、性能更高的要求.因此,表面組裝的壓敏電阻器元件也就開始大量涌現(xiàn),而其銷售年增長率要高于有引線的壓敏電阻器一倍多.
      預(yù)計2002年壓敏電阻器的市場增長率為13%,其中,多層片式壓敏電阻器市場增長率為20%~30%,徑向引線產(chǎn)品增長率為5%~10%.需求主要來自于電源設(shè)備,包括DC電源設(shè)備、不間斷電源,以及新的消費類電子產(chǎn)品,如數(shù)字音頻/視頻設(shè)備、視頻游戲,數(shù)字相機等.片式壓敏電阻器已占美國市場銷售總額的40%~45%.(0402)尺寸的片式壓敏電阻器最受歡迎.0201尺寸的產(chǎn)品尚未上市.AVX公司的0402片式壓敏電阻器有5.6V、9V、14V和18V等幾種電壓范圍的產(chǎn)品,它們的額定功率為50mJ,典型電容值范圍從90pF(18V的產(chǎn)品)~360pF(5.6V的產(chǎn)品).MaidaDevelopment公司也生產(chǎn)片式系列的壓敏電阻器,但目前只推出了非標準尺寸的產(chǎn)品,1210、1206、0805、0603和0402的產(chǎn)品正在試產(chǎn).  
      Littelfuse公司在2000年底前推出0201的產(chǎn)品.AVX和Littelfuse公司已推出電壓抑制器陣列,如AVX推出的Multiguard系列四聯(lián)多層陶瓷瞬態(tài)電壓抑制器陣列(即壓敏電阻器陣列)已經(jīng)被市場接納.可節(jié)省50%的板上空間,75%的生產(chǎn)裝配成本.Multiguad系列采用1206型規(guī)格.其中有一種雙聯(lián)元件采用0805規(guī)格,工作電壓有5.6V、9V、14V和18V等幾種,額定功率為0.1J.AVX公司推出Transfeed多層陶瓷瞬態(tài)電壓抑制器.該產(chǎn)品綜合了公司Transguard系列壓敏電阻器和Feedthru系列電容器/濾波器的功能.采用0805規(guī)格.該組件具有性能優(yōu)勢,更快的導通時間(或稱響應(yīng)時間,在200ps~250ps之間)和更小的并行系數(shù).  
      Littelfuse制造的MLN浪涌陣列組件1206規(guī)格,內(nèi)裝4只多層壓敏電阻器.該產(chǎn)品的ESD達到IEC671000-4-2第四級水平.其主要特性包括:感抗(1nH),相鄰?fù)ǖ来當_典型值50dB(頻率1MHz時),在額定電壓工作狀態(tài)下,漏電流為5A,工作電壓高達18V,電容值可由用戶指定.這種MLN貼片組件可用于板級ESD保護,應(yīng)用領(lǐng)域包括手持式產(chǎn)品、電腦產(chǎn)品、工業(yè)及醫(yī)療儀器等.  
EPCOS公司推出了T4N-A230XFV集成浪涌抑制器,內(nèi)含兩只壓敏電阻器和一種短路裝置.該產(chǎn)品用于電信中心局和用戶線一側(cè)的通信設(shè)備保護.
4、應(yīng)用納米材料改性壓敏電阻：
      氧化鋅壓敏陶瓷屬體型壓敏材料,電壓、電流特性對稱,壓敏電壓和通流能力可以控制,具有很高的非線性系數(shù),成為當今壓敏材料中的一個重要分支.為了解決高壓型壓敏電阻與高能型壓敏電阻應(yīng)用上的“死區(qū)”,提出添加納米材料進行壓敏電阻改性實驗研究,制得高壓高能型壓敏電阻,將能大幅度提高電壓梯度、非線性系數(shù)和能量密度.
      到目前為止,在亞微米級前驅(qū)粉體基礎(chǔ)上進行的各種傳統(tǒng)改性研究(粉體制備方法的改進、配方和燒結(jié)工藝調(diào)整等),均無法解決高壓高能問題,實現(xiàn)高壓高能壓敏電阻是公認的難題.壓敏行業(yè)的專家普遍認為:發(fā)展多學科交*研究,利用新技術(shù)、新材料對壓敏電阻進行改性是解決問題的關(guān)鍵.在各種新技術(shù)、新材料的應(yīng)用方面,納米材料已得到廣泛重視,也正在形成一種新的發(fā)展趨勢.目前國內(nèi)外有相當一批學者正在著手這方面的研究,初步研究結(jié)果已經(jīng)顯示出采用納米材料是實現(xiàn)高壓高能的有效途徑.
    在國外由前南斯拉夫塞爾維亞科學院Milosevic1994年使用高能球磨法,制成平均粒徑100nm以下的復(fù)合ZnO壓敏電阻粉末,經(jīng)高溫燒結(jié)而成的壓敏電阻,非線性系數(shù)達到45,燒成密度達到理論密度的99%,而且漏電流比較小.
      由此可見,納米材料可以大幅度提高電壓梯度、非線性系數(shù)(即降低殘壓比,改善大電流特性)和能量密度,對實現(xiàn)壓敏電阻和高壓高能具有重要意義.
      但是,當前文獻報道所涉及的研究方法僅限于全部使用納米材料,這種方法工藝復(fù)雜、成本高,不便于生產(chǎn)應(yīng)用.而在采用納米添加法領(lǐng)域內(nèi)(使用少量或微量的納米粉與亞微米粉相結(jié)合的方法),對壓敏電阻進行改性研究,這種方法的優(yōu)點在于:
      納米添加法具有選擇性,可根據(jù)不同的應(yīng)用需要,有目的地進行單組份納米添加實驗,尋求改性效果最佳的納米材料和添加比例,因而原料成本不會大幅度增加.
      制備方法簡單,基本上改變壓敏電阻的現(xiàn)有生產(chǎn)方法,研究成果便于直接應(yīng)用到生產(chǎn)實際中去.

5、壓敏電阻的不足：
5.1 寄生電容大 壓敏電阻具有較大的寄生電容，一般在幾百至幾千微微法的范圍。在高頻信號系統(tǒng)中會引起高頻信號傳輸畸變，從而引起系統(tǒng)正常運行。
5.2 泄漏電流的存在 壓敏電阻的泄漏電流指標既關(guān)系到被保護電子系統(tǒng)的正常運行，又關(guān)系到壓敏電阻自身的老化和使用壽命。
壓敏電阻的損壞形：
5.3 當壓敏電阻在抑制暫態(tài)過電壓時能量超過其額定容量時，壓敏電阻會因過熱而損壞，主要表現(xiàn)為短路、開路。
6、壓敏電阻微觀結(jié)構(gòu)、等效電路圖： 

                  

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7、壓敏電阻電路的“安全閥”作用：
      壓敏電阻有什么用？壓敏電阻的最大特點是當加在它上面的電壓低于它的閥值"UN"時，流過它的電流極小，相當于一只關(guān)死的閥門，當電壓超過UN時，流過它的電流激增，相當于閥門打開。利用這一功能，可以抑制電路中經(jīng)常出現(xiàn)的異常過電壓，保護電路免受過電壓的損害。
8、應(yīng)用類型
      不同的使用場合，應(yīng)用壓敏電阻的目的，作用在壓敏電阻上的電壓/電流應(yīng)力并不相同，
因而對壓敏電阻的要求也不相同，注意區(qū)分這種差異，對于正確使用是十分重要的。
根據(jù)使用目的的不同，可將壓敏電阻區(qū)分為兩大類：①保護用壓敏電阻，②電路功能用壓敏電阻。
8.1保護用壓敏電阻
（1） 區(qū)分電源保護用，還是信號線，數(shù)據(jù)線保護用壓敏電阻器，它們要滿足不同的技術(shù)標準的要求。
（2） 根據(jù)施加在壓敏電阻上的連續(xù)工作電壓的不同，可將跨電源線用壓敏電阻器可區(qū)分為交流用或直流用兩種類型，壓敏電阻在這兩種電壓應(yīng)力下的老化特性表現(xiàn)不同。
（3） 根據(jù)壓敏電阻承受的異常過電壓特性的不同，可將壓敏電阻區(qū)分為浪涌抑制型，高功率型和高能型這三種類型。
★浪涌抑制型：是指用于抑制雷電過電壓和操作過電壓等瞬態(tài)過電壓的壓敏電阻器，這種瞬態(tài)過電壓的出現(xiàn)是隨機的，非周期的，電流電壓的峰值可能很大。絕大多數(shù)壓敏電阻器都屬于這一類。
★高功率型：是指用于吸收周期出現(xiàn)的連續(xù)脈沖群的壓敏電阻器，例如并接在開關(guān)電源變換器上的壓敏電阻，這里沖擊電壓周期出現(xiàn)，且周期可知，能量值一般可以計算出來，電壓的峰值并不大，但因出現(xiàn)頻率高，其平均功率相當大。
★高能型：指用于吸收發(fā)電機勵磁線圈，起重電磁鐵線圈等大型電感線圈中的磁能的壓敏電壓器，對這類應(yīng)用，主要技術(shù)指標是能量吸收能力。
壓敏電阻器的保護功能，絕大多數(shù)應(yīng)用場合下，是可以多次反復(fù)作用的，但有時也將它做成電流保險絲那樣的"一次性"保護器件。例如并接在某些電流互感器負載上的帶短路接點壓敏電阻。
8.2電路功能用壓敏電阻
      壓敏電阻主要應(yīng)用于瞬態(tài)過電壓保護，但是它的類似于半導體穩(wěn)壓管的伏安特性，還使它具有多種電路元件功能，例如可用作：
（1）直流高壓小電流穩(wěn)壓元件，其穩(wěn)定電壓可高達數(shù)千伏以上，這是硅穩(wěn)壓管無法達到的。
（2）電壓波動檢測元件。
（3）直流電瓶移位元件。
（4）均壓元件。
（5）熒光啟動元件
9、保護用壓敏電阻的基本性能
（1）保護特性，當沖擊源的沖擊強（或沖擊電流Isp=Usp/Zs)不超過規(guī)定值時，壓敏電阻的限制電壓不允許超過被保護對象所能承受的沖擊耐電壓（Urp）。
（2）耐沖擊特性，即壓敏電阻本身應(yīng)能承受規(guī)定的沖擊電流，沖擊能量，以及多次沖擊相繼出現(xiàn)時的平均功率。
（3）壽命特性有兩項，一是連續(xù)工作電壓壽命，即壓敏電阻在規(guī)定環(huán)境溫度和系統(tǒng)電壓條件應(yīng)能可靠地工作規(guī)定的時間（小時數(shù)）。二是沖擊壽命，即能可靠地承受規(guī)定的沖擊的次數(shù)。
（4）壓敏電阻介入系統(tǒng)后，除了起到"安全閥"的保護作用外，還會帶入一些附加影響，這就是所謂"二次效應(yīng)"，它不應(yīng)降低系統(tǒng)的正常工作性能。這時要考慮的因素主要有三項，一是壓敏電阻本身的電容量（幾十到幾萬PF），二是在系統(tǒng)電壓下的漏電流，三是壓敏電阻的非線性電流通過源阻抗的耦合對其他電路的影響。