敏感陶瓷B资料

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。
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
Βιβλιοθήκη Baidu
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
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：
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。
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。
14.3.1 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。
（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
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
图14.3 热敏电阻的温度特性 (1)---- NTC (2)-----CTR (3)-----开关型 (4)-----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。
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
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。
14.1.1 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