1、山東陶瓷第20卷第4期Vol. 20No. 41997年12月Dec. 1997SHANDONG CER AMICS 綜述PT C 熱敏電阻器發(fā)展與應(yīng)用動態(tài)薛泉林(電子工業(yè)部第七研究所, 廣州510310摘要介紹PT C 熱敏電阻器發(fā)展的應(yīng)用狀況, 展望今后市場和技術(shù)動向, 并就國內(nèi)存在問題與差距提出看法。關(guān)鍵詞PT C 熱敏電阻器發(fā)展動態(tài)1發(fā)展概述PT C 陶瓷是一種鐵電半導(dǎo)體材料, 是近年來發(fā)展迅速的新型電子材料之一。PTC 熱敏電阻器被國外稱為在鐵電應(yīng)用中, 是繼電容器和壓電器件之后, 應(yīng)用廣、用量大的第三大類電子陶瓷元件。利用PTC 材料具有的阻溫特性、電流時間延遲特性和自控發(fā)熱的三大

2、特性, 迄今在電子、家電及其它各個領(lǐng)域(包括軍用和航天設(shè)備 正在獲得廣泛的應(yīng)用, 成為高可靠性電子元件之一。目前, PT C 熱敏電阻器的世界年產(chǎn)量超過10億只以上。日本在這方面居于領(lǐng)先地位。1985年日本PT CR 的年產(chǎn)量僅為0. 92億只, 年產(chǎn)值為69. 15億元, 1986年增加為1. 81億只, 產(chǎn)值108億元; 1987年達(dá)1. 93億只, 產(chǎn)值106. 3億元; 1992年產(chǎn)量已超過3億只, 產(chǎn)值超過200億元, 年平均增長率大于20%。最近幾年繼續(xù)保持增長的趨勢。據(jù)日本電子材料工業(yè)會統(tǒng)計資料, 從19931996年熱敏電阻器(含NT C 年產(chǎn)值分別達(dá)到393億、448億、47

3、4億和514億元。國內(nèi)除了有規(guī)模生產(chǎn)的PTC 熱敏電阻器公司外, 還建立有專門生產(chǎn)PT C 粉料的公司, 其中如富士鈦公司, 生產(chǎn)有8個品種, 年產(chǎn)700萬噸, 銷售世界各地。KYORIT SU 陶瓷材料公收稿日期19970805司能夠生產(chǎn)居里點從30330共十個品種的PT C 粉料, 已形成系列化(稱之KY-ORX 系列 , 可滿足各種不同用途的需要。PT C 陶瓷材料的發(fā)展已經(jīng)歷40多年。但目前仍以BaTiO 3系統(tǒng)為主流。1951年首先發(fā)現(xiàn)了PTC 效應(yīng), 1960年初, 由日本村田制作所最先開始投入生產(chǎn)PTCR, 1962年P(guān)T CR 元件被推選為日本工業(yè)新聞的十大新產(chǎn)品之一。PTCR

4、 被應(yīng)用于溫補元件、水位檢測、馬達(dá)過熱保護、彩電消磁元件、恒溫發(fā)熱體元件等用途; 70年代, PTCR 的制造工藝和應(yīng)用得到了較大的發(fā)展, 研制成蜂窩狀、口琴式發(fā)熱體, 單位面積的發(fā)熱功率有大幅度地提高, 在一塊 40m m 的PTC 片上, 從最初幾瓦可提高到幾百瓦, 于是在日本掀起了PT C 發(fā)熱體的應(yīng)用熱潮, 1977年日本電子技術(shù)編輯部專門出版了“PT C 發(fā)熱體及其應(yīng)用”特集, 介紹PTC 發(fā)熱體的設(shè)計、制造及應(yīng)用。進入80年代, 又發(fā)展了多孔PTC 陶瓷材料, 研制成居里點超過400的高溫PT C 材料, 開辟了在石油液化加熱器、石油預(yù)熱器等各方面的新應(yīng)用。最近幾年, PTCR 的

5、發(fā)展又取得長足的進展, 它表現(xiàn)在一方面繼續(xù)深入對PT C 效應(yīng)機理的研究, 提出了解釋PTC 效應(yīng)的新機理; 另一方面通過對微粉工程和微觀結(jié)構(gòu)的10山東陶瓷第20卷研究, 促進新材料、新器件和新結(jié)構(gòu)的開發(fā)和應(yīng)用。其中在材料方面開發(fā)出PbTiO 3-TiO 2系高溫PT C 材料, 具有PTC-NT C 特性的V 型PT C 材料, 室溫電阻率低于1 cm 的低阻PT C 材料、金屬-PT C 陶瓷復(fù)合材料以及有機PT C 復(fù)合材料等; 在新產(chǎn)品方面研制成片式PT CR 復(fù)合元件、多層結(jié)構(gòu)(獨石 PT CR 、高可靠性PT CR 等; 在新結(jié)構(gòu)方面開發(fā)出翅片發(fā)熱體結(jié)構(gòu), 使發(fā)熱效率得到明顯改善,

6、 在家電產(chǎn)品上取得大量應(yīng)用。其次, 國外在生產(chǎn)自動化和產(chǎn)品系列化方面進步明顯。生產(chǎn)趨向自動化, 生產(chǎn)率高。如松下月產(chǎn)500萬只, 村田制作所月產(chǎn)達(dá)1000萬只, 生產(chǎn)彩電用的消磁熱敏電阻器合格率大于80%(國內(nèi)約為40%左右 。村田制作所能夠生產(chǎn)電阻溫度系數(shù)從1660%/的各種PTCR , 產(chǎn)品形成系列化, 產(chǎn)品種類包括溫度傳感器、定溫發(fā)熱體、過流保護元件和各種開關(guān)元件等, 應(yīng)用范圍從家電進一步擴大到整容、醫(yī)療各類電子產(chǎn)品、汽車工業(yè)及辦公室自動化設(shè)備等, 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)從傳統(tǒng)圓片元件發(fā)展到適于表面組裝的片式元件、多層結(jié)構(gòu)的PTCR 等。所生產(chǎn)的PTC 熱敏電阻器品種, 規(guī)格計有169種之多。其中加熱

7、器有65種、暖風(fēng)器用4種、安全應(yīng)用11種、保護用24種、傳感器5種、馬達(dá)起動器30種、彩電消磁器13種、時間延遲器7種、過熱過流保護開關(guān)10種等。并還在不斷地開拓PT C 熱敏電阻器的新用途。國內(nèi)PT CR 的發(fā)展相對NT CR 為遲, 從60年代后期開始。最早應(yīng)用于電子線路中用作溫補元件應(yīng)用。特別是80年代以來, 隨著彩電工業(yè)和家電工業(yè)的迅速發(fā)展, 促進PT CR 生產(chǎn)得到較大的發(fā)展。國內(nèi)PT CR 與NT CR 的生產(chǎn)比例由最初的19, 提高到37, 現(xiàn)兩者比例正在逐步縮小。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計, 國內(nèi)生產(chǎn)PTCR 廠家有近百家。其中, 擁有一定規(guī)模(產(chǎn)量大于100萬只 的約有20多家。近幾年由于市

8、場競爭的彩電用消磁熱敏電阻器來說, 全國有33家。1988年全國消磁熱敏電阻器銷售量為100萬只, 1989年為500萬只, 1990年為700萬只, 1991年達(dá)1113萬只, 而目前年生產(chǎn)能力達(dá)到2000萬只左右。電子部五所曾對國內(nèi)生產(chǎn)消磁熱敏電阻器進行測量評比, 其中6家產(chǎn)品的質(zhì)量達(dá)到日本T DK 的水平; 8家已接近國外同類產(chǎn)品的水平。存在的差距是產(chǎn)品合格率與原材料問題。國內(nèi)合格率比較低, 約40%(有些廠家僅為20% , 距80%國際先進水平仍有較大的差距。原材料問題, 國內(nèi)尚無專門生產(chǎn)廠家。因料源不同, 所生產(chǎn)出來的產(chǎn)品一致性也不一樣, 其次是制造工藝控制與設(shè)備精度也是影響產(chǎn)品質(zhì)量

9、的一個重要因素。2應(yīng)用狀況由于PTC 熱敏電阻器具有較大的正電阻溫度系數(shù)和開關(guān)電阻溫度特性, 檢測電路可簡化, 加之, 居里溫度在很寬范圍內(nèi)(室溫400 可任意調(diào)節(jié), 它能夠開拓NTC 熱敏電阻器和其它熱敏電阻材料所沒有的許多新用途。PT C 熱敏電阻器的主要用途如表1所示。它包括利用電阻溫度特性, 用作溫度補償元件和溫度傳感器; 利用電流時間特性, 用作限流元件; 利用電壓電流特性, 用作定溫發(fā)熱體; 利用熱逸散差, 用作液位計、流量計等。2. 1利用電阻溫度特性利用正電阻溫度系數(shù), 可以補償晶體管電路中的負(fù)特性熱敏電阻器, 使阻值可選擇很高, 因而可減少輸入阻抗的變化, 特別可避免功率晶體

10、管輸入電路的損耗問題, 在寬溫度范圍內(nèi)可發(fā)揮溫度補償作用。另外, 用作溫度檢測用途, 需利用PT CR 的陡峭電阻溫度特性, 其電阻溫度系數(shù)為1030%/, 被應(yīng)用于高靈敏的溫度控制和報警裝置上, 作為電子烤爐溫控用的溫度傳感器, 具有簡第4期薛泉林:PT C 熱敏電阻器發(fā)展與應(yīng)用動態(tài)112. 2利用電壓電流特性在電阻溫度特性具有較陡轉(zhuǎn)變點的元件上, 一旦加上電壓, 在到達(dá)電流最大點時, 電壓電流比保持一定, 顯示出恒定電阻特性; 當(dāng)超過電流最大點, 電壓、電流乘積保持一定, 顯示出恒定功率特性。因為恒定功率特性的電壓范圍寬, 即便電壓變化, 在元件上仍保持一定溫度, 這是PT CR 的最大特

11、點之一。利用該特性可制作定溫發(fā)熱體, 元件的功率可根據(jù)室溫電阻值、開關(guān)溫度、元件形狀和尺寸、散熱片間的熱阻及散熱片的結(jié)構(gòu)進行任意調(diào)整, 它適用于表1所示的各種家電產(chǎn)品上。2. 3利用電流時間特性當(dāng)在PT CR 上流過大于規(guī)定的電流時, 利用其發(fā)熱, 在規(guī)定時間后, 到達(dá)開關(guān)溫度, 使電阻增加起到限制電流的作用。利用該特性被廣泛應(yīng)用于彩色電視機的消磁、過流過熱保護、馬達(dá)起動、延遲繼電器和定時器等各種用途。除此以外, PTCR 的應(yīng)用還在不斷地擴大, 近年來報導(dǎo)的新應(yīng)用包括PT C 隨動開關(guān)、用于直升飛機冰凍探測的PT C 傳感器、用于火箭、人造衛(wèi)星用的PT CR 溫補元件以及汽車方面的各種應(yīng)用等

12、。其中, 如西門子公司推出的PTCR 隨動表1電阻溫度特性溫度補償元件溫度傳感器定溫發(fā)熱體電壓電流特性(靜特性熱風(fēng)發(fā)熱體消磁元件馬達(dá)起動元件電流時間特性(動特性過電流保護定時器開關(guān), 利用PT CR 控制雙金屬片工作, 用于浴室中控制排風(fēng)扇的運轉(zhuǎn), 一旦人離開浴室, 幾分鐘后可自動關(guān)機。又如英國普萊賽公司開發(fā)的PTC 冰凍傳感器, 安置在飛機入口處, 檢測結(jié)成冰塊的狀況, 迅速報警。它是采用多片環(huán)狀PT C 圓片疊合制成, 通過圓環(huán)表面銀漿電極和PTC 片間銅環(huán)電極, 連接在控制電路中。其大小為 4. 5×40m m, 傳感器的電阻為2 。最近幾年, PT C 熱敏電阻器應(yīng)用在過流保

13、護方面的需求量有明顯的增長。從1989年的應(yīng)用比例僅8. 7%現(xiàn)已增加到39%以上, 其用量增加了約3倍多。對于過去傳統(tǒng)使用保險絲或雙金屬片的一些大電流領(lǐng)域, 迄今正在設(shè)法使用PT C 過流保護元件來代替。為了滿足這一需要, PTC 熱敏電阻器的低阻化, 取得突破, 現(xiàn)市售產(chǎn)品的電阻值, 已可做到0. 10. 2 左右。另外, 在外形結(jié)構(gòu)上制成小型化的SM D 型結(jié)構(gòu)(已生產(chǎn)出8050型, 外形尺寸僅為2×1. 25×1mm , 可與其它片式元件一樣, 適于用回流法焊接到電路板上。國內(nèi)PT C 的應(yīng)用, 除用作電路的溫補元件和彩電用的消磁元件外, 近年來, 作為自控溫發(fā)熱體

14、, 在家電產(chǎn)品上得到大量推廣應(yīng)用。據(jù)不完全統(tǒng)計, 在家電產(chǎn)品中已開發(fā)的PT C 熱敏電阻的主要用途各種電子設(shè)備的電路電子烤爐等溫控用電子瓶、電飯煲、冰箱加熱器、電子驅(qū)蚊器、電香爐、電腳爐、電長筒靴、復(fù)印機、VT R 防結(jié)露用、卷發(fā)鉗、防凍加熱器、熔膠噴槍、橡膠硫化機、塑料膜熔焊機等。家用暖風(fēng)機、汽車用熱風(fēng)機、干衣機、被褥烘干機、食物干燥機、吹風(fēng)機、被爐、熱風(fēng)屏機等。彩色電視機、彩色顯示冰箱、空氣壓縮機馬達(dá)、繼電器繞組、電子電路、熒光燈蜂鳴器、燈泡12山東陶瓷第20卷產(chǎn)品有暖風(fēng)機、驅(qū)蚊器、暖手器、干手器、電熱盤、電熱咖啡器、電烙鐵、電熨斗、電飯鍋、電熱杯、卷發(fā)器、門鈴、熔膠噴槍、烘衣機、冰箱啟動

15、器、空調(diào)器、電扇微風(fēng)微動器、熱風(fēng)屏機等不下數(shù)十種。大功率、大電流控制方面, 除了要求低阻、高耐壓、高精度外, 還需通過元件比電阻的分布, 使元件發(fā)熱均勻以及元件趨向SMD 化; 用作發(fā)熱體元件, 為了充分發(fā)揮自控特點, 要求開發(fā)低熱阻、高響應(yīng)的PTC 發(fā)熱體, 為提高發(fā)熱效率和縮小發(fā)熱體積, 需開發(fā)大功率高溫PT C 材料等。展望PTCR 今后發(fā)展趨勢, 可歸納為低阻、大功率、大電流、高耐壓、高耐沖擊電流、高溫、高響應(yīng)、高精度、高可靠及小型化、SMD 化。表3國內(nèi)PT C 市場需求預(yù)測應(yīng)用對象彩色電視機冰箱啟動器程控交換機和通信機錄象機電機過熱保護汽車用家電、醫(yī)療保健器具用恒溫發(fā)熱體需用量(萬

16、只30007504000200200200>20003展望3. 1市場展望PT CR 的今后市場規(guī)模, 一方面隨著消費類產(chǎn)品的發(fā)展與產(chǎn)量的增長, 將繼續(xù)得到同步的增長; 另一方面, 隨著PT CR 擴大在投資類和其它各個領(lǐng)域(包括軍用、宇航用電子產(chǎn)品 內(nèi)的推廣應(yīng)用, 將促進其市場規(guī)模進一步增長。其中, PT CR 開拓在汽車工業(yè)上的應(yīng)用, 將會成為今后較大的潛在市場。PT CR 在汽車上的應(yīng)用如表2所示, 有廣泛的應(yīng)用前景。根據(jù)有關(guān)部門調(diào)查統(tǒng)計, 目前國內(nèi)對熱敏電阻器(含NTC 的年需求量大約在1. 5億只左右。其中, 對PT C 熱敏電阻器的需求量預(yù)測見表3。3. 2技術(shù)展望從PTC

17、今后市場需要和擴大其應(yīng)用來看, 對其性能的要求會愈來愈高。這些要求包括低阻、電阻溫度系數(shù)大、升阻比大、耐壓高、承受大電流和沖擊電流能力強、長期使用穩(wěn)定性好、精度高、壽命長、可靠性高、電阻溫度特性的線性好等。根據(jù)不同用途, 對上述要求有所側(cè)重。如用作開關(guān)元件, 趨向表2功能定溫發(fā)熱體斷路器延遲裝置傳感器4國內(nèi)存在問題與差距國內(nèi)PTCR 生產(chǎn)與應(yīng)用, 正處于發(fā)展階段。通過引進, 生產(chǎn)能力和產(chǎn)品質(zhì)量均有較大提高, 但是, 國內(nèi)相當(dāng)一部分廠家, 僅限于生產(chǎn)PT C 發(fā)熱體為主, 產(chǎn)品檔次較低, 且部分產(chǎn)品的質(zhì)量尚未完全過關(guān)。例如用于大功率應(yīng)用的PTC 發(fā)熱體和用于電話保安器的PT C 元件, 在經(jīng)受耐

18、流沖擊試驗中, 發(fā)現(xiàn)PT C 片出現(xiàn)開裂問題, 多半出現(xiàn)在沿片的中心面(平行于電極面 , 經(jīng)過分析, 與材料本身均勻性和成型工藝等因素有關(guān); 另一問題, 在經(jīng)受耐壓試驗后, PT C 片的機械強度引起明顯下降, 通過顯微結(jié)構(gòu)觀察, 發(fā)現(xiàn)在片內(nèi) ; 另外, 用作發(fā)熱體應(yīng)PT CR 在汽車上的應(yīng)用產(chǎn)品汽車反光鏡加熱、風(fēng)檔清洗噴嘴加熱、進氣頂加熱、門鎖加熱、風(fēng)扇加熱、引擎濾油器加熱、暖手器、保溫箱加熱等。風(fēng)扇電阻器過流保護(馬達(dá)、電路 自動限制氣門用電阻器溫度傳感器、電流傳感器第4期薛泉林:PT C 熱敏電阻器發(fā)展與應(yīng)用動態(tài)13率逐漸衰減現(xiàn)象, 嚴(yán)重的甚至熱功率下降到僅一半。造成的原因, 電極不良, 選用膠粘劑不當(dāng), 膠粘劑易老化, 引起