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。
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。
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。
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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。
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。
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
Kunming University of Science and Technology
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
Kunming University of Science and Technology
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。
11-敏感陶瓷04962
用La3+、Ce4+、Sm3+、Dy3+、Y3+、Sb3+、Bi3+等置换Ba2+。 或用Nb5+、Ta5+、W6+等置换Ti4+。
掺杂量一般在0.2%~0.3%之间，稍高或稍低均可能导 致重新绝缘化。
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。
是指PTC热敏电阻陶瓷所承受的最高电压Vmax。 （6）电流-时间特性 （7）放热特性
二、PTC热敏陶瓷材料
为PT基C热材敏料电制阻作器的有PT两C；大另系一列类：是一以类氧是化采钒用为Ba基TiO的3 材料。
1、 BaTiO3系PTC热敏电阻陶瓷 （1） BaTiO3陶瓷产生PTC效应的条件
具当有Ba适TiO当3绝陶缘瓷性材时料，中才的具晶有粒P充T分C效半应导。化，而晶界
(1-y)(Ba1-xCaxTi1.01O3).ySrSnO3+0.002La2O3
+0.006Sb2O3+0.0004MnO2+0.0025SiO2+
0.00167Al2O3+0.001Li2CO3 A、原料：一般应采用高纯度的原料，特别要控制受主杂
质的含量，把Fe、Mg等杂质含量控制在最低限度。一 般控制在0.01mol%以下。
蚊香、电熨斗等需要保持恒定温度的电 器上，可省去一套温控线路。
❖（1）负载过电流、过热保护
热敏电阻动作后，电路中电流有了大幅度的降低， 因而可同时起到过热保护和过流保护两种作用。热敏 电阻也适用于手提电脑及手机中的锂离子电池和镍氢 电池的短路及发热保护。
当手机电池过充电或短路时，电池发热，电池 内部线路板上的PTC阻值上升，将电流限制在安全范 围内。某些水货手机电池内部用普通电阻代替PTCR， 在发生短路故障时，保护作用很差。
掺杂量一般在0.2%~0.3%之间，稍高或稍低均可能导 致重新绝缘化。
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。
是指PTC热敏电阻陶瓷所承受的最高电压Vmax。 （6）电流-时间特性 （7）放热特性
二、PTC热敏陶瓷材料
为PT基C热材敏料电制阻作器的有PT两C；大另系一列类：是一以类氧是化采钒用为Ba基TiO的3 材料。
1、 BaTiO3系PTC热敏电阻陶瓷 （1） BaTiO3陶瓷产生PTC效应的条件
具当有Ba适TiO当3绝陶缘瓷性材时料，中才的具晶有粒P充T分C效半应导。化，而晶界
(1-y)(Ba1-xCaxTi1.01O3).ySrSnO3+0.002La2O3
+0.006Sb2O3+0.0004MnO2+0.0025SiO2+
0.00167Al2O3+0.001Li2CO3 A、原料：一般应采用高纯度的原料，特别要控制受主杂
质的含量，把Fe、Mg等杂质含量控制在最低限度。一 般控制在0.01mol%以下。
蚊香、电熨斗等需要保持恒定温度的电 器上，可省去一套温控线路。
❖（1）负载过电流、过热保护
热敏电阻动作后，电路中电流有了大幅度的降低， 因而可同时起到过热保护和过流保护两种作用。热敏 电阻也适用于手提电脑及手机中的锂离子电池和镍氢 电池的短路及发热保护。
当手机电池过充电或短路时，电池发热，电池 内部线路板上的PTC阻值上升，将电流限制在安全范 围内。某些水货手机电池内部用普通电阻代替PTCR， 在发生短路故障时，保护作用很差。
第七章敏感陶瓷
第七节 气敏陶瓷
分类
按其气敏机理可以分为：半导体式和固体电解质式两 类，其中半导体式又分为表面效应型和体效应型两种；
按制备方法将气敏陶瓷分为多孔烧结型、薄膜型和厚 膜型；
也可直接用化合物类型分类。
第七节 气敏陶瓷
气敏原理
1）能级生成理论
氧化性气体吸附于n型半导体气敏材料表面，
气体从半导体表面夺取电子形成负离子，从
第二节 半导体
能带结构
导体、半导体、绝缘体能带结构
第二节 半导体
本征半导体
共价晶体中的电子受到热激发
第二节 半导体
本征半导体
载流子浓度
ne
nh
N
exp(
Eg 2kT
)
第二节 半导体
杂质半导体
导带
价带
n型半导体
施主杂质电子浓度
ne
(施主）
Nd
exp(
Ed 2kT
)
第二节 半导体
杂质半导体
导带
1) 施主掺杂（高价取代低价）
Ba
2Ti
O 4 2 3
xLa3
Ba12x Lax3Ti14x (Ti4
e)x O32
xBa2
第三节 敏感陶瓷
2、异价离子掺杂
2) 受主掺杂（低价取代高价）
NiO xLi Ni122x (LiNi )x (Ni2 h )x O xNi2 xe
O2得到电子 形成O2-
第七章 敏感陶瓷
第一节 敏感陶瓷概述
湿度计
烟雾报警器
第一节 敏感陶瓷概述
敏感陶瓷
物理量 变化
电信号 变化
第一节 敏感陶瓷概述
敏感陶瓷定义
某些陶瓷的电阻率、电动势等物理量对 热、湿、声、光、磁、电压及气体、离子的 变化特别敏感，这类陶瓷称为敏感陶瓷。
《敏感陶瓷》课件 (2)
结语
敏感陶瓷的重要性
敏感陶瓷在传感领域的重要性不容忽视，为 各类传感器的性能提升和应用拓展提供了新 的可能。
总结及展望
通过了解敏感陶瓷的制备方法、特性分析和 应用案例，我们对其未来发展有了更深入的 认识。
制备方法
常见的制备方法
烧结法、溶胶-凝胶法的优缺点比较
不同制备方法具有各自的特点和优缺点，了解 并比较这些方法有助于选择适合的制备方法。
特性分析
1
基本特性
敏感陶瓷具有高灵敏度、快速响应、稳定性好等特性，可用于各种传感应用。
2
机理分析
通过深入研究敏感陶瓷的响应机理，可以揭示其物质结构与性能之间的关系。
电子传感器
敏感陶瓷可以用于制造各种类型的电子传感器， 如压力传感器、温度传感器等。
展望
未来应用前景
敏感陶瓷在生物医学、环境监测、智能传感等 方向具有广阔的应用前景，可以满足人们对高 性能传感器的需求。
研究方向及挑战
未来的研究可以侧重于提高敏感陶瓷响应的灵 敏度、稳定性和可靠性，同时应对制备过程等 方面的挑战。
3
性能优化
探索改善敏感陶瓷性能的方法，如增加纳米材料掺杂、调节制备工艺等。
应用案例
生物传感器
敏感陶瓷可以用于生物传感领域，用于检测细 胞、蛋白质、DNA等生物分子的存在和浓度。
化学传感器
敏感陶瓷可应用于检测污染物、化学物质浓度、 气体组分等，发挥着重要的监测功能。
光学传感器
敏感陶瓷在光学领域的应用包括光纤传感、光 学信号调制等，为高精度测量提供技术支持。
《敏感陶瓷》PPT课件 (2)
敏感陶瓷是一种具有特殊响应性能的陶瓷材料。本课程将介绍敏感陶瓷的定 义、制备方法、特性分析、应用案例、未来前景等内容。
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
低温敏感陶瓷材料的制备与应用
低温敏感陶瓷材料的制备与应用在现代科技发展的时代背景下，陶瓷材料已经成为了各个领域不可或缺的重要材料之一。
而低温敏感陶瓷材料则作为陶瓷材料中的一种重要类型，其具有着广泛的应用前景和巨大的市场需求。
本文将主要探讨低温敏感陶瓷材料的制备方法以及其在各个领域中的应用情况。
首先，我们需要了解低温敏感陶瓷材料的制备方法。
低温敏感陶瓷材料的制备需要考虑到多种因素，如烧结温度、材料成分和添加剂等。
目前，常用的制备方法主要包括固相反应法、合成法以及溶胶-凝胶法等。
固相反应法是指通过将不同的原料混合，并在一定的温度条件下进行烧结来制备低温敏感陶瓷材料。
合成法则是通过化学反应直接合成所需的陶瓷材料。
溶胶-凝胶法则是将溶胶溶液加入到溶剂中形成凝胶，然后通过热处理得到相应的陶瓷材料。
这些制备方法各有优缺点，可以根据具体需求选择适合的制备方法。
接下来，我们来讨论低温敏感陶瓷材料在各个领域的应用情况。
首先是电子领域。
随着电子科技的不断发展，人们对电子器件的要求也越来越高。
而低温敏感陶瓷材料由于其优良的绝缘性能、高介电常数以及低电子损耗等特点，被广泛应用于电子元件的制造过程中。
比如，低温敏感陶瓷材料可以用于制备电容器、铁电器件以及传感器等，从而提高电子元件的性能和稳定性。
其次是能源领域。
能源问题是当前社会面临的一个重要问题，而低温敏感陶瓷材料则可以作为一种重要的能源材料而得以应用。
比如，低温敏感陶瓷材料可以用于制备高效的太阳能电池。
通过将低温敏感陶瓷材料作为太阳能电池的材料，可以提高太阳能电池的转换效率，从而提高能源的利用效率。
此外，低温敏感陶瓷材料还可以用于制备储能材料，如锂离子电池和超级电容器等，从而提高能源的储存和利用效率。
最后是生物医学领域。
随着医学技术的不断发展，人们对材料在生物医学领域中的应用也提出了更高的要求。
低温敏感陶瓷材料由于其生物相容性好、稳定性高以及可调节的敏感特性，被广泛应用于生物医学领域。
比如，低温敏感陶瓷材料可以用于制备人工骨骼、人工心脏瓣膜以及医学传感器等，从而改善人类的健康状况和生活质量。
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）。
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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。
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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
11敏感陶瓷04962
要获得细晶陶瓷，首先要求原料细、纯、匀、来源 稳定，其次可通过添加一些晶粒生长抑制剂，达到均 匀细小净粒结构的目的。此外，加入玻璃形成剂和控 制升温速度也可以抑制晶粒长大。
C、化学计算比（Ba/Ti）的影响
B在a过Ti量O2时稍体微积过电量阻时率通往常往会会呈增现高最，低且体使积瓷电料阻易率于；实在 现细晶化。
一、PTC热敏陶瓷 1、PTC热敏电阻的基本特性 （1）电阻—温度特性
其电阻—温度曲线（R-T曲线）。 居里温度Tc可通过掺杂来调整。 （2）电阻温度系数α 是指零功率电阻值的温度系数，其定义为：
α T=1/RT*dRT/dT 对于PTC，α T=2.303/(T2-T1)*lgR2/R1
PTC热敏电阻
三、PTC热敏电阻的应用 为温度敏感特性的应用、延迟特性的
应用及加热器方面的应用。
1、温度监控传感器 2、彩色电视机消磁 3、电冰箱起动器
PTC热敏电阻可用于计算机及其外部 设备、移动电话、电池组、远程通讯和
网络装备、变压器、工业控制设备、汽
车及其它电子产品中，作为开关类的 PTC陶瓷元件，具有开关功能。使电器 设备避免过流、过热损坏；作为加热类 的PTC陶瓷元件，它是一种温度自控的 发热体，大量用于暖风机、电吹风、电
1、 BaTiO3系PTC热敏电阻陶瓷 （1） BaTiO3陶瓷产生PTC效应的条件
具当有Ba适Ti当O3绝陶缘瓷性材时料，中才的具晶有粒P充T分C效半应导。化，而晶界
PTC效应完全是由其晶粒和晶界的电性能决定， 没有晶界的单晶不具有PTC效应。
（2）陶瓷的半导化
由于在常温下是绝缘体，要使它们变成半导体， 需要一个半导化。所谓半导化，是指在禁带中 形成附加能级：施主能级或受主能级。在室温 下，就可以受到热激发产生导电载流子，从而 形成半导体。
C、化学计算比（Ba/Ti）的影响
B在a过Ti量O2时稍体微积过电量阻时率通往常往会会呈增现高最，低且体使积瓷电料阻易率于；实在 现细晶化。
一、PTC热敏陶瓷 1、PTC热敏电阻的基本特性 （1）电阻—温度特性
其电阻—温度曲线（R-T曲线）。 居里温度Tc可通过掺杂来调整。 （2）电阻温度系数α 是指零功率电阻值的温度系数，其定义为：
α T=1/RT*dRT/dT 对于PTC，α T=2.303/(T2-T1)*lgR2/R1
PTC热敏电阻
三、PTC热敏电阻的应用 为温度敏感特性的应用、延迟特性的
应用及加热器方面的应用。
1、温度监控传感器 2、彩色电视机消磁 3、电冰箱起动器
PTC热敏电阻可用于计算机及其外部 设备、移动电话、电池组、远程通讯和
网络装备、变压器、工业控制设备、汽
车及其它电子产品中，作为开关类的 PTC陶瓷元件，具有开关功能。使电器 设备避免过流、过热损坏；作为加热类 的PTC陶瓷元件，它是一种温度自控的 发热体，大量用于暖风机、电吹风、电
1、 BaTiO3系PTC热敏电阻陶瓷 （1） BaTiO3陶瓷产生PTC效应的条件
具当有Ba适Ti当O3绝陶缘瓷性材时料，中才的具晶有粒P充T分C效半应导。化，而晶界
PTC效应完全是由其晶粒和晶界的电性能决定， 没有晶界的单晶不具有PTC效应。
（2）陶瓷的半导化
由于在常温下是绝缘体，要使它们变成半导体， 需要一个半导化。所谓半导化，是指在禁带中 形成附加能级：施主能级或受主能级。在室温 下，就可以受到热激发产生导电载流子，从而 形成半导体。
6.4 敏感陶瓷(2009.12.13)
1.2 应用 敏感陶瓷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。 各种敏感陶瓷的分类、用途及材料见表6-6 （P200）。
2 敏感陶瓷的半导化过程
敏感陶瓷绝大部分是由各种氧化物组成的，在常温下 它们都是绝缘体，要使它们变为半导体，需要一个半 导化的过程。 所谓半导化，是指在禁带中形成附加能级：施主能级 或受主能级。它们的电离能一般比较小，在室温下就 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 加能级的形成还与杂质缺陷有关。
4 气敏陶瓷
随着现代科学技术的发展，人们所使用和接触的气体 越来越多，因此要求对这些气体的成分进行分析、检 测及报警的领域也日益扩大。尤其是易燃、易爆、有 毒气体等，必须对这些气体进行严密监测，避免火灾、 爆炸及大气污染等事故的发生。 对于以上气体的分析、检测、监测等可采用新发展起 来的半导法。半导法结构简单、灵敏度高、使用方便、 价格便宜。气敏陶瓷就是其中较重要的分支。
6.4 敏感陶瓷
本章主要内容: 1 敏感陶瓷的分类及应用 2 敏感陶瓷的半导化过程 3 热敏陶瓷 3.1 热敏陶瓷的分类 3.2 热敏陶瓷的电阻温度系数 3.3 热敏陶瓷阻温特性 3.4 PTC热敏电阻陶瓷 3.5 NTC热敏电阻陶瓷 4 气敏陶瓷 4.1 气敏陶瓷分类 4.2 气敏陶瓷的性能 4.3 典型的气敏陶瓷
1 敏感陶瓷的分类及应用
1.1 分类
敏感陶瓷多属半导体陶瓷，是新型多晶半导体电子陶瓷。 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， 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。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。
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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；
3
声敏陶瓷，如罗息盐、水晶、 BaTiபைடு நூலகம்3、PZT等； 压敏陶瓷，如ZnO、SiC等； 力敏陶瓷，如PbTiO3、PZT等。
4
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。
20
⑴ 湿敏半导体陶瓷的分类
以湿敏材料制造的湿敏元件配以适 当的电路即成为湿度传感器。 根据湿敏材料的性能及其使用功能
可分为以下四类：
21
①无机盐系，如LiCl电解质型。 ②有机高分子系，有电解质型(离子 交换树脂)、膨润型、电容型。 ③半导体陶瓷系，有电容型、电阻 型、阻抗型。 ④半导体型，如半导体硅材料。 其中，最常用的为半导体陶瓷系湿 敏电阻型。
或电子受容性)气体，如O2、NOx等。
具有阳离子吸附性质的气体称为还原性( 或电子供出性)气体，如H2、CO、乙醇等。
19
5. 湿敏半导体陶瓷
湿度，通常是指空气中水蒸气的含量。 湿度与人类的日常生活和生产活动有着 十分密切的关系，因此需要随时监测空气湿 度。 新型湿度传感器可将湿度的变化以电信 号形式输出，易于实现远距离监测、记录和 反馈的自动控制。
9
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 )。
10
热敏电阻的应用
得到迅速发展。
13
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：
14
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。
15
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
22
湿敏半导体陶瓷的应用
湿敏陶瓷的应用很广泛，主要
应用于家电、汽车、医疗、工业设 备、农、林、畜牧业等领域。
23
6. 压敏半导体陶瓷
一般电阻器的电阻值可以认为是一个恒
定值，即流过它的电流与施加电压成线性关
系。
压敏陶瓷是指电阻值随着外加电压变化
有一显著的非线性变化的半导体陶瓷，用这
种材料制成的电阻称为压敏电阻器。
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。
11
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。
12
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，
光敏陶瓷也称光敏电阻瓷，属半导体陶
瓷。
由于材料的电特性不同以及光子能量
的差异，它在光的照射下吸收光能，产生 不同的光电效应：光电导效应和光生伏特 效应。
29
7
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)。 热敏陶瓷具有灵敏度高、稳定性好、制 造工艺简单及价格便宜等特点。
8
热敏陶瓷的特性分类
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，简称 PTC 热敏 电阻( positive temperature coefficient )；
生物敏感陶瓷也在积极开发之中。
5
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。
6
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。
26
1.齐钠二极管； 2.SiC压敏电阻； 3.ZnO压敏电阻； 4.线性电阻； 5.ZnO压敏电阻。
压敏电阻的I-U特性曲线
27
由图可见，压敏电阻陶瓷的I-U特性
不是一条直线，其电阻值在一定电流范围
内呈非线性变化。 因此，压敏电阻又称非线性电阻，用 这种陶瓷制造的器件叫非线性电阻器。
28
7. 光敏半导体陶瓷
，K2SO4、Na2SO4等碱金属硫酸盐等。
16
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。
17
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。
18
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(
24
制造压敏陶瓷的材料有SiC、ZnO、 BaTiO3、Fe2O3、SnO2、SrTiO3等。 其中BaTiO3、Fe2O3利用的是电极与
烧结体界面的非欧姆特性，而SiC、ZnO、
SrTiO3利用的是晶界非欧姆特性。
目前，应用最广、性能最好的是氧化
锌压敏半导体陶瓷。
25
⑴ 压敏陶瓷的基本特性
压敏电阻陶瓷具有非线性伏 -- 安特性，对 电压变化非常敏感。 在某一临界电压以下，压敏电阻陶瓷电 阻值非常高，几乎没有电流；但当超过这一 临界电压时，电阻将急剧变化，并且有电流 通过。随着电压的少许增加，电流会很快增 大。 压敏电阻陶瓷的这种电流 -电压特性曲线 如图所示。
敏感陶瓷
1
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。 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。
2
1、敏感陶瓷分类
①物理敏感陶瓷： 光敏陶瓷，如CdS、CdSe等；