第七章敏感陶瓷课件

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1、第一节第一节 敏感陶瓷概述敏感陶瓷概述敏感陶瓷敏感陶瓷第一节第一节 敏感陶瓷概述敏感陶瓷概述 某些陶瓷的电阻率、电动势等物理量对某些陶瓷的电阻率、电动势等物理量对热、湿、声、光、磁、电压及气体、离子的热、湿、声、光、磁、电压及气体、离子的变化特别敏感，这类陶瓷称为敏感陶瓷。变化特别敏感，这类陶瓷称为敏感陶瓷。敏感陶瓷定义敏感陶瓷定义第一节第一节 敏感陶瓷概述敏感陶瓷概述分类分类热敏陶瓷；对温度变化敏感热敏陶瓷；对温度变化敏感气敏陶瓷；对气体浓度敏感气敏陶瓷；对气体浓度敏感湿敏陶瓷；对湿度敏感湿敏陶瓷；对湿度敏感声敏陶瓷；对声波强度敏感声敏陶瓷；对声波强度敏感光敏陶瓷；对光照强度敏感光敏陶瓷；对

2、光照强度敏感磁敏陶瓷；对磁通量和磁场信息敏感磁敏陶瓷；对磁通量和磁场信息敏感压敏陶瓷压敏陶瓷.对电压变化敏感对电压变化敏感第一节第一节 敏感陶瓷概述敏感陶瓷概述敏感陶瓷半导化敏感陶瓷半导化nq第一节第一节 敏感陶瓷概述敏感陶瓷概述结构与性能结构与性能第一节第一节 敏感陶瓷概述敏感陶瓷概述第二节第二节 半导体半导体能带结构能带结构第二节第二节 半导体半导体本征半导体本征半导体第二节第二节 半导体半导体本征半导体本征半导体exp()2gehEnnNkT第二节第二节 半导体半导体杂质半导体杂质半导体(exp()2dedEnNkT施主）第二节第二节 半导体半导体杂质半导体杂质半导体(exp()2ahh

3、EnNkT受主）杂质半导体（单元素）杂质半导体（单元素）也适用于离子晶体，但离子晶体更复杂也适用于离子晶体，但离子晶体更复杂第二节第二节 半导体半导体 在能带的禁带中在能带的禁带中形成附加能级形成附加能级（施主能级和受（施主能级和受主能级），使绝缘材料变成半导体材料。主能级），使绝缘材料变成半导体材料。第三节第三节 敏感陶瓷敏感陶瓷敏感陶瓷半导化敏感陶瓷半导化nq第三节第三节 敏感陶瓷敏感陶瓷半导化方法半导化方法1、化学计量比偏离、化学计量比偏离 敏感陶瓷高温烧结时，如果烧结气氛中含氧量较敏感陶瓷高温烧结时，如果烧结气氛中含氧量较高或氧不足，造成填隙离子或空格点，因而引起能高或氧不足，造成填隙

4、离子或空格点，因而引起能带畸变，使材料半导体化。带畸变，使材料半导体化。第三节第三节 敏感陶瓷敏感陶瓷MO1 xMO1 xMO在晶体中的周期势能和能带模型图在晶体中的周期势能和能带模型图 1 1导带；导带；2 2价带；价带；E Eg g禁带禁带在在理想理想的无缺陷氧化物的无缺陷氧化物晶体中，价带是全满的晶体中，价带是全满的而导带是空的，中间隔而导带是空的，中间隔着一定宽度的禁带。着一定宽度的禁带。第三节第三节 敏感陶瓷敏感陶瓷1、化学计量比偏离、化学计量比偏离第三节第三节 敏感陶瓷敏感陶瓷1、化学计量比偏离、化学计量比偏离-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+MOMO晶体失去

5、阳离子形成晶体失去阳离子形成P P型半导体型半导体电子空穴电子空穴电子电子+-+-+-第三节第三节 敏感陶瓷敏感陶瓷1、化学计量比偏离、化学计量比偏离第三节第三节 敏感陶瓷敏感陶瓷1、化学计量比偏离、化学计量比偏离金属离子空位形成金属离子空位形成P P型半导体型半导体221 32()NixxNiOxNixVNiNihO第三节第三节 敏感陶瓷敏感陶瓷1、化学计量比偏离、化学计量比偏离44221 22x1()2xOxxxTiOOxVTiTieO 氧离子空位形成氧离子空位形成n n型半导体型半导体1)1)施主掺杂（高价取代低价）施主掺杂（高价取代低价）第三节第三节 敏感陶瓷敏感陶瓷2、异价离子掺杂、

6、异价离子掺杂24232344223113()xxxxBa Ti OxLaBaLa TiTie OxBa2)2)受主掺杂（低价取代高价）受主掺杂（低价取代高价）第三节第三节 敏感陶瓷敏感陶瓷2、异价离子掺杂、异价离子掺杂2221 2()()xNixxNiOxLiNiLiNihOxNixeO2得到电子得到电子形成形成O2-第三节第三节 敏感陶瓷敏感陶瓷半导化方法半导化方法共性？共性？可变价可变价第三节第三节 敏感陶瓷敏感陶瓷晶界偏析晶界偏析第三节第三节 敏感陶瓷敏感陶瓷晶界偏析晶界偏析-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+Nacl第三节第三

7、节 敏感陶瓷敏感陶瓷晶界偏析晶界偏析Nacl-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+第三节第三节 敏感陶瓷敏感陶瓷晶界偏析晶界偏析晶界晶界晶界晶界电势电势电势电势第四节第四节 热敏陶瓷热敏陶瓷定义定义PTC热敏电阻：热敏电阻：positive temperature coefficientNTC热敏电阻：热敏电阻：negative temperature coefficient临界温度热敏电阻：临界温度热敏电阻：critical temperature resistor线性阻温特性热敏陶瓷线性阻温特性热敏陶瓷第四节第四节 热敏陶瓷热敏陶瓷

8、分类分类阻温特性阻温特性1TTdRR dT第五节第五节 PTCPTC热敏陶瓷热敏陶瓷第五节第五节 PTCPTC热敏陶瓷热敏陶瓷第五节第五节 PTCPTC热敏陶瓷热敏陶瓷1、强制还原（化学计、强制还原（化学计量比偏离）量比偏离）4331 22322xxxOxBaTiOBaTiTi OxVO 强制还原第五节第五节 PTCPTC热敏陶瓷热敏陶瓷2、异价离子掺杂（价、异价离子掺杂（价控半导体）控半导体）24232344223113()xxxxBa Ti OxLaBaLa TiTie OxBa第五节第五节 PTCPTC热敏陶瓷热敏陶瓷在居里温度附近，巧合？在居里温度附近，巧合？BaTiO3第五节第五节

9、PTCPTC热敏陶瓷热敏陶瓷-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+eee第五节第五节 PTCPTC热敏陶瓷热敏陶瓷晶界晶界电势电势势垒高度势垒高度h h与介电常数成反比。与介电常数成反比。HeywangHeywang理论理论-+-+e第五节第五节 PTCPTC热敏陶瓷热敏陶瓷晶界晶界电势电势铁电畴电荷补偿使晶界势垒大幅下降铁电畴电荷补偿使晶界势垒大幅下降JonkerJonker理论理论-+-+解释TC下的低阻态第五节第五节 PTCPTC热敏陶瓷热敏陶瓷原料原料第五节第五节 PTCPTC热敏陶瓷热敏陶瓷掺杂掺杂第五节第五节 PTCPTC热

10、敏陶瓷热敏陶瓷混料与合成混料与合成第五节第五节 PTCPTC热敏陶瓷热敏陶瓷烧结烧结第五节第五节 PTCPTC热敏陶瓷热敏陶瓷电极制备电极制备u欧姆电极：电极和材料之间无接触电阻或接触电欧姆电极：电极和材料之间无接触电阻或接触电阻低、无整流性、正反电场方向的电阻值一致。阻低、无整流性、正反电场方向的电阻值一致。uPTCPTC用欧姆性接触电极（如用欧姆性接触电极（如NiNi、ZnZn、A1A1等电极）等电极）弱电场下使用，如生产焊接包封型的弱电场下使用，如生产焊接包封型的PTCPTC，为便于，为便于焊接引线，还要镀银电极。焊接引线，还要镀银电极。第五节第五节 PTCPTC热敏陶瓷热敏陶瓷第五节第

11、五节 PTCPTC热敏陶瓷热敏陶瓷恒温加热恒温加热低电压加热低电压加热空气加热空气加热过流保护过流保护过热保护过热保护温度传感温度传感启动器启动器第六节第六节 NTCNTC热敏陶瓷热敏陶瓷0exp(/)TRRB T2TBT EBk第六节第六节 NTCNTC热敏陶瓷热敏陶瓷第六节第六节 NTCNTC热敏陶瓷热敏陶瓷 化学计量比偏离化学计量比偏离 掺杂掺杂0exp(/)BnqkT随温度指数变化随温度变化小第六节第六节 NTCNTC热敏陶瓷热敏陶瓷 CoO-MnO-O2系系 NiO-MnO-O2系系 MnO-CoO-NiO-O2系系4334MnMnMnMn43MnMn和电子交换4233MnCoMnC

12、o24MnCo O第六节第六节 NTCNTC热敏陶瓷热敏陶瓷 Al2O3-Fe2O3-MnO MgNi(Al,Cr,Fe)2O4 Mg(Al,Cr)2O4+LaCrO4 ZrO2-Y2O3第六节第六节 NTCNTC热敏陶瓷热敏陶瓷第六节第六节 NTCNTC热敏陶瓷热敏陶瓷第六节第六节 NTCNTC热敏陶瓷热敏陶瓷高温相，易导电第六节第六节 NTCNTC热敏陶瓷热敏陶瓷第七节第七节 气敏陶瓷气敏陶瓷 1962年田口尚义发现用SnO2烧结体制备元件的电阻率对各种可燃性气体非常敏感，它在不同气体中的电阻率不同、在浓度不同的同一种气体中的电阻率也不相同，具有这种特性的陶瓷称为气敏陶瓷(gas sens

13、or)。气敏陶瓷对某种气体有敏感性，对其他气体可能有或没有敏感性。事实上，有应用价值的气敏陶瓷往往利用材料对某种气体的单一敏感性，用作检测和分析气体的种类和浓度，特别用于易燃、易爆和有毒气体的检测。第七节第七节 气敏陶瓷气敏陶瓷 气敏过程是元件表面对气体的吸附和脱附吸附和脱附引起电阻率改电阻率改变变的过程，这是一个受多种因素控制的物理化学过程。吸附过程可以分为物理吸附和化学吸附两种：物理吸附热低，可以是多分子层的吸附，无选择性 化学吸附为单分子层吸附，有选择性，吸附气体与材料表面形成化学键，有电子交换。这两种吸附是同时发生的，但对气敏效应有贡献的主要为化学吸附化学吸附。第七节第七节 气敏陶瓷气

14、敏陶瓷F按其气敏机理可以分为：半导体式半导体式和固体电解质式固体电解质式两类，其中半导体式又分为表面效应型表面效应型和体效应型体效应型两种；F按制备方法将气敏陶瓷分为多孔烧结型、薄膜型和厚多孔烧结型、薄膜型和厚膜型膜型；F也可直接用化合物类型分类。第七节第七节 气敏陶瓷气敏陶瓷221()22O geO2O2O2O2O2O2O2O2O第七节第七节 气敏陶瓷气敏陶瓷第七节第七节 气敏陶瓷气敏陶瓷第七节第七节 气敏陶瓷气敏陶瓷第七节第七节 气敏陶瓷气敏陶瓷第七节第七节 气敏陶瓷气敏陶瓷第七节第七节 气敏陶瓷气敏陶瓷固体电解质浓差电极工作示意图+-V第八节第八节 湿敏陶瓷湿敏陶瓷 湿敏陶瓷湿敏陶瓷(h

15、umidity sensor)是对湿度敏感的半导体陶瓷。是对湿度敏感的半导体陶瓷。当半导体元件周围的湿度发生变化时，半导体陶瓷的电阻值当半导体元件周围的湿度发生变化时，半导体陶瓷的电阻值随湿度的改变也相应地发生变化。因此，可以随湿度的改变也相应地发生变化。因此，可以将湿度的变化将湿度的变化转换为湿敏陶瓷电阻率的变化转换为湿敏陶瓷电阻率的变化，并用电信号输出。，并用电信号输出。第八节第八节 湿敏陶瓷湿敏陶瓷第八节第八节 湿敏陶瓷湿敏陶瓷第八节第八节 湿敏陶瓷湿敏陶瓷2324(Cr)OxxMgV12 x4OxNiFe第八节第八节 湿敏陶瓷湿敏陶瓷 对于湿敏陶瓷的感湿机理，目前尚缺乏一种能适合任何情

16、况的理论来加以解释，常见的理论解释是粒界势垒论和质子导电论，前者适合于低湿情况(40%RH)，后者适合于高湿情况(40%RH)。第八节第八节 湿敏陶瓷湿敏陶瓷半导体陶瓷中粒界势垒(a)N型；(b)P型H2O第八节第八节 湿敏陶瓷湿敏陶瓷第九节第九节 压敏陶瓷压敏陶瓷电压电压-电流特性电流特性VIC第九节第九节 压敏陶瓷压敏陶瓷Bi3+ZnOZnO中常加中常加Bi2O3，晶界上具有负电荷吸晶界上具有负电荷吸附的受主能级附的受主能级晶界高电阻晶界高电阻ZnOZnOZnO第九节第九节 压敏陶瓷压敏陶瓷无电场无电场高电场高电场第九节第九节 压敏陶瓷压敏陶瓷过压保护过压保护种类：种类：ZnO、SrTiO3、TiO2第十节第十节 薄膜光敏陶瓷薄膜光敏陶瓷种类：种类：CdS、CdSe、ZnS电阻随光照而发生变化的一种功能陶瓷。主电阻随光照而发生变化的一种功能陶瓷。主要为半导体陶瓷要为半导体陶瓷