压敏电阻

压敏电阻（Voltage   depends on   resistor, which is called Video Disk Recorder or varistor for short）它是一种敏感元件，在一定电压范围内，其电流随电压的增加而急剧增加。其中，氧化锌压敏电阻就是其中的代表。

压敏电阻是一种典型的非线性电阻器件在一定的电流和电压范围内，电阻值随电压而变化当压敏电阻两极的电压低于阈值时，通过它的电流几乎为零；当变阻器两极的电压高于阈值时，变阻器会通过将电压箝位到安全电压值来保护电路中的敏感器件。变阻器有很多种，按结构分为结型变阻器、体型压敏电阻器、单颗粒层压敏电阻、薄膜压敏电阻器。按所用材料分类，可分为氧化锌压敏电阻、碳化硅变阻器、金属氧化物变阻器、锗(硅)压敏电阻器、钛酸钡压敏电阻。按伏安特性可分为对称压敏电阻(无极性)不对称变阻器(有极性)

随着工业自动化、随着晶体管的发展和电子电路的小型化，电路的保护越来越受到重视，压敏电阻已经成为电子电气产品设计中非常重要的元件。目前，压敏电阻已广泛应用于计算机家用电器高压输电线路，以及军工铁路运输等领域的电路系统中，起到过压保护和稳压的作用。

压敏电阻的陶瓷材料是一种半导体陶瓷材料，当它达到一定的温度或在一定的电压幅值时会具有伏安特性的非线性伏，其电阻会根据相应电压的增大而相应减小。压敏电阻的成熟经历了一个漫长的历史发展阶段，人们不断创新和更换交替压敏材料。本文从压敏陶瓷材料的种类和特点出发，探讨了压敏陶瓷的发展。

碳化硅压敏电阻

碳化硅（SiC）压敏电阻是研究和应用最早的压电陶瓷之一。1908年，人们发现SiC材料具有非线性I-V特性。由于电气工程中的设备容易被雷电损坏，因此迫切需要研制避雷器来防止设备被雷电损坏。所以1930年碳化硅避雷器问世。20世纪40年代末，苏联制造了低压碳化硅变阻器。

氧化锌压敏电阻

由于非线性度低响应时间长浪涌吸收能力不足，用SiC制作的压敏电阻不能有效地保护电力系统。人们迫切需要高非线性系数、在高吸能压敏元件的背景下，ZnO压敏电阻引起了广泛的关注。

20世纪60年代初，苏联研究人员首先发现ZnO压敏电阻器具有一定的非线性伏安特性，但苏联研究人员制备的ZnO压敏电阻器的非线性系数较小。1968年，日本松下公司首次研制成功氧化锌、由于压敏电阻是由几种氧化物添加剂改性的，所以它具有很大的通流能力、非线性系数大、漏电流小、响应时间短等优异的电性能，迅速成为制造压敏电阻的主导材料，开启了压敏电阻的新时代。

1975年以前，ZnO压敏电阻器主要用于高压，1975年以后开始用于低压，如汽车电子电路ic保护等。1975年，日本明电研究所开发了世界 s首款采用氧化锌压敏电阻的66KV无间隙氧化锌避雷器，2014年获美国电气与电子工程师协会奖“里程碑”认证。

近年来，多层片式氧化锌压敏电阻(MLCV)发展，它有小型化的体积和重量、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、适用于表面贴装等，因此广泛应用于IC保护和CMOS、MOSFET器件保护汽车线路保护等电子技术。如：2007年，日本TDK公司开发的0603尺寸叠层片式压敏电阻用于电子设备的ESD保护，其压敏电压达到6.8V，电容100pF，体积0.6mm×0.3mm×0.3mm。

二氧化钛压敏电阻

20世纪80年代初，贝尔实验室开发了TiO2基压敏电阻来代替SiC压敏电阻。在电话线的应用中，低压TiO2压敏电阻已经取代了SiC压敏电阻。低压压敏电阻的发展逐渐引起人们的关注TiO2 2压敏电阻可广泛应用于各种电子元件、通讯设备、微型电机、汽车工业和铁路信号保护具有非常广阔的市场前景。

压敏电阻

钛酸锶压敏电阻

进入80年代后，SrTiO3压敏电阻首先在日本开发使用虽然这种新型压敏电阻的非线性系数没有ZnO压敏电阻高，但静电容量大（是ZnO的3 ~ 10倍）它具有抑制标称电压以下杂波，吸收陡脉冲时过渡特性无超调等优点，随后在欧美迅速得到应用。钛酸锶压敏电阻是一种保护性电子元件，不是单一的功能元件它不仅可用于微电机，也可用于电压低于标称电压的电器它被用作大量吸收陡脉冲和抑制杂波的装置。

二氧化锡压敏电阻

1995年，巴西科学家Painaro等人首次发现了这一过程(Co、Nb)掺杂SnO2压敏电阻具有良好的致密性和高非线性特性。SnO2压敏电阻与ZnO同属N型半导体电子陶瓷不同的是，SnO2压敏电阻的晶相结构比较简单，XRD下通常没有明显的第二相，而主要是SnO2金红石相通常在高温烧结时，各种掺杂物的挥发较少，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较低，只需少量掺杂即可获得-v特性，另外，SnO2压敏电阻具有较高的热导率，可以降低这种材料受热后热崩溃的概率，从而进一步提高电力系统的安全稳定运行。正是因为SnO2压敏电阻具有诸多优点，这也是为什么SnO2压敏电阻被认为是未来替代ZnO的最佳替代材料。

各种材料制成的变阻器工作原理不同，其中Fe2O2、BaTiO3利用了电极和烧结体之间界面的非欧姆特性；SiC、ZnO、TiO2 2和SrTiO3 3利用了晶界的非欧姆特性。这是目前应用最广泛的地方、以压敏性能最好的ZnO压敏电阻为例，介绍了压敏电阻的工作原理。

电路中ZnO压敏电阻的连接方式和工作原理如右图所示。在实际电路中，ZnO压敏电阻元件与电器并联。正常工作时，电路中的电压在一定范围内，不超过ZnO压敏电阻的阈值电压，所以ZnO压敏电阻的阻值很大，呈现高阻状态。在非正常运行时，ZnO压敏电阻器和电子器件会面临过载电压冲击由于ZnO压敏电阻器响应速度快，可以在纳秒时间内响应。此时，ZnO压敏电阻的阻值迅速降低到很低的状态，从高阻态变为导通态。电流不通过电子元件，而是流过ZnO压敏电阻，作用在设备上的电压远小于过电压，从而有效地保护了电气设备。因此，氧化锌压敏电阻也被称为“突波吸收器”浪涌抑制器”

ZnO压敏电阻工作时，大致可以分为两种情况。第一种情况是过电压的幅度不是很大，在ZnO压敏电阻的耐受范围内。当过电压发生时，ZnO压敏电阻的阻值迅速下降，压敏电阻吸收了电路中过电压的大部分能量。过电压消失后，变阻器的电阻值可以恢复到原来的高阻值，不会影响电器的正常工作。另一方面，过载电压很大，导致相应的能量很高，超过了ZnO压敏电阻器的承受能力，导致ZnO压敏电阻器吸收能量后无法恢复原状，导致压敏电阻器劣化甚至热击穿。

结构

变阻器电路符号、外形和内部结构如下图所示。采用陶瓷工艺加工而成，如图（a）为外形，图（b）为电路符号。目前，广泛使用的“氧化锌”以变阻器的组成结构为例如下图所示，氧化锌压敏电阻的一般结构相同，通常有氧化锌晶粒、晶界层、这四个部分是电极和导线。其中氧化锌晶粒电阻率低而晶粒界面电阻率高，在接触的两个晶粒之间形成相当于齐纳二极管的势垒，成为压敏电阻单元、并联组成的压敏电阻矩阵。压敏电阻工作时，每个电池承担能量，不像齐纳二极管只在结区承担电功率，所以陶瓷压敏电阻的最大允许电流和额定功耗比齐纳二极管大得多。

伏安特性

压敏电阻与普通电阻的区别在于它的电压和电流不服从欧姆 s定律，但在一定电压范围内具有非线性伏安特性，其电阻随外加电压的变化而变化。当电阻上的电压小于阈值电压时，电阻上的阻值为无穷大，当电压略高于阈值电压时，其阻值迅速减小，变阻器处于导通状态。下图是压敏电阻的伏安特性曲线，根据压敏电阻两端电压值的不同，可以分为三个区域：

1）预击穿区：在这个区域，变阻器处于低电流低电场状态，里面流动的电流非常非常小。

2）非线性区：在这个区域，流过变阻器的电流对电压非常敏感当电压稍微增加时，电流急剧增加隧道电流传导机制在该区域起决定性作用当电场强度达到一定值时，电子会直接通过势垒形成电流。

3）击穿区：当流过变阻器的电流密度继续增加时，I-u曲线进入崩溃区域。那么变阻器将被完全击穿，不能自动回到高阻状态。

压敏电压

压敏电阻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。压敏电压的值通常按以下方式定义：即在20℃时，1mA的电流流过压敏电阻时，其两端的电压值。当压敏电阻应用于电路时，受压敏电阻保护的电路的最大额定电压必须小于压敏电阻的电压值，才能保证压敏电阻在电路的正常工作范围内也能正常工作。

非线性系数

压敏电阻的非线性系数可以由电流变化率来确定、变阻器两端电压降的变化率之比。另外，当电流密度的选取范围发生变化时，压敏电阻的非线性系数的值也随之变化，因此在计算非线性系数时必须说明所选取的电流密度区域。在相同面积下，材料的非线性系数越大，其抑制浪涌电流的能力越强。

最大限制电压

最大限制电压是指压敏电阻两端所能承受的最大电压，也称为最大箝位电压可以解释为浪涌电压超过压敏电阻电压时，压敏电阻两端可以测得的最大峰值电压。在实际应用中，为了保护电路，保证电路不被浪涌电压损坏，应保证这个数字小于电路的额定最大工作电压。当然，这是线路不采用多级保护时的要求如果线路采用多级保护，则不需要考虑这个问题。

通流容量

载流量就是人们常说的，是指在规定的条件下，允许通过压敏电阻的最大脉冲电流。一般电子产品都会有一个通量值，这个通量值是根据产品标准中记录的波形，通过脉冲测试得到的、可以利用间隙时间冲击次数等数据对产品进行脉冲试验，产品在试验中所能承受的最大电流就是其通量。使用压敏电阻进行电路保护时，选用的压敏电阻能吸收浪涌电流，应满足超过产品最大通量的要求，以实现有效的电路保护。

使用划分

变阻器根据使用目的可以分为两类：保护用变阻器和电路功能用变阻器。保护用压敏电阻：保护变阻器的主要用途是用于电源保护、信号线保护和数据线保护等，应满足不同技术标准的要求。而且，压敏电阻器的保护功能在大多数应用中可以重复多次，但有时它也像一个成像电流保险丝“一次性”保护器件。例如，与一些电流互感器负载并联的具有短路触点的变阻器。

电路功能变阻器：用于电路功能的压敏电阻主要用于瞬态过电压保护，但它类似于半导体齐纳二极管的伏安特性，同时它也具有电路元件的功能，例如，它可以用作高压小电流调节器、电压波动检测元件、直流转换元件、均压元件和荧光灯启动元件等。

制造材料

根据变阻器的制造材料，有碳化硅变阻器、硅锗压敏电阻器、氧化锌变阻器、锌酸钡压敏电阻等。下面主要介绍常见的碳化硅压敏电阻和氧化锌压敏电阻。

碳化硅变阻器：碳化硅压敏电阻的原料是碳化硅晶体。它是以石英砂和焦炭为主要原料，加入一定量的掺杂剂，在氧化气氛中于2300 ~ 2600℃熔炼而成。将熔炼得到的碳化硅晶体粉碎、除铁、清洗过筛后，与陶瓷粘合剂按一定比例混合（粘土、长石等）对于低压变阻器，加入少量石墨粉。将混合粉末通过陶瓷工艺制成片剂、将毡卷成或制成棒状，然后在还原气氛或中性气体中于1000 ~ 1300℃烧结。最后，铺设电极并进行防潮封装。碳化硅压敏电阻工艺简单、材料便宜、成本低，缺点是非线性系数小。

氧化锌变阻器：氧化锌压敏电阻一般由金属氧化物制成（ZnO）作为主要填料，通过掺杂不同比例的铋（Bi）锑（Sb）锰（Mn）钴（Co）金属元素如等或者它们的金属氧化物在高温下烧结。它具有成本低非欧姆性好响应时间快漏电流小通流能力大等优点。广泛用于各种电子元器件的瞬态过电压保护。

工作性能

根据工作性能，压敏电阻可分为高压型和高能型两种。高压型压敏电阻：高压变阻器对窄脉冲宽度的过压和浪涌具有理想的保护作用，如避雷器。

高能型压敏电阻：高能压敏电阻具有很强的耐受长脉宽浪涌的能力。常用于发电机灭磁和过电压保护过程中吸收磁场能量和瞬时过电压。

结构划分

按结构分为结型压敏电阻、体型压敏电阻器、单颗粒层压敏电阻、薄膜压敏电阻器。下面主要介绍普通结线压敏电阻器和体压敏电阻器。

结型压敏电阻器：由于电阻与金属电极之间的特殊接触，结型压敏电阻具有非线性特性。

体型压敏电阻器：体压敏电阻的非线性是由电阻本身的半导体特性决定的。

伏安特性

按伏安特性可分为对称压敏电阻(无极性)不对称变阻器(有极性)对称变阻器(无极性)对称压敏电阻的特性曲线如右图所示（a）如所示，是一条关于原点对称的曲线，这种电阻称为双向电阻。

不对称变阻器(有极性)不对称压敏电阻的特性曲线（b）如右图所示，所描述的电阻称为非双向电阻，非双向电阻元件需要用指定的标记来区分两个端子按钮，以避免在实践中因错误连接而损坏器件。

网印技术

丝网印刷是在陶瓷压敏电阻表面形成导电层最常用的方法，因为丝网印刷后银层的厚度可以很容易地通过改变丝网参数来改变，银层的均匀性也很容易保证要获得较厚的银浆层，必须利用丝网印刷的厚膜功能。压敏电阻器虽然不是轻产品，也不软，但是体积很小，厚度一般在3mm以下，直径大多小于10 mm，压敏电阻器使用的银浆粘度比较高，通常比普通丝印油墨要厚。如果不采取必要的措施，印刷出来的压敏电阻在印刷过程中会像纸和膜一样粘在屏幕底部，造成各种印刷问题。所以印刷压敏电阻比较成熟的方法是使用吸气式平网印花机，夹具和工作台的连接保证了压敏电阻印刷过程牢固的吸附在夹具表面完成精确印刷。

流延技术

流延是用自动流延机将球磨后的压敏陶瓷浆料均匀地涂在PET薄膜载带上，形成一定厚度的压敏陶瓷薄膜。流延薄膜带的质量主要由压敏陶瓷浆料的质量和流延工艺决定，流延工艺主要由流延过程中的烘烤温度和烘烤时间决定，烘烤温度和烘烤时间是流延工艺的关键。在浆料流延过程中，需要注意流延膜的干燥温度和时间如果干燥温度太低，干燥时间太短，则不能成膜；如果烘烤温度过高，烘烤时间过长，流延膜带的含水率会降低，会使后续的复膜附着力变差。

表面处理技术

压敏陶瓷材料是半导体材料如果烧结后产品表面没有绝缘，电镀时镍和锡会在基板表面生长，使产品表面短路，所以需要对基板表面进行绝缘。目前，常用的表面处理方法有：1）聚合物绝缘材料的涂覆方法；2）表面通过喷涂或印刷绝缘釉来绝缘；3）表面处理液处理方法。

目前，氧化锌是市场上应用最广泛的压敏电阻材料、钛酸银、二氧化钛和三氧化钨有四种，其中氧化锌是市场上应用最广泛的材料，具有良好的降压性能，但其价格较高，需要支付更多的使用成本。钛酸银材料的应用需要较高的技术水平，工艺复杂。但其内部材质可以吸收瞬间高频噪声和浪涌，降压和电容的功能更为理想。二氧化钛压敏电阻材料具有良好的非线性伏安特性，易于实现内部材料的低电压化、彩色显像管部件应用广泛。三氧化钨系列材料的降压和压敏性能也非常理想，市场应用前景也比较广阔。市场上使用的压敏电阻器大多采用上述材料，对提高低压压敏电阻器的技术性能有重要作用。

压敏电阻的应用领域非常广泛，而且还在不断扩大。压敏电阻可以作为独立元件使用，也可以与其他保护元件一起组成电涌保护器具体用途和功能。