《敏感陶瓷》PPT课件 (2)
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压敏陶瓷简介PPT课件
1，压敏陶瓷的代表 2，压敏陶瓷的发展历史 3，压敏陶瓷的基本特性 4，氧化锌压敏陶瓷 5，其他压敏陶瓷简介 6，压敏陶瓷的发展方向
2019/11/4
5
1，压敏陶瓷材料代表： SiC、ZnO（佼佼者）、 BaTiO3、Fe2O3、SnO2、SrTiO3
2，压敏陶瓷历史：20世纪30年代由贝尔实验室ห้องสมุดไป่ตู้成 SiC陶瓷，1968年日本松下公司的首先Matsuoka发现
11．电流温度系数： 电流温度系数是指在压敏电阻器的两端 电压保持恒定时，温度改变1℃时，流过压敏电阻器电流的相 对变化。 12．电压非线性系数： 电压非线性系数是指压敏电阻器在 给定的外加电压作用下，其静态电阻值与动态电阻值之比。
13．绝缘电阻： 绝缘电阻是指压敏电阻器的引出线（引脚）与电 阻体绝缘表面之间的电阻值。
13
氧化锌压敏电阻的应用 ZnO压敏电阻器的应用很广，可归结为如下两方面： ①过压保护 ②稳定电压
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过压保护
各种大型整流设备、大型电 磁铁、大型电机、通讯电路、民 用设备在开关时，会引起很高的 过电压，需要进行保护，以延长 使用寿命。故在电路中接入压敏 电阻可以抑制过电压。
此外，压敏电阻还可作晶体 管保护、变压器次级电路的半导 体器件的保护以及大气过电压保 护等。
了一种新型陶瓷材料——ZnO。
依据特性： BaTiO3、Fe2O3利用的是电极与烧结体界面的非 欧姆特性 SiC、ZnO、SrTiO3利用的是晶界非欧姆特性。
目前，应用最广、性能最好的是氧化锌压敏半 导体陶瓷。
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6
3，压敏陶瓷的基本特性
压敏电阻陶瓷具有非线性伏 -- 安特性，对电压变化非常敏 感。
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1，压敏陶瓷材料代表： SiC、ZnO（佼佼者）、 BaTiO3、Fe2O3、SnO2、SrTiO3
2，压敏陶瓷历史：20世纪30年代由贝尔实验室ห้องสมุดไป่ตู้成 SiC陶瓷，1968年日本松下公司的首先Matsuoka发现
11．电流温度系数： 电流温度系数是指在压敏电阻器的两端 电压保持恒定时，温度改变1℃时，流过压敏电阻器电流的相 对变化。 12．电压非线性系数： 电压非线性系数是指压敏电阻器在 给定的外加电压作用下，其静态电阻值与动态电阻值之比。
13．绝缘电阻： 绝缘电阻是指压敏电阻器的引出线（引脚）与电 阻体绝缘表面之间的电阻值。
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氧化锌压敏电阻的应用 ZnO压敏电阻器的应用很广，可归结为如下两方面： ①过压保护 ②稳定电压
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过压保护
各种大型整流设备、大型电 磁铁、大型电机、通讯电路、民 用设备在开关时，会引起很高的 过电压，需要进行保护，以延长 使用寿命。故在电路中接入压敏 电阻可以抑制过电压。
此外，压敏电阻还可作晶体 管保护、变压器次级电路的半导 体器件的保护以及大气过电压保 护等。
了一种新型陶瓷材料——ZnO。
依据特性： BaTiO3、Fe2O3利用的是电极与烧结体界面的非 欧姆特性 SiC、ZnO、SrTiO3利用的是晶界非欧姆特性。
目前，应用最广、性能最好的是氧化锌压敏半 导体陶瓷。
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3，压敏陶瓷的基本特性
压敏电阻陶瓷具有非线性伏 -- 安特性，对电压变化非常敏 感。
NTC热敏陶瓷——课件
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二. NTC热敏陶瓷的分类
NTC热敏半导瓷材料种类很多，分类方法也不尽相同。 一般按使用温度范围可分为：低温热敏材料(小于100K)、 常温热敏材料(-60－300℃)及高温热敏材料(大于300℃)等。
1. 常温热敏材料
常温热敏半导资材料种类很多，但大多数都是含锰二元或多元 尖晶石型氧化物半导瓷。主要介绍二元和三元系材料。 常 用 的 含 锰 二 元 系 氧 化 物 半 导 瓷 材 料 有 MnO-CoO-O2 系 、 MnO-NiO-O2系、MnO-FeO-O2系及MnO-CuO-O2系等.
正反电阻/Ω 1~10 1~10 30 1~10 20000
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举例
MgAl2O4-MgCr2O4-LaCrO3多元系高温热敏材料
这种多元系高温热敏材料使用温度为400-l000℃，具有很好 的高温稳定性和重复性，在500℃下加电压连续工作1000小 时后的阻值变化率可控制在2％以下。
材 料 的 结 构 为 尖 晶 石 相 MgAl2O4 、 MgCr2O4 及 钙 钛 矿 型 LaCrO3固溶组成。电阻材料的阻值和B值可以通过改变尖 晶石相中的Al、Cr的比例或改变尖晶石相与钙钛矿相的比 例来调整。 材料常数B值的调整范围为7000～16000K。
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3. 其它NTC热敏材料
这里只简单介绍低温热敏电阻和负温度系数临界热敏电阻两 种材料。
通常的半导体陶瓷材料长期工作在高温状态，很快就会发生 老化。因此，衡量高温热敏材料好坏最主要的标准就是高温 稳定性，一般要求热敏电阻在工作电压下于500℃以上高温 连续工作1000小时，其阻值变化率不应大于±5％。
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NTC高温稳定性的影响因素
影响热敏电阻高温稳定性的因素很多，其中包括材料的 化学配比及缺陷结构、离子电导、电极接触以及外界环 境条件等。
2.4敏感陶瓷
PTC的伏安特性曲线
oa段与线性电阻器变化一致，其 原因是通过热敏电阻器的电路很 小，耗散功率引起的温度变化可 忽略不计。当耗散功率增加，阻 体温度超过环境温度引起电阻增 大，曲线开始弯曲。当电压增至 Um时，电流达最大Im。电压继续 增加，电流反而减小，曲线斜率 由正变负。
Kunming University of Science and Technology
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在出现金属离子空格点时，禁带附近出现了附 加能级，位臵靠近价带顶上边，可以接受电子， 称为受主能级。 在绝对零度时，所有价电子全部填充到下面 的价带，受主能级是空的。在较高温度下， 由于热激发，价带的电子跃迁到受主能级去， 产生空穴。在电场作用下，价带中的空穴可 以沿电子方向做漂移运动，产生漂移电流导 电，对电导做出贡献。
临界温度热敏电阻(Critical temperature coefficient,CTR ) ：
一些过渡金属氧化物的电阻在某一特定温度下急剧变化， 且这种变化具有再现性和可逆性，这一特定温度称临界温 度，这种材料称为临界温度热敏电阻。
线性热敏电阻(Linear temperature coefficient ) ：电阻随温
3.基本特性
1）阻温特性
热敏电阻最基本的特性
E T exp( ) 2kT
ρ T—温度T时电阻率； ρ∞—温度∞时电阻率； ∆E—活化能； T—绝对温度； k—玻耳兹曼常数
1-NTC，2-CTR 3-开关型PTC 4-缓变型PTC
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形成附加能级主要有两个途径：不含杂质的氧化物主要 通过化学计量比偏离来形成；而含杂质的氧化物附加能级 的形成还与杂质缺陷有关。
热敏陶瓷05ppt课件
电阻温度特性 伏安特性 电流时间特性 耐压特性
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分类、用途与组成
heat sensitive ceramics：过热保护传感器、温度计， 掺杂BT
humidity sensitive ceramics (humiceram)：湿度计， ZnO-Li2O-V2O5系
photosensitive ceramics：光检测元件、光位计， CdSe
热容量c：热敏电阻器温度升高1 ℃所消耗的热能。
时间常数τ：热敏电阻温度改变到周围媒质温差的63.2%所需要 的时间。 Τ=c/H
额定功率Pm: 使用温度范围内所容许的最大功率。 工作温度T：
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热敏陶瓷的阻温特性
RTN=ANeBN/T（NTC）;
RTP=APeBpT（PTC）
RTN;
缓变型（ αT <10%/℃） 开关型（ αT >10%/℃） （3）依据使用温度分类
低温： 中温： 高温：
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掺 B杂aTiBO3a的T晶iO体3结构PT特C征热敏陶瓷
BaTiO3热敏陶瓷的阻温特性 BaTiO3陶瓷产生PTC效应的条件 影响BaTiO3热敏陶瓷性能的因素 BaTiO3热敏陶瓷的制备工艺 BaTiO3热敏陶瓷产生PTC效应的物理机制 BaTiO3热敏陶瓷的应用
来还出现了许多新型PTC 材料，如复合、有机PTC 等； 我国对PTC 材料的研究开始于60 年代初； PTC 材料已广泛应用于电子通讯、汽车工业、家用电器等； 2000 年，世界的产销量达8 亿支，我国突破了1.5 亿支。（朱
盈权，2002）
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何谓热敏陶瓷？
电阻率随温度发生明显变化的功能陶瓷。
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晶体结构特征
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分类、用途与组成
heat sensitive ceramics：过热保护传感器、温度计， 掺杂BT
humidity sensitive ceramics (humiceram)：湿度计， ZnO-Li2O-V2O5系
photosensitive ceramics：光检测元件、光位计， CdSe
热容量c：热敏电阻器温度升高1 ℃所消耗的热能。
时间常数τ：热敏电阻温度改变到周围媒质温差的63.2%所需要 的时间。 Τ=c/H
额定功率Pm: 使用温度范围内所容许的最大功率。 工作温度T：
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热敏陶瓷的阻温特性
RTN=ANeBN/T（NTC）;
RTP=APeBpT（PTC）
RTN;
缓变型（ αT <10%/℃） 开关型（ αT >10%/℃） （3）依据使用温度分类
低温： 中温： 高温：
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掺 B杂aTiBO3a的T晶iO体3结构PT特C征热敏陶瓷
BaTiO3热敏陶瓷的阻温特性 BaTiO3陶瓷产生PTC效应的条件 影响BaTiO3热敏陶瓷性能的因素 BaTiO3热敏陶瓷的制备工艺 BaTiO3热敏陶瓷产生PTC效应的物理机制 BaTiO3热敏陶瓷的应用
来还出现了许多新型PTC 材料，如复合、有机PTC 等； 我国对PTC 材料的研究开始于60 年代初； PTC 材料已广泛应用于电子通讯、汽车工业、家用电器等； 2000 年，世界的产销量达8 亿支，我国突破了1.5 亿支。（朱
盈权，2002）
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何谓热敏陶瓷？
电阻率随温度发生明显变化的功能陶瓷。
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晶体结构特征
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结语
敏感陶瓷的重要性
敏感陶瓷在传感领域的重要性不容忽视，为 各类传感器的性能提升和应用拓展提供了新 的可能。
总结及展望
通过了解敏感陶瓷的制备方法、特性分析和 应用案例，我们对其未来发展有了更深入的 认识。
制备方法
常见的制备方法
烧结法、溶胶-凝胶法的优缺点比较
不同制备方法具有各自的特点和优缺点，了解 并比较这些方法有助于选择适合的制备方法。
特性分析
1
基本特性
敏感陶瓷具有高灵敏度、快速响应、稳定性好等特性，可用于各种传感应用。
2
机理分析
通过深入研究敏感陶瓷的响应机理，可以揭示其物质结构与性能之间的关系。
电子传感器
敏感陶瓷可以用于制造各种类型的电子传感器， 如压力传感器、温度传感器等。
展望
未来应用前景
敏感陶瓷在生物医学、环境监测、智能传感等 方向具有广阔的应用前景，可以满足人们对高 性能传感器的需求。
研究方向及挑战
未来的研究可以侧重于提高敏感陶瓷响应的灵 敏度、稳定性和可靠性，同时应对制备过程等 方面的挑战。
3
性能优化
探索改善敏感陶瓷性能的方法，如增加纳米材料掺杂、调节制备工艺等。
应用案例
生物传感器
敏感陶瓷可以用于生物传感领域，用于检测细 胞、蛋白质、DNA等生物分子的存在和浓度。
化学传感器
敏感陶瓷可应用于检测污染物、化学物质浓度、 气体组分等，发挥着重要的监测功能。
光学传感器
敏感陶瓷在光学领域的应用包括光纤传感、光 学信号调制等，为高精度测量提供技术支持。
《敏感陶瓷》PPT课件 (2)
敏感陶瓷是一种具有特殊响应性能的陶瓷材料。本课程将介绍敏感陶瓷的定 义、制备方法、特性分析、应用案例、未来前景等内容。
2.4敏感陶瓷资料
量较高，则在氧分压超过某一临界值时，气相中
的氧将向陶瓷体内部扩散，在建立新的气-固平衡
时会在晶体中产生超过化学计量比的氧过剩，其
在晶体晶格中以金属离子空格点或填隙氧离子表 现出来，使最终产品显著偏离严格的化学计量比。
例如，MO型氧化物将由MO变为MO1+x
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当氧化物存在化学计量比偏离时，晶体内部将 形成空格点或填隙原子，这种缺陷称为固有原子 缺陷，由此将产生相应的能带畸变。
1-导带； 2-价带； Eg-禁带
理想的无缺陷氧化物晶体中，价带是全满的而导带 是全空的，中间隔着一定宽度的禁带。由于晶体势 场是严格的周期性，因而晶体中的电子势能也是周 期性地改变。
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氧含量不足的情况
敏感陶瓷在高温烧结时，如果烧结气氛中 氧分压低于某一临界值时，晶粒内部中的氧将
向外界扩散而产生氧不足，而在冷却过程中高
温热平衡状态下产生的氧不足也会保留下来，
并在晶体中以氧离子空格点或填隙金属离子，
使最终产品显著偏离严格的化学计量比。 例如，MO型氧化物将由MO变为MO1-x
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2. 掺 杂
在实际生产过程中，除了在十分必要的情
况下采用气氛烧结外，最常见的还是通过控制
杂质的种类和含量来实现敏感陶瓷的半导化。
高价或低价杂质离子替位都会引起氧化物 晶体的能带畸变，分别形成施主能级和受主能 级，从而得到N型或P型半导体陶瓷。
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2.4敏感陶瓷
热敏电阻器的电阻值RT与其自身温度T的关系式：
PTC的热敏电阻值： NTC的热敏电阻值：
RT
AP
exp( BP ) TRTຫໍສະໝຸດ ANexp( BN T
)
AP、AN——取决于材料物理特性和热敏电阻器结构尺 寸的常数；
BP、BN——表征材料物理特性的常数
第17页，共67页。
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2）伏安特性
即电压-电流特性，表示在热敏电阻器两端的电压和通过它的电 流在热敏电阻器和周围介质热平衡时的关系，即加在元件上的电 功率和耗散功率相等的关系。
PTC的伏安特性曲线
oa段与线性电阻器变化一致，其原因是 通过热敏电阻器的电路很小，耗散功率 引起的温度变化可忽略不计。当耗散功 率增加，阻体温度超过环境温度引起电 阻增大，曲线开始弯曲。当电压增至Um
1-NTC，2-CTR 3-开关型PTC 4-缓变型PTC
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B E 2k
为与半导体物理性能有关的常数 ， 称为材料常数，是热敏电阻材料 的特征参数。
T
1
T
dT
dT
为电阻温度系数，是温度的函 数，有正负之分，相应的材料 分别为PTC和NTC热敏陶瓷。
所谓半导化，指在禁带中形成附加能级：施主能级或受主能级。
一般来说，这些施主能级多数是靠近导带底的，而受主能级多 数是靠近价带顶的。即它们的电离能一般比较小，室温下就可 以受到热激发产生导电载流子，从而形成半导体。
形成附加能级主要有两个途径：不含杂质的氧化物主要通 过化学计量比偏离来形成；而含杂质的氧化物附加能级的形成还与
14-敏感陶瓷
概
述
工业生产和科学研究领域，需要检测、控制的对 象(信息)迅速增加。信息的获得有赖于传感器 (sensor)----各种敏感元件，其中陶瓷敏感元件占有 十分重要的地位。 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,是某些传感器中的关键材料之一 。 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。
B、晶粒、晶界及陶瓷表面功能
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。
多晶陶瓷的晶界---能级-B
晶粒边界上，位错或空位等使离子排列混乱,使得 晶粒边界上的离子扩散激活能比晶体内离子的扩散 激活能低很多，晶界氧、金属及其它离子易移动。 晶粒边界面内产生界面能级，在与晶粒内的电子状 态相平衡的界面附近狭小范围内产生空间电荷。
与氧的平衡压力相对应，晶粒边界部分发生氧化或 还原，其空间电荷分布发生变化。
B、晶界及陶瓷表面的特性
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。是单晶体 所不及的。
多晶陶瓷的晶界控制-B
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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。
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4
1、敏感陶瓷分类
①物理敏感陶瓷：
光敏陶瓷，如CdS、CdSe等；
热敏陶瓷，如PTC陶瓷、NTC和CTR 热敏陶瓷等；
磁敏陶瓷，如InSb、InAs、GaAs等；
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11
②电阻随温度的升高而减小的热敏电阻 称为负温度系数热敏电阻，简称NTC热敏电 阻( negative temperature coefficient )；
③电阻在某特定温度范围内急剧变化的
热敏电阻，简称为CTR临界温度热敏电阻(
critical temperature resistor )。
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17
BaTiO3的化学计量比偏离半导化采用 在真空、惰性气体或还原性气体中加热
BaTiO3。 由于失氧，BaTiO3内产生氧缺位，为
了 保 持 电 中 性 ， 部 分 Ti4+ 将 俘 获 电 子 成 为
Ti3+。在强制还原以后，需要在氧化气氛下
重新热处理，才能得到较好的PTC特性，电
阻率为1--103cm。精选ppt
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7
2. 敏感陶瓷的结构与性能
陶瓷是由晶粒、晶界、气孔组成的多相 系统，通过人为的掺杂，可以造成晶粒表 面的组分偏离，在晶粒表层产生固溶、偏 析及晶格缺陷等。
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8
另外，在晶界 处也会产生异质相的析 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 陶瓷电学性能的显著变化。
20
BaTiO3的电阻率降至最低点的掺杂浓 度(质量分数)为：Nd 0.05％，Ce、La、 Nb 0.2％~0.3％，Y 0.35％
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21
采用掺杂使BaTiO3半导化的方法之二 是 AST 掺 杂 法 ， 以 SiO2 或 AST ( 1/3A12O3 ·3/4SiO2·1/4TiO2 )对BaTiO3进 行掺杂，AST加入量3％(摩尔分数)于1260 --1380℃烧成后，电阻率为40--100cm。
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22
典型03Ca0.04 )TiO3 + 0.0011Nb2O5 + 0.01TiO2(先预烧)；
辅助成分摩尔分数：Sb2O3 0.06％， MnO2 0.04％，SiO2 0.5％，A12O3 0.167％，
Li2CO3 0.1％。
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12
⑵ 陶瓷热敏电阻材料
①BaTiO3 PTC陶瓷 BaTiO3陶瓷是否具有PTC效应，完全由
其晶粒和晶界的电性能所决定。
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13
纯BaTiO3具有较宽的禁带，常温下电子 激发很少，其室温下的电阻率为1012cm， 已接近绝缘体，不具有PTC电阻特性。
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14
将BaTiO3的电阻率降到104cm以下， 使其成为半导体的过程称为半导化。
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23
② NTC电阻材料
一般陶瓷材料都有负的电阻温度系数，但 温度系数的绝对值小，稳定性差，不能应用于 高温和低温场合。
NTC热敏电阻材料是用特定组分合成， 其电阻率随温度升高按指数关系减小的一类材 料，分低温型、中温型和高温型三大类。
第五章 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、控制的对象(信息)迅速增加。
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1
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，用于制造敏感元件。
即在其禁带中引入一些浅的附加能级： 施主能级或受主能级。
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15
通常情况下，施主能级多数是靠近导带 底的；而受主能级多数是靠近价带顶的。
施主能级或受主能级的电离能一般比较 小，因此，在室温下就可受到热激发产生导 电载流子，从而形成半导体。
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16
形成附加能级主要通过两种途径：化 学计量比偏离和掺杂，使得晶粒具有优良 的导电性，而晶界具有高的势垒层，形成 绝缘体。
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9
3. 热敏陶瓷
热敏陶瓷是一类电阻率、磁性、介电性 等性质随温度发生明显变化的材料，主要用 于制造温度传感器、线路温度补偿及稳频的 元件--热敏电阻(thermistor)。
热敏陶瓷具有灵敏度高、稳定性好、制 造工艺简单及价格便宜等特点。
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10
⑴ 热敏陶瓷的特性分类
①电阻随温度升高而增大的热敏电阻 称为正温度系数热敏电阻，简称PTC热敏 电阻( positive temperature coefficient )；
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2
敏感陶瓷用于制造敏感元件，是根据某些 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的 特性而制得的。
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。
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3
此外，还有具有压电效应的压力、位置、
速度、声波等敏感陶瓷，具有铁氧体性质的
18
采用掺杂使BaTiO3半导化的方法之一是 施主掺杂法，该法也称原子价控制法。
如果用离子半径与Ba2+相近的三价离子(
如La3+、Ce3+、Nd3+、Ga3+、Sm3+、Dy3+、
Y3+、Bi3+、Sb3+等)置换Ba2+，或者用离子半径
与Ti4+相近的五价离子(如Ta5+、Nb5+、Sb5+等)
置换Ti4+，采用普通陶瓷工艺，即能获得电阻
率为103--105cm的n精型选pBpt aTiO3半导体。
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五价离子掺杂浓度对BaTiO3的电阻率影 响很大。
一般情况下，电阻率随掺杂浓度的增加 而降低，达到某一浓度时，电阻率降至最低 值，继续增加浓度，电阻率则迅速提高，甚 至变成绝缘体。
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5
声敏陶瓷，如罗息盐、水晶、 BaTiO3、PZT等；
压敏陶瓷，如ZnO、SiC等；
力敏陶瓷，如PbTiO3、PZT等。
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6
②化学敏感陶瓷
氧敏陶瓷，如SnO2、ZnO、ZrO2等； 湿敏陶瓷，TiO2—MgCr2O4、ZnOLi2O-V2O5等。 生物敏感陶瓷也在积极开发之中。