ZnO 是多层压敏电阻（MLV）和金属氧化物压敏电阻（MOV）的活性基体，广泛用于浪涌保护电路。压敏电阻的非线性电流-电压特性源于 ZnO 烧结过程中，铋、锑及过渡金属掺杂剂在晶界处形成的势垒。应用于避雷器、ESD 防护、交流线路滤波器和高压电路保护。
该应用中使用氧化锌的理由
逐项解析 ZnO 在最终配方中的功能作用。
- 非线性 V-I 特性 — 烧结 ZnO 晶粒在晶界处因偏析的 Bi₂O₃ 和掺杂剂形成约 3 eV 势垒。当施加电压超过击穿阈值时，电流增加 5–6 个数量级——这正是浪涌保护所需的特性。
- 高能量吸收能力 — ZnO 压敏电阻块每立方厘米可吸收 10–10,000 焦耳（取决于圆片厚度和掺杂方案）。在同等成本下，能量吸收能力比硅雪崩二极管等竞争技术高出数个数量级。
- 双向对称响应 — ZnO 晶界势垒具有对称性——压敏电阻对正负浪涌响应一致，无需背对背二极管阵列即可实现交流线路保护。
- 浪涌后自恢复 — 与熔断器不同，ZnO 压敏电阻在浪涌消失后可恢复高阻抗状态——只有能量严重超标时才会永久损坏器件。寿命通常为 10⁵–10⁷ 次浪涌事件（取决于应力水平）。
推荐牌号与用量
根据生产工艺选择合适的纯度等级和表面处理方式。
推荐牌号
电子级氧化锌
纯度 ≥99.95%，Pb ≤5 ppm，Cd ≤3 ppm——逐批次 ICP-MS 检测。重金属污染会破坏晶界击穿特性并使 V-I 曲线偏离规格。D50 0.3–0.8 μm 保证一致的烧成密度。
ZnO 基体含量
起始粉体混合物的 90 – 95 wt%
协同掺杂剂
Bi₂O₃ 0.5–1%，Sb₂O₃ 0.5–1%，Co₂O₃ 0.1–0.5%，MnO₂ 0.1–0.5%，Cr₂O₃ 0.05–0.2%，NiO 0.1–0.3%
可选助剂
B₂O₃ 或 SiO₂ 作为烧结助剂 0.05–0.2%
烧结块中最终 ZnO 相
体积占比 95–97%
配方与工艺说明
来自生产实践的操作参数和过程控制要点。
粉料制备
ZnO + 掺杂剂在去离子水中湿法球磨 16–24 h；喷雾干燥制流动团聚体
成型
单轴压制 50–150 MPa，再冷等静压 100–200 MPa 以获得高均匀性块体
烧结工艺
空气气氛 1100–1200 °C × 2–4 h；在 700 °C 以上区间受控冷却 50–100 °C/h，促进 Bi₂O₃ 相偏析
烧成密度目标
5.5 – 5.65 g/cm³（理论密度 5.61 g/cm³ 的 96–99%）
电极施加
银浆或溅射 Ag/Al，600–800 °C 烧渗
最终测试
1 mA 击穿电压、0.75 × Vnom 时漏电流、按 IEC 61643 测定能量吸收容量
常见问题
+为什么压敏电阻 ZnO 对重金属纯度（Pb、Cd）要求极高？
Pb 和 Cd 会置换 ZnO 晶格，破坏晶界势垒的形成。即使 50–100 ppm 的 Pb 也能使击穿电压偏移 5–15%，推高漏电流，并降低非线性系数（α）——这些都是关键压敏电阻规格。生产基准为 ≥99.95%，Pb ≤5 ppm / Cd ≤3 ppm；某些高可靠性汽车或电网规模压敏电阻要求 Pb ≤3 ppm。
+成品压敏电阻的击穿电压由什么决定？
击穿电压 = 晶界数量 × 每个晶界约 3 V。较小的 ZnO 晶粒尺寸（由起始 D50 和烧结工艺确定）意味着每毫米厚度内有更多晶界，从而获得更高的 V/mm 比值。典型商业范围：每毫米厚度 100–800 V。
+掺杂方案是否因压敏电阻最终用途而异？
是的——用于交流线路保护的 MOV 优先追求高能量吸收（较高 Bi₂O₃、较大晶粒），而 ESD 防护 MLV 优先追求快速响应时间（较小晶粒、优化 Sb₂O₃）。每家压敏电阻制造商有其专有掺杂配方，但都以同一纯度等级的 ZnO 基体为起点。
+能否供应具有定制碱金属（Na、K）规格的 ZnO？
可以——Na 和 K 可按事先协议分别指定为 ≤10 ppm。碱金属在烧结过程中在晶界富集，会以影响部分配方量产的方式改变压敏电阻 V-I 曲线。