第11章敏感陶瓷

1、1第第1111章章 精精 細細 功功 能能 陶陶 瓷瓷一、功能陶瓷概述一、功能陶瓷概述1 1、與傳統(tǒng)陶瓷的區(qū)別、與傳統(tǒng)陶瓷的區(qū)別（1 1）原料許多是經(jīng)過人工合成或者精制，不受天然條件）原料許多是經(jīng)過人工合成或者精制，不受天然條件的限制；的限制；（2 2）突破傳統(tǒng)陶瓷的化學成分限制，用多種金屬氧化物）突破傳統(tǒng)陶瓷的化學成分限制，用多種金屬氧化物、氮化物、碳化物、磷化物等，有時直接用金屬元素和、氮化物、碳化物、磷化物等，有時直接用金屬元素和碳、硅等非金屬元素。碳、硅等非金屬元素。(3) (3) 制備工藝更加先進。制備工藝更加先進。2 與傳統(tǒng)陶瓷相比，功能陶瓷具備了一些特殊性能與傳統(tǒng)陶瓷相比，功能陶

2、瓷具備了一些特殊性能( (熱、機械、化學、電磁、光熱、機械、化學、電磁、光) )。電電 子子 陶陶 瓷瓷生生 物物 陶陶 瓷瓷敏敏 感感 陶陶 瓷瓷磁磁 性性 陶陶 瓷瓷超超 導導 陶陶 瓷瓷光光 學學 陶陶 瓷瓷 其功能的實現(xiàn)主要來自于它所具有的特定的電絕緣其功能的實現(xiàn)主要來自于它所具有的特定的電絕緣性、半導體性、導電性、壓電性、鐵電性、磁性、生物性、半導體性、導電性、壓電性、鐵電性、磁性、生物適應性等。適應性等。 3電介質功能材料電介質功能材料介電材料介電材料鐵電材料鐵電材料壓電材料壓電材料敏感電介質材料敏感電介質材料電電功功能能材材料料電導體功能材料電導體功能材料導電材料導電材料快離子導

3、體快離子導體電阻材料電阻材料超導電體超導電體41導電性導電性 材料的導電性以其電導率來度量，材料的導電性以其電導率來度量，表明材料表明材料在電場中傳遞電荷的能力在電場中傳遞電荷的能力。載流子數(shù)目。載流子數(shù)目n、每個載、每個載流子的電荷流子的電荷q以及載流子的遷移率以及載流子的遷移率 ，決定了材料，決定了材料的電導率的電導率 或電阻率或電阻率 。 qn15 在材料中，產(chǎn)生電流的載流子有四種類型，即在材料中，產(chǎn)生電流的載流子有四種類型，即電子、空穴電子、空穴、正離子和負離子、正離子和負離子。若載流子是電子或空穴，則材料的電導為。若載流子是電子或空穴，則材料的電導為電子電導電子電導；若載流子是離子或

4、空格點，則稱為；若載流子是離子或空格點，則稱為離子電導離子電導。 電子導電電子導電材料按其導電能力可分為四大類：材料按其導電能力可分為四大類：（1）超導體超導體， 電阻率電阻率0，（2）導體導體， ； 金屬及部分陶瓷和高金屬及部分陶瓷和高分子材料分子材料（3）半導體半導體， ；（4）絕緣體絕緣體， ， 普通陶瓷與大部分高普通陶瓷與大部分高分子材料分子材料這四類材料除了電阻率的區(qū)別外，能帶結構及導電機理也這四類材料除了電阻率的區(qū)別外，能帶結構及導電機理也不相同。不相同。m101058m101074m10102076 金屬的電導率隨溫度的升高而降低，半導體、金屬的電導率隨溫度的升高而降低，半導體、

5、絕緣體及離子材料的電導率則隨溫度升高而增大。絕緣體及離子材料的電導率則隨溫度升高而增大。 雜質原子使純金屬的電導率下降，這是由于溶質雜質原子使純金屬的電導率下降，這是由于溶質原子在固溶體內造成不規(guī)則的勢場變化，影響自由原子在固溶體內造成不規(guī)則的勢場變化，影響自由電子的運動。電子的運動。 陶瓷材料中溶入雜質原子后，常常會使其導電性陶瓷材料中溶入雜質原子后，常常會使其導電性能提高。適當形式的晶體缺陷，對改善陶瓷材料的能提高。適當形式的晶體缺陷，對改善陶瓷材料的導電性有重要意義。導電性有重要意義。72介電性介電性 什么叫電介質？什么叫電介質？ 電介質是電阻率高于電介質是電阻率高于108m的材料，能的

6、材料，能耐較高電壓而不被擊穿。電介質是以耐較高電壓而不被擊穿。電介質是以極化方式傳遞電極化方式傳遞電的物的物質，主要是絕緣體，半導體純硅、純鍺也屬于電介質。質，主要是絕緣體，半導體純硅、純鍺也屬于電介質。若兩若兩電電板間無任何物質，則每板上的電荷密度板間無任何物質，則每板上的電荷密度D0與電場與電場E成比例。如果在兩電板間有材料成比例。如果在兩電板間有材料m（即稱電介質），其（即稱電介質），其電荷密度可能由電荷密度可能由D0增到增到Dm，比率，比率Dm/D0即為材料的相對即為材料的相對介電常數(shù)，即介電常數(shù)，即0/ DDmr 相對介電常數(shù)總是大于相對介電常數(shù)總是大于1.01.0。因為在電場中，。

7、因為在電場中，材料內部的電子或正負離子發(fā)生了位移。材料內部的電子或正負離子發(fā)生了位移。 81 1 極化極化 polarizationpolarization 在電場作用下，電介質中束縛著的電荷發(fā)生位移或在電場作用下，電介質中束縛著的電荷發(fā)生位移或者極性按電場方向轉動的現(xiàn)象，稱為者極性按電場方向轉動的現(xiàn)象，稱為電介質的極化電介質的極化。2 2 自發(fā)極化自發(fā)極化 spontaneous polarizationspontaneous polarization 在沒有外電場作用時，晶體中存在著由于電偶極子的在沒有外電場作用時，晶體中存在著由于電偶極子的有序排列而產(chǎn)生的極化，稱為有序排列而產(chǎn)生的極化，

8、稱為自發(fā)極化自發(fā)極化。在垂直于極化軸的表面上，單位面積的自發(fā)極化電在垂直于極化軸的表面上，單位面積的自發(fā)極化電荷量稱為荷量稱為自發(fā)極化強度自發(fā)極化強度。單位面積的極化電荷量稱為單位面積的極化電荷量稱為極化強度極化強度，它是一個矢，它是一個矢量，用量，用P P表示，其單位為表示，其單位為C/mC/m2 2。3 3 介電常數(shù)介電常數(shù) dielectric constantdielectric constant表征材料極化并儲存電荷能力的物理量稱為表征材料極化并儲存電荷能力的物理量稱為介電常介電常數(shù)數(shù)，用，用表示，無量綱。表示，無量綱。91011 不同材料及不同溫度下的介電常數(shù)差別很大。不同材料及不

9、同溫度下的介電常數(shù)差別很大。Al2O3、AIN陶瓷的室溫介電常數(shù)小于陶瓷的室溫介電常數(shù)小于10，BaTiO3、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3等鐵電陶瓷的室溫介電常數(shù)為等鐵電陶瓷的室溫介電常數(shù)為幾百至幾千，通過調整材料組成，甚至可達幾百至幾千，通過調整材料組成，甚至可達1000020000。 利用各種材料不同的介電常數(shù)及其溫度特性，利用各種材料不同的介電常數(shù)及其溫度特性，就可以制作不同性能規(guī)格的電容器或其他元件。就可以制作不同性能規(guī)格的電容器或其他元件。應用分為兩種：電絕緣陶瓷和電容器陶瓷。應用分為兩種：電絕緣陶瓷和電容器陶瓷。11.2.2 介電陶瓷材料介電陶瓷材料121、電絕緣陶瓷、電絕緣陶

10、瓷主要用于電子設備中安裝、固定、支主要用于電子設備中安裝、固定、支撐、保護、絕緣、隔離以及連接各種無線撐、保護、絕緣、隔離以及連接各種無線電零件和器件。（高頻絕緣子、插座、瓷電零件和器件。（高頻絕緣子、插座、瓷管基板、瓷環(huán)等）。管基板、瓷環(huán)等）。 13 半導體元件和電路對材半導體元件和電路對材料的要求：高性能、小體積料的要求：高性能、小體積；導熱率大、密度高、容易；導熱率大、密度高、容易小型化。小型化。 14SiC、BN和和AlN（碳化硅、立方氮化硼和氮化鋁）也（碳化硅、立方氮化硼和氮化鋁）也屬于導熱率高，散熱快的材料。屬于導熱率高，散熱快的材料。 SiCSiC的晶體結構和金剛石相似，其中的晶

11、體結構和金剛石相似，其中部分硅代替了部分碳的位置。部分硅代替了部分碳的位置。 這種結構強固、致密，機械強這種結構強固、致密，機械強度高，適宜用作電子線路的基板。度高，適宜用作電子線路的基板。 15 2、電容器陶瓷、電容器陶瓷 電容器的性能要求電容器的性能要求：耐較高電壓，不易被擊穿，介電常數(shù)高：耐較高電壓，不易被擊穿，介電常數(shù)高因此體積可以做得很小。因此體積可以做得很小。 ，高頻下可靠地工作。，高頻下可靠地工作。電容器的介電材料電容器的介電材料：金紅石（：金紅石（TiO2），鈦酸酸鈣（），鈦酸酸鈣（CaTiO3，加，加少量少量ZrO2），鈦酸鎂（），鈦酸鎂（MgTiO3）可用于高頻。可用于高頻

12、。 2MgOSiO2、Al2O3、BaTi4O9、(Zr，Sn，Ti)O2可用于集可用于集成電路基片、元件成電路基片、元件 介電常數(shù)達到介電常數(shù)達到10105 5的電容器陶瓷，可以使電容器微的電容器陶瓷，可以使電容器微型化。型化。 16171 1、 電疇電疇 ferroelectric domain鐵電體內永久偶極子自發(fā)極化成相同方向的小區(qū)域稱鐵電體內永久偶極子自發(fā)極化成相同方向的小區(qū)域稱為為電疇電疇，10m10m；電疇與電疇之間的交界稱為；電疇與電疇之間的交界稱為疇壁疇壁兩種：兩種：9090疇壁和疇壁和180180疇壁疇壁182 2、 電滯回線電滯回線 hysteresis loop 在強電

13、場作用下，使多疇鐵電體變?yōu)閱萎犺F電體在強電場作用下，使多疇鐵電體變?yōu)閱萎犺F電體或使單疇鐵電體的自發(fā)極化反向的動力學過程稱為或使單疇鐵電體的自發(fā)極化反向的動力學過程稱為疇的反轉疇的反轉。Ps：飽和極化強度：飽和極化強度Pr：剩余極化強度：剩余極化強度ABCBDFGHKC變化過程：變化過程：Ec：矯頑電場強度：矯頑電場強度1920隨著科學技術的發(fā)展，在隨著科學技術的發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)領工業(yè)生產(chǎn)領域域、科學研究領域科學研究領域和人們的日常生活中，和人們的日常生活中，需要需要迅速增加。迅速增加。有賴于有賴于傳感器傳感器，或稱，或稱敏感元件敏感元件。在各種類型的敏感元件中，在各種類型的敏感元件中，占有十分

14、重要的地位。占有十分重要的地位。 21用于制造用于制造，是根據(jù)某，是根據(jù)某些陶瓷的些陶瓷的、等物理量對等物理量對、及某種及某種氣體氣體、某種、某種離子離子的變化特別的變化特別敏感的特性而制得的。敏感的特性而制得的。按其按其相應的特性相應的特性，可把這些材料分別稱，可把這些材料分別稱作作、及及。22此外，還有具有此外，還有具有的的壓力壓力、位置位置、速度速度、聲波聲波等敏感陶瓷，具有鐵氧體性質的等敏感陶瓷，具有鐵氧體性質的及具有多種敏感特性的及具有多種敏感特性的等。等。這些這些已廣泛應用于已廣泛應用于工業(yè)檢測工業(yè)檢測、控制儀器控制儀器、交通運輸系統(tǒng)交通運輸系統(tǒng)、汽車、機器人、汽車、機器人、防止公

15、害、防災、公安及家用電器等領域。防止公害、防災、公安及家用電器等領域。 23物理敏感陶瓷：物理敏感陶瓷：，如，如CdS、CdSe等；等；，如，如PTC陶瓷、陶瓷、NTC和和CTR熱敏陶瓷等；熱敏陶瓷等；，如，如InSb、InAs、GaAs等；等；24，如羅息鹽、水晶、，如羅息鹽、水晶、BaTiO3、PZT等；等；，如，如ZnO、SiC等；等；，如，如PbTiO3、PZT等。等。25化學敏感陶瓷化學敏感陶瓷，如，如SnO2、ZnO、ZrO2等；等；，TiO2MgCr2O4、ZnO-Li2O-V2O5等。等。 氣敏陶瓷，氣敏陶瓷， SnO2、ZnO、Fe2O3等等；也在積極開發(fā)之中。也在積極開發(fā)之

16、中。 26是由是由晶粒、晶界、氣孔晶粒、晶界、氣孔組成的多相組成的多相系統(tǒng)，通過人為的摻雜，可以造成晶粒表系統(tǒng)，通過人為的摻雜，可以造成晶粒表面的面的，在晶粒表層產(chǎn)生，在晶粒表層產(chǎn)生、及及等。等。 27另外，在晶界另外，在晶界 處也會產(chǎn)生處也會產(chǎn)生、及及等。等。這些這些的組成、結構變化，的組成、結構變化，顯著改變了顯著改變了晶界的電性能晶界的電性能，從而導致整個，從而導致整個陶瓷陶瓷電學性能電學性能的顯著變化。的顯著變化。28是一類是一類、等性質隨等性質隨發(fā)生發(fā)生明顯變化明顯變化的材料，主要用的材料，主要用于制造于制造、及及-(thermistor)。具有具有靈敏度高靈敏度高、穩(wěn)定性好穩(wěn)定性好

17、、制制造工藝簡單造工藝簡單及及價格便宜價格便宜等特點。等特點。29熱敏電阻熱敏電阻稱為稱為，簡稱，簡稱PTC熱敏熱敏電阻電阻( positive temperature coefficient )；30的熱敏電阻的熱敏電阻稱為稱為，簡稱，簡稱NTC熱敏電熱敏電阻阻( negative temperature coefficient )；熱敏電阻，簡稱為熱敏電阻，簡稱為CTR( critical temperature resistor )。 31PTC陶瓷陶瓷BaTiO3 BaTiO3陶瓷是否具有陶瓷是否具有PTC效應，來源于效應，來源于多晶半導體多晶半導體。純純BaTiO3具有具有，常溫下電

18、子常溫下電子激發(fā)很少激發(fā)很少，其，其室溫下的電阻率室溫下的電阻率為為1012cm，已接近絕緣體，不具有已接近絕緣體，不具有PTC電阻特性。電阻特性。32將將BaTiO3的電阻率降到的電阻率降到104cm以下，以下，使其使其成為半導體的過程成為半導體的過程稱為稱為。即在其禁帶中引入一些即在其禁帶中引入一些：施主能級或受主能級。：施主能級或受主能級。33通常情況下，通常情況下，多數(shù)是靠近導帶多數(shù)是靠近導帶底的；而底的；而多數(shù)是靠近價帶頂?shù)?。多?shù)是靠近價帶頂?shù)摹Ｊ┲髂芗壔蚴苤髂芗壍氖┲髂芗壔蚴苤髂芗壍囊话惚容^一般比較小，因此，在室溫下就可小，因此，在室溫下就可產(chǎn)生產(chǎn)生，從而形成半導體。，從而形成半導

19、體。34形成形成主要通過兩種途徑：主要通過兩種途徑：和和，使得，使得具有具有優(yōu)良優(yōu)良的導電性的導電性，而，而具有具有高的勢壘層高的勢壘層，形成，形成絕緣體。絕緣體。 35BaTiO3的的半導化半導化采用采用在在真空、惰性氣體或還原性氣體真空、惰性氣體或還原性氣體中加熱中加熱BaTiO3。由于由于失氧失氧，BaTiO3內產(chǎn)生內產(chǎn)生氧缺位氧缺位，為，為了了保持電中性保持電中性，部分，部分Ti4+將俘獲電子成為將俘獲電子成為Ti3+。在強制還原以后，需要在強制還原以后，需要在氧化氣氛下在氧化氣氛下重新熱處理，才能得到較好的重新熱處理，才能得到較好的PTC特性，特性，電阻率為電阻率為1-103cm。

20、36采用采用使使BaTiO3半導化的方法之一是半導化的方法之一是，該法也稱，該法也稱。如果用離子半徑與如果用離子半徑與Ba2+相近的三價離子相近的三價離子(如如La3+、Ce3+、Nd3+、Ga3+、Sm3+、Dy3+、Y3+、Bi3+、Sb3+等等)置換置換Ba2+，或者用離子半徑與或者用離子半徑與Ti4+相近的五價離子相近的五價離子(如如Ta5+、Nb5+、Sb5+等等)置置換換Ti4+，采用采用普通陶瓷工藝普通陶瓷工藝，即能獲得電阻率，即能獲得電阻率為為103-105cm的的n型型BaTiO3半導體。半導體。37五價離子五價離子對對BaTiO3的電阻率的電阻率影響很大。影響很大。一般情況

21、下，電阻率一般情況下，電阻率，達到某一濃度時達到某一濃度時，電阻率降至最低，電阻率降至最低值，值，繼續(xù)增加濃度繼續(xù)增加濃度，電阻率則迅速提高，甚，電阻率則迅速提高，甚至變成絕緣體。至變成絕緣體。38 BaTiO3的電阻率降至最低點的的電阻率降至最低點的(質量分數(shù)質量分數(shù))為：為：Nd 0.05，Ce、La、Nb 0.20.3，Y 0.35 39采用采用使使BaTiO3半導化半導化的方法之二的方法之二是是， 以， 以 S i O2或或 A S T ( 1/3A12O3 3/4SiO21/4TiO2 )對對BaTiO3進進行摻雜，行摻雜，AST加入量加入量3(摩爾分數(shù)摩爾分數(shù))于于1260 -13

22、80燒成后，電阻率為燒成后，電阻率為40-100cm。40典型的典型的PTC如下：如下： 主成分主成分：( Ba0.93Pb0.03Ca0.04 )TiO3 + 0.0011Nb2O5 + 0.01TiO2(先預燒先預燒)； 輔助成分輔助成分摩爾分數(shù)：摩爾分數(shù)：Sb2O3 0.06，MnO2 0.04，SiO2 0.5，A12O3 0.167，Li2CO3 0.1。 41一般陶瓷材料都有一般陶瓷材料都有，但，但溫度系數(shù)的絕對值小，穩(wěn)定性差，不能應用溫度系數(shù)的絕對值小，穩(wěn)定性差，不能應用于高溫和低溫場合。于高溫和低溫場合。是用特定組分合成是用特定組分合成，其電阻率隨溫度升高按指數(shù)關系減小的一類其

23、電阻率隨溫度升高按指數(shù)關系減小的一類材料，分材料，分三大類。三大類。42絕大多數(shù)是具有絕大多數(shù)是具有的過渡金屬固熔體。的過渡金屬固熔體。其中，其中，主要有：主要有：Cu-Mn、Co-Mn、Ni-Mn等系。等系。43其中，其中，最有實用意義的最有實用意義的為為Co-Mn系材料系材料。它在。它在20時的電阻率為時的電阻率為103cm，主晶相為主晶相為MnCo2O4。隨著隨著Mn含量的增大含量的增大，則形成，則形成MnCo2O4和和MnCo2O4的固溶體，電阻的固溶體，電阻率逐漸增大。率逐漸增大。44有：有：Mn-Co-Ni、Mn-Cu-Ni、Mn-Cu-Co等等和和Cu-Fe-Ni、Cu-Fe-C

24、o等等。在在中，隨著中，隨著Mn含量的含量的增大，電阻率增大。增大，電阻率增大。此外，還有此外，還有Cu-Fe-Ni，CO四元系等。四元系等。 45工作溫度工作溫度的熱敏電阻的熱敏電阻(NTC)常稱為常稱為。有廣泛的應用前景，尤其有廣泛的應用前景，尤其在在汽車空氣燃料比汽車空氣燃料比傳感器方面，有很大的傳感器方面，有很大的實用價值。實用價值。46其中，主要使用的兩種其中，主要使用的兩種為：為： (1) Pr、Er、Tb、Nd、Sm等氧化物，加入等氧化物，加入適量適量其他過渡金屬氧化物其他過渡金屬氧化物，在，在 燒結后，可在燒結后，可在 工作。工作。47(2)MgAl2O4-MgCr2O4-La

25、CrO3或或(LaSr)CrO3 三元系材料三元系材料 該系材料適用于該系材料適用于溫區(qū)。溫區(qū)。48工作溫度在工作溫度在的熱敏電阻材料的熱敏電阻材料(NTC)稱為稱為。以以為為主，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。 49主要是指主要是指的半導體陶瓷，的半導體陶瓷，在在68附近附近達到達到3-4個數(shù)量級，具有個數(shù)量級，具有, 因此稱為因此稱為或或。50這種這種具有具有和和，故可作，故可作或或。這一這一特定溫度特定溫度稱稱。電阻值的急劇變化，通常是電阻值的急劇變化，通常是隨溫度的升隨溫度的升高高

26、，在臨界溫度附近在臨界溫度附近，。51V是是，它有，它有5價、價、4價等多種價價等多種價態(tài)，因此，態(tài)，因此，V系有多種氧化物，如系有多種氧化物，如V2O5、VO2、V2O3、VO等。等。這些氧化物各有這些氧化物各有。每種。每種V系氧化物與系氧化物與B、Si、P、Mg、Ca、Sr、Ba、Pb、La、Ag等氧化物形成等氧化物形成，可上，可上、下移動其臨界溫度。、下移動其臨界溫度。 52熱敏電阻在熱敏電阻在中的應用最廣中的應用最廣，它雖不適于，它雖不適于高精度的測量高精度的測量，但其，但其價格低價格低廉廉，多用于，多用于等。等。53有兩種用途：有兩種用途：一是用于一是用于，PTC熱敏電阻通過熱敏電阻

27、通過自身發(fā)熱而工作，達到設定溫度后，便自動恒自身發(fā)熱而工作，達到設定溫度后，便自動恒溫，因此不需另加控制電路，如用于溫，因此不需另加控制電路，如用于、等。等。54發(fā)熱電器的恒溫控制：發(fā)熱電器的恒溫控制：剛通電時，剛通電時，PTC元件的電阻小，電流大，快速升溫。元件的電阻小，電流大，快速升溫。溫度超過居里點后，電阻陡然增大，類似于關閉電源；溫度超過居里點后，電阻陡然增大，類似于關閉電源；當溫度下降后，當溫度下降后，PTC電阻下降電阻下降 自動恒溫。自動恒溫。PTC熱敏電阻既是加熱器又是傳感器，起到感溫和控溫熱敏電阻既是加熱器又是傳感器，起到感溫和控溫的兩種作用。的兩種作用。 陶瓷暖風機陶瓷暖風機

28、 居里溫度居里溫度開關電阻開關電阻 工作范圍工作范圍PTC熱敏電阻熱敏電阻電蚊香電蚊香 55電冰箱的電冰箱的控制器控制器 電壓力鍋電壓力鍋 電腦型微波爐電腦型微波爐 電腦型電飯鍋電腦型電飯鍋 二、熱敏電阻用于測量二、熱敏電阻用于測量- -自控自控56普通電飯鍋普通電飯鍋 智能電飯鍋智能電飯鍋 單片機單片機 傳感器傳感器控制程序控制程序 普通高壓鍋普通高壓鍋 智能壓力鍋智能壓力鍋 傳感器傳感器單片機單片機57三是用作三是用作，如，如彩電消磁器彩電消磁器、冰箱電機啟動器冰箱電機啟動器、程控電話保安器程控電話保安器等。等。58電流電流 浪涌電流浪涌電流產(chǎn)生浪涌電流的原因：產(chǎn)生浪涌電流的原因：燈絲的冷

29、電阻很小，當燈絲的冷電阻很小，當電壓瞬間升高時，燈絲的電壓瞬間升高時，燈絲的升溫需要有一個過程，在升溫需要有一個過程，在這一瞬間通過燈絲的電流這一瞬間通過燈絲的電流很大，這就是浪涌電流；很大，這就是浪涌電流；隨即燈絲溫度急劇上升，隨即燈絲溫度急劇上升，電阻增大，電流也相應回電阻增大，電流也相應回落。落。浪涌電流對電燈有害。浪涌電流對電燈有害。電壓電壓 小燈小燈緩慢緩慢點亮點亮瞬間瞬間測量小燈點測量小燈點亮過程中的電亮過程中的電壓和電流變化壓和電流變化59電 視 機 接 通 電 源 的 瞬 間 ，電 視 機 接 通 電 源 的 瞬 間 ，PTC（正溫度系數(shù)）（正溫度系數(shù)）熱敏電阻的熱敏電阻的電阻

30、值很小，通過消磁線圈的大電阻值很小，通過消磁線圈的大電流電流（浪涌電流）（浪涌電流）產(chǎn)生足夠大的交產(chǎn)生足夠大的交變磁場進行消磁。變磁場進行消磁。同時，由于電流很大，同時，由于電流很大，PTC元件自身發(fā)熱，使其電阻迅速增元件自身發(fā)熱，使其電阻迅速增大，從而使電流逐漸減?。ń咏?，從而使電流逐漸減?。ń咏诹悖?，其線圈產(chǎn)生的磁場也迅于零），其線圈產(chǎn)生的磁場也迅速從強到弱，最終達到消磁目的。速從強到弱，最終達到消磁目的。 220V t消磁線圈消磁線圈 PTC 浪涌電流的浪涌電流的利用利用彩電的消磁彩電的消磁60將將NTC熱敏電阻串聯(lián)在電路中。熱敏電阻串聯(lián)在電路中。電源接通的瞬間，電源接通的瞬間，NT

31、C的電阻值很的電阻值很大，從而抑制浪涌電流。此后，由大，從而抑制浪涌電流。此后，由于電流的熱效應使于電流的熱效應使NTC的溫度升高，的溫度升高，其電阻值下降，不會影響電路的正其電阻值下降，不會影響電路的正常運行。常運行。NTC 熱敏電阻熱敏電阻61在現(xiàn)代社會，人們在現(xiàn)代社會，人們在生活和工作中在生活和工作中使用使用和接觸的和接觸的越來越多，其中某些越來越多，其中某些易燃、易易燃、易爆、有毒氣體爆、有毒氣體及其及其混合物混合物一旦泄露到大氣中一旦泄露到大氣中，會造成，會造成大氣污染大氣污染，甚至引起，甚至引起爆炸和火災爆炸和火災。62是一種是一種陶瓷材陶瓷材料，料，(或稱或稱)由由于其具有于其具

32、有靈敏度高靈敏度高、性能穩(wěn)定性能穩(wěn)定、結構簡單結構簡單、體積小體積小、價格低廉價格低廉、使用方便使用方便等優(yōu)點，等優(yōu)點，得到迅速發(fā)展。得到迅速發(fā)展。 63氣敏陶瓷大致可分為氣敏陶瓷大致可分為、及及三種：三種：64 按照按照來分類，如來分類，如SnO2型、型、ZnO型、型、 -Fe2O3型、型、 -Fe2O3型、鈣鈦礦化合型、鈣鈦礦化合物型、物型、TiO2型等。型等。65是一類介于是一類介于的奇特固體的奇特固體材料，其材料，其主要特征主要特征是它的是它的，如，如ZrO2氧敏陶瓷氧敏陶瓷，K2SO4、Na2SO4等堿金屬硫酸鹽等。等堿金屬硫酸鹽等。66用用作母線，表面用作母線，表面用陶瓷涂層陶瓷涂

33、層、觸媒材料觸媒材料、防晶粒生長材料防晶粒生長材料以及以及防觸媒中防觸媒中毒材料毒材料等涂層所制成。等涂層所制成。 67吸附氣體分子時吸附氣體分子時，半導體的，半導體的將隨將隨半導體類型半導體類型和和氣體分子種類氣體分子種類的的不同而變化。不同而變化。68吸附氣體一般分為物理吸附和化學吸附吸附氣體一般分為物理吸附和化學吸附兩大類。被吸附的氣體一般也可分為兩類。兩大類。被吸附的氣體一般也可分為兩類。具有具有稱為稱為氧化性氧化性(或電子受容性或電子受容性)氣體氣體，如，如O2、NOx等。等。具有具有稱為稱為還原性還原性(或電子供出性或電子供出性)氣體氣體，如，如H2、CO、乙醇等。乙醇等。6970

34、SnO2系氣敏陶瓷是系氣敏陶瓷是，是，是以以SnO2為基材為基材，加入催化劑、黏結加入催化劑、黏結劑等劑等，按照，按照常規(guī)的陶瓷工藝方法常規(guī)的陶瓷工藝方法制成的。制成的。 71 以以為基為基本原料，本原料，粉料越細粉料越細，比表面積越大比表面積越大，對，對被測氣體越敏感被測氣體越敏感。制造制造的方法有的方法有、及及等。等。72所用所用多為多為，它們有不同的作用，主要是，它們有不同的作用，主要是Sb2O3、V2O5、MgO、PbO、CaO等。等。73SnO2系氣敏陶瓷制造的氣敏元件有如下特點：系氣敏陶瓷制造的氣敏元件有如下特點：，出現(xiàn)，出現(xiàn)最高靈敏度的溫度較低最高靈敏度的溫度較低，約在約在300

35、；，在，在低濃度范圍，這種變化十分明顯，非常適用低濃度范圍，這種變化十分明顯，非常適用于于對低濃度氣體的檢測對低濃度氣體的檢測；74，而且，而且；，待測氣體，待測氣體可通過可通過氣敏元件電阻值的變化氣敏元件電阻值的變化直接轉化為直接轉化為信號，且阻值變化大，可用信號，且阻值變化大，可用簡單電路簡單電路實現(xiàn)實現(xiàn)自動測量；自動測量；75，；，和和。 76利用利用吸附還原氣體時吸附還原氣體時來檢測還原氣體來檢測還原氣體，已廣泛應用于，已廣泛應用于家用家用、生產(chǎn)用、生產(chǎn)用和和等。等。77對對特別敏特別敏感，廣泛用于感，廣泛用于CO報警報警和和工作環(huán)境的空氣工作環(huán)境的空氣監(jiān)測監(jiān)測等。等。78已進入已進入

36、對于對于可燃性氣體可燃性氣體，例如，例如H2、CO、甲烷、丙烷甲烷、丙烷、乙醇、酮或芳香族氣體等，具有、乙醇、酮或芳香族氣體等，具有，因而，因而SnO2氣敏元件氣敏元件。 7980氧化鋅系氣敏陶瓷元件最突出的優(yōu)點氧化鋅系氣敏陶瓷元件最突出的優(yōu)點是是，一般加入適量的，一般加入適量的來來提高陶瓷元件的靈敏度提高陶瓷元件的靈敏度。81對異丁烷、丙烷、乙對異丁烷、丙烷、乙烷等烷等有較高靈敏度有較高靈敏度，碳氫化合，碳氫化合物中物中。82的的氧化鋅氣敏陶瓷元件氧化鋅氣敏陶瓷元件對對H2、CO靈敏度靈敏度較高，對較高，對碳氫化合物靈敏度碳氫化合物靈敏度較差。較差。的的氧化鋅氣敏陶瓷元件氧化鋅氣敏陶瓷元件對

37、對乙醇、乙醇、苯和煤氣苯和煤氣較靈敏，且成本也較低。較靈敏，且成本也較低。83的結構與二氧化錫的結構與二氧化錫的不同，可以把它做成的不同，可以把它做成，將，將半導體元件半導體元件與催化物與催化物分離，這樣可以分離，這樣可以更換催化劑更換催化劑來來提高提高元件的氣體選擇性元件的氣體選擇性，其缺點是，其缺點是。 84常見的鐵的氧化物有常見的鐵的氧化物有：FeO、Fe2O3和和Fe3O4；85其中，其中，F(xiàn)e2O3有有： Fe2O3和和 Fe2O3均被發(fā)現(xiàn)具有均被發(fā)現(xiàn)具有。 Fe2O3具有具有結構。從結構。從熱穩(wěn)熱穩(wěn)定性定性來看來看 Fe2O3較優(yōu)，但從較優(yōu)，但從靈敏度靈敏度而言則而言則比比 Fe2

38、O3差。差。86最大的特點最大的特點是是也能得到也能得到較高的催化性較高的催化性，高高溫下熱穩(wěn)定性好溫下熱穩(wěn)定性好。 Fe2O3對對丙烷氣體丙烷氣體較靈敏，但對較靈敏，但對甲烷甲烷就不靈敏。就不靈敏。87 Fe2O3的的好，對好，對甲烷乃至甲烷乃至異丁烷異丁烷都非常靈敏，對都非常靈敏，對水蒸氣和乙醇水蒸氣和乙醇等卻不等卻不靈敏。靈敏。 Fe2O3作作非常非常合適。因它對合適。因它對水蒸氣和乙醇水蒸氣和乙醇等不靈敏，故不等不靈敏，故不會因會因水蒸氣及酒精的存在水蒸氣及酒精的存在而誤報。而誤報。 88，通常是指，通常是指空氣中水蒸氣的含量空氣中水蒸氣的含量。濕度與人類的日常生活和生產(chǎn)活動有著濕度與

39、人類的日常生活和生產(chǎn)活動有著十分密切的關系，因此需要隨時監(jiān)測空氣濕十分密切的關系，因此需要隨時監(jiān)測空氣濕度。度?？蓪⒖蓪穸鹊淖兓瘽穸鹊淖兓砸暂敵?，易于實現(xiàn)輸出，易于實現(xiàn)遠距離監(jiān)測遠距離監(jiān)測、記錄和、記錄和反饋的自動控制。反饋的自動控制。 89以濕敏材料制造的以濕敏材料制造的配以配以即成為即成為。根據(jù)濕敏材料的根據(jù)濕敏材料的性能性能及其及其使用功能使用功能可分為以下四類：可分為以下四類：90，如，如LiCl電解質型。電解質型。，有電解質型，有電解質型(離子離子交換樹脂交換樹脂)、膨潤型、電容型。、膨潤型、電容型。，有電容型、電阻，有電容型、電阻型、阻抗型。型、阻抗型。，如半導體硅材料。，如半

40、導體硅材料。其中，最常用的為其中，最常用的為濕濕敏電阻型。敏電阻型。91濕敏陶瓷材料濕敏陶瓷材料種類種類繁多，繁多，化學組成化學組成復復雜。雜。按按可將可將濕敏半導體陶瓷濕敏半導體陶瓷分為分為、和和。 92MgCr2O4-TiO2系濕敏陶瓷是系濕敏陶瓷是多孔濕敏陶瓷多孔濕敏陶瓷結構，結構，達達30-40，具有，具有良好的透濕性能良好的透濕性能。MgCr2O4-TiO2系濕敏陶瓷的系濕敏陶瓷的可采可采用用傳統(tǒng)陶瓷的制造方法傳統(tǒng)陶瓷的制造方法，但原料必須采用化學，但原料必須采用化學純或分析純級。純或分析純級。93MgCr2O4-TiO2系濕敏陶瓷的制造工藝系濕敏陶瓷的制造工藝流程如下：流程如下：M

41、gO、Cr2O3、TiO2 稱量稱量 球磨球磨 干燥干燥 造粒造粒 干壓干壓燒結燒結 切片切片 電極電極 引線引線 裝配裝配 測試測試 94MgCr2O4-TiO2系系具有具有很高的很高的濕度活性濕度活性，濕度響應快濕度響應快，對溫度、時間、，對溫度、時間、濕度和電負荷的濕度和電負荷的，是很有應用前，是很有應用前途的途的濕敏傳感器陶瓷材料濕敏傳感器陶瓷材料，已用于，已用于。程序控制的微波爐，根據(jù)程序控制的微波爐，根據(jù)處于微波爐處于微波爐蒸汽排口處的蒸汽排口處的的相對濕度反饋的相對濕度反饋信息，調節(jié)烹調參數(shù)。信息，調節(jié)烹調參數(shù)。 95此外，目前比較常見的此外，目前比較常見的還有還有ZnCr2O4

42、為主晶相系為主晶相系半導體陶瓷半導體陶瓷，以，以及新研究的及新研究的。 96陶瓷濕度傳感器結構陶瓷濕度傳感器結構97Si-Na2O-V2O5系濕敏陶瓷是系濕敏陶瓷是，其主晶相是具有半導性，其主晶相是具有半導性的硅粉。的硅粉。燒結溫度較低燒結溫度較低(一般低于一般低于900)，燒結，燒結時時固相反應不完全固相反應不完全，燒結后收縮率很小燒結后收縮率很小。其阻值為其阻值為102-107 ，隨相對濕度，隨相對濕度以指數(shù)規(guī)以指數(shù)規(guī)律律變化，測量范圍為變化，測量范圍為(25100)RH。98Si-Na-V系濕敏陶瓷的系濕敏陶瓷的是由于是由于Na2O和和V2O5吸附水分，使吸濕后硅粉粒間的吸附水分，使吸濕

43、后硅粉粒間的電阻值顯著降低。電阻值顯著降低。這種元件的這種元件的是是溫度穩(wěn)定性較好溫度穩(wěn)定性較好，可在，可在100下工作，阻值范圍可調，工作壽命長。下工作，阻值范圍可調，工作壽命長。是是響應速度慢響應速度慢，有，有明顯濕滯現(xiàn)象明顯濕滯現(xiàn)象，不，不能用于能用于濕度變化不劇烈的場合濕度變化不劇烈的場合。99濕敏陶瓷的應用很廣泛，主要濕敏陶瓷的應用很廣泛，主要應用于應用于家電家電、汽車汽車、醫(yī)療醫(yī)療、工業(yè)設工業(yè)設備備、農(nóng)、林、畜牧業(yè)農(nóng)、林、畜牧業(yè)等領域。等領域。 100一般電阻器的電阻值可以認為是一個恒一般電阻器的電阻值可以認為是一個恒定值，即流過它的電流與施加電壓成線性關定值，即流過它的電流與施加

44、電壓成線性關系。系。壓敏陶瓷是指壓敏陶瓷是指，用這，用這種材料制成的電阻稱為種材料制成的電阻稱為。101制造制造有有SiC、ZnO、BaTiO3、Fe2O3、SnO2、SrTiO3等。等。其中其中BaTiO3、Fe2O3利用的是利用的是，而，而SiC、ZnO、SrTiO3利用的是利用的是。目前，應用最廣、性能最好的是目前，應用最廣、性能最好的是。 102 壓敏電阻陶瓷具有壓敏電阻陶瓷具有，對，對電壓變化非常敏感。電壓變化非常敏感。在在某一臨界電壓某一臨界電壓以下，壓敏電阻陶瓷電以下，壓敏電阻陶瓷電阻值非常高，幾乎沒有電流；但當阻值非常高，幾乎沒有電流；但當超過這一超過這一臨界電壓時臨界電壓時，

45、電阻將急劇變化，并且有電流，電阻將急劇變化，并且有電流通過。隨著電壓的少許增加，電流會很快增通過。隨著電壓的少許增加，電流會很快增大。大。壓敏電阻陶瓷的這種電流壓敏電阻陶瓷的這種電流-電壓特性曲線電壓特性曲線如圖所示。如圖所示。 1031.齊鈉二極管；齊鈉二極管；2.SiC壓敏電阻；壓敏電阻；3.ZnO壓敏電阻；壓敏電阻；4.線性電阻；線性電阻；5.ZnO壓敏電阻。壓敏電阻。 壓敏電阻的壓敏電阻的I-U特性曲線特性曲線104由圖可見，壓敏電阻陶瓷的由圖可見，壓敏電阻陶瓷的，其電阻值，其電阻值在一定電流范圍在一定電流范圍內內呈非線性變化。呈非線性變化。因此，因此，又稱又稱，用，用這種陶瓷制造的器

46、件叫這種陶瓷制造的器件叫。 105ZnO系壓敏電阻陶瓷是壓敏電阻陶瓷中系壓敏電阻陶瓷是壓敏電阻陶瓷中。成分是成分是ZnO，并添加并添加Bi2O3、CoO、MnO、Cr2O3、Sb2O3、TiO2、SiO2、PbO等等氧化物氧化物經(jīng)改性燒結經(jīng)改性燒結而成。而成。106ZnO壓敏電阻器的應用很廣，可歸結壓敏電阻器的應用很廣，可歸結為如下兩方面：為如下兩方面： 過壓保護過壓保護 穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓107各種大型整流設備、電磁鐵、電機、通各種大型整流設備、電磁鐵、電機、通訊電路、民用設備訊電路、民用設備在開關時在開關時，會引起很高的會引起很高的過電壓過電壓，故在電路中接入，故在電路中接入可以抑制可以抑制

47、過電壓，以延長使用壽命。雷擊時產(chǎn)生超過過電壓，以延長使用壽命。雷擊時產(chǎn)生超過電壓，壓敏電阻電阻急劇降低，可引電流入電壓，壓敏電阻電阻急劇降低，可引電流入地，保護其它設施。地，保護其它設施。此外，此外，還可作還可作晶體管保護晶體管保護、變變壓器次級電路的半導體器件的保護壓器次級電路的半導體器件的保護以及以及大氣大氣過電壓保護過電壓保護等。等。 108由于由于具有具有優(yōu)異的非線性優(yōu)異的非線性和短的響應時間，且溫度系數(shù)小、壓敏電壓和短的響應時間，且溫度系數(shù)小、壓敏電壓的穩(wěn)定度高的穩(wěn)定度高，故，故得以應用。得以應用?？捎糜诓噬娨暯邮諜C、衛(wèi)可用于彩色電視接收機、衛(wèi)星地面站星地面站彩色監(jiān)視器彩色監(jiān)視器及

48、電子計算機末端及電子計算機末端數(shù)字數(shù)字顯示裝置中顯示裝置中穩(wěn)定顯像管陽極高壓，以提高圖穩(wěn)定顯像管陽極高壓，以提高圖像質量等。像質量等。 109光敏陶瓷也稱光敏陶瓷也稱，屬，屬半導體陶半導體陶瓷瓷。由于材料的由于材料的不同以及不同以及的差異，它的差異，它在光的照射下在光的照射下吸收光能，產(chǎn)生吸收光能，產(chǎn)生不同的光電效應：不同的光電效應：和和。110利用利用來制造來制造光敏電阻光敏電阻，可，可用于各種用于各種自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)；利用利用則可制造則可制造光電池光電池或或稱太陽能電池，為人類提供了新能源。稱太陽能電池，為人類提供了新能源。 111當光線照射到半導體時，當光線照射到半導體時，在光子作在光子作用下用下產(chǎn)生的產(chǎn)生的使電導增加的現(xiàn)使電導增加的現(xiàn)象，稱為象，