第五章 敏感陶瓷
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敏感陶瓷B资料
在实际生产过程中，除了在十分必要的情况下采用气氛烧结外，最常见的主 要还是通过控制杂质的种类和含量来控制材料的电性能。
14.2.2 掺杂
在掺杂时，高价或低价杂质离子替位都能引起氧化物晶体的能带畸变，分 别形成施主能级和受主能级，从而得到n型或p型半导体陶瓷。
施主浓度或受主浓度与杂质离子的掺入量有关，控制杂质含量可以控制施 主或受主的浓度，从而控制半导体陶瓷的电性能。因此，生产上常利用掺杂的方 法来获得所需的半导体陶瓷。
T
exp(
E 2kT
)
式中： ρT——温度T 时电阻率；
ρ∞——T=∞时电阻率；
ΔE——活化能；
K——玻尔兹曼常数；
T——绝对温度。
通常我们令式中的ΔE/2K=B，B 即称为材料常数，是热敏电阻材料的特征参数
另外，可定义：
T
1
T
dT
dT
式中：αT ——电阻温度系数，它是温度的函数。
几种不同类型热敏电阻的温度特性图
先进陶瓷工艺学 （功能陶瓷）
授课老师：吴坚强
14 敏感陶瓷
14.1 敏感陶瓷的分类及应用、结构与性能
敏感陶瓷指具有热敏、压敏、湿敏、光敏、气敏及离子等敏感陶瓷
敏感陶瓷是某些传感器(Sensor)中的关键材料之一，用于制作敏感元件，敏 感陶瓷多属半导体陶瓷(Semiconductive Ceramics)，是继单晶半导体材料之后， 又一类新型多晶半导体电子陶瓷。
14.2 敏感陶瓷的半导化过程
14.2.1 化学计量比偏离
敏感陶瓷的生产都要经过高温烧结。在高温条件下，如果烧结气氛中含氧量 较高或氧不足 ，造成氧离子空格点或填隙金属离子，因而引起能带畸变，使材 料半导体化 。
在理想的无缺陷氧化物晶体中，价带是全满的而导带是全空的，中间隔着一 定宽度的禁带。
敏感陶瓷的原理和应用
敏感陶瓷的原理和应用1. 引言敏感陶瓷是一种特殊材料，具有优异的敏感性和稳定性，广泛应用于传感器、催化剂和陶瓷复合材料等领域。
本文将介绍敏感陶瓷的原理和应用。
2. 敏感陶瓷的原理敏感陶瓷是一种基于电化学、光学、磁学或压电等原理敏感性的陶瓷材料。
2.1 电化学敏感陶瓷电化学敏感陶瓷是指在电场、电流或电位的作用下，其电阻、介电常数或电容等物理性质发生变化。
这种陶瓷常用于电池、电容器和传感器等设备中。
2.2 光学敏感陶瓷光学敏感陶瓷是指在光照射下，其折射率、发射率或吸收率等光学性质发生变化。
光学敏感陶瓷常用于光学器件、激光器和光纤通信系统等领域。
2.3 磁学敏感陶瓷磁学敏感陶瓷是指在磁场的作用下，其磁感应强度、磁化强度或磁滞回线等磁学性质发生变化。
磁学敏感陶瓷广泛应用于电动机、传感器和磁存储器等设备中。
2.4 压电敏感陶瓷压电敏感陶瓷是指在外力作用下，其尺寸、形状或体积发生变化。
压电敏感陶瓷常用于声波传感器、压力传感器和声纳系统等领域。
3. 敏感陶瓷的应用3.1 传感器敏感陶瓷的敏感性和稳定性使其成为理想的传感器材料。
基于电化学、光学、磁学和压电原理的敏感陶瓷被广泛应用于压力传感、温度测量、气体检测等传感器领域。
这些传感器在工业、医疗和环境监测等领域中起着重要的作用。
3.2 催化剂敏感陶瓷的催化性能使其在化学反应中发挥重要作用。
通过控制敏感陶瓷的成分和结构，可以实现高效的化学催化作用，促进反应速率、提高产物选择性。
因此，敏感陶瓷在化学工业中被广泛应用于催化剂领域。
3.3 陶瓷复合材料敏感陶瓷常与其他材料组合形成陶瓷复合材料，以提高材料的性能。
利用敏感陶瓷的特殊性质，可以改善陶瓷复合材料的力学性能、热性能、电性能等。
这些陶瓷复合材料广泛应用于航空、航天和能源等领域。
4. 总结敏感陶瓷通过利用电化学、光学、磁学和压电等原理敏感性的特点，成为传感器、催化剂和陶瓷复合材料等领域的重要材料。
敏感陶瓷的应用使得这些领域的技术得到了加速发展，并为我们的生活带来了很多便利。
《敏感陶瓷》PPT课件 (2)
磁敏陶瓷及具有多种敏感特性的多功能敏感
陶瓷等。
这些敏感陶瓷已广泛应用于工业检测、
控制仪器、交通运输系统、汽车、机器人、
防止公害、防灾、公安及家用电器等领域。
精选ppt
4
1、敏感陶瓷分类
①物理敏感陶瓷：
光敏陶瓷，如CdS、CdSe等；
热敏陶瓷，如PTC陶瓷、NTC和CTR 热敏陶瓷等；
磁敏陶瓷，如InSb、InAs、GaAs等；
精选ppt
11
②电阻随温度的升高而减小的热敏电阻 称为负温度系数热敏电阻，简称NTC热敏电 阻( negative temperature coefficient )；
③电阻在某特定温度范围内急剧变化的
热敏电阻，简称为CTR临界温度热敏电阻(
critical temperature resistor )。
精选ppt
17
BaTiO3的化学计量比偏离半导化采用 在真空、惰性气体或还原性气体中加热
BaTiO3。 由于失氧，BaTiO3内产生氧缺位，为
了 保 持 电 中 性 ， 部 分 Ti4+ 将 俘 获 电 子 成 为
Ti3+。在强制还原以后，需要在氧化气氛下
重新热处理，才能得到较好的PTC特性，电
阻率为1--103cm。精选ppt
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7
2. 敏感陶瓷的结构与性能
陶瓷是由晶粒、晶界、气孔组成的多相 系统，通过人为的掺杂，可以造成晶粒表 面的组分偏离，在晶粒表层产生固溶、偏 析及晶格缺陷等。
精选ppt
8
另外，在晶界 处也会产生异质相的析 出、杂质的聚集、晶格缺陷及晶格各向异 性等。
这些晶粒边界层的组成、结构变化， 显著改变了晶界的电性能，从而导致整个 陶瓷电学性能的显著变化。
2.4敏感陶瓷
PTC的伏安特性曲线
oa段与线性电阻器变化一致，其 原因是通过热敏电阻器的电路很 小，耗散功率引起的温度变化可 忽略不计。当耗散功率增加，阻 体温度超过环境温度引起电阻增 大，曲线开始弯曲。当电压增至 Um时，电流达最大Im。电压继续 增加，电流反而减小，曲线斜率 由正变负。
Kunming University of Science and Technology
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在出现金属离子空格点时，禁带附近出现了附 加能级，位臵靠近价带顶上边，可以接受电子， 称为受主能级。 在绝对零度时，所有价电子全部填充到下面 的价带，受主能级是空的。在较高温度下， 由于热激发，价带的电子跃迁到受主能级去， 产生空穴。在电场作用下，价带中的空穴可 以沿电子方向做漂移运动，产生漂移电流导 电，对电导做出贡献。
临界温度热敏电阻(Critical temperature coefficient,CTR ) ：
一些过渡金属氧化物的电阻在某一特定温度下急剧变化， 且这种变化具有再现性和可逆性，这一特定温度称临界温 度，这种材料称为临界温度热敏电阻。
线性热敏电阻(Linear temperature coefficient ) ：电阻随温
3.基本特性
1）阻温特性
热敏电阻最基本的特性
E T exp( ) 2kT
ρ T—温度T时电阻率； ρ∞—温度∞时电阻率； ∆E—活化能； T—绝对温度； k—玻耳兹曼常数
1-NTC，2-CTR 3-开关型PTC 4-缓变型PTC
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形成附加能级主要有两个途径：不含杂质的氧化物主要 通过化学计量比偏离来形成；而含杂质的氧化物附加能级 的形成还与杂质缺陷有关。
第5章信息与电子用陶瓷3-PDF_图文.
5.5 敏感陶瓷敏敏感陶瓷检测、控检测控制的对象(信息迅速增加。
信息的获取在各种类型的敏感元件中, 陶瓷敏感元件占有十分重要的地位。
在某些传感器中是关键材料之一敏感陶瓷在某些传感器中,是关键材料之5.5.1 概述一、敏感陶瓷的分类及应用敏感陶瓷是某些传感器中的关键材料之一。
敏感陶瓷多属半导体陶瓷 ,是继单晶半导体材料之后 ,又一类新型多晶半导体电子陶瓷。
其电阻率 =10‐ 10– 9 1010,半导体陶瓷多半用于敏感元件,所以常将半导体陶瓷称为敏感陶瓷。
根据某些陶瓷的电阻率、电动势等物理量对热、湿、光、电压及某种气体、某种离子的变化特别敏感这一特性,按其相应的特性,可把这些材料分别称作热敏、湿敏、光敏、压敏、气敏及离子敏感陶瓷。
此外还有具有压电效应的压力位置此外,还有具有压电效应的压力、位置、速度、声波敏感陶瓷,具有铁氧体性质的磁敏陶等瓷及具有多种敏感特性的多功能敏感陶瓷等。
这些敏感陶瓷已广泛应用于业检测控制这些敏感陶瓷已广泛应用于工业检测、控制仪器、交通运输系统、汽车、机器人、防止公害防灾公安及家用电器等领域、防灾、公安及家用电器等领域。
5.5.2 敏感陶瓷的结构与性能敏陶结构与性能传感器陶瓷常属半导体材料,检测到的信息(如温度、湿度等以电信号的形式输出。
半导体陶瓷一般是。
在正半导体陶瓷般是氧化物或复杂氧化物在常情况下陶瓷具有较宽的禁带(Ee ≥ 3eV,所以通常为绝缘体。
常为绝缘体要使这些绝缘体成为半导体,必须对绝缘体进行进行半导体化处理。
形成附加能级主要有两个途径:①添加能形成附加能级的杂质,即掺杂 ,②不含杂质的氧化物主要通过化学计量比偏离来形成, 即控制成分使其偏离化合物的化学计量,可以使传 ,并使其具备一定的性能。
统的绝缘陶瓷半导体化 ,并使其具备定的性能。
陶瓷是多相系统,通过人为掺杂, 造成晶粒表面的组分偏离 ;在晶界处产生异质相的析出、杂质的聚集晶格缺陷及晶格各向异性等这些杂质的聚集、晶格缺陷及晶格各向异性等。
2.4敏感陶瓷
热敏电阻器的电阻值RT与其自身温度T的关系式：
PTC的热敏电阻值： NTC的热敏电阻值：
RT
AP
exp( BP ) TRTຫໍສະໝຸດ ANexp( BN T
)
AP、AN——取决于材料物理特性和热敏电阻器结构尺 寸的常数；
BP、BN——表征材料物理特性的常数
第17页，共67页。
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2）伏安特性
即电压-电流特性，表示在热敏电阻器两端的电压和通过它的电 流在热敏电阻器和周围介质热平衡时的关系，即加在元件上的电 功率和耗散功率相等的关系。
PTC的伏安特性曲线
oa段与线性电阻器变化一致，其原因是 通过热敏电阻器的电路很小，耗散功率 引起的温度变化可忽略不计。当耗散功 率增加，阻体温度超过环境温度引起电 阻增大，曲线开始弯曲。当电压增至Um
1-NTC，2-CTR 3-开关型PTC 4-缓变型PTC
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B E 2k
为与半导体物理性能有关的常数 ， 称为材料常数，是热敏电阻材料 的特征参数。
T
1
T
dT
dT
为电阻温度系数，是温度的函 数，有正负之分，相应的材料 分别为PTC和NTC热敏陶瓷。
所谓半导化，指在禁带中形成附加能级：施主能级或受主能级。
一般来说，这些施主能级多数是靠近导带底的，而受主能级多 数是靠近价带顶的。即它们的电离能一般比较小，室温下就可 以受到热激发产生导电载流子，从而形成半导体。
形成附加能级主要有两个途径：不含杂质的氧化物主要通 过化学计量比偏离来形成；而含杂质的氧化物附加能级的形成还与
14-敏感陶瓷
概
述
工业生产和科学研究领域，需要检测、控制的对 象(信息)迅速增加。信息的获得有赖于传感器 (sensor)----各种敏感元件，其中陶瓷敏感元件占有 十分重要的地位。 敏感陶瓷多属半导体陶瓷( semiconductive ceramics)， 是继单晶半导体材料之后，又一类新型多晶半导 体电子陶瓷,是某些传感器中的关键材料之一 。 这些敏感陶瓷已广泛应用于工业检测、控制仪器、 交通运输系统、汽车、机器人、防止公害、防灾、 公安及家用电器等领域。
B、晶粒、晶界及陶瓷表面功能
陶瓷是由晶粒、晶界、气孔组成的多相系统，通 过人为掺杂，造成晶粒表面的组分偏离，在晶粒 表层产生固溶、偏析及晶格缺陷；在晶界(包括同 质粒界、异质粒界及粒间相)处产生异质相的析出、 杂质的聚集，晶格缺陷及晶格各向异性等。这些 晶粒边界层的组成、结构变化，显著改变了晶界 的电性能，从而导致整个陶瓷电气性能的显著变 化。
多晶陶瓷的晶界---能级-B
晶粒边界上，位错或空位等使离子排列混乱,使得 晶粒边界上的离子扩散激活能比晶体内离子的扩散 激活能低很多，晶界氧、金属及其它离子易移动。 晶粒边界面内产生界面能级，在与晶粒内的电子状 态相平衡的界面附近狭小范围内产生空间电荷。
与氧的平衡压力相对应，晶粒边界部分发生氧化或 还原，其空间电荷分布发生变化。
B、晶界及陶瓷表面的特性
人们可以从宏观上调节化学组分、气孔率(从致密 到多孔质)；从微观上控制微区组分(主要是晶界 组分)和微观结构(晶粒、晶界等)。通过上述各种 因素的组合，产生一系列特殊功能材料。这些功 能材料的应用特性虽然与晶粒本身性质有关，但 更主要是利用晶界及陶瓷表面的特性。是单晶体 所不及的。
多晶陶瓷的晶界控制-B
敏感陶瓷
10
1、电绝缘陶瓷 —— 主要用于电子设备中安装、固定、支 撑、保护、绝缘、隔离以及连接各种无线
电零件和器件。（高频绝缘子、插座、瓷
管基板、瓷环等）。
11
Al2O3 绝缘陶瓷是应用最广的，达 90% 以上，机械强度
高、绝缘性好、热导率小，耐腐蚀，——常用作电子 电路的基片。 BeO 陶瓷的优点是热导率高，高温下绝缘性好 —— 适 宜作散热片。 半导体元件和电路对材 料的要求：高性能、小体积 ；导热率大、密度高、容易 小型化。
与传统陶瓷相比，功能陶瓷具备了一些特殊性能 ( 热、机械、化学、电磁、光)。 其功能的实现主要来自于它所具有的特定的电绝缘 性、半导体性、导电性、压电性、铁电性、磁性、生物
适应性等。
电 子 陶 瓷 磁 性 陶 瓷 敏 感 陶 瓷 超 导 陶 瓷
光 学 陶 瓷
生 物 陶 瓷
1
介电材料
电介质功能材料
铁电材料 压电材料 敏感电介质材料
12
SiC、 BN 和 AlN（碳化硅、立方氮化硼和氮化铝）也 属于导热率高，散热快的材料。
SiC的晶体结构和金刚石相似，其中 部分硅代替了部分碳的位置。
这种结构强固、致密，机械强
度高，适宜用作电子线路的基板。
13
2、电容器陶瓷
电容器的性能要求：耐较高电压，不易被击穿，介电常数高
——因此体积可以做得很小。 ，高频下可靠地工作。
电 功 能 材 料
电导体功能材料
导电材料 快离子导体 电阻材料 超导电体
2
1．导电性
材料的导电性以其电导率来度量，表明材料
在电场中传递电荷的能力。载流子数目n、每个载
流子的电荷 q 以及载流子的迁移率 ，决定了材料
的电导率或电阻率。
1、电绝缘陶瓷 —— 主要用于电子设备中安装、固定、支 撑、保护、绝缘、隔离以及连接各种无线
电零件和器件。（高频绝缘子、插座、瓷
管基板、瓷环等）。
11
Al2O3 绝缘陶瓷是应用最广的，达 90% 以上，机械强度
高、绝缘性好、热导率小，耐腐蚀，——常用作电子 电路的基片。 BeO 陶瓷的优点是热导率高，高温下绝缘性好 —— 适 宜作散热片。 半导体元件和电路对材 料的要求：高性能、小体积 ；导热率大、密度高、容易 小型化。
与传统陶瓷相比，功能陶瓷具备了一些特殊性能 ( 热、机械、化学、电磁、光)。 其功能的实现主要来自于它所具有的特定的电绝缘 性、半导体性、导电性、压电性、铁电性、磁性、生物
适应性等。
电 子 陶 瓷 磁 性 陶 瓷 敏 感 陶 瓷 超 导 陶 瓷
光 学 陶 瓷
生 物 陶 瓷
1
介电材料
电介质功能材料
铁电材料 压电材料 敏感电介质材料
12
SiC、 BN 和 AlN（碳化硅、立方氮化硼和氮化铝）也 属于导热率高，散热快的材料。
SiC的晶体结构和金刚石相似，其中 部分硅代替了部分碳的位置。
这种结构强固、致密，机械强
度高，适宜用作电子线路的基板。
13
2、电容器陶瓷
电容器的性能要求：耐较高电压，不易被击穿，介电常数高
——因此体积可以做得很小。 ，高频下可靠地工作。
电 功 能 材 料
电导体功能材料
导电材料 快离子导体 电阻材料 超导电体
2
1．导电性
材料的导电性以其电导率来度量，表明材料
在电场中传递电荷的能力。载流子数目n、每个载
流子的电荷 q 以及载流子的迁移率 ，决定了材料
的电导率或电阻率。
第五章-敏感陶瓷
另外，在晶界 处也会产生异质相的析 出、杂质的聚集、晶格缺陷及晶格各向异 性等。
这些晶粒边界层的组成、结构变化， 显著改变了晶界的电性能，从而导致整个 陶瓷电学性能的显著变化。
3. 热敏陶瓷
热敏陶瓷是一类电阻率、磁性、介电性 等性质随温度发生明显变化的材料，主要用 于制造温度传感器、线路温度补偿及稳频的 元件--热敏电阻(thermistor)。
⑵ 陶瓷热敏电阻材料
①BaTiO3 PTC陶瓷 BaTiO3陶瓷是否具有PTC效应，完全由 其晶粒和晶界的电性能所决定。 纯BaTiO3具有较宽的禁带，常温下电子激发 很少，其室温下的电阻率为1012cm，已接 近绝缘体，不具有PTC电阻特性。
将BaTiO3的电阻率降到104cm以下， 使其成为半导体的过程称为半导化。
即在其禁带中引入一些浅的附加能级： 施主能级或受主能级。
通常情况下，施主能级多数是靠近导带 底的；而受主能级多数是靠近价带顶的。
施主能级或受主能级的电离能一般比较 小，因此，在室温下就可受到热激发产生导 电载流子，从而形成半导体。 形成附加能级主要通过两种途径：化学计量 比偏离和掺杂，使得晶粒具有优良的导电性 ，而晶界具有高的势垒层，形成绝缘体。
采用掺杂使BaTiO3半导化的方法之二是 AST掺杂法，以SiO2或AST ( 1/3A12O3 ·3/4SiO2·1/4TiO2 )对BaTiO3进行掺 杂，AST加入量3％(摩尔分数)于1260 --1380℃ 烧成后，电阻率为40--100cm。
典型的PTC热敏电阻的配方如下：
主成分：( BaPbCa )TiO32O52(先预烧)； 辅助成分摩尔分数：Sb2O3 0.06％， MnO2 0.04％，SiO2 0.5％，A12O3 0.167％， Li2CO3 0.1％。
敏感陶瓷 B
E
一定 ），R与T成指数关系。
14.3.3.3 NTC热敏电阻材料
(1)大多数NTC热敏电阻材料是尖晶石型半导体 包括二元和多元系氧化物。二元系金属氧化物主要有： CoO-MnO-O2 等系。 三元系有：MnO-CoO-NiO等Mn系和CuO-FeO-NiO、CuO-FeO-CoO等非Mn系。 此外，还有厚薄膜材料正在不断开发并获得迅速发展。 （2）常温NTC热敏电阻材料 ①含Mn二元系 a、 CoO -MnO-O2二元系. 主晶相为立方尖晶石MnCo2O4 导电载流子是Co和Mn电子。 b 、 CuO-MnO-O2二元系：主晶相为立方尖晶石MnCu2O4 导电载流子是Cu和Mn电子 c 、 NiO-MnO-O2二元系：主晶相为立方尖晶石MnNi2O4 导电载流子是Ni和Mn电子 ②含Mn三元系：有 MnO-CoO-NiO、MnO-CuO-NiO、MnO-CuO-CoO等。 在含Mn的三元系中，随着Mn含量增大，电阻率增大。和不含Mn的三元系 比较，含Mn三元系组成对电性能的影响小，产品一致性好。
14.3 热敏陶瓷
热敏陶瓷是对温度变化敏感的陶瓷材料。它可分为热敏电阻、热敏电容、热 电和热释电等陶瓷材料。在种类繁多的敏感元件中，热敏电阻应用最广。 热敏电阻瓷的分类列于下表
分类依据 按 电 阻 -温 度 特性分类 种 类 名 称 负 温 度 系 数 热 敏 电 阻 [如 图 14.3 曲 线 （ 1） ] 临 界 负 温 度 系 数 热 敏 电 阻 [如 图 14.3 曲 线 （ 2） ] 正 温 度 系 数 热 敏 电 阻 [如 图 14.3 曲 线 （ 3） ] 缓 变 型 正 温度 系 数热 敏 电 阻 [如 图 14.3 曲 线 （ 4） ] 按 应 用 特 性 分类 按 结 构 形 式 分类 测温、控温、温度补偿 稳压和功率测量 气压和流量测量 直热式 旁热式 利 用 电 阻 -温 度 特 性 利 用 伏 -安 特 性 的 非 线 性 利用耗散系数随环境状态不同而变化 由电阻本身通过电流发热 利用外加电源产生热量加热热敏电阻 当 温 度 超 过 居 里 点 时 ，电 阻 值 急 剧 增 大 ，其 温 度 系 数 可 达 +10%~60%/? 以 上 其 电 阻 温 度 系 数 在 +0.5%~8%/? 之 间 小 温度超过临界温度后电阻值急剧下降 主 要 特 征 在 工 作 温 度 范 围 内 ，电 阻 值 随 温 度 的 增 加 而 减
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剂等，按照常规的陶瓷工艺方法制成的。
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SnO2气敏陶瓷以超细SnO2粉料为基
本原料，粉料越细，比表面积越大，对 被测气体越敏感。
48
制造高分散的SnO2超细粉料的方法有
锡酸盐分解法、金属锡燃烧法、等离子体 反应法及化学共沉淀物热分解法等。
49
用SnCl4或SnCl2制备SnO2，这两种方
法最后均需煅烧，其煅烧条件对于SnO2粉 料的晶粒大小、比表面积大小影响很大。
⑵ 陶瓷热敏电阻材料
①BaTiO3 PTC陶瓷
BaTiO3陶瓷是否具有PTC效应，完全由 其晶粒和晶界的电性能所决定。
13
纯BaTiO3具有较宽的禁带，常温下电子
激发很少，其室温下的电阻率为1012cm， 已接近绝缘体，不具有PTC电阻特性。
14
将BaTiO3的电阻率降到104cm以下， 使其成为半导体的过程称为半导化。 即在其禁带中引入一些浅的附加能级 ：施主能级或受主能级。
3
此外，还有具有压电效应的压力、位臵、
速度、声波等敏感陶瓷，具有铁氧体性质的 磁敏陶瓷及具有多种敏感特性的多功能敏感 陶瓷等。 这些敏感陶瓷已广泛应用于工业检测、
控制仪器、交通运输系统、汽车、机器人、
防止公害、防灾、公安及家用电器等领域。
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1、敏感陶瓷分类
①物理敏感陶瓷： 光敏陶瓷，如CdS、CdSe等；
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采用掺杂使BaTiO3半导化的方法之二 是 AST 掺 杂 法 ， 以 SiO2 或 AST ( 1/3A12O3 · 3/4SiO2· 1/4TiO2 )对BaTiO3进 行掺杂，AST加入量3％(摩尔分数)于1260
--1380℃烧成后，电阻率为40--100cm。
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典型的PTC热敏电阻的配方如下：
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②电阻随温度的升高而减小的热敏电阻
称为负温度系数热敏电阻，简称NTC热敏电
阻( negative temperature coefficient )；
③电阻在某特定温度范围内急剧变化的
热敏电阻，简称为CTR临界温度热敏电阻( critical temperature resistor )。
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于对低浓度气体的检测；
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③对气体的检测是可逆的，而且吸附
、解吸时间短；
④气体检测不需复杂设备，待测气体 可通过气敏元件电阻值的变化直接转化为 信号，且阻值变化大，可用简单电路实现 自动测量；
53
⑤物理化学稳定性好，耐腐蚀，寿命长；
⑥结构简单，成本低，可靠性高，耐振动
和抗冲击性能好。
54
SnO2系气敏陶瓷的应用：
29
(2)MgAl2O4--MgCr2O4--LaCrO3[或
(LaSr)CrO3] 三元系材料 该系材料适用于1000℃以下温区。
30
工作温度在－60℃以下的热敏电阻材料
(NTC)称为低温热敏电阻材料。
低温热敏电阻材料以过渡金属氧化物为 主，加入La、Nd、Pd等的氧化物。 主要材料有Mn-Ni-Fe-Cu、Mn-Cu-Co 、Mn-Ni-Cu等。
25
其中，最有实用意义的为Co-Mn系材料
。它在20℃时的电阻率为103cm，主晶相为
立方尖晶石MnCo2O4。 随着Mn含量的增大，则形成MnCo2O4立 方尖晶和MnCo2O4四方尖晶的固溶体，电阻 率逐渐增大。
26
三元系有：Mn-Co-Ni、Mn-Cu-Ni、
Mn-Cu-Co等Mn系和Cu-Fe-Ni、Cu-FeCo等非Mn系。 在含Mn的三元系中，随着Mn含量的 增大，电阻率增大。 此外，还有Cu-Fe-Ni，CO四元系等。
50
二氧化锡气敏陶瓷所用添加剂多为半
导体添加剂，它们有不同的作用，主要是 Sb2O3、V2O5、MgO、PbO、CaO等。
51
SnO2系气敏陶瓷制造的气敏元件有如下特点： ①灵敏度高，出现最高灵敏度的温度较低， 约在300℃； ②元件阻值变化与气体浓度成指数关系，在
低浓度范围，这种变化十分明显，非常适用
15
通常情况下，施主能级多数是靠近导带 底的；而受主能级多数是靠近价带顶的。
施主能级或受主能级的电离能一般比较
小，因此，在室温下就可受到热激发产生导 电载流子，从而形成半导体。
16
形成附加能级主要通过两种途径：化
学计量比偏离和掺杂，使得晶粒具有优良 的导电性，而晶界具有高的势垒层，形成 绝缘体。
高，在临界温度附近，电阻值急剧减小。
33
V是易变价元素，它有5价、4价等多种价
态，因此，V系有多种氧化物，如V2O5、VO2 、V2O3、VO等。 这些氧化物各有不同的临界温度。每种V 系氧化物与B、Si、P、Mg、Ca、Sr、Ba、Pb
、La、Ag等氧化物形成多元系化合物，可上
、下移动其临界温度。
27
工作温度在300℃以上的热敏电阻(NTC) 常称为高温热敏电阻。 高温热敏电阻有广泛的应用前景，尤其 在汽车空气／燃料比传感器方面，有很大的 实用价值。
28
其中，主要使用的两种较典型材料为：
(1)稀土氧化物材料
Pr、Er、Tb、Nd、Sm等氧化物，加入 适量其他过渡金属氧化物，在1600 ~ 1700 ℃ 烧结后，可在300--1500 ℃工作。
17
BaTiO3 的化学计量比偏离半导化采用 在真空、惰性气体或还原性气体中加热 BaTiO3。 由于失氧， BaTiO3 内产生氧缺位，为 了保持电中性，部分 Ti4+ 将俘获电子成为 Ti3+。在强制还原以后，需要在氧化气氛下 重新热处理，才能得到较好的 PTC 特性， 电阻率为1--103cm。
34
⑶ 热敏电阻的应用
热敏电阻在温度传感器中的应用最广
，它虽不适于高精度的测量，但其价格低
廉，多用于家用电器、汽车等。
35
PTC热敏电阻有两种用途： 一是用于恒温电热器，PTC热敏电阻通过
自身发热而工作，达到设定温度后，便自动恒
温，因此不需另加控制电路，如用于电热驱蚊 器、恒温电熨斗、暖风机、电暖器等。
，K2SO4、Na2SO4等碱金属硫酸盐等。
42
③接触燃烧式气敏陶瓷元件系
用铂金丝作母线，表面用陶瓷涂层、
触媒材料、防晶粒生长材料以及防触媒中
毒材料等涂层所制成。
43
⑵ 气敏陶瓷的性能
半导体表面吸附气体分子时，半导体的
电导率将随半导体类型和气体分子种类的
不同而变化。
44
吸附气体一般分为物理吸附和化学吸附 两大类。被吸附的气体一般也可分为两类。 具有阴离子吸附性质的气体称为氧化性(
主成分：( Ba0.93Pb0.03Ca0.04 )TiO3 +
0.0011Nb2O5 + 0.01TiO2(先预烧)； 辅助成分摩尔分数：Sb2O3 0.06％， MnO2 0.04％，SiO2 0.5％，A12O3 0.167％， Li2CO3 0.1％。
23
② NTC电阻材料
一般陶瓷材料都有负的电阻温度系数，但
温度系数的绝对值小，稳定性差，不能应用
于高温和低温场合。
NTC热敏电阻材料是用特定组分合成，
其电阻率随温度升高按指数关系减小的一类
材料，分低温型、中温型和高温型三大类。
24
NTC热敏电阻材料绝大多数是具有尖晶
石型结构的过渡金属固熔体。 其中，二元系主要有：Cu-Mn、Co-Mn 、Ni-Mn等系。
热敏陶瓷，如PTC陶瓷、NTC和CTR
热敏陶瓷等；
磁敏陶瓷，如InSb、InAs、GaAs等；
5
声敏陶瓷，如罗息盐、水晶、 BaTiO3、PZT等； 压敏陶瓷，如ZnO、SiC等； 力敏陶瓷，如PbTiO3、PZT等。
6
②化学敏感陶瓷
氧敏陶瓷，如SnO2、ZnO、ZrO2等；
湿敏陶瓷，TiO2—MgCr2O4、ZnOLi2O-V2O5等。
19
五价离子掺杂浓度对BaTiO3的电阻率
影响很大。
一般情况下，电阻率随掺杂浓度的增加 而降低，达到某一浓度时，电阻率降至最低 值，继续增加浓度，电阻率则迅速提高，甚 至变成绝缘体。
20
BaTiO3的电阻率降至最低点的掺杂
浓度(质量分数)为：Nd 0.05％，Ce、La、 Nb 0.2％~0.3％，Y 0.35％
36
二是用作限流元件，如彩电消磁器、
节能灯用电子镇流器、程控电话保安器、 冰箱电机启动器等。
37
4. 气敏陶瓷
在现代社会，人们在生活和工作中使用 和接触的气体越来越多，其中某些易燃、易 爆、有毒气体及其混合物一旦泄露到大气中
，会造成大气污染，甚至引起爆炸和火灾。
38
气敏陶瓷是一种对气体敏感的陶瓷材 料，陶瓷气敏元件(或称陶瓷气敏传感器)由 于其具有灵敏度高、性能稳定、结构简单 、体积小、价格低廉、使用方便等优点，
31
③ CTR材料
CTR热敏电阻主要是指以VO2为基本成 分的半导体陶瓷，在68℃附近电阻值突变
达到3--4个数量级，具有很大的负温度系数,
因此称为巨变温度热敏电阻或临界(温度)热 敏电阻材料。
32
这种巨变温度热敏电阻变化具有再现性 和可逆性，故可作电气开关或温度探测器。 这一特定温度称临界温度。 电阻值的急剧变化，通常是随温度的升
得到迅速发展。
39
⑴ 气敏陶瓷的分类及结构
气敏陶瓷大致可分为半导体式、固 体电解质式及接触燃烧式三种：
40
①半导体式气敏陶瓷
按照主要原料成分来分类，如SnO2型、
ZnO型、-Fe2O3型、-Fe2O3型、钙钛矿化合
物型、TiO2型等。
41
②固体电解质
是一类介于固体和液体之间的奇特固体 材料，其主要特征是它的离子具有类似于液 体电解质的快速迁移特性，如ZrO2氧敏陶瓷
47
SnO2气敏陶瓷以超细SnO2粉料为基
本原料，粉料越细，比表面积越大，对 被测气体越敏感。
48
制造高分散的SnO2超细粉料的方法有
锡酸盐分解法、金属锡燃烧法、等离子体 反应法及化学共沉淀物热分解法等。
49
用SnCl4或SnCl2制备SnO2，这两种方
法最后均需煅烧，其煅烧条件对于SnO2粉 料的晶粒大小、比表面积大小影响很大。
⑵ 陶瓷热敏电阻材料
①BaTiO3 PTC陶瓷
BaTiO3陶瓷是否具有PTC效应，完全由 其晶粒和晶界的电性能所决定。
13
纯BaTiO3具有较宽的禁带，常温下电子
激发很少，其室温下的电阻率为1012cm， 已接近绝缘体，不具有PTC电阻特性。
14
将BaTiO3的电阻率降到104cm以下， 使其成为半导体的过程称为半导化。 即在其禁带中引入一些浅的附加能级 ：施主能级或受主能级。
3
此外，还有具有压电效应的压力、位臵、
速度、声波等敏感陶瓷，具有铁氧体性质的 磁敏陶瓷及具有多种敏感特性的多功能敏感 陶瓷等。 这些敏感陶瓷已广泛应用于工业检测、
控制仪器、交通运输系统、汽车、机器人、
防止公害、防灾、公安及家用电器等领域。
4
1、敏感陶瓷分类
①物理敏感陶瓷： 光敏陶瓷，如CdS、CdSe等；
21
采用掺杂使BaTiO3半导化的方法之二 是 AST 掺 杂 法 ， 以 SiO2 或 AST ( 1/3A12O3 · 3/4SiO2· 1/4TiO2 )对BaTiO3进 行掺杂，AST加入量3％(摩尔分数)于1260
--1380℃烧成后，电阻率为40--100cm。
22
典型的PTC热敏电阻的配方如下：
11
②电阻随温度的升高而减小的热敏电阻
称为负温度系数热敏电阻，简称NTC热敏电
阻( negative temperature coefficient )；
③电阻在某特定温度范围内急剧变化的
热敏电阻，简称为CTR临界温度热敏电阻( critical temperature resistor )。
12
于对低浓度气体的检测；
52
③对气体的检测是可逆的，而且吸附
、解吸时间短；
④气体检测不需复杂设备，待测气体 可通过气敏元件电阻值的变化直接转化为 信号，且阻值变化大，可用简单电路实现 自动测量；
53
⑤物理化学稳定性好，耐腐蚀，寿命长；
⑥结构简单，成本低，可靠性高，耐振动
和抗冲击性能好。
54
SnO2系气敏陶瓷的应用：
29
(2)MgAl2O4--MgCr2O4--LaCrO3[或
(LaSr)CrO3] 三元系材料 该系材料适用于1000℃以下温区。
30
工作温度在－60℃以下的热敏电阻材料
(NTC)称为低温热敏电阻材料。
低温热敏电阻材料以过渡金属氧化物为 主，加入La、Nd、Pd等的氧化物。 主要材料有Mn-Ni-Fe-Cu、Mn-Cu-Co 、Mn-Ni-Cu等。
25
其中，最有实用意义的为Co-Mn系材料
。它在20℃时的电阻率为103cm，主晶相为
立方尖晶石MnCo2O4。 随着Mn含量的增大，则形成MnCo2O4立 方尖晶和MnCo2O4四方尖晶的固溶体，电阻 率逐渐增大。
26
三元系有：Mn-Co-Ni、Mn-Cu-Ni、
Mn-Cu-Co等Mn系和Cu-Fe-Ni、Cu-FeCo等非Mn系。 在含Mn的三元系中，随着Mn含量的 增大，电阻率增大。 此外，还有Cu-Fe-Ni，CO四元系等。
50
二氧化锡气敏陶瓷所用添加剂多为半
导体添加剂，它们有不同的作用，主要是 Sb2O3、V2O5、MgO、PbO、CaO等。
51
SnO2系气敏陶瓷制造的气敏元件有如下特点： ①灵敏度高，出现最高灵敏度的温度较低， 约在300℃； ②元件阻值变化与气体浓度成指数关系，在
低浓度范围，这种变化十分明显，非常适用
15
通常情况下，施主能级多数是靠近导带 底的；而受主能级多数是靠近价带顶的。
施主能级或受主能级的电离能一般比较
小，因此，在室温下就可受到热激发产生导 电载流子，从而形成半导体。
16
形成附加能级主要通过两种途径：化
学计量比偏离和掺杂，使得晶粒具有优良 的导电性，而晶界具有高的势垒层，形成 绝缘体。
高，在临界温度附近，电阻值急剧减小。
33
V是易变价元素，它有5价、4价等多种价
态，因此，V系有多种氧化物，如V2O5、VO2 、V2O3、VO等。 这些氧化物各有不同的临界温度。每种V 系氧化物与B、Si、P、Mg、Ca、Sr、Ba、Pb
、La、Ag等氧化物形成多元系化合物，可上
、下移动其临界温度。
27
工作温度在300℃以上的热敏电阻(NTC) 常称为高温热敏电阻。 高温热敏电阻有广泛的应用前景，尤其 在汽车空气／燃料比传感器方面，有很大的 实用价值。
28
其中，主要使用的两种较典型材料为：
(1)稀土氧化物材料
Pr、Er、Tb、Nd、Sm等氧化物，加入 适量其他过渡金属氧化物，在1600 ~ 1700 ℃ 烧结后，可在300--1500 ℃工作。
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BaTiO3 的化学计量比偏离半导化采用 在真空、惰性气体或还原性气体中加热 BaTiO3。 由于失氧， BaTiO3 内产生氧缺位，为 了保持电中性，部分 Ti4+ 将俘获电子成为 Ti3+。在强制还原以后，需要在氧化气氛下 重新热处理，才能得到较好的 PTC 特性， 电阻率为1--103cm。
34
⑶ 热敏电阻的应用
热敏电阻在温度传感器中的应用最广
，它虽不适于高精度的测量，但其价格低
廉，多用于家用电器、汽车等。
35
PTC热敏电阻有两种用途： 一是用于恒温电热器，PTC热敏电阻通过
自身发热而工作，达到设定温度后，便自动恒
温，因此不需另加控制电路，如用于电热驱蚊 器、恒温电熨斗、暖风机、电暖器等。
，K2SO4、Na2SO4等碱金属硫酸盐等。
42
③接触燃烧式气敏陶瓷元件系
用铂金丝作母线，表面用陶瓷涂层、
触媒材料、防晶粒生长材料以及防触媒中
毒材料等涂层所制成。
43
⑵ 气敏陶瓷的性能
半导体表面吸附气体分子时，半导体的
电导率将随半导体类型和气体分子种类的
不同而变化。
44
吸附气体一般分为物理吸附和化学吸附 两大类。被吸附的气体一般也可分为两类。 具有阴离子吸附性质的气体称为氧化性(
主成分：( Ba0.93Pb0.03Ca0.04 )TiO3 +
0.0011Nb2O5 + 0.01TiO2(先预烧)； 辅助成分摩尔分数：Sb2O3 0.06％， MnO2 0.04％，SiO2 0.5％，A12O3 0.167％， Li2CO3 0.1％。
23
② NTC电阻材料
一般陶瓷材料都有负的电阻温度系数，但
温度系数的绝对值小，稳定性差，不能应用
于高温和低温场合。
NTC热敏电阻材料是用特定组分合成，
其电阻率随温度升高按指数关系减小的一类
材料，分低温型、中温型和高温型三大类。
24
NTC热敏电阻材料绝大多数是具有尖晶
石型结构的过渡金属固熔体。 其中，二元系主要有：Cu-Mn、Co-Mn 、Ni-Mn等系。
热敏陶瓷，如PTC陶瓷、NTC和CTR
热敏陶瓷等；
磁敏陶瓷，如InSb、InAs、GaAs等；
5
声敏陶瓷，如罗息盐、水晶、 BaTiO3、PZT等； 压敏陶瓷，如ZnO、SiC等； 力敏陶瓷，如PbTiO3、PZT等。
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②化学敏感陶瓷
氧敏陶瓷，如SnO2、ZnO、ZrO2等；
湿敏陶瓷，TiO2—MgCr2O4、ZnOLi2O-V2O5等。
19
五价离子掺杂浓度对BaTiO3的电阻率
影响很大。
一般情况下，电阻率随掺杂浓度的增加 而降低，达到某一浓度时，电阻率降至最低 值，继续增加浓度，电阻率则迅速提高，甚 至变成绝缘体。
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BaTiO3的电阻率降至最低点的掺杂
浓度(质量分数)为：Nd 0.05％，Ce、La、 Nb 0.2％~0.3％，Y 0.35％
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二是用作限流元件，如彩电消磁器、
节能灯用电子镇流器、程控电话保安器、 冰箱电机启动器等。
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4. 气敏陶瓷
在现代社会，人们在生活和工作中使用 和接触的气体越来越多，其中某些易燃、易 爆、有毒气体及其混合物一旦泄露到大气中
，会造成大气污染，甚至引起爆炸和火灾。
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气敏陶瓷是一种对气体敏感的陶瓷材 料，陶瓷气敏元件(或称陶瓷气敏传感器)由 于其具有灵敏度高、性能稳定、结构简单 、体积小、价格低廉、使用方便等优点，
31
③ CTR材料
CTR热敏电阻主要是指以VO2为基本成 分的半导体陶瓷，在68℃附近电阻值突变
达到3--4个数量级，具有很大的负温度系数,
因此称为巨变温度热敏电阻或临界(温度)热 敏电阻材料。
32
这种巨变温度热敏电阻变化具有再现性 和可逆性，故可作电气开关或温度探测器。 这一特定温度称临界温度。 电阻值的急剧变化，通常是随温度的升
得到迅速发展。
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⑴ 气敏陶瓷的分类及结构
气敏陶瓷大致可分为半导体式、固 体电解质式及接触燃烧式三种：
40
①半导体式气敏陶瓷
按照主要原料成分来分类，如SnO2型、
ZnO型、-Fe2O3型、-Fe2O3型、钙钛矿化合
物型、TiO2型等。
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②固体电解质
是一类介于固体和液体之间的奇特固体 材料，其主要特征是它的离子具有类似于液 体电解质的快速迁移特性，如ZrO2氧敏陶瓷