敏感陶瓷 减缩版综述

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1、1 敏感陶瓷 2 敏敏 感感 陶陶 瓷瓷 是指当作用于这些材料制造的原件上 的某一外界条件变化时，能引起该材料某 种物理性能的变化，从而迅速获得某种有 用的信号。 3 1 1、敏感陶瓷分类、敏感陶瓷分类 物理敏感陶瓷： 光敏陶瓷光敏陶瓷，如CdS、CdSe等； 热敏陶瓷热敏陶瓷，如PTC陶瓷、NTC和CTR 热敏陶瓷等； 磁敏陶瓷磁敏陶瓷，如InSb、InAs、GaAs等； 4 声敏陶瓷声敏陶瓷，如罗息盐 (NaKC4H4O64H2O) 、水晶、BaTiO3、 PZT等； 压敏陶瓷压敏陶瓷，如ZnO、SiC等； 力敏陶瓷力敏陶瓷，如PbTiO3、PZT等。 5 化学敏感陶瓷 氧敏陶瓷氧敏陶瓷，

2、如SnO2、ZnO、ZrO2等； 湿敏陶瓷湿敏陶瓷，TiO2MgCr2O4、ZnO-Li2O -V2O5等。 生物敏感陶瓷生物敏感陶瓷也在积极开发之中。 6 热敏陶瓷热敏陶瓷 热敏陶瓷热敏陶瓷是一类电阻率电阻率、磁性磁性、介电性介电性 等性质随温度温度发生明显变化的材料，主要用 于制造温度传感器温度传感器、线路温度补偿线路温度补偿及稳频的稳频的 元件元件-热敏电阻热敏电阻(thermistor)。 热敏陶瓷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。 7 热敏陶瓷的特性分类热敏陶瓷的特性分类 电阻随温度升高而增大的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正温度

3、系数热敏电阻，简称PTC热敏 电阻( positive temperature coefficient )； 如：BaTiO3陶瓷 8 电阻随温度的升高而减小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负温度系数热敏电阻，简称NTC热敏电 阻( negative temperature coefficient )； 绝大多数是尖晶石型氧化物。尖晶石型氧化物。 v电阻在某特定温度范围内急剧变化的电阻在某特定温度范围内急剧变化的热敏 电阻，简称为CTR临界温度热敏电阻临界温度热敏电阻( critical temperature resistor )。 CTR热敏电阻是一种具有 开关特性

4、的负温 度系数的热敏电阻。当达到临界温度时，引 起半导体陶瓷金属相变 10 热敏电阻的应用热敏电阻的应用 热敏电阻在温度传感器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、汽车家用电器、汽车等。 11 12 气敏陶瓷气敏陶瓷 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。 13 气敏陶瓷气敏陶瓷是一种对气体敏感的对气体敏感的陶瓷材料 ，陶瓷气敏元件陶瓷气敏元件(或称陶瓷气敏传感器陶瓷气敏传感器)由于 其具有灵敏度高、性能稳定、结构简单、体 积小、价

5、格低廉、使用方便等优点，得到迅 速发展。 14 气敏陶瓷的分类及结构气敏陶瓷的分类及结构 气敏陶瓷大致可分为半导体式半导体式、固体固体 电解质式电解质式及接触燃烧式接触燃烧式三种： 15 半导体式气敏陶瓷半导体式气敏陶瓷 按照主要原料成分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。 16 固体电解质固体电解质 是一类介于固体和液体之间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离子具有类似于液 体电解质的快速迁移特性体电解质的快速迁移特性，如ZrO2氧敏陶瓷 ，K2SO4、Na2SO4等碱金属硫酸盐等。 17

6、 接触燃烧式气敏陶瓷元件系接触燃烧式气敏陶瓷元件系 用铂金丝铂金丝作母线，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。 18 典型的气敏半导体陶典型的气敏半导体陶 SnOSnO 2 2 系气敏陶瓷系气敏陶瓷 ZnOZnO系气敏陶瓷系气敏陶瓷 FeFe 2 2 OO 3 3 系气敏陶瓷系气敏陶瓷 19 SnOSnO 2 2 系气敏陶瓷的应用：系气敏陶瓷的应用： 利用SnOSnO 2 2 烧结体烧结体吸附还原气体时电阻减电阻减 少的特性少的特性来检测还原气体，已广泛应用于家 用石油液化气的漏气报警石油液化气的漏气报警、生产用探测报警探测报警 器器和自动排风扇自动排风

7、扇等。 20 SnOSnO 2 2 系气敏元件系气敏元件对酒精和酒精和COCO特别敏 感，广泛用于CO报警和工作环境的空气 监测等。 21 ZnOZnO系气敏陶瓷系气敏陶瓷 氧化锌系气敏陶瓷元件最突出的优点 是气体选择性强气体选择性强，一般加入适量的贵金属贵金属 催化剂催化剂来提高陶瓷元件的灵敏度。 22 氧化锌气敏元件氧化锌气敏元件对异丁烷、丙烷、乙 烷等碳氢化合物碳氢化合物有较高灵敏度，碳氢化合 物中碳元素数目越大灵敏度越高碳元素数目越大灵敏度越高。 23 FeFe 2 2 OO 3 3 系气敏陶瓷系气敏陶瓷 常见的铁的氧化物有三种基本形式三种基本形式： FeO、Fe2O3和Fe3O4；（

8、不作详述） 24 湿敏半导体陶瓷湿敏半导体陶瓷 以湿敏材料制造的湿敏元件湿敏元件配以适适 当的电路当的电路即成为湿度传感器湿度传感器。 根据湿敏材料的性能及其使用功能 可分为以下四类： 25 无机盐系无机盐系，如LiCl电解质型。 有机高分子系有机高分子系，有电解质型(离子 交换树脂)、膨润型、电容型。 半导体陶瓷系半导体陶瓷系，有电容型、电阻 型、阻抗型。 半导体型半导体型，如半导体硅材料。 其中，最常用的为半导体陶瓷系半导体陶瓷系湿 敏电阻型。 26 1 .1 . 湿敏陶瓷制造工艺及其特性湿敏陶瓷制造工艺及其特性 湿敏陶瓷材料种类繁多，化学组成复 杂。 按工艺过程工艺过程可将湿敏半导体陶瓷

9、分为 瓷粉膜型瓷粉膜型、烧结型烧结型和厚膜型厚膜型。 27 例：例：MgCrMgCr 2 2 OO 4 4 -TiO-TiO 2 2 系湿敏陶瓷系湿敏陶瓷 MgCr2O4-TiO2系湿敏陶瓷是典型的高温烧典型的高温烧 结型结型多孔湿敏陶瓷结构，气孔率高气孔率高达30-40 ，具有良好的透湿性能。 MgCr2O4-TiO2系湿敏陶瓷的制造工艺制造工艺可采 用传统陶瓷的制造方法，但原料必须采用化学 纯或分析纯级。 28 MgCr2O4-TiO2系湿敏陶瓷的制造工艺 流程如下： MgO、Cr2O3、TiO2 称量 球磨 干燥 造粒 干压 烧结 切片 电极 引线 装配 测试 29 MgCr2O4-Ti

10、O2系多孔陶瓷多孔陶瓷具有很高的 湿度活性，湿度响应快，对温度、时间、湿 度和电负荷的稳定性高稳定性高，是很有应用前途的 湿敏传感器陶瓷材料，已用于微波炉的自动微波炉的自动 控制控制。 程序控制的微波炉，根据处于微波炉蒸 汽排口处的湿敏传感器湿敏传感器的相对湿度反馈信息 ，调节烹调参数。 30 此外，目前比较常见的高温烧结型湿敏高温烧结型湿敏 陶瓷陶瓷还有ZnCr2O4为主晶相系半导体陶瓷，以 及新研究的羟基磷灰石羟基磷灰石 CaCa10 10(PO (PO 4 4 ) ) 6 6 (OH)(OH) 2 2 湿湿 敏陶瓷敏陶瓷。 31 陶瓷湿度传感器结构 32 2 .2 .湿敏半导体陶瓷的应用

11、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。 33 6. 6. 压敏半导体陶瓷压敏半导体陶瓷 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压敏电阻器。 34 制造压敏陶瓷的材料压敏陶瓷的材料有SiC、ZnO、 BaTiO3、Fe2O3、SnO2、SrTiO3等。 其中BaTiO3、Fe2O3利用的是电极与电极与 烧结体界面的非欧姆特性烧

12、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晶界非欧姆特性。 目前，应用最广、性能最好的是氧化氧化 锌压敏半导体陶瓷锌压敏半导体陶瓷。 35 1 .1 .压敏陶瓷的基本特性压敏陶瓷的基本特性 压敏电阻陶瓷具有非线性伏非线性伏 - - 安特性安特性，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。 36 1.齐钠二极管； 2.SiC压敏电阻； 3.ZnO压敏电阻； 4.线性电阻；

13、5.ZnO压敏电阻。 压敏电阻的I-U特性曲线 37 2 . 2 . 氧化锌压敏陶瓷氧化锌压敏陶瓷 ZnO系压敏电阻陶瓷是压敏电阻陶瓷中性性 能最优的一种材料能最优的一种材料。 成分是ZnO，并添加Bi2O3、CoO、 MnO、Cr2O3、Sb2O3、TiO2、SiO2、PbO等 氧化物经改性烧结而成。 38 氧化锌压敏电阻的应用氧化锌压敏电阻的应用 ZnO压敏电阻器的应用很广，可归结 为如下两方面： 过压保护 稳定电压 39 过压保护过压保护 各种大型整流设备、大型电磁铁、大型 电机、通讯电路、民用设备在开关时，会引 起很高的过电压，需要进行保护，以延长使 用寿命。故在电路中接入压敏电阻压敏

14、电阻可以抑制 过电压。 此外，压敏电阻压敏电阻还可作晶体管保护、变 压器次级电路的半导体器件的保护以及大气 过电压保护等。 40 稳定电压稳定电压 由于氧化锌压敏电阻氧化锌压敏电阻具有优异的非线性 和短的响应时间，且温度系数小、压敏电压 的稳定度高，故在稳压方面在稳压方面得以应用。 压敏电阻器压敏电阻器可用于彩色电视接收机、卫 星地面站彩色监视器及电子计算机末端数字 显示装置中稳定显像管阳极高压，以提高图 像质量等。 41 光敏半导体陶瓷光敏半导体陶瓷 光敏陶瓷也称光敏电阻瓷光敏电阻瓷，属半导体陶 瓷。 由于材料的电特性电特性不同以及光子能量光子能量 的差异，它在光的照射下吸收光能，产生 不同

15、的光电效应：光电导效应光电导效应和光生伏特光生伏特 效应效应。 42 利用光电导效应光电导效应来制造光敏电阻，可 用于各种自动控制系统； 利用光生伏特效应光生伏特效应则可制造光电池或 称太阳能电池，为人类提供了新能源。 43 光电导效应光电导效应 当光线照射到半导体时，在光子作 用下产生的光生载流子光生载流子使电导增加的现 象，称为光电导效应光电导效应。 44 光生伏特效应光生伏特效应 当光线照射到半导体的半导体的p-np-n结结上时，如果光子能 量足够大，hEg，就在p-n结附近激发出电子电子- -空空 穴对穴对。 在自建电场的作用下，n区的光生空穴光生空穴被拉向p 区，p区的光生电子光生电

16、子被拉向n区，结果n区积累了负 电荷，p区积累了正电荷，产生光生电动势光生电动势。 若将外电路接通，就有电流由p区流经外电路 至n区，这种效应称为光生伏特效应光生伏特效应。 45 光电二极管、太阳能电池和光电晶体管就是利 用光生伏特效应光生伏特效应制成的光电转换元件。 通常不同的材料具有不同的光敏光区光敏光区，并在某 一波长有最大的灵敏度。 在可见光区可见光区 (0.40.76m) 最适用的光敏材料为 CdS和CdSe；而在近红外区近红外区 (0.763m) 最适用的 光敏材料为PbS。 目前，常用于制造光敏电阻的光敏材料有CdS 、CdSe和PbS。 46 （3 3） 光敏电阻瓷的应用光敏电阻瓷的应用 太阳能电池太阳能电池是利用光生伏特效应将太阳能 转换为电能的器件。 虽然能量hEg的光子均可产生激发，但 只有能量相当于Eg的部