半導體陶瓷傳感器的熱敏特性

在家用電氣產品、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）、PTC（正溫度系數）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，多數是近似尖晶石的晶體結構。通常，這些半導體的電阻不受氧影響，在空氣中穩定性好，雜質的影響也較小，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、鍋爐等用的高溫熱敏電阻材料可用Zr02﹣Y203，ZrO2﹣CaO系螢石結構的離子導體，以及CoO﹣AI203系尖晶石型結構的電子導體。氧離子導體的Zr02系元件可使用穩定化的立方晶體結構的氧化鋯陶瓷材料，實現穩定化的方法是添加少量Ca0，Mg0，Y203等，使之與Zr02構成置換形固溶體，從而消除由于伴隨1000?1100℃時產生的單斜晶系、正方晶系的相變而產生的急劇體積變化。

電子導體的種類很多，但能用于高溫的不多。通常多數電子導體的過渡金屬氧化物在1000℃附近有相變點，為了穩定性能，必須充分老化。此外，氣氛會使氧化狀態發生變化，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體陶瓷，其電阻開始急劇增大的溫度可通過化學組分控制。該熱敏電阻不僅可用作測溫熱敏元件，還可用作能起開關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、加熱器和開關三個功能。當發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，故發熱體有保持特定溫度的功能。這種熱敏電阻可用于暖風器、被褥干燥等。

以礬系（VO2）為主要成分的熱敏電阻，與鈦酸鋇系半導瓷相反，它在70℃附近電阻急劇減小。產生這種現象是因為VO2在70℃附近晶體結構發生變化，使其由半導體性導電變為金屬性導電。利用這種現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，將產生鐵磁性-順磁性轉變。這種特性的重復性好，可用它構成準確的感溫元件。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大，可獲得準確的動作；

④可通過調整配方，獲得任意居里溫度。

利用磁性瓷材料的上述性質可構成熱反應器開關，它由感溫鐵氧體和磁鐵組成，并由溫度控制導向開關。這種熱反應器開關可用作電爐、干燥器、電子爐的溫度控制，以及防止過冷、過熱和報知火災的溫度監視。

穩定的氧化鋯除用作前述的氧敏元件外，還可用作高溫熱敏元件。用氧化鋯構成濃差電池，其兩端在600℃以上產生電動勢，若預先使兩端的氧分壓固定，則根據所測得的電動勢，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熱敏元件。