半导体陶瓷传感器的热敏特性

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。