ZnO低压压敏电阻陶瓷材料研究进展.pdf
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1、第2 3 卷 第6 期 Vo 1 2 3 No 6 材料科学 与 工程学报 J o u r n a l o f Ma t e r i a l s S c i e n c e&En g i n e e r i n g 文 章 编 号:1 6 7 3 2 8 1 2(2 0 0 5】0 6 0 9 1 5 0 4 总 第 9 8 期 De c 2005 Z n O低压压敏电阻陶瓷材料研究进展 赵 鸣,王卫民,张 昌松,张慧君,刘 向春,田长生(1 西北3-业大学材料科学与3-程学院,陕西 西安7 1 0 0 7 2;2 内蒙古科技大学材料科学与 T程学院,内蒙古 包 头0 1 4 0 1 0】【摘
2、 要】本文详细介绍了不同体系的Z n O低压压敏电阻材料特点及各自的局限性,并且对 Z n O压敏电阻向低压 化发展趋势下出现的材料低 温烧结技 术进 行了评述。最后 在总结 以往 研究的基础 上提 出了若干 Z n O低 压压敏 电阻材 料组份设计上的原则,可为压敏电阻及其它电子陶瓷材料的研究提供一定的指导意义。【关键词】低压 Z n O压敏电阻;低温烧结;配方设计 中图 分 类 号:T M2 8 6 文献 标 识 码:A Pr e s e n t De v e l o p me n t o f Lo w Vo l t a g e Zn O Va r i s t o r Ce r a mi
3、c s ZHAO M i n g 一,W ANG W e i mi n ,ZHANG Ch a n g s o ng ,Z HANG Hu i j u n L I U Xi a n g c h u n ,T I AN Ch a n g s h e n g (1 T h e Ma t e r i a l S c i e n c e a n d En g i n e e rin g c o H e g e o f No r t h we s t P o l y t e c h n i q u e Un i v e r s i t y。X i f tn 7 1 0 0 7 2;2T h e Ma t
4、 e r i a l Sci e n c e a n d En g l n e e rin g c o l l e g e o f I n n e r Mo n g o fi a Sci e n c e a n d T e c h n o l o g y Un i v e r s i t y,B a o t o u 0 1 401 0,Ch i n a)【A b s t r a c t】T h i s p a p e r p r e s e n t s a t e c h n i c a l r e v i e w o f m a t e ri a l c h a r a c t e ri s
5、 t i c s o f d i f f e r e n t s y s t e m s o f Z n O l o w-v o l t a g e v a ri s t o r c e r a m i c,a s we l l a s a r e e x a mi n a t i o n o f l o w t e mp e r a t u r e s i n t e r i n g t e c h n o l o g i e s u s e d i n t h e f a b ric a t i o n o f l o w v o l t a g e Zn O v a r i s t o
6、r c e r a mi cTh e n i n t h e l i g h t o f p e e r r e s e a r c h e s i n t h i s r e a l m,s e v e r a l g ui d e l i n e s,wh i c h c a n b e us e d i n t h e d e s i g n o f l o w v o l t a g e Zn O v a ris t o r,a r e g i v e n o u t a t t h e e n d o f t hi s a r t i c l e【K e y w o r d s】l
7、o w v o l t a g e Z n O v a ri s t o r;d o p a n t s;l o w t e m p e r a t u r e s i n t e r i n g 1 引 言 随着 电子 电路 领域 集成度 的 提高,各 种电子 元器 件 的 驱动电压及耐压 值逐渐 下 降,与此 同时,由 于静 电、电磁脉 冲(如人体静 电放电一 E S D)等原 因导致的单 一器件误操 作或 损坏造 成的整个集 成电路 出现误操 作或损坏 的机率也 大大 增加。因此在 现代集 成 电路应 用 中,需 要用大 量 的低压 压敏电阻吸收在电路 内部 或外部 的浪 涌电 压或 电
8、流,对集 成电路进行保 护,因此低 压压敏 电阻 有着 广阔 的市场 应 用 前景。多层 Z n O低压压敏电阻具有体积 小,通流容量 大,响 应速度快,限压特性 好和温度特性 优 良,适 合表面 安装等特 点,完全适应了这方面的需求。低 压 Z n O压敏 电阻材料 的研究以高压 Z n O压 敏电 阻材料 的研 究和 发展 为基础,是 继 Z n O材料被用于制备高压压敏电阻之 后的又一 重要发展 方向 。多层 Z n O低压压 敏 电阻采 用与 独石 型多层 电容 器相类 似的结 构,由 陶瓷材 料 的内电 极材料 共烧 而成。生 产中为降低生产成本,要 求陶 瓷材料 应具 有相对 较
9、低 的烧 结温度,这样有利于采用成 本更 低的、贵金 属(如 P t、P b等)含量少 的内电极材 料。因此 在低压 化发 展趋势下,Z n 0 压敏 电阻材料 除了应具有高 的非线性、均匀 的显微结 构,同 时还 应具有尽可能低 的烧结温度。2 低压 Z n O压敏 陶瓷 的材料体 系 目前 发展比较 成熟 的 Z n 0压敏 电阻材料 主要 有 以下 三 个体 系:(1)z n B i 系;(2)z n v系;(3)z n P r 系。z n B i 系 Z n O 压敏电阻材料是 目前 研究 最透彻、应 用最 广泛 的压 敏 电阻 材料。主要缺 点是烧结 温度较高,同时 主要 成份 B
10、i 2 O 具有 很 高的活性(熔 点约 8 2 5),烧结过程中易挥发导致材料的 成份 波动,同时也容易和 内电极材料中的 P d 或 A g 反应而降 低材料性能,因此其 在低 压压敏 电阻 方 面的应用 受 到一 定 的限制。与 z n B i 系材料 相 比,z n P r 系材料 具有 更好 的压 敏特性,非线性系数最高可达成 6 5 ,现 已被用于制造 几 百千伏变电站的电涌放电器。缺 点是材料 的烧结 温度高(大于 1 2 5 0),而 且 成 本 昂 贵。相 同纯 度 的原 料一 氧 化 镨 收 稿 日期:2 0 0 4 1 2 2 1;修 订 日期:2 0 0 5 0 3 0
11、 4 基金项 目:航空基金资助项 目(0 2 G 5 3 0 4 4)作者简 介:赵鸣(1 9 7 3一),男 辽宁绥中人,博士研究生 讲师,从事功能陶瓷材料制备及功能特性方面研究 维普资讯 http:/ 9l 6 材 料科 学与 工程学 报 2 0 0 5年 1 2月 (P r 2 O )价格 比氧化钒(V:O )的价格高 出 5 O倍,所 以这会在 一定程度上限制 z n P r 系 材料在 实际 中的推 广和 应用。但 目前商用 Z n O低压压敏电阻 中,P r 2 O 的用量一般 都不会超 过 0 5 m o 1。这样将 由于采用 P r,O 作原料而上升 的成 本,平均在单个体 积
12、很小、重 量很轻 的 多层压 敏 电阻上后 将是 微不足道的。(以广东丰华 高科生 产 的 0 6 0 3型低压 压敏 电 阻为为例,其单个体积仅 为 1 m m ,重 量约 为 0,O 1 g,由原 料 变化导致的成本上升将 不到一分 钱 只)。因此,只要能在保 证性能的同时,切实降低 z n P r 系材料 的烧结 温度,z n P r 系 材料是制备低压压敏电阻用的非 常有希望的候选 材料。z n v系材料是唯一 可以在 9 0 0 下烧结 的压敏 电阻材料“,这使其成为 目前最适合低压应用 的压敏 电阻材料。其组 成 相对简单时压敏特性 并不优 越。,要 想获得 高性 能的 压敏 陶瓷
13、,必须 在 Z n V系 材 料 中继续 添 加 多种 金 属 氧化 物 掺 杂,如 M n o 4、c o 2 O 、N a 2 O(以 N a C O 或 N a H C O 形 式 添 加)等,来改善其 压敏 特性 和老化特 性,以及 s 1)2 O 、c 等 来改善组织均 匀性。但有 时掺 杂 的引入(主 要是 S b:O )会 导致材料烧结温 度升 高。由此可见,实 现材 料 的烧结 过程 的低温化是 Z n O基压敏电阻材料所面临的共 同的课题。3 降低 烧结温度 的途径及技术 Z n O多层低压压敏电阻的制备工 艺为:原料准备一流延 料 浆一 流延成膜一 冲片一 内电极 印刷一叠
14、 片成块一 切割一 排胶一烧成一上 端面 电极一 性能 测试,降低 材料 的烧 结温 度可以从原料准备 和烧成 这两道工序人手。3 1 原料准备 阶段降低烧结温度的途径 Z n O基压敏电阻陶瓷材料 的烧结过 程是 典型 的液相烧 结。烧结 过程 中,原 料的粒 度越 小、表 面活性 越高,在烧 结 过程 中获得 的驱 动力越大,陶瓷 越容易在 较低 的温度 下 烧结。因此,许多研究者通过溶胶 凝胶法、共沉淀烧法等湿 化学方法,制备粒子 半径 小、表面 活性 高的 Z n O粉 体,并 以 此为原料制备出了可低温烧结 的、高性能的压敏电阻材料。3 1 1 溶胶 凝 胶(S o 1 G e 1)
15、法 这种 方法 已经被 广泛 应 用于包 括 Z n O在 内的 多种 电子 陶瓷 器件原料粉体 的制备研 究中。该 方法采用按既定 比例 的金属醇盐混合配成 一 定浓度 和 P H值 的胶体,经陈化 收缩后制成凝 胶,然后经 洗 涤、干燥等工序,制成 大小均 匀 的、纳 米级 的粉体 原 料。根 据刘素琴。加 的研究结 果,采用 S o 1 G e l 法 制得的 Z n O粉体 粒 度在 4 O8 0 n m之内(球磨 法制 得的粉 料直径 通常 为 1 m),大小分布均匀。以此 为原 料的 z n B i 系 多组 份陶 瓷原料 粉 体经 3 0 0 预烧后,烧 结可在 9 0 0 一1
16、 3 0 0 范 围内进行,最 佳 烧 结 温 度 降 至 1 2 0 0,非 线 性 指 数 为 2 8。Y a n q i u Q H u a n g 用 S o 1 G e l 法结 合旋 转喷 镀,在硅 衬底 上制 备 了在 7 5 0。C下可以烧结 成瓷 的、厚 度仅 2 m,压敏 电压为 4 V ra m、非线性系数为 2 2的薄膜型 压敏 电阻。目前 S o 1 G e l 法仅 在 某些特 定成份 的电子 陶瓷生 产中得 到应 用,并没有 在压 敏 电阻材 料的生 产 中得 到广 泛 的应用。其主要 原 因有 三:一 是 由于金属醇盐 价格 昂贵、种类有 限;二、生 产成本 高
17、;三、对于不同规格、掺杂元 素不同的产 品,必 须对溶胶 的配制及 陈化 等多道工 序做 出相应 的调整,使生产工艺复杂化。3 1 2 共沉 淀法 共沉 淀法是将组份元素 的可溶性盐类 按一 定比例配制成溶液,再加入相 应的沉 降剂如碳 酸氢铵、乙醇胺等,使各组份的元 素共 同形 成沉淀,并通过 调节溶液 的 P H值、浓度等途 径控 制沉 淀粉体 的性能。然 后经 洗涤、过滤后,得到混合均匀的、半径小(可达 2 0 0 n m 以下)粒 度分 布均一的氧化物复 合原料 粉体。复合粉 体 可以 在 9 0 0 下 烧结(z n B j 系)。与传统工 艺相 比,用共 沉淀法制 得的相 同 成份
18、的 Z n O压敏 电阻具有非线性 高、漏 电流小,晶界势 垒高 等特点。由于采 用可 溶性 盐类 作原 料,与前一 种 方法 相比,其生产成 本稍 低,但 是在 原料组 成 复杂 时,各种 沉淀 产生时间难 以同步,大大 降低 原料粉体 成份 的均 匀性,最终 必然导致器件性能的分散性加大。另外 制 备 小 半 径、高 活 性 粉 体 的 方 法 还 有 蒸 发 凝 结 、金属有机 聚合 物加 热分 解 等 方法,和上述 方 法一 样具有工艺难控制、需要 额外 添加设 备的缺点,因此并没有 在 Z n O压敏 电阻的生 产 中得 到广 泛的推 广 和应用,目前压 敏 电阻 的生产主要还是 以
19、传统 的干法生产为主。干法 即通 常所说 的氧 化物破碎法,其工艺 简单,成 本低廉。其缺点是制备的粉料 颗粒尺寸 大、均 匀性差,且容 易引入球磨介质污染等问题。随着高能球 磨和在球 磨介 质 及球磨罐 内壁包 附有机衬料、以及 引进喷雾造 粒等技 术,使 上述问题在很 大程度 上得 到缓 解。采 用干 法工艺,由于没 有 了湿法在烧结 驱动 力和表 面活 性方 面的优 势,因此 从原 料 准备 的角度来考虑 降低烧结温 度就 只能通过改 变原有 的 配方设计或 引入低熔点 的化合物或烧结助剂来进行。3 1 3 引入低熔点 的化合物或烧结助剂 通过引入低熔 点 化合 物或烧结 助剂来 降低材
20、 料烧结温 度的方法 是利用 液 相烧结 原理来达 到降 低材料 烧结 温度 的 目的,其依 然属 于 掺杂改性 的范畴。Z n O基压 敏电阻材料 中的掺杂元 素大 体 可以分成两类:a)非线性形成元素,如 B j、v、B a、P r、P b;b)改 性元 素,如非线 性促进元 素 Mn、C o、N b、Mo、N i、S b等和改 善 老化特性 元 素 、K、M L a、N d、s m、E u。上 述列 举 的掺 杂 元 素的氧化物中,B i 2 O,、V 2 、B。O,、P b O本身 就是低熔点 的 氧化物(熔点 分别 为:8 2 5 、6 8 5 、4 6 5、8 8 0)。由 于氧
21、化物粉体在烧结 过程 中通 常是 在熔 点之 下就 开始熔 化,所 以即便是在单独引入 情况 下,它们 也可 以起 到液 相烧结 降 低材料的烧结温度的作 用。另外一 些氧化 物则 可以 和 Z n O 或其它的组份一起形成低熔点化合 物(通 常是共 晶)或玻璃 相,例 如 B i 2 O 和 Z n O 在 7 5 0 ,B i2 O 和 A 1 2 O 在 8 1 0 、V 2 O 5和 B a O 在 5 3 0 ,P b O、B 2 O 、S i O 2组 成 的玻 璃 相 在 6 0 0 之下都可 以有液相 生成,它们 的共 同引入 同样有 降低 烧结温度 的作 用。例 如,吴 隽
22、在组 成 为:9 8 5 m o l Z n O 0 5 to o l V 2 O 。1 m o l M n O 2的 组 份 中继 续 添 加 了 6 w t (P b O+B:O )玻璃后,材料可 以在 8 0 0 下 经 4个小时烧结,非线性系数为 2 2 5,漏 电流为 7 6 1 0 A c m 。另据 一份 美 国专利川 的报导,在类似组份 中添加 1 01 5 w t 的 P b B s i 玻璃 料,材料的烧结 温度 可 以降低 到 9 0 0 以下,所 获得 维普资讯 http:/ 第 2 3 卷第 6期 赵鸣,等 Z n O低 压压 敏电阻陶瓷材料研究进展 9 1 7 的瓷
23、体的非线性 系数可 以达 到 3 5。因此 只要合理 利用、配 置上述各种有利 于低温烧 结 的因素,制 备压 敏 电阻的 三个 体系 的材料,理论 上都有进一步 降低烧结温度 的可 能性。掺杂元素 的引人形式也会对 材料 的烧结产生 影响。以 s b为例,当以氧化物形式 在 z n B i 系 材料 中添加 时,材 料 的 非线 性 在 改 善 的 同 时,烧 结 温 度 会 大 幅 增 高(大 于 1 2 5 0 o C)。“。主 要 原 因 是 S b,O 从 5 0 0o C左 右 开 始 挥发、沉积在 Z n O表面,形成 一层阻 碍 Z n O晶粒与外 界 的 传质过程 的非 晶阻
24、挡层。其对晶粒 生长 的阻碍作用 一直到 9 0 0 o C 时与 Z n O反 应 生成 Z n s 1)2 O,:尖 晶石 相 后才 会 结 束。若将 B i O 和 s b 2 O 在 5 5 5 o C 进行保温近 6小时的预处理后,再进行复合添加,上述 由于 s b 2 O 的挥发导致的对 晶粒成长 的阻碍作用就会大大降低。s b 掺杂使 材料烧结 温度 上升 的问题在 z n v系材料研 究中也同样存在,这非常不利于 压敏 电阻 材料 的 低压 应用。笔 者采 用 类 似方 法,将 V,O s b,O 按既定的 比例配料、球磨 后,在 6 0 0 C以上进 行大 于 l 小 时 的
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- ZnO 低压 压敏电阻 陶瓷材料 研究进展
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