半导体陶瓷传感器的热敏特性和工作原理解析

陶瓷有绝缘性、磁性、介电性、导电性（半导电性）等多种电磁性能。

陶瓷传感器材料与金属传感器材料相比，其主要特点是弹性性能高、滞后小，在小位移时其耐疲劳性、长期稳定性及耐腐蚀性均较好。陶瓷在破碎以前，其应力-应变关系始终保持线性，最适于制作高温工作下的弹性元件。同时，陶瓷材料价格低廉，因此，在传感器材料中陶瓷材料受到髙度重视。

陶瓷传感器材料可分为两类：检测能量的物理传感器材料和识别化学物质及其含量的化学传感器材料。前者敏感光、热、压力和声等能量，可构成热、位置、速度、红外等传感器；后者接受化学物质而产生能量变化，可构成气敏等传感器。传感器用陶瓷材料的种类较多，但大都是氧化物陶瓷。

半导体陶瓷传感器的热敏特性

在家用电气产品、汽车和工厂过程控制中，使用最多的敏感元件是热敏元件，下表列出陶瓷敏感元件的机理、材料和用途。

表 陶瓷系热敏元件的机理、材料和用途

热敏电阻是陶瓷热敏元件的代表，如上图所示，它可分为NTC（负温度系数）、PTC（正温度系数）和CTR（临界温度）热敏电阻。NTC热敏电阻以NiO，CoO和Mn02等过渡金属氧化物为主要成分，多数是近似尖晶石的晶体结构。通常，这些半导体的电阻不受氧影响，在空气中稳定性好，杂质的影响也较小，它们是热敏电阻的良好材料，工作温度范围为－20〜＋300℃。

各种热敏电阻的电阻-温度特性

汽车、锅炉等用的高温热敏电阻材料可用Zr02﹣Y203，ZrO2﹣CaO系萤石结构的离子导体，以及CoO﹣AI203系尖晶石型结构的电子导体。氧离子导体的Zr02系元件可使用稳定化的立方晶体结构的氧化锆陶瓷材料，实现稳定化的方法是添加少量Ca0，Mg0，Y203等，使之与Zr02构成置换形固溶体，从而消除由于伴随1000〜1100℃时产生的单斜晶系、正方晶系的相变而产生的急剧体积变化。

电子导体的种类很多，但能用于高温的不多。通常多数电子导体的过渡金属氧化物在1000℃附近有相变点，为了稳定性能，必须充分老化。此外，气氛会使氧化状态发生变化，故需要用抗气氛性能好、髙温没有相变的配方，以及老化性能好的组分。

PTC热敏电阻的材料主要是钛酸钡系半导体陶瓷，其电阻开始急剧增大的温度可通过化学组分控制。该热敏电阻不仅可用作测温热敏元件，还可用作能起开关作用的控温元件及电阻加热元件，因此，它可同时兼有敏感元件、加热器和开关三个功能。当发热体的温度上升到特定温度时电阻增加，从而限制电力消耗，故发热体有保持特定温度的功能。这种热敏电阻可用于暖风器、被褥干燥等。

以矾系（VO2）为主要成分的热敏电阻，与钛酸钡系半导瓷相反，它在70℃附近电阻急剧减小。产生这种现象是因为VO2在70℃附近晶体结构发生变化，使其由半导体性导电变为金属性导电。利用这种现象制作的热敏电阻称临界温度热敏电阻（CTR），这种热敏电阻可用于检测特定温度的转变点，作为制造红外探测器和温度报警器等的敏感元件。

以Mn﹣Zn系铁氧体为代表的磁性材料，一旦达到居里温度，将产生铁磁性-顺磁性转变。这种特性的重复性好，可用它构成准确的感温元件。添加少量元素，能提高磁性材料的抗热能力、机械强度、热导率，并可使居里温度附近的磁化率变化显著。磁性瓷材料（也称磁性材料为黑瓷）的特点如下：

①居里温度不随时间变化，它仅取决于材料配方；

②其工艺是一般陶瓷工艺，容易加工成各种形状，且价格便宜；

③居里温度附近的磁化率温度系数大，可获得准确的动作；

④可通过调整配方，获得任意居里温度。

利用磁性瓷材料的上述性质可构成热反应器开关，它由感温铁氧体和磁铁组成，并由温度控制导向开关。这种热反应器开关可用作电炉、干燥器、电子炉的温度控制，以及防止过冷、过热和报知火灾的温度监视。

稳定的氧化锆除用作前述的氧敏元件外，还可用作高温热敏元件。用氧化锆构成浓差电池，其两端在600℃以上产生电动势，若预先使两端的氧分压固定，则根据所测得的电动势，由能斯脱公式可求出温度。这种氧化锆的抗热性能好，其电动势跟温度成正比，故可用它制作温度测量和控制用的高温热敏元件。
来源：muRata