第5章信息与电子用陶瓷3-PDF

5.5敏感陶瓷敏1敏感陶瓷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。信息的获取有赖于传感器或称敏感元件信息的获取有赖于传感器，或称敏感元件。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。敏感陶瓷在某些传感器中是关键材料之一敏感陶瓷在某些传感器中，是关键材料之，用于制造敏感元件。2概述5.5.1 概述一、敏感陶瓷的分类及应用敏感陶瓷是某些传感器中的关键材料之一。敏感陶瓷多属半导体陶瓷，是继单晶半导体材料之后感陶瓷多属半导体陶瓷，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。其电阻率=10‐10–109，半导体陶瓷多半用于敏感元件，所1010，半导体陶瓷多半用于敏感元件，所以常将半导体陶瓷称为敏感陶瓷。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，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。此外还有具有压电效应的压力位置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业检测控制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、防灾、公安及家用电器等领域。5.5.2敏感陶瓷的结构与性能敏陶结构与性能传感器陶瓷常属半导体材料，检测到的信息（如温度、湿度等）以电信号的形式输出。半导体陶瓷一般是氧化物或复杂氧化物。在正半导体陶瓷般是氧化物或复杂氧化物在常情况下陶瓷具有较宽的禁带（Ee≥3eV)，所以通常为绝缘体。常为绝缘体要使这些绝缘体成为半导体，必须对绝缘体进行进行半导体化处理。形成附加能级主要有两个途行进行半导体化处理。形成附加能级主要有两个途径：①添加能形成附加能级的杂质，即掺杂，②不含杂质的氧化物主要通过化学计量比偏离来形成，含杂质的氧化物主要通过化学计量比偏离来形成，即控制成分使其偏离化合物的化学计量，可以使传统的绝缘陶瓷半导体化，并使其具备一定的性能。统的绝缘陶瓷半导体化，并使其具备定的性能。陶瓷是多相系统，通过人为掺杂，造成晶粒表面的组分偏离；在晶界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化。目前已获得实用的半导体陶瓷可分为：（1）主要利用晶体本身性质的NTC热敏电（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）主要利用晶界性质和晶粒间析出相的性（2）主要利用晶界性质和晶粒间析出相的性质的：PTC热敏电阻、ZnO系压敏电阻。（3）主要利用陶瓷表面性质的：各种气体传感器、湿度传感器。553热敏陶瓷5.5.3热敏陶瓷5.5.3热敏陶瓷热敏陶瓷是一类电阻率随温度发生明显变化的材料，用于制作温度传感器、线路温度补偿及稳频等的元件(热敏电阻其优点是品种繁多可以满足不同用途的需要灵电阻)。其优点是品种繁多，可以满足不同用途的需要，灵敏度高、稳定性好、容易制造、价格便宜。热敏陶瓷的分类及阻温特性一、热敏陶瓷的分类及阻温特性1)分类按照热敏陶瓷的阻温特性，可把热敏陶瓷分为负温度系数NTC热敏陶瓷、正温度系数PTC热敏陶瓷、临界温度热敏电阻C及线性阻温特性热敏陶瓷四大类敏电阻CTR及线性阻温特性热敏陶瓷四大类。按照热敏陶瓷的使用温度区间，又可分为：低温热敏电阻陶瓷（工作温区有4300K）通用（中温）热敏电阻阻陶瓷（工作温区有4～300K）；通用（中温）热敏电阻陶瓷（工作温区-60～300℃）；高温热敏电阻陶瓷（300～1000℃）；以及工作温度区间在某一狭窄范围内的开关1000℃）；以及工作温度区间在某狭窄范围内的开关热敏陶瓷，其电阻率在某一临界温度Tc发生突变。2)电阻温度系数电度系数是指零功率电值的电阻温度系数是指零功率电阻值的温度系数。温度为Ｔ时的电阻温度系数定义为5.定义为：其中R为温度T时的电阻值。温度系数6敏感其中Rt为温度T时的电阻值。温度系数有正负之分，相应的材料分别称为PTC和NTC热敏陶瓷。感陶瓷3)阻温特性几种典型热敏电阻陶瓷及金属的阻瓷几种典型热敏电阻陶瓷及金属的阻温特性如图所示。1—Pt丝；2—NTC；3—CTR；4—PTC；5—线性PTC；6—线性NTC在我国通常规定电阻温度系数大于10％/℃的为开关型热敏电阻陶瓷；电阻温度系数小于10％/℃的为缓变型阻温度系数小于10％/℃的为缓变型热敏电阻陶瓷。二、PTC热敏电阻陶瓷热敏电阻陶瓷PTC热敏电阻陶瓷主要是掺杂BaTiO3系陶瓷。通过对BaTiO进行掺杂并控制烧结气氛可通过对BaTiO3进行掺杂，并控制烧结气氛，可获得晶粒充分半导化，晶界具有适当电绝缘性的PTC热敏陶瓷PTC热敏陶瓷。BaTiO3PTC陶瓷不仅可作为开关型或缓变型热敏陶瓷电阻，用来探测及控制某一特定温区或温度点的温度，也可以作为电流限制器使用，如马达过热保护，液面深度的探测，温度的控制和报警和电流经时变化特性及用作非破坏性保险丝等。此外，根据其伏安特性，还可用于定温加热器、彩电消磁回路、马达启动器和延时开关等。１）BaTiO3陶瓷产生PTC效应的条件BaTiO陶瓷是否具有PTC效应完全由其晶粒和晶界BaTiO3陶瓷是否具有PTC效应，完全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没有晶界的单晶不具有PTC效应。晶粒和晶界都充分半导化及晶粒半导化，而晶界或边界层充分绝缘化的BTiO陶瓷都不具有PTC效应界层充分绝缘化的BaTiO3陶瓷都不具有PTC效应；只有晶粒充分半导化，晶界具有适当绝缘性的BaTiO3陶瓷才具有显著的效应陶瓷才具有显著的PTC效应。从BTiO半导化工艺上看必须采用施主掺杂半导化技术使晶从BaTiO3半导化工艺上看，必须采用施主掺杂半导化技术，使晶粒充分半导化；采用氧化气氛烧结，使晶界及其附近氧化，呈现适当的电绝缘性。但是，当BaTiO3基料中混入较多的CuO、MnO2、Bi2O3、TiO2等金属氧化物时，过高温度和过长时间的烧结，会使处于晶界上的金属氧化物充分氧化。因而在晶界上形成一层极薄的高阻层，使BaTiO3陶瓷化物充分氧化。因而在晶界上形成层极薄的高阻层，使BaTiO3陶瓷失去PTC效应。4）BaTiO3PTC陶瓷生产工艺55.6敏感陶陶瓷5）影响PTC热敏陶瓷性能的因素（1）组成对居里温度的影响不同的PTC热敏陶瓷对Tc(临界温度)或Tb(开关温度)有不同的要求，需要通过控制BaTiO3的居里点来解决。（2）晶粒大小的影响晶粒大小与正温度系数、电压系数及耐压值有密切的关系。电压系数表示热敏材料在外加电压后，电阻率降低的相对值。一般希望PTC电压系数小些。耐压值实质上是指PTC热敏陶瓷所能承受的最高电压Vmax耐压值高的指PTC热敏陶瓷所能承受的最高电压Vmax。耐压值高的材料PTC效应也大。（3）化学计量比（Ba/Ti）的影响（3）化学计量比（Ba/Ti）的影响在TiO2稍微过量时通常会呈现最低体积电阻率；在Ba过量时体积电阻率往往会增高；当TiO2引入量超过与体积过量时体积电阻率往往会增高；当TiO2引入量超过与体积电阻率最低值相对应的数量时，体积电阻率也会增高。PTC的应用实例（1）负载过电流过热保护PTC的应用实例（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。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。，在发短路故障时，保护作用很差电机启动PTC热敏电阻电机启动PTC热敏电阻电机在启动时，要克服本身的惯性，同时还要克服负载的作力如冰箱压缩机启动时必须克服制服负载的反作用力（如冰箱压缩机启动时必须克服制冷剂的反作用力），因此电机启动时需要较大的电流和转矩当转动正常后为了节约能源需要的转矩和转矩。当转动正常后，为了节约能源，需要的转矩又要大幅度下降。给电机加一组辅助线圈，只在启动时工作，正常后它就断开。将PTC热敏电阻串联在启时作，正常后它就断开将热敏电阻串联在启动辅助线圈，启动后PTC热敏电阻进入高阻态切断辅助线圈，正好可以达到这种效果。灯丝预热用PTC热敏电阻器用于各种荧光灯电子镇流器电子节能灯中不用于各种荧光灯电子镇流器、电子节能灯中，不必改动线路，将适当的热敏电阻器直接中跨接在灯管的谐振电容器两端，可以变电子镇流器、电子节能灯的谐振电容器两端，可以变电子镇流器、电子节能灯的硬启动为预热启动，使灯丝的预热时间达0.4～2秒可延长灯管寿命三倍以上。刚接通开关时，Rt处于常温态，其阻值远远低于阻值电流通过自值远远低于C2阻值，电流通过C1，Rt自热温度超过居里点温度Tc跃入高阻态，其阻值远远高于C2阻值，电流通过C1、C2形成回路导致LC谐振，产生高压点亮C2形成回路导致LC谐振，产生高压点亮灯管。三、NTC热敏电阻陶瓷NTC热敏电阻陶瓷是随温度升高，电阻率按热敏电阻陶瓷是随温度升高电阻率按指数关系减小的一类陶瓷材料，它们大多数是尖晶石结构或其他结构的氧化物陶瓷，其中多数含晶石结构或其他结构的氧化物陶瓷，其中多数含有一种或多种过渡金属氧化物，主要成分是CoO、NiO、MnO、CuO、ZnO、MgO、Fe2O3、g23Cr2O3、Al2O3、ZrO2、TiO2等。NTC热敏电阻陶瓷主要应用于温度测量和温度补偿等补偿等，优点: 电阻值受氧的影响不大，在空气中稳定灵敏度高价格便宜、灵敏度高、价格便宜。各种典型NTC热敏电阻陶瓷的主要成分及应用55.6敏感陶陶瓷NTC热敏电阻陶瓷的应用1）温度补偿：用于石英振荡器（2~3个NTC）2）抑制浪涌电流：2）抑制浪涌电流：用于控制开关电源、电机、变压器等在接通瞬时产生的大电流在接通瞬时产生的大电流。3）温度检测测用于热水器、空调、厨房设备、办公用品汽车电控等用品、汽车电控等。③③CTRCTR材料材料CTRCTR热敏电阻热敏电阻主要是指以以VOVO22为基本为基本成分成分的半导体陶瓷，在68℃附近电阻值电阻值突变突变达到3--4个数量级，具有很大的负温很大的负温度系数度系数,因此称为巨变温度热敏电阻巨变温度热敏电阻或临临界界温度温度热敏电阻材料热敏电阻材料界界((温度温度))热敏电阻材料热敏电阻材料。这种巨变温度热敏电阻变化巨变温度热敏电阻变化具有再再种巨变度热敏阻变化巨变度热敏阻变化具有再再现性现性和可逆性可逆性，故可作电气开关电气开关或温度温度探测器探测器。这一特定温度称临界温度临界温度。电阻值的急剧变化，通常是随温度的升高，在临界温度附近，电阻值急剧电阻值急剧减小减小。554气敏陶瓷5.5.4气敏陶瓷554气敏陶瓷5.5.4气敏陶瓷在现代社会人们在生活和工作中在现代社会，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易燃易爆有毒气体及其合物泄露到大气中，会造成大气污染，甚至引起爆炸和火灾。瓦斯是矿井中煤或其它含炭物质在开采瓦斯是矿井中煤或其它含炭物质在开采瓦斯是矿井中煤或其它含炭物质在开采过程中形成的一种气体，主要成分为甲烷(即瓦斯是矿井中煤或其它含炭物质在开采过程中形成的一种气体，主要成分为甲烷(即沼气)。它比空气轻，易燃烧、爆炸。一般，沼气)。它比空气轻，易燃烧、爆炸。一般，瓦斯聚集到一定的浓度（爆炸限5.0-150%）遇到火源(