第五章-敏感陶瓷PPT课件.ppt

第五章敏第五章敏感感陶陶瓷瓷随着科学技随着科学技术的的发展，在展，在工工业生生产领域域、科学研究科学研究领域域和人和人们的日常生活中，的日常生活中，需要需要检测、控制的、控制的对象象(信息信息)迅速增加。迅速增加。1.信息的信息的获取取有有赖于于传感器感器，或称，或称敏感敏感元件元件。在各种在各种类型的敏感元件中，型的敏感元件中，陶瓷敏感陶瓷敏感元件元件占有十分重要的地位。占有十分重要的地位。敏感陶瓷敏感陶瓷在某些在某些传感器中，是关感器中，是关键材材料之一，用于制造料之一，用于制造敏感元件敏感元件。2.敏感陶瓷敏感陶瓷用于制造用于制造敏感元件敏感元件，是根据某些，是根据某些陶瓷的陶瓷的电阻率阻率、电动势等物理量等物理量对热、湿湿、光光、电压及及某种气体、某种离子的某种气体、某种离子的变化特化特别敏感的敏感的特性特性而制得的。而制得的。按其按其相相应的特性的特性，可把，可把这些材料分些材料分别称作称作热敏敏、湿敏湿敏、光敏光敏、压敏敏、气敏气敏及及离子离子敏感陶敏感陶瓷瓷。3.此外，此外，还有具有有具有压电效效应的的压力力、位置位置、速度速度、声波声波等敏感陶瓷，具有等敏感陶瓷，具有铁氧体性氧体性质的的磁敏陶瓷磁敏陶瓷及具有及具有多种敏感特性的多种敏感特性的多功能敏感多功能敏感陶瓷陶瓷等。等。这些些敏感陶瓷敏感陶瓷已广泛已广泛应用于用于工工业检测、控制控制仪器器、交通运交通运输系系统、汽、汽车、机器人、机器人、防止公害、防灾、公安及家用防止公害、防灾、公安及家用电器等器等领域。域。4.1、敏感陶瓷分、敏感陶瓷分类物理敏感陶瓷：物理敏感陶瓷：光敏陶瓷光敏陶瓷，如，如CdS、CdSe等；等；热敏陶瓷敏陶瓷，如，如PTC陶瓷、陶瓷、NTC和和CTR热敏陶瓷等；敏陶瓷等；磁敏陶瓷磁敏陶瓷，如，如InSb、InAs、GaAs等；等；5.声敏陶瓷声敏陶瓷，如，如罗息息盐、水晶、水晶、BaTiO3、PZT等；等；压敏陶瓷敏陶瓷，如，如ZnO、SiC等；等；力敏陶瓷力敏陶瓷，如，如PbTiO3、PZT等。等。6.化学敏感陶瓷化学敏感陶瓷氧敏陶瓷氧敏陶瓷，如，如SnO2、ZnO、ZrO2等；等；湿敏陶瓷湿敏陶瓷，TiO2MgCr2O4、ZnO-Li2O-V2O5等。等。生物敏感陶瓷生物敏感陶瓷也在也在积极开极开发之中。之中。7.2.敏感陶瓷的敏感陶瓷的结构与性能构与性能陶瓷陶瓷是由是由晶粒、晶界、气孔晶粒、晶界、气孔组成的多相成的多相系系统，通，通过人人为的的掺杂，可以造成晶粒表，可以造成晶粒表面的面的组分偏离分偏离，在晶粒表，在晶粒表层产生生固溶固溶、偏偏析析及及晶格缺陷晶格缺陷等。等。8.另外，在晶界另外，在晶界处也会也会产生生异异质相的析相的析出出、杂质的聚集的聚集、晶格缺陷晶格缺陷及及晶格各向异晶格各向异性性等。等。这些些晶粒晶粒边界界层的的组成成、结构构变化，化，显著改著改变了了晶界的晶界的电性能性能，从而，从而导致整个致整个陶瓷陶瓷电学性能学性能的的显著著变化。化。9.3.热敏陶瓷敏陶瓷热敏陶瓷敏陶瓷是一是一类电阻率阻率、磁性磁性、介介电性性等性等性质随随温度温度发生生明明显变化化的材料，主要用的材料，主要用于制造于制造温度温度传感器感器、线路温度路温度补偿及及稳频的的元件元件-热敏敏电阻阻(thermistor)。热敏陶瓷敏陶瓷具有具有灵敏度高灵敏度高、稳定性好定性好、制制造工造工艺简单及及价格便宜价格便宜等特点。等特点。10.热敏陶瓷的特性分敏陶瓷的特性分类电阻阻随随温温度度升升高高而而增增大大的的热敏敏电阻阻称称为正正温温度度系系数数热敏敏电阻阻，简称称PTC热敏敏电阻阻(positivetemperaturecoefficient)；11.电阻随温度的升高而减小阻随温度的升高而减小的的热敏敏电阻阻称称为负温度系数温度系数热敏敏电阻阻，简称称NTC热敏敏电阻阻(negativetemperaturecoefficient)；电阻在某特定温度范阻在某特定温度范围内急内急剧变化的化的热敏敏电阻，阻，简称称为CTR临界温度界温度热敏敏电阻阻(criticaltemperatureresistor)。12.陶瓷陶瓷热敏敏电阻材料阻材料BaTiO3PTC陶瓷陶瓷BaTiO3陶瓷是否具有陶瓷是否具有PTC效效应，完全由，完全由其其晶粒和晶界的晶粒和晶界的电性能性能所决定。所决定。13.纯BaTiO3具有具有较宽的禁的禁带，常温下常温下电子子激激发很少很少，其，其室温下的室温下的电阻率阻率为1012cm，已接近已接近绝缘体，不具有体，不具有PTC电阻特性。阻特性。14.将将BaTiO3的的电阻率降到阻率降到104cm以下，以下，使其使其成成为半半导体的体的过程程称称为半半导化化。即在其禁即在其禁带中引入一些中引入一些浅的附加能浅的附加能级：施主能施主能级或受主能或受主能级。15.通常情况下，通常情况下，施主能施主能级多数是多数是靠近靠近导带底的底的；而；而受主能受主能级多数是多数是靠近价靠近价带顶的的。施主能施主能级或或受主能受主能级的的电离能离能一般比一般比较小，因此，在室温下就可小，因此，在室温下就可受到受到热激激发产生生导电载流子流子，从而形成半，从而形成半导体。体。16.形成形成附加能附加能级主要通主要通过两种途径：两种途径：化化学学计量比偏离量比偏离和和掺杂，使得，使得晶粒晶粒具有具有优良良的的导电性性，而，而晶界晶界具有具有高的高的势垒层，形成，形成绝缘体。体。17.BaTiO3的的化化学学计量量比比偏偏离离半半导化化采采用用在在真真空空、惰惰性性气气体体或或还原原性性气气体体中中加加热BaTiO3。由由于于失失氧氧，BaTiO3内内产生生氧氧缺缺位位，为了了保保持持电中中性性，部部分分Ti4+将将俘俘获电子子成成为Ti3+。在在强制制还原原以以后后，需需要要在在氧氧化化气气氛氛下下重重新新热处理理，才才能能得得到到较好好的的PTC特特性性，电阻率阻率为1-103cm。18.采用采用掺杂使使BaTiO3半半导化的方法之一是化的方法之一是施施主主掺杂法法，该法也称法也称原子价控制法原子价控制法。如果用离子半径与如果用离子半径与Ba2+相近的三价离子相近的三价离子(如如La3+、Ce3+、Nd3+、Ga3+、Sm3+、Dy3+、Y3+、Bi3+、Sb3+等等)置置换Ba2+，或者用离子半径或者用离子半径与与Ti4+相近的五价离子相近的五价离子(如如Ta5+、Nb5+、Sb5+等等)置置换Ti4+，采用采用普通陶瓷工普通陶瓷工艺，即能，即能获得得电阻阻率率为103-105cm的的n型型BaTiO3半半导体。体。19.五价离子五价离子掺杂浓度度对BaTiO3的的电阻率影阻率影响很大。响很大。一般情况下，一般情况下，电阻率阻率随随掺杂浓度的增加度的增加而降低而降低，达到某一达到某一浓度度时，电阻率降至最低阻率降至最低值，继续增加增加浓度度，电阻率阻率则迅速提高，甚迅速提高，甚至至变成成绝缘体。体。20.BaTiO3的的电阻率降至最低点的阻率降至最低点的掺杂浓度度(质量分数量分数)为：Nd0.05，Ce、La、Nb0.20.3，Y0.3521.采采用用掺杂使使BaTiO3半半导化化的的方方法法之之二二是是AST掺杂法法，以以SiO2或或AST(1/3A12O33/4SiO21/4TiO2)对BaTiO3进行行掺杂，AST加加 入入 量量 3(摩摩 尔 分分 数数)于于 1260-1380烧成后，成后，电阻率阻率为40-100cm。22.典型的典型的PTC热敏敏电阻的配方阻的配方如下：如下：主成分主成分：(Ba0.93Pb0.03Ca0.04)TiO3+0.0011Nb2O5+0.01TiO2(先先预烧)；辅助成分助成分摩摩尔分数：分数：Sb2O30.06，MnO20.04，SiO20.5，A12O30.167，Li2CO30.1。23.NTC电阻材料阻材料一般陶瓷材料都有一般陶瓷材料都有负的的电阻温度系数阻温度系数，但，但温度系数的温度系数的绝对值小小，稳定性差定性差，不能，不能应用于用于高温和低温高温和低温场合。合。NTC热敏敏电阻材料阻材料是用是用特定特定组分合成分合成，其其电阻率随温度升高按指数关系减小阻率随温度升高按指数关系减小的一的一类材材料，分料，分低温型、中温型和高温型低温型、中温型和高温型三大三大类。24.NTC热敏敏电阻材料阻材料绝大多数是具有大多数是具有尖晶尖晶石型石型结构构的的过渡金属固熔体渡金属固熔体。其中，其中，二元系二元系主要有：主要有：Cu-Mn、Co-Mn、Ni-Mn等系。等系。25.其中，其中，最有最有实用意用意义的的为Co-Mn系材料。系材料。它在它在20时的的电阻率阻率为103cm，主晶相主晶相为立立方尖晶石方尖晶石MnCo2O4。随着随着Mn含量的增大含量的增大，则形成形成MnCo2O4立立方尖晶方尖晶和和MnCo2O4四方尖晶四方尖晶的固溶体，的固溶体，电阻阻率逐率逐渐增大。增大。26.三元系三元系有：有：Mn-Co-Ni、Mn-Cu-Ni、Mn-Cu-Co等等Mn系系和和Cu-Fe-Ni、Cu-Fe-Co等等非非Mn系系。在在含含Mn的三元系的三元系中，随着中，随着Mn含量的含量的增大，增大，电阻率增大。阻率增大。此外，此外，还有有Cu-Fe-Ni，CO四元系等。四元系等。27.工作温度工作温度在在300以上以上的的热敏敏电阻阻(NTC)常称常称为高温高温热敏敏电阻阻。高温高温热敏敏电阻阻有广泛的有广泛的应用前景，尤其用前景，尤其在在汽汽车空气燃料比空气燃料比传感器方面，有很大的感器方面，有很大的实用价用价值。28.其中，主要使用的两种其中，主要使用的两种较典型材料典型材料为：(1)稀土氧化物材料稀土氧化物材料Pr、Er、Tb、Nd、Sm等氧化物，加入等氧化物，加入适量适量其他其他过渡金属氧化物渡金属氧化物，在，在16001700烧结后，可在后，可在300-1500工作。工作。29.(2)MgAl2O4-MgCr2O4-LaCrO3或或(LaSr)CrO3三元系材料三元系材料该系材料适用于系材料适用于1000以下以下温区。温区。30.工作温度在工作温度在60以下以下的的热敏敏电阻材料阻材料(NTC)称称为低温低温热敏敏电阻材料阻材料。低温低温热敏敏电阻材料阻材料以以过渡金属氧化物渡金属氧化物为主，加入主，加入La、Nd、Pd等的氧化物。等的氧化物。主要材料有主要材料有Mn-Ni-Fe-Cu、Mn-Cu-Co、Mn-Ni-Cu等。等。31.CTR材料材料CTR热敏敏电阻阻主要是指主要是指以以VO2为基本成基本成分分的半的半导体陶瓷，体陶瓷，在在68附近附近电阻阻值突突变达到达到3-4个数量个数量级，具有，具有很大的很大的负温度系数温度系数,因此称因此称为巨巨变温度温度热敏敏电阻阻或或临界界(温度温度)热敏敏电阻材料阻材料。32.这种种巨巨变温度温度热敏敏电阻阻变化化具有具有再再现性性和和可逆性可逆性，故可作，故可作电气开关气开关或或温度探温度探测器器。这一一特定温度特定温度称称临界温度界温度。电阻阻值的急的急剧变化，通常是化，通常是随温度的升随温度的升高高，在在临界温度附近界温度附近，电阻阻值急急剧减小减小。33.V是是易易变价元素价元素，它有，它有5价、价、4价等多种价价等多种价态，因此，因此，V系有多种氧化物，如系有多种氧化物，如V2O5、VO2、V2O3、VO等。等。这些氧化物各有些氧化物各有不同的不同的临界温度界温度。每种。每种V系氧化物与系氧化物与B、Si、P、Mg、Ca、Sr、Ba、Pb、La、Ag等氧化物形成等氧化物形成多元系化合物多元系化合物，可上、，可上、下移下移动其其临界温度。界温度。34.热敏敏电阻的阻的应用用热敏敏电阻在阻在温度温度传感器感器中的中的应用最广，用最广，它它虽不适于不适于高精度的高精度的测量量，但其，但其价格低廉价格低廉，多用于多用于家用家用电器、汽器、汽车等。等。35.PTC热敏敏电阻阻有两种用途：有两种用途：一是用于一是用于恒温恒温电热器器，PTC热敏敏电阻通阻通过自身自身发热而工作，达到而工作，达到设定温度后，便自定温度后，便自动恒恒温，因此不需另加控制温，因此不需另加控制电路，如用于路，如用于电热驱蚊蚊器器、恒温恒温电熨斗熨斗、暖暖风机机、电暖器暖器等。等。36.二是用作二是用作限流元件限流元件，如，如彩彩电消磁器消磁器、节能灯用能灯用电子子镇流器流器、程控程控电话保安器保安器、冰箱冰箱电机启机启动器器等。等。37.4.气敏陶瓷气敏陶瓷在在现代社会，人代社会，人们在生活和工作中在生活和工作中使用使用和接触的和接触的气体气体越来越多，其中某些越来越多，其中某些易燃、易易燃、易爆、有毒气体爆、有毒气体及其及其混合物混合物一旦泄露到大气中，一旦泄露到大气中，会造成会造成大气大气污染染，甚至引起，甚至引起爆炸和火灾爆炸和火灾。38.气敏陶瓷气敏陶瓷是一种是一种对气体敏感的气体敏感的陶瓷材料，陶瓷材料，陶瓷气敏元件陶瓷气敏元件(或称或称陶瓷气敏陶瓷气敏传感器感器)由于其由于其具有具有灵敏度高灵敏度高、性能性能稳定定、结构构简单、体体积小小、价格低廉价格低廉、使用方便使用方便等等优点，得到迅速点，得到迅速发展。展。39.气敏陶瓷的分气敏陶瓷的分类及及结构构气敏陶瓷大致可分气敏陶瓷大致可分为半半导体式体式、固体固体电解解质式式及及接触燃接触燃烧式式三种：三种：40.半半导体式气敏陶瓷体式气敏陶瓷按照按照主要原料成分主要原料成分来分来分类，如，如SnO2型、型、ZnO型、型、-Fe2O3型、型、-Fe2O3型、型、钙钛矿化合化合物型、物型、TiO2型等。型等。41.固体固体电解解质是一是一类介于介于固体和液体之固体和液体之间的奇特固体的奇特固体材料，其材料，其主要特征主要特征是它的是它的离子具有离子具有类似于液似于液体体电解解质的快速迁移特性的快速迁移特性，如，如ZrO2氧敏陶瓷，氧敏陶瓷，K2SO4、Na2SO4等碱金属硫酸等碱金属硫酸盐等。等。42.接触燃接触燃烧式气敏陶瓷元件系式气敏陶瓷元件系用用铂金金丝作母作母线，表面用，表面用陶瓷涂陶瓷涂层、触触媒材料媒材料、防晶粒生防晶粒生长材料材料以及以及防触媒中毒材防触媒中毒材料料等涂等涂层所制成。所制成。43.气敏陶瓷的性能气敏陶瓷的性能半半导体表面体表面吸附气体分子吸附气体分子时，半，半导体的体的电导率率将随将随半半导体体类型型和和气体分子种气体分子种类的的不同而不同而变化。化。44.吸附气体一般分吸附气体一般分为物理吸附和化学吸附两物理吸附和化学吸附两大大类。被吸附的气体一般也可分。被吸附的气体一般也可分为两两类。具有具有阴离子吸附性阴离子吸附性质的气体的气体称称为氧化性氧化性(或或电子受容性子受容性)气体气体，如，如O2、NOx等。等。具有具有阳离子吸附性阳离子吸附性质的气体的气体称称为还原性原性(或或电子供出性子供出性)气体气体，如，如H2、CO、乙醇等。乙醇等。45.典型的气敏半典型的气敏半导体陶瓷体陶瓷SnO2系气敏陶瓷系气敏陶瓷ZnO系气敏陶瓷系气敏陶瓷Fe2O3系气敏陶瓷系气敏陶瓷46.SnO2系气敏陶瓷系气敏陶瓷SnO2系系气气敏敏陶陶瓷瓷是是最最常常用用的的气气敏敏半半导体体陶陶瓷瓷，是是以以SnO2为基基材材，加加入入催催化化剂、黏黏结剂等等，按照，按照常常规的陶瓷工的陶瓷工艺方法方法制成的。制成的。47.SnO2气敏陶瓷气敏陶瓷以以超超细SnO2粉料粉料为基基本原料，本原料，粉料越粉料越细，比表面比表面积越大越大，对被被测气体越敏感气体越敏感。48.制造制造高分散的高分散的SnO2超超细粉料粉料的方法有的方法有锡酸酸盐分解法分解法、金属金属锡燃燃烧法法、等离子体等离子体反反应法法及及化学共沉淀物化学共沉淀物热分解法分解法等。等。49.用用SnCl4或或SnCl2制制备SnO2，这两种方两种方法最后均需煅法最后均需煅烧，其，其煅煅烧条件条件对于于SnO2粉粉料的料的晶粒大小晶粒大小、比表面比表面积大小大小影响很大。影响很大。50.二氧化二氧化锡气敏陶瓷气敏陶瓷所用所用添加添加剂多多为半半导体添加体添加剂，它，它们有不同的作用，主要是有不同的作用，主要是Sb2O3、V2O5、MgO、PbO、CaO等。等。51.SnO2系气敏陶瓷制造的气敏元件有如下特点：系气敏陶瓷制造的气敏元件有如下特点：灵敏度高灵敏度高，出，出现最高灵敏度的温度最高灵敏度的温度较低低，约在在300；元件阻元件阻值变化与气体化与气体浓度成指数关系度成指数关系，在，在低低浓度范度范围，这种种变化十分明化十分明显，非常适用，非常适用于于对低低浓度气体的度气体的检测；52.对气体的气体的检测是可逆的是可逆的，而且，而且吸附、吸附、解吸解吸时间短短；气体气体检测不需复不需复杂设备，待，待测气体可气体可通通过气敏元件气敏元件电阻阻值的的变化化直接直接转化化为信号，信号，且阻且阻值变化大，可用化大，可用简单电路路实现自自动测量；量；53.物理化学物理化学稳定性好定性好，耐腐耐腐蚀，寿命寿命长；结构构简单，成本低成本低，可靠性高可靠性高，耐振耐振动和和抗冲抗冲击性能好性能好。54.SnO2系气敏陶瓷的系气敏陶瓷的应用：用：利用利用SnO2烧结体体吸附吸附还原气体原气体时电阻减阻减少的特性少的特性来来检测还原气体原气体，已广泛，已广泛应用于家用于家用用石油液化气的漏气石油液化气的漏气报警警、生、生产用用探探测报警警器器和和自自动排排风扇扇等。等。55.SnO2系气敏元件系气敏元件对酒精和酒精和CO特特别敏敏感，广泛用于感，广泛用于CO报警警和和工作工作环境的空气境的空气监测等。等。56.已已进入入实用的用的SnO2系气敏元件系气敏元件对于于可燃性气体可燃性气体，例如，例如H2、CO、甲甲烷、丙、丙烷、乙醇、乙醇、酮或芳香族气体等，具有或芳香族气体等，具有同同样程程度的灵敏度度的灵敏度，因而，因而SnO2气敏元件气敏元件对不同不同气体的气体的选择性就性就较差差。57.ZnO系气敏陶瓷系气敏陶瓷氧化氧化锌系气敏陶瓷元件最突出的系气敏陶瓷元件最突出的优点是点是气体气体选择性性强，一般加入适量的，一般加入适量的贵金属催金属催化化剂来来提高陶瓷元件的灵敏度提高陶瓷元件的灵敏度。58.氧化氧化锌气敏元件气敏元件对异丁异丁烷、丙、丙烷、乙、乙烷等等碳碳氢化合物化合物有有较高灵敏度高灵敏度，碳，碳氢化合化合物中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。59.掺Pd的的氧化氧化锌气敏陶瓷元件气敏陶瓷元件对H2、CO灵敏度灵敏度较高，高，对碳碳氢化合物灵敏度化合物灵敏度较差。差。掺Ag的的氧化氧化锌气敏陶瓷元件气敏陶瓷元件对乙醇、苯乙醇、苯和煤气和煤气较灵敏，且成本也灵敏，且成本也较低。低。60.氧化氧化锌气敏陶瓷元件气敏陶瓷元件的的结构与二氧化构与二氧化锡的不同，可以把它做成的不同，可以把它做成双双层，将，将半半导体元件体元件与催化物与催化物分离，分离，这样可以可以更更换催化催化剂来来提高提高元件的气体元件的气体选择性性，其缺点是，其缺点是元件的使用工元件的使用工作温度作温度较高高。61.Fe2O3系气敏陶瓷系气敏陶瓷常常见的的铁的氧化物有的氧化物有三种基本形式三种基本形式：FeO、Fe2O3和和Fe3O4；62.其中，其中，Fe2O3有有两种陶瓷制品两种陶瓷制品：Fe2O3和和 Fe2O3均被均被发现具有具有气敏特性气敏特性。Fe2O3具有具有刚玉型晶体玉型晶体结构。从构。从热稳定性定性来看来看 Fe2O3较优，但从，但从灵敏度灵敏度而言而言则比比 Fe2O3差。差。63.Fe2O3系气敏陶瓷系气敏陶瓷最大的特点最大的特点是是不用不用贵金属做催化金属做催化剂也能得到也能得到较高的催化性高的催化性，高温高温下下热稳定性好定性好。Fe2O3对丙丙烷气体气体较灵敏，但灵敏，但对甲甲烷就不灵敏。就不灵敏。64.Fe2O3的的化学化学稳定性定性好，好，对甲甲烷乃至乃至异丁异丁烷都非常灵敏，都非常灵敏，对水蒸气和乙醇水蒸气和乙醇等却不等却不灵敏。灵敏。Fe2O3作作家庭用可燃气体家庭用可燃气体报警器警器非常非常合适。因它合适。因它对水蒸气和乙醇水蒸气和乙醇等不灵敏，故不等不灵敏，故不会因会因水蒸气及酒精的存在水蒸气及酒精的存在而而误报。65.5.湿敏半湿敏半导体陶瓷体陶瓷湿度湿度，通常是指，通常是指空气中水蒸气的含量空气中水蒸气的含量。湿度与人湿度与人类的日常生活和生的日常生活和生产活活动有着有着十分密切的关系，因此需要随十分密切的关系，因此需要随时监测空气湿空气湿度。度。新型湿度新型湿度传感器感器可将可将湿度的湿度的变化化以以电信信号形式号形式输出，易于出，易于实现远距离距离监测、记录和和反反馈的自的自动控制。控制。66.湿敏半湿敏半导体陶瓷的分体陶瓷的分类以湿敏材料制造的以湿敏材料制造的湿敏元件湿敏元件配以配以适适当的当的电路路即成即成为湿度湿度传感器感器。根据湿敏材料的根据湿敏材料的性能性能及其及其使用功能使用功能可分可分为以下四以下四类：67.无机无机盐系系，如，如LiCl电解解质型。型。有机高分子系有机高分子系，有，有电解解质型型(离子离子交交换树脂脂)、膨、膨润型、型、电容型。容型。半半导体陶瓷系体陶瓷系，有，有电容型、容型、电阻阻型、阻抗型。型、阻抗型。半半导体型体型，如半，如半导体硅材料。体硅材料。其中，最常用的其中，最常用的为半半导体陶瓷系体陶瓷系湿湿敏敏电阻型。阻型。68.湿敏陶瓷制造工湿敏陶瓷制造工艺及其特性及其特性湿敏陶瓷材料湿敏陶瓷材料种种类繁多，繁多，化学化学组成成复复杂。按按工工艺过程程可将可将湿敏半湿敏半导体陶瓷体陶瓷分分为瓷粉膜型瓷粉膜型、烧结型型和和厚膜型厚膜型。69.MgCr2O4-TiO2系湿敏陶瓷系湿敏陶瓷MgCr2O4-TiO2系系湿湿敏敏陶陶瓷瓷是是典典型型的的高高温温烧结型型多多孔孔湿湿敏敏陶陶瓷瓷结构构，气气孔孔率率高高达达30-40，具有，具有良好的透湿性能良好的透湿性能。MgCr2O4-TiO2系系湿湿敏敏陶陶瓷瓷的的制制造造工工艺可可采采用用传统陶陶瓷瓷的的制制造造方方法法，但但原原料料必必须采采用用化化学学纯或分析或分析纯级。70.MgCr2O4-TiO2系湿敏陶瓷的制造工系湿敏陶瓷的制造工艺流程如下：流程如下：MgO、Cr2O3、TiO2称量称量球磨球磨干燥干燥造粒造粒干干压烧结切片切片电极极引引线装配装配测试71.MgCr2O4-TiO2系系多多孔孔陶陶瓷瓷具具有有很很高高的的湿湿度度活活性性，湿湿度度响响应快快，对温温度度、时间、湿湿度度和和电负荷荷的的稳定定性性高高，是是很很有有应用用前前途途的的湿湿敏敏传感感器器陶陶瓷瓷材材料料，已已用用于于微微波波炉炉的的自自动控制控制。程程序序控控制制的的微微波波炉炉，根根据据处于于微微波波炉炉蒸蒸汽汽排排口口处的的湿湿敏敏传感感器器的的相相对湿湿度度反反馈信信息息，调节烹烹调参数。参数。72.此外，目前比此外，目前比较常常见的的高温高温烧结型湿敏陶型湿敏陶瓷瓷还有有ZnCr2O4为主晶相系主晶相系半半导体陶瓷体陶瓷，以及，以及新研究的新研究的羟基磷灰石基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2湿敏湿敏陶瓷陶瓷。73.陶陶瓷瓷湿湿度度传感感器器结构构74.Si-Na2O-V2O5系湿敏陶瓷系湿敏陶瓷Si-Na2O-V2O5系系湿湿敏敏陶陶瓷瓷是是典典型型的的低低温温烧结型型湿湿敏敏陶陶瓷瓷，其其主主晶晶相相是是具具有有半半导性性的的硅粉。硅粉。烧结温温度度较低低(一一般般低低于于900)，烧结时固固相相反反应不不完完全全，烧结后后收收缩率率很很小小。其其阻阻值为102-107，随随相相对湿湿度度以以指指数数规律律变化，化，测量范量范围为(25100)RH。75.Si-Na-V系湿敏陶瓷的系湿敏陶瓷的感湿机理感湿机理是由于是由于Na2O和和V2O5吸附水分，使吸湿后硅粉粒吸附水分，使吸湿后硅粉粒间的的电阻阻值显著降低。著降低。这种元件的种元件的优点点是是温度温度稳定性定性较好好，可在，可在100下工作，阻下工作，阻值范范围可可调，工作寿命，工作寿命长。缺点缺点是是响响应速度慢速度慢，有，有明明显湿滞湿滞现象象，不，不能用于能用于湿度湿度变化不化不剧烈的烈的场合合。76.湿敏半湿敏半导体陶瓷的体陶瓷的应用用湿敏陶瓷的湿敏陶瓷的应用很广泛，主要用很广泛，主要应用于用于家家电、汽汽车、医医疗、工工业设备、农、林、畜牧、林、畜牧业等等领域。域。77.6.压敏半敏半导体陶瓷体陶瓷一般一般电阻器的阻器的电阻阻值可以可以认为是一个恒是一个恒定定值，即流，即流过它的它的电流与施加流与施加电压成成线性关性关系。系。压敏陶瓷是指敏陶瓷是指电阻阻值随着外加随着外加电压变化化有一有一显著的非著的非线性性变化的半化的半导体陶瓷体陶瓷，用，用这种材料制成的种材料制成的电阻称阻称为压敏敏电阻器阻器。78.制造制造压敏陶瓷的材料敏陶瓷的材料有有SiC、ZnO、BaTiO3、Fe2O3、SnO2、SrTiO3等。等。其中其中BaTiO3、Fe2O3利用的是利用的是电极与极与烧结体界面的非欧姆特性体界面的非欧姆特性，而，而SiC、ZnO、SrTiO3利用的是利用的是晶界非欧姆特性晶界非欧姆特性。目前，目前，应用最广、性能最好的是用最广、性能最好的是氧化氧化锌压敏半敏半导体陶瓷体陶瓷。79.压敏陶瓷的基本特性敏陶瓷的基本特性压敏敏电阻阻陶陶瓷瓷具具有有非非线性性伏伏-安安特特性性，对电压变化非常敏感。化非常敏感。在在某某一一临界界电压以以下下，压敏敏电阻阻陶陶瓷瓷电阻阻值非非常常高高，几几乎乎没没有有电流流；但但当当超超过这一一临界界电压时，电阻阻将将急急剧变化化，并并且且有有电流流通通过。随随着着电压的的少少许增增加加，电流流会会很很快快增增大。大。压敏敏电阻阻陶陶瓷瓷的的这种种电流流-电压特特性性曲曲线如如图所示。所示。80.1.齐钠二极管；二极管；2.SiC压敏敏电阻；阻；3.ZnO压敏敏电阻；阻；4.线性性电阻；阻；5.ZnO压敏敏电阻。阻。压敏敏电阻的阻的I-U特性曲特性曲线81.由由图可可见，压敏敏电阻陶瓷的阻陶瓷的I-U特性不特性不是一条直是一条直线，其，其电阻阻值在一定在一定电流范流范围内内呈非呈非线性性变化。化。因此，因此，压敏敏电阻阻又称又称非非线性性电阻阻，用，用这种陶瓷制造的器件叫种陶瓷制造的器件叫非非线性性电阻器阻器。82.氧化氧化锌压敏陶瓷敏陶瓷ZnO系系压敏敏电阻陶瓷是阻陶瓷是压敏敏电阻陶瓷中阻陶瓷中性性能最能最优的一种材料的一种材料。成分是成分是ZnO，并添加并添加Bi2O3、CoO、MnO、Cr2O3、Sb2O3、TiO2、SiO2、PbO等等氧化物氧化物经改性改性烧结而成。而成。83.氧化氧化锌压敏敏电阻的阻的应用用ZnO压敏敏电阻器的阻器的应用很广，可用很广，可归结为如下两方面：如下两方面：过压保保护稳定定电压84.过压保保护各种大型整流各种大型整流设备、大型、大型电磁磁铁、大型、大型电机、通机、通讯电路、民用路、民用设备在开关在开关时，会引会引起很高的起很高的过电压，需要，需要进行保行保护，以延，以延长使使用寿命。故在用寿命。故在电路中接入路中接入压敏敏电阻阻可以抑制可以抑制过电压。此外，此外，压敏敏电阻阻还可作可作晶体管保晶体管保护、变压器次器次级电路的半路的半导体器件的保体器件的保护以及以及大气大气过电压保保护等。等。85.稳定定电压由于由于氧化氧化锌压敏敏电阻阻具有具有优异的非异的非线性和性和短的响短的响应时间，且温度系数小、，且温度系数小、压敏敏电压的的稳定度高定度高，故，故在在稳压方面方面得以得以应用。用。压敏敏电阻器阻器可用于彩色可用于彩色电视接收机、接收机、卫星星地面站地面站彩色彩色监视器器及及电子子计算机末端算机末端数字数字显示示装置中装置中稳定定显像管阳极高像管阳极高压，以提高，以提高图像像质量量等。等。86.7.光敏半光敏半导体陶瓷体陶瓷光敏陶瓷也称光敏陶瓷也称光敏光敏电阻瓷阻瓷，属，属半半导体陶体陶瓷瓷。由于材料的由于材料的电特性特性不同以及不同以及光子能量光子能量的差异，它的差异，它在光的照射下在光的照射下吸收光能，吸收光能，产生生不同的光不同的光电效效应：光光电导效效应和和光生伏特光生伏特效效应。87.利用利用光光电导效效应来制造来制造光敏光敏电阻阻，可用，可用于各种于各种自自动控制系控制系统；利用利用光生伏特效光生伏特效应则可制造可制造光光电池池或或称太阳能称太阳能电池，池，为人人类提供了新能源。提供了新能源。88.光光电导效效应当光当光线照射到半照射到半导体体时，在光子作在光子作用下用下产生的生的光生光生载流子流子使使电导增加的增加的现象，称象，称为光光电导效效应。89.光生伏特效光生伏特效应当光当光线照射到照射到半半半半导导体的体的体的体的p-np-n结结上上时，如果光子能如果光子能量足量足够大大，h Eg，就就在在p-n结附近附近激激发出出电电子子子子-空穴空穴空穴空穴对对。在自建在自建电场的作用下，的作用下，n区的区的光生空穴光生空穴光生空穴光生空穴被拉向被拉向p区，区，p区的区的光生光生光生光生电电子子子子被拉向被拉向n区，区，结果果n区区积累了累了负电荷，荷，p区区积累了正累了正电荷，荷，产生生光生光生光生光生电动势电动势。若若将外将外电路接通路接通，就有，就有电流由流由p区流区流经外外电路路至至n区，区，这种效种效应称称为光生伏特效光生伏特效光生伏特效光生伏特效应应。90.光光电二极管二极管、太阳能太阳能电池池和和光光电晶体管晶体管就是利就是利用用光生伏特效光生伏特效光生伏特效光生伏特效应应制成的制成的光光电转换元件元件。通常通常不同的材料不同的材料具有不同的具有不同的光敏光区光敏光区光敏光区光敏光区，并，并在某在某一波一波长有最大的灵敏度。有最大的灵敏度。在在可可可可见见光区光区光区光区(0.40.76 m)最适用的光敏材料最适用的光敏材料为CdS和和CdSe；而在而在近近近近红红外区外区外区外区(0.763 m)最适用最适用的光敏材料的光敏材料为PbS。目前，常用于制造光敏目前，常用于制造光敏电阻的光敏材料有阻的光敏材料有CdS、CdSe和和PbS。91.（3）光敏光敏电阻瓷的阻瓷的应用用太阳能太阳能电池池是利用是利用光生伏特效光生伏特效应将太阳能将太阳能转换为电能的器件。能的器件。虽然能量然能量h Eg的光子均可的光子均可产生激生激发，但只有能量相当于但只有能量相当于Eg的部分才能的部分才能转变为电能能。光子吸收材料的禁光子吸收材料的禁带在在Eg0.9eV附近附近时，光，光子激子激发利用率最高。利用率最高。92.太阳能太阳能电池的池的转换率率不不仅受受光子激光子激发利利用率用率的限制，的限制，还受其他因素的影响。受其他因素的影响。一般太阳能一般太阳能电池目前的池目前的转换率大都在率大都在10以下。以下。93.综合考合考虑影响影响转换效率的因素效率的因素，光子光子吸收材料的禁吸收材料的禁带宽度度在在1.01.6eV较合适，合适，因此，因此，Si、Cu2S、GaAs、CdTe等均可用作等均可用作太阳能太阳能电池材料。池材料。Cu2S、CdTe常用作常用作陶瓷太阳能陶瓷太阳能电池池的的光子吸收材料光子吸收材料，制成，制成Cu2S-CdS电池与池与CdTe-CdS电池。池。94.