半導(dǎo)體陶瓷傳感器的熱敏特性和工作原理解析

陶瓷有絕緣性、磁性、介電性、導(dǎo)電性（半導(dǎo)電性）等多種電磁性能。

陶瓷傳感器材料與金屬傳感器材料相比，其主要特點是彈性性能高、滯后小，在小位移時其耐疲勞性、長期穩(wěn)定性及耐腐蝕性均較好。陶瓷在破碎以前，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系始終保持線性，最適于制作高溫工作下的彈性元件。同時，陶瓷材料價格低廉，因此，在傳感器材料中陶瓷材料受到髙度重視。

陶瓷傳感器材料可分為兩類：檢測能量的物理傳感器材料和識別化學(xué)物質(zhì)及其含量的化學(xué)傳感器材料。前者敏感光、熱、壓力和聲等能量，可構(gòu)成熱、位置、速度、紅外等傳感器；后者接受化學(xué)物質(zhì)而產(chǎn)生能量變化，可構(gòu)成氣敏等傳感器。傳感器用陶瓷材料的種類較多，但大都是氧化物陶瓷。

半導(dǎo)體陶瓷傳感器的熱敏特性

在家用電氣產(chǎn)品、汽車和工廠過程控制中，使用最多的敏感元件是熱敏元件，下表列出陶瓷敏感元件的機理、材料和用途。

表 陶瓷系熱敏元件的機理、材料和用途

熱敏電阻是陶瓷熱敏元件的代表，如上圖所示，它可分為NTC（負溫度系數(shù)）、PTC（正溫度系數(shù)）和CTR（臨界溫度）熱敏電阻。NTC熱敏電阻以NiO，CoO和Mn02等過渡金屬氧化物為主要成分，多數(shù)是近似尖晶石的晶體結(jié)構(gòu)。通常，這些半導(dǎo)體的電阻不受氧影響，在空氣中穩(wěn)定性好，雜質(zhì)的影響也較小，它們是熱敏電阻的良好材料，工作溫度范圍為－20?＋300℃。

各種熱敏電阻的電阻-溫度特性

汽車、鍋爐等用的高溫?zé)崦綦娮璨牧峡捎肸r02﹣Y203，ZrO2﹣CaO系螢石結(jié)構(gòu)的離子導(dǎo)體，以及CoO﹣AI203系尖晶石型結(jié)構(gòu)的電子導(dǎo)體。氧離子導(dǎo)體的Zr02系元件可使用穩(wěn)定化的立方晶體結(jié)構(gòu)的氧化鋯陶瓷材料，實現(xiàn)穩(wěn)定化的方法是添加少量Ca0，Mg0，Y203等，使之與Zr02構(gòu)成置換形固溶體，從而消除由于伴隨1000?1100℃時產(chǎn)生的單斜晶系、正方晶系的相變而產(chǎn)生的急劇體積變化。

電子導(dǎo)體的種類很多，但能用于高溫的不多。通常多數(shù)電子導(dǎo)體的過渡金屬氧化物在1000℃附近有相變點，為了穩(wěn)定性能，必須充分老化。此外，氣氛會使氧化狀態(tài)發(fā)生變化，故需要用抗氣氛性能好、髙溫沒有相變的配方，以及老化性能好的組分。

PTC熱敏電阻的材料主要是鈦酸鋇系半導(dǎo)體陶瓷，其電阻開始急劇增大的溫度可通過化學(xué)組分控制。該熱敏電阻不僅可用作測溫?zé)崦粼?，還可用作能起開關(guān)作用的控溫元件及電阻加熱元件，因此，它可同時兼有敏感元件、加熱器和開關(guān)三個功能。當(dāng)發(fā)熱體的溫度上升到特定溫度時電阻增加，從而限制電力消耗，故發(fā)熱體有保持特定溫度的功能。這種熱敏電阻可用于暖風(fēng)器、被褥干燥等。

以礬系（VO2）為主要成分的熱敏電阻，與鈦酸鋇系半導(dǎo)瓷相反，它在70℃附近電阻急劇減小。產(chǎn)生這種現(xiàn)象是因為VO2在70℃附近晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使其由半導(dǎo)體性導(dǎo)電變?yōu)榻饘傩詫?dǎo)電。利用這種現(xiàn)象制作的熱敏電阻稱臨界溫度熱敏電阻（CTR），這種熱敏電阻可用于檢測特定溫度的轉(zhuǎn)變點，作為制造紅外探測器和溫度報警器等的敏感元件。

以Mn﹣Zn系鐵氧體為代表的磁性材料，一旦達到居里溫度，將產(chǎn)生鐵磁性-順磁性轉(zhuǎn)變。這種特性的重復(fù)性好，可用它構(gòu)成準(zhǔn)確的感溫元件。添加少量元素，能提高磁性材料的抗熱能力、機械強度、熱導(dǎo)率，并可使居里溫度附近的磁化率變化顯著。磁性瓷材料（也稱磁性材料為黑瓷）的特點如下：

①居里溫度不隨時間變化，它僅取決于材料配方；

②其工藝是一般陶瓷工藝，容易加工成各種形狀，且價格便宜；

③居里溫度附近的磁化率溫度系數(shù)大，可獲得準(zhǔn)確的動作；

④可通過調(diào)整配方，獲得任意居里溫度。

利用磁性瓷材料的上述性質(zhì)可構(gòu)成熱反應(yīng)器開關(guān)，它由感溫鐵氧體和磁鐵組成，并由溫度控制導(dǎo)向開關(guān)。這種熱反應(yīng)器開關(guān)可用作電爐、干燥器、電子爐的溫度控制，以及防止過冷、過熱和報知火災(zāi)的溫度監(jiān)視。

穩(wěn)定的氧化鋯除用作前述的氧敏元件外，還可用作高溫?zé)崦粼?。用氧化鋯?gòu)成濃差電池，其兩端在600℃以上產(chǎn)生電動勢，若預(yù)先使兩端的氧分壓固定，則根據(jù)所測得的電動勢，由能斯脫公式可求出溫度。這種氧化鋯的抗熱性能好，其電動勢跟溫度成正比，故可用它制作溫度測量和控制用的高溫?zé)崦粼?br /> 來源：muRata