[发明专利]过电压保护元件的材料、过电压保护元件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种过电压保护元件的材料与结构。本发明还涉及一种制造所述过电压保护元件的方法。

背景技术

一般过电压保护元件，在正常状态下与希望保护的系统并联，并呈现高阻抗状态连接地线。而在不正常的电荷进入所述元件时(过电压产生)，瞬间由高阻抗转变成低阻抗，而将此不正常的入侵能量导入地线。

瞬间由高阻抗转变成低阻抗，也称作元件作动。当时观察到的电压，称作崩溃电压(breakdown voltage)，也称作触发电压(trigger voltage)。

尖端放电原理，是电荷从一个导体，跳跃到另一个导体，通常触发电压随着两个导体的间距(gap)缩小而降低。

气体放电管(gas tube)是一种常见的过电压保护元件：让过电压能量，在一电极表面产生尖端放电现象，而通过特定气体，通常是氩气，导入地线，也就是所述电极表面与地线之间为一中空气室。放电动作的触发电压视所述电极与地线的间距而定。一般来说，间距越小，越容易放电，此时观察到的触发电压越小。如果间距过大，那么所述电极需要累积的电荷要越多，才会放电，所以放电时观察到的触发电压越大。由于元件与希望保护系统呈现并联状态，所以一般希望放电时的触发电压越小越好，然而气体放电管的放电间距都是以毫米(mm)为单位，而且只有一个放电点，因此作动时的触发电压都很高。同时此种元件作动时，外观不可以出现「火花」，因此必须让放电的电弧包覆在一定空间内，所以必需将尖端与地线以圆管等各种形状的容器密闭起来，且因为放电会产生热，因此所述密闭容器通常需要具有不小的体积以利于散热，因此所述元件很难将其芯片(chip)化，对现代化轻薄短小的设计，显然难以采用。

然而利用尖端放电原理的保护元件，与其它过电压保护元件最大不同是，放电时两个电极之间为一个中空状态。所述中空状态，可以是真空，也可以是气体。能量由尖点释放，通过所述中空而进入地线，不论作动几次，几乎没有材料寿命的问题。而观察市面上已经商品化的其它类型的保护元件，例如二极管和氧化锌(ZnO)变阻器等，其主要成分多是半导体或半导体氧化物，由于能量必须进入半导体或半导体氧化物内，经过多次作动后，常会发现击穿、阻抗降低、漏电流上升或短路的现象，因此造成使用寿命的限制。

现有技术1(本案申请人的中华民国专利公告号第253881号案)利用精密加工，使得两个相对电极之间形成5到30μm之间的电极间隙，也就是放电间距在5到30μm之间。而使放电能量从一端电极，通过中空气室放电到另一端的电极。此方法等于是气体放电管的缩小版，但是生产时需要精密的加工或控制，使每一个元件的电极间间隙在设计的的范围内，因此存在其设备上的成本与电极间隙的限制。

现有技术2(本案申请人的中华民国专利公告号第475183号案)以具有P-N界面的材料作为主要基础基质。因此所制成的元件材料结构中有P-N混和的界面，部分放电能量会通过所述界面，也就是进入此基础基质的材料内部，因为不是所有具有P-N界面的材料，可以承受放电能量，所以寿命较短的疑虑，必须依靠额外的成本，开发所述基础基质材料。

基本上所述粉体材料具有P-N界面，因此不属于「非导体」材料。

现有技术3(本案申请人的美国专利第6,645,393号案)与现有技术2类似，以氧化锌变阻器材料取代具有P-N界面的材料，因此其特色已在前文中描述。而实际制作所述元件，可以观察到由于氧化锌的熔点约1700℃，在经过长时间与多次放电冲击后，所述氧化锌材料有时会被击穿而熔化。

基本上氧化锌变阻器材料具有非线性阻抗(non-linear resistance)且属于可变电阻材料(variable resistor)，因此也不属于本发明的「非导体」材料。

现有技术4(美国专利第5,068,634号案)揭示的材料结构为导体粉末分散在绝缘的黏结剂(binder)中，且导体粉末完全被黏结剂包覆，导体粉末之间被黏结剂所隔开。其放电的机制是控制于导体间，也就是完全包覆住导体之外的那一层黏结剂的厚度，来决定放电电压的大小。这种方法所得到的电流-电压曲线(I-V curve)如图1所示。

与传统变阻器相同，其放电能量一定会经过两个导体之间的黏结剂，而黏结剂必须承受所述放电能量，因此所述黏结剂有可能被烧毁，而使得原来绝缘两个导体的功能丧失，造成元件短路。