压敏电阻

压敏电阻（Voltage Dependent Resistor，简称VDR或Varistor）是在某一特定的电压范围内，随着电压的增加，电流急剧增大的敏感元件。其中具有代表性的是氧化锌压敏电阻。^[1][6][7]

压敏电阻是一种典型的非线性电阻器件，在一定电流电压范围内电阻值随电压而变，当压敏电阻两极电压低于阈值时，通过它的电流几乎为零；当压敏电阻的两极的电压高于阈值时，此时压敏电阻就会通过将电压钳位到安全的电压值来保护电路中的敏感器件。^[7][8]压敏电阻种类繁多，按结构分类分为结型压敏电阻器、体型压敏电阻器、单颗粒层压敏电阻器、薄膜压敏电阻器。按使用材料分类分为氧化锌压敏电阻器、碳化硅压敏电阻器、金属氧化物压敏电阻器、锗(硅)压敏电阻器、钛酸钡bèi压敏电阻器。按伏安特性分类可分为对称型压敏电阻器(无极性)、非对称型压敏电阻器(有极性)。^[1][7][6]

随着工业自动化、电子线路的晶体管化和微型化的发展，对电路的保护作用更为重视，压敏电阻在电子电器产品设计上已是一个非常重要的元器件。^[9][10]目前，压敏电阻已被广泛应用于计算机，家用电器，高压输电线路，以及军工，铁路交通等领域的电路系统中，起到过电压保护及稳定电压的作用。^[2]

压敏电阻的陶瓷材料达到一定的温度或者是在特定的电压幅度就会有伏安特性这种非线性的伏特，它的电阻会根据相应电压的增加而相应减小的一种半导体瓷质材料。压敏电阻的成熟经历了相当长的历史发展阶段，人们不断的创新和更换交替压敏电阻材料。本文以压敏电阻陶瓷材料的种类与特性为线索，探究压敏电阻的发展历程。^[11]

碳化硅（SiC）压敏电阻是最早研究和应用的压敏陶瓷之一。^[12]1908年，人们发现SiC材料具有非线性的I-V特性。由于电气工程中的器件容易被雷电冲击损坏，迫切需要研发出防止器件被雷电冲击损坏的避雷器。因此，1930年SiC避雷器问世。^[2][13]在40年代末，苏联制成低压碳化硅压敏电阻器。^[14]

由于SiC制备的压敏元件的非线性较低，响应时间较长，浪涌吸收能力不足，不能够有效的保护电力系统。在人们迫切需要高非线性系数、高能量吸收能力的压敏元器件的背景下，ZnO压敏电阻得到人们的广泛关注。^[15]

20世纪60年代初，苏联研究人员最先发现ZnO压敏电阻具有一定的非线性伏安特性，但是苏联研究人员制备出的ZnO压敏电阻的非线性系数较小。^[15]1968年日本松下公司首次研制成功了以ZnO为主体、若干氧化物添加剂改性的压敏电阻器以来，它就以通流容量大、非线性系数大、漏电流小、响应时间短等优异的电学性能迅速成为制造压敏电阻器的主导材料，开启了压敏电阻的新纪元。^[5][16]

在1975年以前，ZnO压敏电阻主要应用在高压方面，从1975年开始应用在低压方面，例如汽车电子线路和IC保护。^[5]1975年日本明电舍开发出世界上第一台使用氧化锌压敏电阻的66KV无间隙氧化锌避雷器，这一成果在2014年获得了美国电气与电子工程师协会的“里程碑”认证。^[17]

近年来多层片式ZnO压敏电阻器(MLCV)被开发出来，它具有体积重量小型化、电学性能优异、响应时间短(1~5ns)、温度特性好、稳定性好寿命长、适合表面贴装等特点，因而被广泛应用在IC保护及CMOS、MOSFET器件保护及汽车线路保护等电子技术方面。^[5]如：2007年，日本TDK公司研发的0603尺寸叠层片式压敏电阻器，用于电子装备静电放电防护，其压敏电压最低达到6.8V，电容量为100pF，尺寸为0.6mm×0.3mm×0.3mm。^[18]

八十年代初，美国贝尔实验室研发了TiO2基压敏电阻器用来取代SiC压敏材料。在电话线路应用上低压TiO2压敏电阻器取代了SiC压敏陶瓷。低压压敏电阻器的研制从此逐渐引起人们的关注，TiO2压敏电阻器可广泛用于各种电子元器件、通讯设备、微型电机、汽车工业和铁路信号的保护，具有十分广阔的市场前景。^[5]

进入八十年代后，日本首先开发并使用SrTiO3压敏电阻，虽然这种新型变阻器的非线性系数不如ZnO变阻器高，但是它具有静电容量大（是ZnO的3～10倍），对低于标称电压的杂波有抑制作用，而且在吸收陡脉冲时不会出现过渡特性上冲等优点，随后在欧美迅速使用开来。SrTiO3压敏电阻是一种保护性电子元件，而非单一性功能元件，不仅可用于微特电机，亦可用于低于标称电压的电器上，作吸收陡脉冲器件及对杂波抑制器件，用量相当大。^[19][20]

1995年巴西科学家Painaro等人首次发现经过(Co、Nb)掺杂后SnO2压敏电阻具有良好的致密性和很高非线性特性。SnO2压敏电阻与ZnO一样都同属n型半导体电工陶瓷，所不同的是SnO2压敏电阻晶相结构较为单一，通常在XRD下观察不到有明显的第二相存在，而主要以SnO2金红石相为主，通常在高温烧结时，各种掺杂剂的挥发量较少，使得SnO2压敏电阻具有相对均匀的微观结构，同时单一相的组成，使得SnO2压敏电阻的制备工艺和难度相对来说降低了许多，并且经过少量的掺杂就能表现出很高的非线性I-V特性，除此之外，SnO2压敏电阻还具有很高的热导率，这可以减少这种材料在受热之后发生热崩溃的概率，从而能够进一步的提高电力系统安全与稳定运行。正是由于SnO2压敏电阻具有诸多优点，这也正是SnO2压敏电阻被认为是将来取代ZnO的最佳替代材料。^[2][11][21]

各种材料制造的压敏电阻工作原理不同，其中Fe2O2、BaTiO3利用的是电极与烧结体界面的非欧姆特性；SiC、ZnO、TiO2以及SrTiO3用的是晶界的非欧姆特性。此处以目前应用最广、压敏性能最好的ZnO压敏电阻为例介绍压敏电阻的工作原理。^[22]

ZnO压敏电阻在电路中的连接方式与工作原理如右图所示。在实际电路中，ZnO压敏电阻元器件在与用电器并联。正常工作中，电路中的电压在一定范围内，没有超过ZnO压敏电阻的阈值电压，那么ZnO压敏电阻的阻值很大，表现为高阻态。在非正常工作中，ZnO压敏电阻和电子设备会面对过载电压冲击，由于ZnO压敏电阻的响应速度很快，可以在纳秒级的时间内作出响应。此时的ZnO压敏电阻迅速将阻值降到极低状态，从高阻态变为导通状态。电流就不从电子元器件经过，而是从ZnO压敏电阻器流过，作用在设备上的电压远远小于过电压，电器设备得到有效保护。因此，ZnO压敏电阻器也被称为“突波吸收器”“浪涌抑制器”。^[23][24]

ZnO压敏电阻工作运转时，可以大致分为两种情况。第一种情况是过电压幅值不是很大，在ZnO压敏电阻的承受范围内。当过电压出现时，ZnO压敏电阻阻值迅速下降，压敏电阻器吸收了电路中过电压的绝大部分能量。在过电压消失后，压敏电阻器的阻值能够恢复到原先高阻值的特性，这样不会影响到用电器的正常工作。另一种情况是过载电压很大，导致其能量相应的也很高，超过了ZnO压敏电阻器的承受能力，导致ZnO压敏电阻在吸收能量之后不能恢复到原来的状态，造成压敏电阻器发生劣化甚至热击穿。^{[25][26][24][23]}

压敏电阻的电路符号、外形和内部结构如下图所示。它是以陶瓷工艺加工而成，图（a）为外形，图（b）为电路符号。^[27][28]

以当前应用较为广泛的“氧化锌”压敏电阻器的组成结构为例，如下图所示，氧化锌压敏电阻大体结构相同，通常有氧化锌晶粒、晶界层、电极和引线这4个部分。其中，氧化锌晶粒的电阻率较低而晶界面的电阻率较高，相接触的两个晶粒之间形成一个相当于齐纳二极管的势垒，成为一个压敏电阻单元，各单元经串、并联组成的压敏电阻器基体。当压敏电阻工作时，每个单元都承担能量，而不像齐纳二极管仅在结区承担电功率，因此陶瓷压敏电阻比齐纳二极管的最大允许电流和额定功率耗散值大得多。^[27][28]

压敏电阻和普通的电阻区别在于，其电压和电流能够不遵守欧姆定律，而是在某一特定电压范围内具有非线性伏安特性，其电阻随外加电压变化而变化。当电阻器上的电压小于阀值电压时，电阻器上的阻值则为无穷大状态，当电压略高于阀值电压时，其阻值迅速减小，压敏电阻处于导通状态。^[29][30]下图即压敏电阻的伏安特性曲线，根据压敏电阻两端不同电压值可以分为三个区域：

（1）预击穿区：在此区域，压敏电阻处于小电流低电场中，内部流过的电流非常非常小。^[25][31][27]

（2）非线性区：此区域，流过压敏电阻的电流对电压非常敏感，电压稍微增加，电流急剧增加，该区域起决定性作用的是隧道电流导电机制，当电场强度达到一定值时，电子将直接通过势垒形成电流。^[25][31][27]

（3）击穿区：当流过压敏电阻的电流密度继续增加，则I-U曲线就进入了击穿区。那么压敏电阻就会被完全击穿，无法自动恢复到高阻值状态。^{[30][25][27][31]}

压敏电压是压敏电阻的击穿电压，也是决定压敏电阻额定电压的非线性电压。压敏电压的值通常是以下的方式定义：即20℃下，有1mA的电流流经压敏电阻时其两端的电压值。在将压敏电阻应用到电路中时，为了保证在电路正常工作的范围内，压敏电阻也是正常工作的，压敏电阻所保护的电路的最大额定电压一定要小于压敏电阻电压值。^[30][32]

压敏电阻的非线性系数可通过电流变化率、压敏电阻两端电压降变化率的比值而确定。此外，选取的电流密度变化范围不同时，压敏电阻非线性系数的数值随之改变，故在计算非线性系数时，必须说明所选择的电流密度区域。在同一区域内，材料的非线性系数越大，证明其抑制浪涌电流的能力越强。^[33]

最大限制电压指的是压敏电阻两端能够承受的最大电压，其也被称为最大钳位电压，可以这么解释，即在浪涌电压超过了压敏电压时，压敏电阻两端能够测到的最大峰值电压。在实际应用中，为了使其能够起到保护电路的作用，保证电路不被浪涌电压损坏，应保证这一数字小于电路额定最大工作电压。当然，这是在线路没有采用多级防护的情况下的要求，若线路中应用了多级防护，则不需要考虑这一问题。^[30][32]

通流容量就是人们常说的通流量，指的是规定条件下允许通过压敏电阻的最大脉冲电流值。一般情况下，电子产品都会有一个通流量值，这一数值是通过脉冲试验获得的，根据产品标准中记录的波形、间隙时间以及冲击次数等数据，可以对产品进行脉冲试验，在实验中产品能够承受的最大电流值即为其通流量。在使用压敏电阻进行电路保护时，所选择的压敏电阻能够吸收的浪涌电流，应能够满足超过产品最大通流量这一要求，这样才能够实现电路的有效保护。^[30][32]

除了上述核心技术指标外，压敏电阻的其他常见指标如下表所示：

上述资料来源：^{[30][32][34][35][6][24][36][37]}

按使用目的可将压敏电阻器区分为两大类：保护用压敏电阻和电路功能用压敏电阻。^[38]

保护用压敏电阻：保护用压敏电阻的主要用途是用于电源保护、信号线保护和数据线保护等，它们分别要满足不同的技术标准的要求。且压敏电阻器的保护功能，绝大多数应用场合下，是可以多次反复作用的，但有时也将它做成像电流保险丝那样的“一次性”保护器件。例如并联在某些电流互感器负载上的带短路接点压敏电阻。^[38]

电路功能用压敏电阻：电路功能用压敏电阻主要应用于瞬态过电压保护，但是它类似于半导体稳压管的伏安特性，还使它具有电路元件功能，例如可用作高压小电流稳压元件、电压波动检测元件、直流电平移位元件、均压元件和荧光灯启动元件等。^[38]

按压敏电阻的制造材料划分，有碳化硅压敏电阻器、硅锗压敏电阻器、氧化锌压敏电阻器、钦酸钡压敏电阻器等。下面主要介绍常见的碳化硅压敏电阻器和氧化锌压敏电阻器。^[39][40][7]

碳化硅压敏电阻器：碳化硅压敏电阻器所用的原材料是碳化硅晶体。它是用石英沙和焦碳等作为主要原料，加入一定数量的掺杂物，在氧化的气氛中，在2300~2600°的温度下冶炼而成的。冶炼得到的碳化硅晶体，经过破碎、除铁、清洗和筛析等工序后，按一定的比例与陶瓷粘合剂（粘土、长石等）相混合，对于低压压敏电阻还要加入少量石墨粉。混合的粉料用陶瓷工艺制备成片形、垫卷形或棒形的生还，然后在还原气氛或中性气中在1000~1300°C的温度下进行烧结。最后敷设电极和进行防潮包封。碳化硅压敏电阻器工艺简单、材料便宜、成本低，缺点是非线性系数小。^[10]

氧化锌压敏电阻器：氧化锌压敏电阻一般是由金属氧化物（ZnO）作为主要填充物，通过掺杂不同比例的铋（Bi）、锑（Sb）、锰（Mn）、钴（Co）等金属元素或其金属氧化物通过高温烧结而来。具有造价低廉，非欧姆性优良，响应时间快，漏电流小，通流容量大等优点。广泛应用于各类电子元器件的瞬态过电压保护。^[41]

依据工作性能压敏电阻可分为高压型和高能型两类。^[42]

高压型压敏电阻：高压型压敏电阻对窄脉宽的过电压和浪涌有着理想的防护能力，如避雷器。^[42]

高能型压敏电阻：高能型压敏电阻对承受长脉宽浪涌能力强。常用于吸收发电机在灭磁及过电压保护过程中的磁场能和瞬时过电压。^[42]

按结构分为结型压敏电阻器、体型压敏电阻器、单颗粒层压敏电阻器、薄膜压敏电阻器。^[7]下面主要介绍常见的结型压敏电阻器和体型压敏电阻器。

结型压敏电阻器：结型压敏电阻器是因为电阻体与金属电极之间的特殊接触，才具有了非线性特性。^[43]

体型压敏电阻器：体型压敏电阻器的非线性是由电阻体本身的半导体性质决定的。^[43]

按伏安特性分类分为对称型压敏电阻器(无极性)、非对称型压敏电阻器(有极性)。^[7]

对称型压敏电阻器(无极性)：对称型压敏电阻器的特性曲线如右图（a）所示，是关于原点对称的曲线，这类电阻器称为双向性的电阻器。^[44]

非对称型压敏电阻器(有极性)：非对称型压敏电阻器的特性曲线（b）如右图所示，其描述的电阻器称为非双向性电阻器，非双向性电阻元件需用规定的标记区别两个端钮，以避免在实用中接错而损坏器件。^[44]

压敏电阻的应用领域非常广泛，而且还在不断扩展。压敏电阻器既可以作为一个独立元件来使用，还可以与其它保护元件一起构成电涌保护器，具体用途与作用如下表所示。^[7]

以上资料来源：^{[38][40][32][30][16]}

在陶瓷压敏电阻表面形成导电层的最常见的方法是网印，这是因为网印后的银层厚度很容易通过改变丝网参数来改变，银层的均匀性也容易保证，要得到较厚的银浆层时就必须利用网印的厚膜功能。压敏电阻虽然不是轻薄产品，也并不柔软，但是体积很小，厚度一般在3mm以下，直径大多也小于10mm，压敏电阻所用的银浆黏度比较高，通常比一般的网印油墨要稠。如果不采用必要的措施，印刷过程中印刷压敏电阻会像纸张和薄膜那样轻薄的产品被黏附在网版底部，产生各种各样的印刷问题。所以印刷压敏电阻比较成熟的做法是采用吸气式的平面网印机，夹具和工作台的连接保证压敏电阻印刷过程被牢牢吸附于夹具表面完成准确的印刷。^[45]

流延是采用自动流延机将球磨后的压敏陶瓷浆料均匀涂覆在PET薄膜载带上，形成一定厚度的压敏陶瓷薄膜。流延膜带的质量主要由压敏电阻陶瓷浆料质量和流延工艺决定，而流延工艺主要由流延过程的烘烤温度和烘烤时间决定，是流延工艺的关键。在浆料流延过程中，对流延膜的干燥温度和干燥时间需要重点关注，若干燥温度过低，干燥时间过短，则无法成膜；如果烘烤温度过高，烘烤时间过久，将导致流延膜带含水率降低，使后续叠压结合性变差。^[18]

压敏陶瓷材料为半导体材料，产品烧结完成后如不进行表面绝缘处理，进行端头处理时，电镀过程中的镍niè和锡将生长在基体表面，使产品表面短路，故需对基体表面进行绝缘处理。目前常用的表面处理方法有：（1）高分子绝缘材料涂覆法；（2）表面喷涂或印刷绝缘釉料的方式进行表面绝缘处理；（3）表面处理液处理法。^[18]这三种方法区别如下表所示：

目前，市场上应用较多压敏电阻器材料有氧化锌、钛酸银、二氧化钛和三氧化钨四种，其中氧化锌系的材料在是市场上应用最为广泛的材料，有很好的降低压性能，但是其价格较高，需要支付较多的使用成本。钛酸银系材料的应用则需要较高的技术水平，过程复杂。但是其内部材料可以吸收瞬间高频率噪音和浪涌，降低电压和电容的功能更为理想。二氧化钛系压敏电阻器材料具有很好的非线性伏安特性，很容易实现内部材料的低压化，在小家电的集成电路、彩色显像管元件内应用较多。三氧化钨系材料的降低压压敏的性能也非常理想，其市场应用前景也比较广泛。在市场上应用的压敏电阻器大都是采用以上几种材料，这些材料在提升低压压敏电阻器的技术性能上发挥着重要的作用。^[46][5]