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 熱敏電阻器發展與應用動態薛泉林(電子工業部第七研究所, 廣州510310摘要介紹PT C 熱敏電阻器發展的應用狀況, 展望今后市場和技術動向, 并就國內存在問題與差距提出看法。關鍵詞PT C 熱敏電阻器發展動態1發展概述PT C 陶瓷是一種鐵電半導體材料, 是近年來發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用中, 是繼電容器和壓電器件之后, 應用廣、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熱的三大

2、特性, 迄今在電子、家電及其它各個領域(包括軍用和航天設備 正在獲得廣泛的應用, 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量超過10億只以上。日本在這方面居于領先地位。1985年日本PT CR 的年產量僅為0. 92億只, 年產值為69. 15億元, 1986年增加為1. 81億只, 產值108億元; 1987年達1. 93億只, 產值106. 3億元; 1992年產量已超過3億只, 產值超過200億元, 年平均增長率大于20%。最近幾年繼續保持增長的趨勢。據日本電子材料工業會統計資料, 從19931996年熱敏電阻器(含NT C 年產值分別達到393億、448億、47

3、4億和514億元。國內除了有規模生產的PTC 熱敏電阻器公司外, 還建立有專門生產PT C 粉料的公司, 其中如富士鈦公司, 生產有8個品種, 年產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 陶瓷材料的發展已經歷40多年。但目前仍以BaTiO 3系統為主流。1951年首先發現了PTC 效應, 1960年初, 由日本村田制作所最先開始投入生產PTCR, 1962年PT CR 元件被推選為日本工業新聞的十大新產品之一。PTCR

4、 被應用于溫補元件、水位檢測、馬達過熱保護、彩電消磁元件、恒溫發熱體元件等用途; 70年代, PTCR 的制造工藝和應用得到了較大的發展, 研制成蜂窩狀、口琴式發熱體, 單位面積的發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 發熱體的應用熱潮, 1977年日本電子技術編輯部專門出版了“PT C 發熱體及其應用”特集, 介紹PTC 發熱體的設計、制造及應用。進入80年代, 又發展了多孔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、石油預熱器等各方面的新應用。最近幾年, PTCR 的

5、發展又取得長足的進展, 它表現在一方面繼續深入對PT C 效應機理的研究, 提出了解釋PTC 效應的新機理; 另一方面通過對微粉工程和微觀結構的10山東陶瓷第20卷研究, 促進新材料、新器件和新結構的開發和應用。其中在材料方面開發出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 陶瓷復合材料以及有機PT C 復合材料等; 在新產品方面研制成片式PT CR 復合元件、多層結構(獨石 PT CR 、高可靠性PT CR 等; 在新結構方面開發出翅片發熱體結構, 使發熱效率得到明顯改善,

6、 在家電產品上取得大量應用。其次, 國外在生產自動化和產品系列化方面進步明顯。生產趨向自動化, 生產率高。如松下月產500萬只, 村田制作所月產達1000萬只, 生產彩電用的消磁熱敏電阻器合格率大于80%(國內約為40%左右 。村田制作所能夠生產電阻溫度系數從1660%/的各種PTCR , 產品形成系列化, 產品種類包括溫度傳感器、定溫發熱體、過流保護元件和各種開關元件等, 應用范圍從家電進一步擴大到整容、醫療各類電子產品、汽車工業及辦公室自動化設備等, 產品結構從傳統圓片元件發展到適于表面組裝的片式元件、多層結構的PTCR 等。所生產的PTC 熱敏電阻器品種, 規格計有169種之多。其中加熱

7、器有65種、暖風器用4種、安全應用11種、保護用24種、傳感器5種、馬達起動器30種、彩電消磁器13種、時間延遲器7種、過熱過流保護開關10種等。并還在不斷地開拓PT C 熱敏電阻器的新用途。國內PT CR 的發展相對NT CR 為遲, 從60年代后期開始。最早應用于電子線路中用作溫補元件應用。特別是80年代以來, 隨著彩電工業和家電工業的迅速發展, 促進PT CR 生產得到較大的發展。國內PT CR 與NT CR 的生產比例由最初的19, 提高到37, 現兩者比例正在逐步縮小。據有關統計, 國內生產PTCR 廠家有近百家。其中, 擁有一定規模(產量大于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1113萬只, 而目前年生產能力達到2000萬只左右。電子部五所曾對國內生產消磁熱敏電阻器進行測量評比, 其中6家產品的質量達到日本T DK 的水平; 8家已接近國外同類產品的水平。存在的差距是產品合格率與原材料問題。國內合格率比較低, 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, 國內尚無專門生產廠家。因料源不同, 所生產出來的產品一致性也不一樣, 其次是制造工藝控制與設備精度也是影響產品質量

9、的一個重要因素。2應用狀況由于PTC 熱敏電阻器具有較大的正電阻溫度系數和開關電阻溫度特性, 檢測電路可簡化, 加之, 居里溫度在很寬范圍內(室溫400 可任意調節, 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, 可以補償晶體管電路中的負特性熱敏電阻器, 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, 在寬溫度范圍內可發揮溫度補償作用。另外, 用作溫度檢測用途, 需利用PT CR 的陡峭電阻溫度特性, 其電阻溫度系數為1030%/, 被應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 熱敏電阻器發展與應用動態112. 2利用電壓電流特性在電阻溫度特性具有較陡轉變點的元件上, 一旦加上電壓, 在到達電流最大點時, 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熱體, 元件的功率可根據室溫電阻值、開關溫度、元件形狀和尺寸、散熱片間的熱阻及散熱片的結構進行任意調整, 它適用于表1所示的各種家電產品上。2. 3利用電流時間特性當在PT CR 上流過大于規定的電流時, 利用其發熱, 在規定時間后, 到達開關溫度, 使電阻增加起到限制電流的作用。利用該特性被廣泛應用于彩色電視機的消磁、過流過熱保護、馬達起動、延遲繼電器和定時器等各種用途。除此以外, PTCR 的應用還在不斷地擴大, 近年來報導的新應用包括PT C 隨動開關、用于直升飛機冰凍探測的PT C 傳感器、用于火箭、人造衛星用的PT CR 溫補元件以及汽車方面的各種應用等

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熱體電壓電流特性(靜特性熱風發熱體消磁元件馬達起動元件電流時間特性(動特性過電流保護定時器開關, 利用PT CR 控制雙金屬片工作, 用于浴室中控制排風扇的運轉, 一旦人離開浴室, 幾分鐘后可自動關機。又如英國普萊賽公司開發的PTC 冰凍傳感器, 安置在飛機入口處, 檢測結成冰塊的狀況, 迅速報警。它是采用多片環狀PT C 圓片疊合制成, 通過圓環表面銀漿電極和PTC 片間銅環電極, 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 熱敏電阻器應用在過流保

13、護方面的需求量有明顯的增長。從1989年的應用比例僅8. 7%現已增加到39%以上, 其用量增加了約3倍多。對于過去傳統使用保險絲或雙金屬片的一些大電流領域, 迄今正在設法使用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, 現市售產品的電阻值, 已可做到0. 10. 2 左右。另外, 在外形結構上制成小型化的SM D 型結構(已生產出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PT C 的應用, 除用作電路的溫補元件和彩電用的消磁元件外, 近年來, 作為自控溫發熱體

14、, 在家電產品上得到大量推廣應用。據不完全統計, 在家電產品中已開發的PT C 熱敏電阻的主要用途各種電子設備的電路電子烤爐等溫控用電子瓶、電飯煲、冰箱加熱器、電子驅蚊器、電香爐、電腳爐、電長筒靴、復印機、VT R 防結露用、卷發鉗、防凍加熱器、熔膠噴槍、橡膠硫化機、塑料膜熔焊機等。家用暖風機、汽車用熱風機、干衣機、被褥烘干機、食物干燥機、吹風機、被爐、熱風屏機等。彩色電視機、彩色顯示冰箱、空氣壓縮機馬達、繼電器繞組、電子電路、熒光燈蜂鳴器、燈泡12山東陶瓷第20卷產品有暖風機、驅蚊器、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、卷發器、門鈴、熔膠噴槍、烘衣機、冰箱啟動

15、器、空調器、電扇微風微動器、熱風屏機等不下數十種。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, 使元件發熱均勻以及元件趨向SMD 化; 用作發熱體元件, 為了充分發揮自控特點, 要求開發低熱阻、高響應的PTC 發熱體, 為提高發熱效率和縮小發熱體積, 需開發大功率高溫PT C 材料等。展望PTCR 今后發展趨勢, 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、高精度、高可靠及小型化、SMD 化。表3國內PT C 市場需求預測應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、醫療保健器具用恒溫發熱體需用量(萬

16、只30007504000200200200>20003展望3. 1市場展望PT CR 的今后市場規模, 一方面隨著消費類產品的發展與產量的增長, 將繼續得到同步的增長; 另一方面, 隨著PT CR 擴大在投資類和其它各個領域(包括軍用、宇航用電子產品 內的推廣應用, 將促進其市場規模進一步增長。其中, PT CR 開拓在汽車工業上的應用, 將會成為今后較大的潛在市場。PT CR 在汽車上的應用如表2所示, 有廣泛的應用前景。根據有關部門調查統計, 目前國內對熱敏電阻器(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測見表3。3. 2技術展望從PTC

17、今后市場需要和擴大其應用來看, 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。根據不同用途, 對上述要求有所側重。如用作開關元件, 趨向表2功能定溫發熱體斷路器延遲裝置傳感器4國內存在問題與差距國內PTCR 生產與應用, 正處于發展階段。通過引進, 生產能力和產品質量均有較大提高, 但是, 國內相當一部分廠家, 僅限于生產PT C 發熱體為主, 產品檔次較低, 且部分產品的質量尚未完全過關。例如用于大功率應用的PTC 發熱體和用于電話保安器的PT C 元件, 在經受耐

18、流沖擊試驗中, 發現PT C 片出現開裂問題, 多半出現在沿片的中心面(平行于電極面 , 經過分析, 與材料本身均勻性和成型工藝等因素有關; 另一問題, 在經受耐壓試驗后, PT C 片的機械強度引起明顯下降, 通過顯微結構觀察, 發現在片內 ; 另外, 用作發熱體應PT CR 在汽車上的應用產品汽車反光鏡加熱、風檔清洗噴嘴加熱、進氣頂加熱、門鎖加熱、風扇加熱、引擎濾油器加熱、暖手器、保溫箱加熱等。風扇電阻器過流保護(馬達、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 熱敏電阻器發展與應用動態13率逐漸衰減現象, 嚴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, 膠粘劑易老化, 引起