陶瓷传感器概述

陶瓷传感器概述　

由于材料科学的发展，一系列无机非金属材料被用来制造传感器，因为它们的一些性质，例如耐高温性、抗腐蚀能力、耐磨损等，对传感器具有实用价值。

传感器选用陶瓷材料是因为陶瓷材料具有下述性质：　

　相对而言，通过控制它的成分和烧结条件等手段，陶瓷的微观结构比较容易调节。微观结构对陶瓷的所有特性都有重大影响，包括它们的电学、磁性、光学、热学和机械性能。　

　由于陶瓷材料的耐高温和抗恶劣环境影响能力很强，所以常常将它们用于高温环境下的处理过程。　

　陶瓷主要是由价格便宜的材料制备而成的，这就是说用它生产的传感器价格也将比较低廉。　

陶瓷的结构特性是和下列因素密切相关的：晶粒(块体)，分隔相邻晶粒的表面(晶粒间界)，分隔晶粒表面和空间的界面，以及结构中的孔隙。由于这些各不相同的特性，既可利用陶瓷块体，也可利用陶瓷表面的性质来制造传感器。　

目前已用于传感器制备的陶瓷材料有以下几类：　

　基于利用其晶粒物理特性的材料。　

　基于利用其晶粒间界性质的材料。　

　基于利用其表面特性的陶瓷材料。　

有时，无法严格地将某些陶瓷材料归入任何上述类型，因为传感器的工作是基于不止一种的、而是多种特性的综合效应。表1.4示出了按照所利用的材料属性进行的陶瓷传感器分类。一类是在其工作过程中利用陶瓷块体性质的陶瓷传感器，这类传感器具有材料物理性质的特征——介质，压电体，磁性或半导体。在这些传感器中已经达到的材料特性水准已接近单晶材料所具有的特性水准。

表1.4 按所利用的材料属性的陶瓷传感器分类

所利用的属性一般应用功能特性

块体性质热敏传感器

氧气传感器

氧气传感器

负温度系数（NTC）热敏电阻

固体电介质

半导体

压力敏传感器

红外线传感器

超声波传感器

电容式热敏传感器临界温度传感器压电效应热电效应压电效应铁磁体半导体

晶粒间界特性热敏传感器

气敏传感器

压力敏传感器

正温度系数（PTC）热敏电阻半导体

半导体

表面特性性湿敏传感器

热敏传感器，实际上它是利用半导体、绝缘体、铁磁体等的参数与温度之间的依从关系。红外线探测器应用的是热电效应，而超声波传感器则是利用压电效应。　

晶粒间界的特性被用来制备正温度系数(PTC)的热敏电阻，它的阻抗随着温度变化而激烈改变。　

在高孔隙度陶瓷中，水蒸汽和气体通过开口孔扩散，然后吸附在晶体表面，取决于吸附水汽和气体的数量或品种，许多半导体型陶瓷的电导率会发生不同程度的变化。　

具有铁电体、压电体和热电体性质的陶瓷材料广泛地用于力和压力敏传感器、超声波和红外线传感器。　

陶瓷所具有的固有性质，以及其块体、晶粒间界、表面上和孔隙等的结构特性，对各种传感器来说都是合适的材料。表1.5给出了陶瓷传感器的类型，以及它所利用的效应和材料。

除了表1.5中所列的传感器外，还开发了许多多功能传感器，例如热敏和气敏，热敏、气敏和湿敏，热敏和湿敏等多功能相结合的传感器。它们不仅利用了陶瓷的表面和晶粒间界的物理性质，同时也利用了它的晶体晶粒特性。　

表1.5陶瓷传感器及其应用的效应和材料

传感器品种输出信号效应材料

电阻值变化温度载体的密度

变化

NiO,CoO,FeO,MnO,MnO-NiO-CoO

负温度系数的热敏电阻效应(NTC)相变，阈值效应CoO-Al O-CaSiO BaTiO

2333

热敏传感器

正温度系数的热

敏电阻效应(PTC)

半导体-金属间相变

VO ,V O ２23磁性变化铁磁-顺磁相变

Mn-Zn,Ni-Zn,Mn-Cu 等铁磁体

电容量变化铁电体介电常数的温度改变

(Ba Sr )TiO ,BaTiO ,PZT 1-x x 33 电动力

固体电介质的伏打电源氧浓度

ZrO -Y O ,ZrO -CaO 2232电阻值变化

气体催化氧化的热反应 气体被半导体氧化物吸附或解吸附时的电

荷量变化 热导性

气体抽取热量时，热敏电阻的温度变化

Pt 催化剂/Al O /Pt 导体23SnO ,ZnO,In O ,WO ,Fe O ,NiO,Cr O ,TiO 等223323232 热敏电阻 气敏传感器

电动力固体电介质的伏打电源氧浓度

ZrO -Y O ,CaO,MgO,LaO 等2232湿敏传感器

电阻值变化电容量变化

湿汽吸附的离子电导率变化

湿汽吸附的电子电导率变化湿汽吸附后的介电常数改变

Lill,ZnO-Li O 等2TiO 2,ZnO,MgCr 2O 4-TiO 2,Fe 2O 3,RuO 2等

光敏传感器电动

热电效应

SrTcO ,LiNbO ,PZT,PbTiO 等333超声波传感器发射和反射波间的相位差压电效应PZT,PbTiO ,PbZrO 33压电谐振器

频率变化

压电效应

PZT,PbTiO ,PbZrO 33

测量力、压力、加速度的传感器

输出电压改变　电阻值改变压电效应　压电电阻效应PZT,PbTiO ,PbZrO ,ZnO-NiO-Li O,V O ,ZnO-TiO -332232B O 23陶瓷提供的可能应用是非常广的，包括可以选择陶瓷的原始组成成分，从而达到材料具有多功能性的目的。举例来说，ZnO 可用于气敏传感器，但如果其中添加了锂或其他合适的材料，那么它就成了制备湿敏传感器的材料。虽然其基本材料还是同一种，但一些微量的添加物足以改变其功能性质。这类适用的陶瓷或厚膜传感器可以通过烧结制备。

在表1.5中所列的所有传感器中，那些基于热电和压电效应的传感器应用最广，并且在可得到的文献资料有充分的论述，正因为这个原因，本书论述的主要对象定为湿敏、气敏、热敏、压力敏(非压电材料类)，以及多功能传感器。