第三章陶瓷敏感材料解析.pptVIP

本章小结 简述化学敏感元件的基本工作机制。 简述氧化物半导体在气敏元件中的应用。 描述热敏电阻的分类，并给出每种类型热敏电阻的代表性材料。 基于热释电效应的红外敏感材料应该满足什么要求？ 32种点群中，有多少种具有压电效应，又有多少种具有热释电效应？ * * 四种模式的气敏机理:整体原子价控制理论\能级生成理论\表面电荷层理论\接触粒界势垒理论 * 热敏电阻常数B：R=R0exp{B(1/T-1/T0)} 热敏电阻是陶瓷温度敏感元件的代表。 分类： NTC热敏电阻 PTC热敏电阻 CTR热敏电阻 NTC热敏电阻是具有随温度升高而电阻指数减小的负温度系数的元件。 PTC热敏电阻是在某一温度范围内其电阻呈非线性显著增加，且整体具有正的温度系数的元件。 CTR又称临界温度电阻或骤变热敏电阻。 4.1 热敏电阻 NTC热敏电阻的电阻—温度特性 在较宽的温度区域内其电阻值的对数与温度的倒数成正比关系。 A．NTC热敏电阻 大部分NTC热敏电阻材料是Fe、Ni、Co、Mn等过渡金属氧化物，多数情况下是由具有尖晶石型、岩盐型、黑锰矿型、方铁锰矿型等晶型的化合物或其混合物组成的。通常半导体的电阻值不受氧的影响，在空气中稳定，杂质的影响小，是制作热敏电阻的合适材料。 以Fe、Co、Ni、Mn氧化物为成分之一的三组分复合热敏电阻材料随成分的变化电阻率为103～108??cm，热敏电阻常数为1 000～6 000K。在具有可靠耐用的组分范围内，这两个特性之间有着显著的相关性，电阻率越大则热敏电阻常数也越大。因此，在此组分中添加各种氧化物可以实现特性稳定而实用化。 A．NTC热敏电阻 高温热敏电阻材料 材 料 电 阻 值 热电阻常数(k) 化学式 晶型 组成金属(M或M?) 电阻值(?) 测定温度(℃) MO 荧石 Zr、Ca、Y、Nd、Th 0.8～8?103 750 5000～18 000 尖晶石 Mg、Ni、Al、Cr、Fe 10～107 600 2000～17 000 Co、Mn、Ni、Al Cr、Ca、Si 0.9～5?105 700 2900～11 000 Ni、Co、Al 1～106 1 050 1000～20 000 M2O3 刚玉 Al、Fe、Mn 102～104 600 1130 B．PTC热敏电阻 PTC热敏电阻是具有正温度系数且在某一温度范围内其电阻呈非线性显著增加的元件，可同时兼有敏感元件、加热器、开关三个功能。 PTC材料目前采用的是钛酸钡（BaTiO3）系半导体。BaTiO3系材料具有高的介电常数，所以被广泛用做电容材料。这些材料是强电介体，在居里点附近电容（介电常数）变化显著，其变化遵从居里-外斯定律，所以介电常数的倒数和温度的关系可用直线表示。利用此特性可制作温敏元件。 居里—外斯定律 实验发现，当温度高于居里点时，介电常数随温度的变化关系遵从居里—外斯定律： 其中ε代表介电常数，C称为居里常数， θ0称为特征温度，不同的材料θ0不同。对于一级相变的情况，居里点Tc临大于θ0 ；对于二级相变的情况，居里点Tc=θ0。εe代表电子位移极化对介电常数的贡献，由于εe的数量级为1，故在居里点附近εe可忽略不计： BaTiO3系材料，若掺入微量的1、3、5和6价的金属氧化物，则变成在居里点以下是半导体，在居里点附近电导率变化几个数量级，而在居里点以上为绝缘体的情况。电阻开始急剧增大的温度（即居里温度）可由改变化学成分控制。 当BaTiO3系材料的Ba和Ti的位置分别由2价和4价的金属置换时，可自由改变居里温度，在所希望的温度范围内可做成电阻率呈正的大的变化的材料。是用Sr或Pb置换Ba的位置还是用Zr或Sn置换Ti的位置可由所需要的居里温度而定。 但是，电阻率的变化量和在急变温度区域的斜率等受原始原料、混合方法、烧结条件、烧结气氛、电极材料等的影响而有所变化。 B．PTC热敏电阻 C．CTR（VO2系定点温度敏感元件材料） VO2在68℃处具有相移点，由半导体导电变为金属导电，在相移点附近电阻急剧减小，在相移点边界低温侧的电阻率比高温侧的电阻率大3～4个数量级。利用此现象可制作骤变热敏电阻或临界热敏电阻。 4.2 压电材料 某些物质在特定方向施加应力发生形变就会产生电荷，反之，若施加电压则会产生机械形变，此现象称为压电效应。 若对压电陶瓷施加外力使之产生形变，则在陶瓷表面产生与外力成正比的电荷，并可作为电压观测。使用压电陶瓷的敏感元件对动力、压力、转矩、加速度等各种量的检测灵敏度高，所以广泛用于制作各种敏感元件。 常见压电陶瓷有以下几种： (1)钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷。具有比较简的压电系效(d33＝107×10 -12C／N)和介电常数，机械强度不及石英。