敏感陶瓷

随着科学技术的发展,在工业生产和科学研究领城中,需票检测、控制的对象(信息)迅速增加。信息的获得有赖于传感器,即各种敏感元件,其中陶瓷敏感元件占有十分重要的地位。

1. 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,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。敏感陶瓷材料是指当作用于由这些材料制造的元件上的某一个外界条件,如温度、压力、湿度、气氛、电场、光及射线等改变时,能引起该材料某种物理性能的变化,从而能从这种元件上准确迅速地获得某种有用的信号。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、FezO3、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。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.敏感陶瓷的结构与性能

现代电子技术要求陶瓷传感器将检测到的信息(如温度、湿度等)以电信号的形式输出,因此,传感器陶瓷常属半导体材料。通过微量杂质的掺入,控制烧结气氛(化学计量比偏离)及陶瓷的微观结构,可以使传统的绝缘陶瓷半导体化,并使其具备一定的性能。

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。

半导体陶瓷的晶界效应,显示了许多单晶体所不具有的性质。近来又开始研究如何利用水蒸气、某些气体通过气孔向陶瓷体内部扩散,吸附在晶界表面,使陶瓷的电导率发生变化的特性,为湿度和气体敏感陶瓷的开发提供了新的途径。总之,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,这是单晶体所不及的。

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。

陶瓷热敏电阻

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