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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
精选ppt
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。
化学功能材料 第六章 敏感陶瓷及生物
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 )。
15
⑵ 陶瓷热敏电阻材料
①BaTiO3 PTC陶瓷
16
BaTiO3陶瓷产生PTC效应的条件
当BaTiO3陶瓷材料中的晶粒充分半导化， 而晶界具有适当绝缘性时，才具有PTC效应。
敏感陶瓷
湿度计
烟雾报警器
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。
敏感陶瓷在某些传感器中，是关键材料之一 ，用于制造敏感元件。
敏感陶瓷多属于半导体陶瓷，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。
2
敏感陶瓷用于制造敏感元件，是根据某 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 敏感的特性而制得的。
9
即：陶瓷材料可以通过掺杂或者使化 学计量比偏离而造成晶格缺陷等方法获得 半导性。
半导体陶瓷的共同特点：它们的导电 性随环境而变化，利用这一特性，可制成 各种不同类型的陶瓷敏感器件，如热敏、 气敏、湿敏、压敏、光敏器件等。
10
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)。
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。
3
此外，还有具有压电效应的压力、位置、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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⑵ 陶瓷热敏电阻材料
①BaTiO3 PTC陶瓷
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BaTiO3陶瓷产生PTC效应的条件
当BaTiO3陶瓷材料中的晶粒充分半导化， 而晶界具有适当绝缘性时，才具有PTC效应。
敏感陶瓷
湿度计
烟雾报警器
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。
敏感陶瓷在某些传感器中，是关键材料之一 ，用于制造敏感元件。
敏感陶瓷多属于半导体陶瓷，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。
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敏感陶瓷用于制造敏感元件，是根据某 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 敏感的特性而制得的。
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即：陶瓷材料可以通过掺杂或者使化 学计量比偏离而造成晶格缺陷等方法获得 半导性。
半导体陶瓷的共同特点：它们的导电 性随环境而变化，利用这一特性，可制成 各种不同类型的陶瓷敏感器件，如热敏、 气敏、湿敏、压敏、光敏器件等。
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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)。
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。
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此外，还有具有压电效应的压力、位置、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。
敏感陶瓷——精选推荐
敏感陶瓷功能材料——敏感陶瓷PCMP 1敏感陶瓷随着科学技术的发展，在⼯业⽣产领域、科学研究领域和⼈们的⽇常⽣活中，需要检测、控制的对象(信息)迅速增加。
PCMP 21信息的获取有赖于传感器，或称敏感信息的获取元件。
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。
元件敏感陶瓷在某些传感器中，是关键材敏感陶瓷料之⼀，⽤于制造敏感元件。
PCMP 3敏感陶瓷⽤于制造敏感元件，是根据某敏感陶瓷敏感元件些陶瓷的电阻率、热、湿、电阻率电动势等物理量对电动势光、电压及某种⽓体、某种离⼦的变化特别电压敏感的特性⽽制得的。
按其相应的特性，可把这些材料分别称作热敏、热敏湿敏、湿敏光敏、光敏压敏、压敏⽓敏及⽓敏离⼦敏感陶瓷。
感陶瓷PCMP 42此外，还有具有压电效应的压⼒、位置、压电效应速度、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磁敏陶瓷陶瓷等。
陶瓷这些敏感陶瓷已⼴泛应⽤于⼯业检测、敏感陶瓷控制仪器、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。
PCMP 51、敏感陶瓷分类①物理敏感陶瓷：光敏陶瓷，如 CdS、CdSe等；光敏陶瓷热敏陶瓷，如 PTC陶瓷、NTC和CTR热敏陶瓷等；热敏陶瓷磁敏陶瓷，如 InSb、InAs、GaAs等；磁敏陶瓷声敏陶瓷，如罗息盐、⽔晶、 BaTiO3、PZT等；声敏陶瓷压敏陶瓷，如 ZnO、SiC等；压敏陶瓷⼒敏陶瓷，如 PbTiO3、PZT等。
⼒敏陶瓷PCMP 63②化学敏感陶瓷⽓敏陶瓷，如 SnO2、ZnO、ZrO2等；⽓敏陶瓷湿敏陶瓷，湿敏陶瓷 TiO2—MgCr2O4、ZnO-Li2O-V2O5等。
⽣物敏感陶瓷也在积极开发之中。
⽣物敏感陶瓷PCMP 72. 敏感陶瓷的结构与性能陶瓷是由晶粒、晶界、⽓孔组成的多相陶瓷系统，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、组分偏离固溶偏析及晶格缺陷等。
晶格缺陷PCMP 84另外，在晶界处也会产⽣异质相的析出、杂质的聚集、杂质的聚集晶格缺陷及晶格缺陷晶格各向异性等。
2.4敏感陶瓷资料
量较高，则在氧分压超过某一临界值时，气相中
的氧将向陶瓷体内部扩散，在建立新的气-固平衡
时会在晶体中产生超过化学计量比的氧过剩，其
在晶体晶格中以金属离子空格点或填隙氧离子表 现出来，使最终产品显著偏离严格的化学计量比。
例如，MO型氧化物将由MO变为MO1+x
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当氧化物存在化学计量比偏离时，晶体内部将 形成空格点或填隙原子，这种缺陷称为固有原子 缺陷，由此将产生相应的能带畸变。
1-导带； 2-价带； Eg-禁带
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。由于晶体势 场是严格的周期性，因而晶体中的电子势能也是周 期性地改变。
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氧含量不足的情况
敏感陶瓷在高温烧结时，如果烧结气氛中 氧分压低于某一临界值时，晶粒内部中的氧将
向外界扩散而产生氧不足，而在冷却过程中高
温热平衡状态下产生的氧不足也会保留下来，
并在晶体中以氧离子空格点或填隙金属离子，
使最终产品显著偏离严格的化学计量比。 例如，MO型氧化物将由MO变为MO1-x
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2. 掺 杂
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，最常见的还是通过控制
杂质的种类和含量来实现敏感陶瓷的半导化。
高价或低价杂质离子替位都会引起氧化物 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。
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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
第十章多功能敏感陶瓷-PPT文档资料
必须使传感器的工作温度高于水蒸汽的物理吸附温度，一
般把传感器加热到400℃左右的工作温度。这种加热温度 的控制是利用传感器陶瓷的高温热敏电阻特性进行自控的。
• 图2表示湿度一气体传感器的湿敏特性。出相对湿 度从0变化到l00％时，交流电阻以对数形式急剧 地变化，滞后在±5 RH范围内，交流电压在5 V 以内时，其特性几乎与电压无关，但当电压提高
类犁的多功能陶瓷传感器。
一、MgCr204-TiO2系敏感陶瓷
• MgCr204-Ti02系是一种具有优良物理、化学和热稳定性的 高温烧结金属氧化物陶瓷，通过控制陶瓷的烧结条件，可 以制成致密陶瓷或多孔性陶瓷。 MgCr204-Ti02多孔陶瓷
的晶粒之间存在着晶界或气孔。这些晶界或气孔很容易吸
附、凝聚水蒸汽和各种气体 当晶体表面的晶界处吸附水 分或气体后 其表面电导率会发生急剧变化，早期研制成 功的湿度传感器和气体传感器，就是分别利用MgCr204Ti02陶瓷的这些效应制成。
到5 V以上时，在高湿度区将会受到焦耳热的影响。
在1-80℃温度范围内相对湿度和温度的关系，例 如在60%的相对湿度下约为3．8％RH／ ℃ 。该 器件若除去给定相对湿度所需的时间，响应时间 在几秒钟之内，有良好的响应性。
• 图8表示在空气中各种不同浓度的气体检测灵敏度
与温度的关系。气体检测灵敏度通常是被定义为
利用℃系多孔特性陶瓷的这些特性，并借助于掩蔽技术和
引入在电气上无串扰的分离技术 便在单个元件上试制成 湿度一气体双重功能的传感器
• 这种多功能敏感陶瓷元件的制备是：原材料采用高纯度的 MgO、Cr2O3和Ti02。根据MgCr204-Ti02系化学式配料， 把粉料同玛瑙球和纯水放入有橡皮衬垫的球磨机肉湿磨24 小时 烘干，添加胶合剂并压成40×36×8 mm的长条，在
第3章 敏感陶瓷材料
伏安特性
稳态情况下，热敏电阻I与U的关系，你为热敏电阻的伏安特性 1、当流过电流小的时候，热敏电阻伏安特性符合欧姆定律 2、电流增大到一定值时，自身温度升高，热敏电阻出现负阻特性，电阻减少，电压下降 3、使用热敏电阻时，应尽量减少电流，以减少自热效应。
热敏电阻的分类
• ①电阻随温度升高而增大的热敏电阻称为正温度系数热敏电阻，
敏感陶瓷在某些传感器中，是关键
材料之一，用于制造敏感元件。
气体报警器
工业用固定式气体报警器由报警控制器和探测器组成， 控制器可放置于值班室内，主要对各监测点进行控制，探 测器安装于气体最易泄露的地点，其核心部件为内置的气 体传感器，传感器检测空气中气体的浓度。探测器将传感 器检测到的气体浓度转换成电信号，通过线缆传输到控制
新千年之初一个令人兴奋的消息便是，具有负折射率的材料实际上是存在的，它就是我们所说的“超材料”。上世纪60年代，前苏联科学家菲斯拉 格便预言，同时具备负渗透率和负电容率的材料便可拥有负折射率。时下，这一预言已成为现实：在穿过超材料时，光线或者微波会朝着“错误的 方向”弯曲。第一种超材料是安装在印刷电路板格构上由金属线和开口环构成的一个合成物，这是一种人造的由重复微型元件组成的结构，在设计 上拥有特殊性质。至关重要的是，如果超材料的结构在很大程度上小于光的波长，我们仍可以用麦克斯韦的电磁理论描述它的电磁反应：细金属线 结构产生千兆赫频率的负电反应；开口环结构产生负磁反应。2000年，加州大学圣地亚哥分校的大卫-史密斯、威利-帕蒂拉和谢丽-斯库特兹第一次 将这些结构组合在一起，制造出拥有负折射率电阻 （最适合测温的材料） 具有负的温度系数的半导体陶瓷材料 电阻值随温度升高而降低
Mn，Co，Ni，Fe的氧化物的混合物
NTC电阻材料
第十章多功能敏感陶瓷-45页PPT资料
• 压敏电阻器10倍以上的电容量，故可作为 电容器工作。但在外加高电压使用状态下， 由于电-电流特性的关系，其阻抗急剧下降， 而可用作浪涌吸收功能的压敏电阻器工作。 因此，可以认为SrTi03系陶瓷压敏电阻器的 电路功能相当于一只大电容器的电容器与 一只大电压-电流非线性系数的压敏电阻器 的并联组合。概括起来，这种SrTi03系陶瓷 压敏电阻器具有如下四种功能：
• 图5 (a)表示温度-湿度传感器的温度特性， 在-40 至+150 ℃宽广温度范围内具有较高 的灵敏度，特别是在-20 ℃—+20 ℃范围内， 电容量几乎呈线性变化而无滞后现象。在 高湿度区(90%RH以上)，因湿度关系对灵 敏度有一 定影响， 但仍不影响它的实际应 用。器件在150 ℃以上显示图5 (b)所示的 通用电导式热敏电阻特性。
值分别为20、15.5、13.5和12；而V 1mA则分别为390、200、 60和25V。
α值分别为20、15.5、13.5和12；而V 1mA则分别为390、200、60和 25V。
• 图8和图9分别表示出(Sr·C a)TiO3陶瓷压敏电阻器的εSAPP、介质损耗 角（tanδ ) 和电流及直流偏置电场的关系曲线。由图可见， 当流过
• 这种多功能敏感陶瓷元件的制备是：原材料采用高纯度的 MgO、Cr2O3和Ti02。根据MgCr204-Ti02系化学式配料， 把粉料同玛瑙球和纯水放入有橡皮衬垫的球磨机肉湿磨24 小时 烘干，添加胶合剂并压成40×36×8 mm的长条，在 1300 ℃的空气中烧结2小时，把烧结体切成4X5×0． 25mm的试片。在试片的两个主表面上用丝网印刷法涂复 RuO2浆料，并在800℃烧结 加成电极，其中电极的一个 面兼作加热器使用。Pt—Ir引线用烧结的RuO2焊料焊接制 成 引出端。图1表示用MgCr204-Ti02系陶瓷制作的湿度一 气体双重功能传感器的结构。
-敏感陶瓷
瓷体内扩散，吸附在晶界或材料表面，使陶 瓷的电导率发生变化。
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14.3 敏感(mǐngǎn)陶瓷的半导化过程A
敏感陶瓷绝大部分是由各种氧பைடு நூலகம்物组成的， 这些氧化物多数具有比较宽的禁带(通常 Eg≥3 eV)，常温下都是绝缘体，要使它们变 为半导体，需要一个半导化的过程。
定义：所谓半导化，是指在禁带中形成附加 (fùjiā)能级：施主能级或受主能级。
按特性可分为：热敏、压敏、湿敏、光敏、气 敏及离子敏感陶瓷。这类材料大多是半导体陶 瓷，如ZnO、SiC、SnO2、TiO2、Fe2O3、 BaTiO3和SrTiO3等。
此外，还有具有压电效应的压力、位置、速度、 声波(shēnɡ bō)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。
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。
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14.1 敏感陶瓷的分类(fēn lèi)及应用
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B、晶粒、晶界及陶瓷表面(biǎomiàn)功能
陶瓷是由晶粒、晶界、气孔组成的多相系统，通过 (tōngguò)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。
2、而含杂质的氧化物附加能级的形成还与 杂质缺陷有关----掺杂。
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14.3 敏感(mǐngǎn)陶瓷的半导化过程A
敏感陶瓷绝大部分是由各种氧பைடு நூலகம்物组成的， 这些氧化物多数具有比较宽的禁带(通常 Eg≥3 eV)，常温下都是绝缘体，要使它们变 为半导体，需要一个半导化的过程。
定义：所谓半导化，是指在禁带中形成附加 (fùjiā)能级：施主能级或受主能级。
按特性可分为：热敏、压敏、湿敏、光敏、气 敏及离子敏感陶瓷。这类材料大多是半导体陶 瓷，如ZnO、SiC、SnO2、TiO2、Fe2O3、 BaTiO3和SrTiO3等。
此外，还有具有压电效应的压力、位置、速度、 声波(shēnɡ bō)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。
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。
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14.1 敏感陶瓷的分类(fēn lèi)及应用
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B、晶粒、晶界及陶瓷表面(biǎomiàn)功能
陶瓷是由晶粒、晶界、气孔组成的多相系统，通过 (tōngguò)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。
2、而含杂质的氧化物附加能级的形成还与 杂质缺陷有关----掺杂。
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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。
在绝对零度时，所有价电子全部填充到下面的价带，受主能级是空着的。在 较高温度下，由于热激发，价带的电子可以跃迁到受主能级去，这种跃迁使价带 产生空穴。在电场作用下，价带中的空穴可以在晶体内沿电场方向作漂移运动， 产生漂移电流，对电导作出贡献。
负温度系数的热敏电阻值为 ： RT=ANexp(BN /T) (14.1) 正温度系数热敏电阻值为： RT =Apexp(Bp /T) (14.2) (3)工作点电阻值RG 指在规定的工作环境下，热敏电阻工作于某一指定的功率下 的电阻值。
14.3.1.2 热敏电阻瓷的基本特性
（1）电阻温度特性
电阻与温度的关系是热敏电阻最基本的特性，可用下式表示：
主要特征 在工作温度范围内，电阻值随温度的增加而减 小 温度超过临界温度后电阻值急剧下降
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
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
目前已获得实用的半导体陶瓷可分为： ①主要利用晶体本身的性质； ②主要利用晶界和晶粒间析出相的性质； ③主要利用陶瓷的表面性质等三种类型。
有代表性的应用举例如下： ①主要利用晶体本身性质的：NTC热敏电阻、高温热敏电阻、氧气传感器。 ②主要利用晶界性质的：PTC热敏电阻、ZnO系压敏电阻。 ③主要利用表面性质的：各种气体传感器，湿度传感器。
14.3.1 热敏电阻的基本参数
14.3.1.1 热敏电阻的阻值 (1)实际阻值（Rr） 指环境温度为t℃时，采用引起阻值变化不超过0.1%的测量功 率所测得的电阻值。 (2)标准阻值（R25） 指热敏电阻器在25℃的阻值。即在规定温度下（25℃），采 用引起电阻值变化不超过0.1%的测量功率所测得的电阻值。热敏电阻器的电阻 值RT与其自身温度T有如下的关系式。
图14.3 热敏电阻的温度特性 (1)---- NTC (24)-----缓变型PTC
14.3.2 正温度系数热敏电阻
（1）概述 PTC是positive temperature coefficient的缩写，是指这种元件的电阻率随温
度升高而增大，在一定的温度下电阻率的增大量可达104～107Ω·cm。
（2）金属氧化物PTC材料半导化 利用金属氧化物PTC材料制备的热敏元件根据不同的应用要求具有不同的阻
值，即要求具备不同的常温电阻率。 用调整几何尺寸来调节常温电阻值是有限的。 从根本上改变材料的电阻率，即实现金属氧化物半导化。
（3）BaTiO3产生PTC效应的条件 a、 晶粒半导化 b 、 晶界适当绝缘化
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
按应用特性 分类 按结构形式 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）] 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
14.1.1 按其相应的特性可把这些材料分别称作：
热敏、压敏、湿敏、光敏、气敏及离子敏感陶瓷。
这类材料大多是半导体陶瓷：
如：ZnO、SiC、SnO2、TiO2、Fe2O3、BaTiO3和SrTiO3等。
(1)温度传感器 (3)光传感器 (5)湿度传感器
(2)位置速度传感器 (4)气体传感器 (6)离子传感器
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。
14.1.2 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。