壓敏電阻（Voltage   depends on   resistor, which is called Video Disk Recorder or varistor for short）它是一種敏感元件，在一定電壓范圍內(nèi)，其電流隨電壓的增加而急劇增加。其中，氧化鋅壓敏電阻就是其中的代表。

壓敏電阻是一種典型的非線性電阻器件在一定的電流和電壓范圍內(nèi)，電阻值隨電壓而變化當(dāng)壓敏電阻兩極的電壓低于閾值時(shí)，通過它的電流幾乎為零；當(dāng)變阻器兩極的電壓高于閾值時(shí)，變阻器會(huì)通過將電壓箝位到安全電壓值來保護(hù)電路中的敏感器件。變阻器有很多種，按結(jié)構(gòu)分為結(jié)型變阻器、體型壓敏電阻器、單顆粒層壓敏電阻、薄膜壓敏電阻器。按所用材料分類，可分為氧化鋅壓敏電阻、碳化硅變阻器、金屬氧化物變阻器、鍺(硅)壓敏電阻器、鈦酸鋇壓敏電阻。按伏安特性可分為對稱壓敏電阻(無極性)不對稱變阻器(有極性)

隨著工業(yè)自動(dòng)化、隨著晶體管的發(fā)展和電子電路的小型化，電路的保護(hù)越來越受到重視，壓敏電阻已經(jīng)成為電子電氣產(chǎn)品設(shè)計(jì)中非常重要的元件。目前，壓敏電阻已廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)家用電器高壓輸電線路，以及軍工鐵路運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的電路系統(tǒng)中，起到過壓保護(hù)和穩(wěn)壓的作用。

壓敏電阻的陶瓷材料是一種半導(dǎo)體陶瓷材料，當(dāng)它達(dá)到一定的溫度或在一定的電壓幅值時(shí)會(huì)具有伏安特性的非線性伏，其電阻會(huì)根據(jù)相應(yīng)電壓的增大而相應(yīng)減小。壓敏電阻的成熟經(jīng)歷了一個(gè)漫長的歷史發(fā)展階段，人們不斷創(chuàng)新和更換交替壓敏材料。本文從壓敏陶瓷材料的種類和特點(diǎn)出發(fā)，探討了壓敏陶瓷的發(fā)展。

碳化硅壓敏電阻

碳化硅（SiC）壓敏電阻是研究和應(yīng)用最早的壓電陶瓷之一。1908年，人們發(fā)現(xiàn)SiC材料具有非線性I-V特性。由于電氣工程中的設(shè)備容易被雷電損壞，因此迫切需要研制避雷器來防止設(shè)備被雷電損壞。所以1930年碳化硅避雷器問世。20世紀(jì)40年代末，蘇聯(lián)制造了低壓碳化硅變阻器。

氧化鋅壓敏電阻

由于非線性度低響應(yīng)時(shí)間長浪涌吸收能力不足，用SiC制作的壓敏電阻不能有效地保護(hù)電力系統(tǒng)。人們迫切需要高非線性系數(shù)、在高吸能壓敏元件的背景下，ZnO壓敏電阻引起了廣泛的關(guān)注。

20世紀(jì)60年代初，蘇聯(lián)研究人員首先發(fā)現(xiàn)ZnO壓敏電阻器具有一定的非線性伏安特性，但蘇聯(lián)研究人員制備的ZnO壓敏電阻器的非線性系數(shù)較小。1968年，日本松下公司首次研制成功氧化鋅、由于壓敏電阻是由幾種氧化物添加劑改性的，所以它具有很大的通流能力、非線性系數(shù)大、漏電流小、響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)異的電性能，迅速成為制造壓敏電阻的主導(dǎo)材料，開啟了壓敏電阻的新時(shí)代。

1975年以前，ZnO壓敏電阻器主要用于高壓，1975年以后開始用于低壓，如汽車電子電路ic保護(hù)等。1975年，日本明電研究所開發(fā)了世界 s首款采用氧化鋅壓敏電阻的66KV無間隙氧化鋅避雷器，2014年獲美國電氣與電子工程師協(xié)會(huì)獎(jiǎng)“里程碑”認(rèn)證。

近年來，多層片式氧化鋅壓敏電阻(MLCV)發(fā)展，它有小型化的體積和重量、電學(xué)性能優(yōu)異、響應(yīng)時(shí)間短(1~5ns)溫度特性好、穩(wěn)定性好壽命長、適用于表面貼裝等，因此廣泛應(yīng)用于IC保護(hù)和CMOS、MOSFET器件保護(hù)汽車線路保護(hù)等電子技術(shù)。如：2007年，日本TDK公司開發(fā)的0603尺寸疊層片式壓敏電阻用于電子設(shè)備的ESD保護(hù)，其壓敏電壓達(dá)到6.8V，電容100pF，體積0.6mm×0.3mm×0.3mm。

二氧化鈦壓敏電阻

20世紀(jì)80年代初，貝爾實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了TiO2基壓敏電阻來代替SiC壓敏電阻。在電話線的應(yīng)用中，低壓TiO2壓敏電阻已經(jīng)取代了SiC壓敏電阻。低壓壓敏電阻的發(fā)展逐漸引起人們的關(guān)注TiO2 2壓敏電阻可廣泛應(yīng)用于各種電子元件、通訊設(shè)備、微型電機(jī)、汽車工業(yè)和鐵路信號保護(hù)具有非常廣闊的市場前景。

壓敏電阻

鈦酸鍶壓敏電阻

進(jìn)入80年代后，SrTiO3壓敏電阻首先在日本開發(fā)使用雖然這種新型壓敏電阻的非線性系數(shù)沒有ZnO壓敏電阻高，但靜電容量大（是ZnO的3 ~ 10倍）它具有抑制標(biāo)稱電壓以下雜波，吸收陡脈沖時(shí)過渡特性無超調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，隨后在歐美迅速得到應(yīng)用。鈦酸鍶壓敏電阻是一種保護(hù)性電子元件，不是單一的功能元件它不僅可用于微電機(jī)，也可用于電壓低于標(biāo)稱電壓的電器它被用作大量吸收陡脈沖和抑制雜波的裝置。

二氧化錫壓敏電阻

1995年，巴西科學(xué)家Painaro等人首次發(fā)現(xiàn)了這一過程(Co、Nb)摻雜SnO2壓敏電阻具有良好的致密性和高非線性特性。SnO2壓敏電阻與ZnO同屬N型半導(dǎo)體電子陶瓷不同的是，SnO2壓敏電阻的晶相結(jié)構(gòu)比較簡單，XRD下通常沒有明顯的第二相，而主要是SnO2金紅石相通常在高溫?zé)Y(jié)時(shí)，各種摻雜物的揮發(fā)較少，使得SnO2壓敏電阻具有相對均勻的微觀結(jié)構(gòu)同時(shí)，單一相的組成使得SnO2壓敏電阻的制備工藝和難度相對較低，只需少量摻雜即可獲得-v特性，另外，SnO2壓敏電阻具有較高的熱導(dǎo)率，可以降低這種材料受熱后熱崩潰的概率，從而進(jìn)一步提高電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。正是因?yàn)镾nO2壓敏電阻具有諸多優(yōu)點(diǎn)，這也是為什么SnO2壓敏電阻被認(rèn)為是未來替代ZnO的最佳替代材料。

各種材料制成的變阻器工作原理不同，其中Fe2O2、BaTiO3利用了電極和燒結(jié)體之間界面的非歐姆特性；SiC、ZnO、TiO2 2和SrTiO3 3利用了晶界的非歐姆特性。這是目前應(yīng)用最廣泛的地方、以壓敏性能最好的ZnO壓敏電阻為例，介紹了壓敏電阻的工作原理。

電路中ZnO壓敏電阻的連接方式和工作原理如右圖所示。在實(shí)際電路中，ZnO壓敏電阻元件與電器并聯(lián)。正常工作時(shí)，電路中的電壓在一定范圍內(nèi)，不超過ZnO壓敏電阻的閾值電壓，所以ZnO壓敏電阻的阻值很大，呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。在非正常運(yùn)行時(shí)，ZnO壓敏電阻器和電子器件會(huì)面臨過載電壓沖擊由于ZnO壓敏電阻器響應(yīng)速度快，可以在納秒時(shí)間內(nèi)響應(yīng)。此時(shí)，ZnO壓敏電阻的阻值迅速降低到很低的狀態(tài)，從高阻態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通態(tài)。電流不通過電子元件，而是流過ZnO壓敏電阻，作用在設(shè)備上的電壓遠(yuǎn)小于過電壓，從而有效地保護(hù)了電氣設(shè)備。因此，氧化鋅壓敏電阻也被稱為“突波吸收器”浪涌抑制器”

ZnO壓敏電阻工作時(shí)，大致可以分為兩種情況。第一種情況是過電壓的幅度不是很大，在ZnO壓敏電阻的耐受范圍內(nèi)。當(dāng)過電壓發(fā)生時(shí)，ZnO壓敏電阻的阻值迅速下降，壓敏電阻吸收了電路中過電壓的大部分能量。過電壓消失后，變阻器的電阻值可以恢復(fù)到原來的高阻值，不會(huì)影響電器的正常工作。另一方面，過載電壓很大，導(dǎo)致相應(yīng)的能量很高，超過了ZnO壓敏電阻器的承受能力，導(dǎo)致ZnO壓敏電阻器吸收能量后無法恢復(fù)原狀，導(dǎo)致壓敏電阻器劣化甚至熱擊穿。

結(jié)構(gòu)

變阻器電路符號、外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示。采用陶瓷工藝加工而成，如圖（a）為外形，圖（b）為電路符號。目前，廣泛使用的“氧化鋅”以變阻器的組成結(jié)構(gòu)為例如下圖所示，氧化鋅壓敏電阻的一般結(jié)構(gòu)相同，通常有氧化鋅晶粒、晶界層、這四個(gè)部分是電極和導(dǎo)線。其中氧化鋅晶粒電阻率低而晶粒界面電阻率高，在接觸的兩個(gè)晶粒之間形成相當(dāng)于齊納二極管的勢壘，成為壓敏電阻單元、并聯(lián)組成的壓敏電阻矩陣。壓敏電阻工作時(shí)，每個(gè)電池承擔(dān)能量，不像齊納二極管只在結(jié)區(qū)承擔(dān)電功率，所以陶瓷壓敏電阻的最大允許電流和額定功耗比齊納二極管大得多。

伏安特性

壓敏電阻與普通電阻的區(qū)別在于它的電壓和電流不服從歐姆 s定律，但在一定電壓范圍內(nèi)具有非線性伏安特性，其電阻隨外加電壓的變化而變化。當(dāng)電阻上的電壓小于閾值電壓時(shí)，電阻上的阻值為無窮大，當(dāng)電壓略高于閾值電壓時(shí)，其阻值迅速減小，變阻器處于導(dǎo)通狀態(tài)。下圖是壓敏電阻的伏安特性曲線，根據(jù)壓敏電阻兩端電壓值的不同，可以分為三個(gè)區(qū)域：

1）預(yù)擊穿區(qū)：在這個(gè)區(qū)域，變阻器處于低電流低電場狀態(tài)，里面流動(dòng)的電流非常非常小。

2）非線性區(qū)：在這個(gè)區(qū)域，流過變阻器的電流對電壓非常敏感當(dāng)電壓稍微增加時(shí)，電流急劇增加隧道電流傳導(dǎo)機(jī)制在該區(qū)域起決定性作用當(dāng)電場強(qiáng)度達(dá)到一定值時(shí)，電子會(huì)直接通過勢壘形成電流。

3）擊穿區(qū)：當(dāng)流過變阻器的電流密度繼續(xù)增加時(shí)，I-u曲線進(jìn)入崩潰區(qū)域。那么變阻器將被完全擊穿，不能自動(dòng)回到高阻狀態(tài)。

壓敏電壓

壓敏電阻電壓是壓敏電阻的擊穿電壓，也是決定壓敏電阻額定電壓的非線性電壓。壓敏電壓的值通常按以下方式定義：即在20℃時(shí)，1mA的電流流過壓敏電阻時(shí)，其兩端的電壓值。當(dāng)壓敏電阻應(yīng)用于電路時(shí)，受壓敏電阻保護(hù)的電路的最大額定電壓必須小于壓敏電阻的電壓值，才能保證壓敏電阻在電路的正常工作范圍內(nèi)也能正常工作。

非線性系數(shù)

壓敏電阻的非線性系數(shù)可以由電流變化率來確定、變阻器兩端電壓降的變化率之比。另外，當(dāng)電流密度的選取范圍發(fā)生變化時(shí)，壓敏電阻的非線性系數(shù)的值也隨之變化，因此在計(jì)算非線性系數(shù)時(shí)必須說明所選取的電流密度區(qū)域。在相同面積下，材料的非線性系數(shù)越大，其抑制浪涌電流的能力越強(qiáng)。

最大限制電壓

最大限制電壓是指壓敏電阻兩端所能承受的最大電壓，也稱為最大箝位電壓可以解釋為浪涌電壓超過壓敏電阻電壓時(shí)，壓敏電阻兩端可以測得的最大峰值電壓。在實(shí)際應(yīng)用中，為了保護(hù)電路，保證電路不被浪涌電壓損壞，應(yīng)保證這個(gè)數(shù)字小于電路的額定最大工作電壓。當(dāng)然，這是線路不采用多級保護(hù)時(shí)的要求如果線路采用多級保護(hù)，則不需要考慮這個(gè)問題。

通流容量

載流量就是人們常說的，是指在規(guī)定的條件下，允許通過壓敏電阻的最大脈沖電流。一般電子產(chǎn)品都會(huì)有一個(gè)通量值，這個(gè)通量值是根據(jù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中記錄的波形，通過脈沖測試得到的、可以利用間隙時(shí)間沖擊次數(shù)等數(shù)據(jù)對產(chǎn)品進(jìn)行脈沖試驗(yàn)，產(chǎn)品在試驗(yàn)中所能承受的最大電流就是其通量。使用壓敏電阻進(jìn)行電路保護(hù)時(shí)，選用的壓敏電阻能吸收浪涌電流，應(yīng)滿足超過產(chǎn)品最大通量的要求，以實(shí)現(xiàn)有效的電路保護(hù)。

使用劃分

變阻器根據(jù)使用目的可以分為兩類：保護(hù)用變阻器和電路功能用變阻器。保護(hù)用壓敏電阻：保護(hù)變阻器的主要用途是用于電源保護(hù)、信號線保護(hù)和數(shù)據(jù)線保護(hù)等，應(yīng)滿足不同技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。而且，壓敏電阻器的保護(hù)功能在大多數(shù)應(yīng)用中可以重復(fù)多次，但有時(shí)它也像一個(gè)成像電流保險(xiǎn)絲“一次性”保護(hù)器件。例如，與一些電流互感器負(fù)載并聯(lián)的具有短路觸點(diǎn)的變阻器。

電路功能變阻器：用于電路功能的壓敏電阻主要用于瞬態(tài)過電壓保護(hù)，但它類似于半導(dǎo)體齊納二極管的伏安特性，同時(shí)它也具有電路元件的功能，例如，它可以用作高壓小電流調(diào)節(jié)器、電壓波動(dòng)檢測元件、直流轉(zhuǎn)換元件、均壓元件和熒光燈啟動(dòng)元件等。

制造材料

根據(jù)變阻器的制造材料，有碳化硅變阻器、硅鍺壓敏電阻器、氧化鋅變阻器、鋅酸鋇壓敏電阻等。下面主要介紹常見的碳化硅壓敏電阻和氧化鋅壓敏電阻。

碳化硅變阻器：碳化硅壓敏電阻的原料是碳化硅晶體。它是以石英砂和焦炭為主要原料，加入一定量的摻雜劑，在氧化氣氛中于2300 ~ 2600℃熔煉而成。將熔煉得到的碳化硅晶體粉碎、除鐵、清洗過篩后，與陶瓷粘合劑按一定比例混合（粘土、長石等）對于低壓變阻器，加入少量石墨粉。將混合粉末通過陶瓷工藝制成片劑、將氈卷成或制成棒狀，然后在還原氣氛或中性氣體中于1000 ~ 1300℃燒結(jié)。最后，鋪設(shè)電極并進(jìn)行防潮封裝。碳化硅壓敏電阻工藝簡單、材料便宜、成本低，缺點(diǎn)是非線性系數(shù)小。

氧化鋅變阻器：氧化鋅壓敏電阻一般由金屬氧化物制成（ZnO）作為主要填料，通過摻雜不同比例的鉍（Bi）銻（Sb）錳（Mn）鈷（Co）金屬元素如等或者它們的金屬氧化物在高溫下燒結(jié)。它具有成本低非歐姆性好響應(yīng)時(shí)間快漏電流小通流能力大等優(yōu)點(diǎn)。廣泛用于各種電子元器件的瞬態(tài)過電壓保護(hù)。

工作性能

根據(jù)工作性能，壓敏電阻可分為高壓型和高能型兩種。高壓型壓敏電阻：高壓變阻器對窄脈沖寬度的過壓和浪涌具有理想的保護(hù)作用，如避雷器。

高能型壓敏電阻：高能壓敏電阻具有很強(qiáng)的耐受長脈寬浪涌的能力。常用于發(fā)電機(jī)滅磁和過電壓保護(hù)過程中吸收磁場能量和瞬時(shí)過電壓。

結(jié)構(gòu)劃分

按結(jié)構(gòu)分為結(jié)型壓敏電阻、體型壓敏電阻器、單顆粒層壓敏電阻、薄膜壓敏電阻器。下面主要介紹普通結(jié)線壓敏電阻器和體壓敏電阻器。

結(jié)型壓敏電阻器：由于電阻與金屬電極之間的特殊接觸，結(jié)型壓敏電阻具有非線性特性。

體型壓敏電阻器：體壓敏電阻的非線性是由電阻本身的半導(dǎo)體特性決定的。

伏安特性

按伏安特性可分為對稱壓敏電阻(無極性)不對稱變阻器(有極性)對稱變阻器(無極性)對稱壓敏電阻的特性曲線如右圖所示（a）如所示，是一條關(guān)于原點(diǎn)對稱的曲線，這種電阻稱為雙向電阻。

不對稱變阻器(有極性)不對稱壓敏電阻的特性曲線（b）如右圖所示，所描述的電阻稱為非雙向電阻，非雙向電阻元件需要用指定的標(biāo)記來區(qū)分兩個(gè)端子按鈕，以避免在實(shí)踐中因錯(cuò)誤連接而損壞器件。

網(wǎng)印技術(shù)

絲網(wǎng)印刷是在陶瓷壓敏電阻表面形成導(dǎo)電層最常用的方法，因?yàn)榻z網(wǎng)印刷后銀層的厚度可以很容易地通過改變絲網(wǎng)參數(shù)來改變，銀層的均勻性也很容易保證要獲得較厚的銀漿層，必須利用絲網(wǎng)印刷的厚膜功能。壓敏電阻器雖然不是輕產(chǎn)品，也不軟，但是體積很小，厚度一般在3mm以下，直徑大多小于10 mm，壓敏電阻器使用的銀漿粘度比較高，通常比普通絲印油墨要厚。如果不采取必要的措施，印刷出來的壓敏電阻在印刷過程中會(huì)像紙和膜一樣粘在屏幕底部，造成各種印刷問題。所以印刷壓敏電阻比較成熟的方法是使用吸氣式平網(wǎng)印花機(jī)，夾具和工作臺(tái)的連接保證了壓敏電阻印刷過程牢固的吸附在夾具表面完成精確印刷。

流延技術(shù)

流延是用自動(dòng)流延機(jī)將球磨后的壓敏陶瓷漿料均勻地涂在PET薄膜載帶上，形成一定厚度的壓敏陶瓷薄膜。流延薄膜帶的質(zhì)量主要由壓敏陶瓷漿料的質(zhì)量和流延工藝決定，流延工藝主要由流延過程中的烘烤溫度和烘烤時(shí)間決定，烘烤溫度和烘烤時(shí)間是流延工藝的關(guān)鍵。在漿料流延過程中，需要注意流延膜的干燥溫度和時(shí)間如果干燥溫度太低，干燥時(shí)間太短，則不能成膜；如果烘烤溫度過高，烘烤時(shí)間過長，流延膜帶的含水率會(huì)降低，會(huì)使后續(xù)的復(fù)膜附著力變差。

表面處理技術(shù)

壓敏陶瓷材料是半導(dǎo)體材料如果燒結(jié)后產(chǎn)品表面沒有絕緣，電鍍時(shí)鎳和錫會(huì)在基板表面生長，使產(chǎn)品表面短路，所以需要對基板表面進(jìn)行絕緣。目前，常用的表面處理方法有：1）聚合物絕緣材料的涂覆方法；2）表面通過噴涂或印刷絕緣釉來絕緣；3）表面處理液處理方法。

目前，氧化鋅是市場上應(yīng)用最廣泛的壓敏電阻材料、鈦酸銀、二氧化鈦和三氧化鎢有四種，其中氧化鋅是市場上應(yīng)用最廣泛的材料，具有良好的降壓性能，但其價(jià)格較高，需要支付更多的使用成本。鈦酸銀材料的應(yīng)用需要較高的技術(shù)水平，工藝復(fù)雜。但其內(nèi)部材質(zhì)可以吸收瞬間高頻噪聲和浪涌，降壓和電容的功能更為理想。二氧化鈦壓敏電阻材料具有良好的非線性伏安特性，易于實(shí)現(xiàn)內(nèi)部材料的低電壓化、彩色顯像管部件應(yīng)用廣泛。三氧化鎢系列材料的降壓和壓敏性能也非常理想，市場應(yīng)用前景也比較廣闊。市場上使用的壓敏電阻器大多采用上述材料，對提高低壓壓敏電阻器的技術(shù)性能有重要作用。

壓敏電阻的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，而且還在不斷擴(kuò)大。壓敏電阻可以作為獨(dú)立元件使用，也可以與其他保護(hù)元件一起組成電涌保護(hù)器具體用途和功能。