熱敏陶瓷

熱敏陶瓷是一類其電阻率隨溫度發生明顯變化的材料。可用於製作溫度感測器，溫度測量，線路溫度補償和穩頻等。一般按溫度係數可分為電阻隨溫度升高而增大的正溫度係數(PTC)、電阻隨溫度升高而減小的負溫度係數(NTC)和電阻在特定溫度範圍內急劇變化的臨界溫度係數(CTR)等熱敏陶瓷。

基本介紹

• 中文名：熱敏陶瓷
• 外文名：heat sensitive ceramics
• 類型：功能陶瓷
• 用途：製作熱敏電阻器、溫度感測器等
• 分類：熱敏電阻、熱敏電容、熱電和熱釋
• 特點：對溫度變化敏感

熱敏陶瓷的分類

熱敏陶瓷是對溫度變化敏感的陶瓷材料。它可分為熱敏電阻、熱敏電容、熱電和熱釋電等陶瓷材料。在種類繁多的敏感元件中，熱敏電阻套用最廣。熱敏電阻是一種電阻值隨溫度變化的電阻元件(或稱電阻器)。

熱敏電阻按阻值隨溫度變化不同，分為正溫度係數熱敏電阻、負溫度係數熱敏電阻、臨界溫度係數熱敏電阻和線性熱敏電阻四大類。阻值隨溫度升高而增加的電阻稱正溫度係數(PTC)熱敏電阻，相反，則稱為負溫度係數(NTC)熱敏電阻。阻值隨溫度變化呈直線的熱敏電阻稱線性熱敏電阻，阻值隨溫度變化呈指數(或對數)關係的稱非線性熱敏電阻。在非線性熱敏電阻中，有一類其阻值在一個很窄的溫度範圍內可變化(上升或下降)幾個數量級，稱為臨界溫度係數熱敏電阻或開關型熱敏電阻。

熱敏陶瓷的套用

熱敏電阻主要用作電路溫度補償元件。金屬氧化物製成的半導體陶瓷熱敏電阻，以氧化釩為主體的玻璃熱敏電阻，矽、鍺單晶熱敏電阻，用V₂O₃、P₂O₅、 SiO₂、BaO、SrO、CaO等氧化物合成的臨界熱敏電阻(CTR)和以鈦酸鋇為主體的正溫度係數熱敏電阻。近年來，隨著矽元件平面工藝的成熟與集成技術的發展，出現了碳化矽單晶碳化矽薄膜熱敏電阻等。

PTC熱敏電阻陶瓷

摻雜BaTiO₃陶瓷是主要的熱敏陶瓷。BaTiO₃的PTC效應與其鐵電性相關,其電阻率突變同居里溫度T_c相對應。但是，沒有晶界的BaTiO₃單晶不具有PTC效應。只有晶粒充分半導化，晶界具有適當絕緣性的BaTiO₃陶瓷才具有PTC效應。當製備BaTiO₃熱鐓陶瓷時，採用施主摻雜使晶粒充分半導化，採用氧氣氛燒結使晶界及其附近氧化，具有適當的絕緣性，緩慢冷卻也使晶界氧化充分，PTC效應增強。

關於BaTiO₃的PTC效應，Heywang基於該效應同居里點相關的事實，認為施主摻雜BaTiO₃晶粒邊界存在的二維受主型表面態與晶粒的載流子相互作用，產生晶粒表面的勢壘層。勢壘高度φ與有效介電常數ε成反比。當溫度低於居里點時，e約為10⁴，因此，φ很小時，電阻率也小。

NTC熱敏電阻陶瓷

NTC熱敏電阻的導電機制同其組成及半導化方法有關。引人高價金屬離子或低價金屬離子，分別產生N型或P型半導體，形成電子導電或空穴導電。在還原氣氛或氧化氣氛中燒結，分別產生N型或P型半導體，形成電子或空穴導電。

常溫NTC熱敏電阻陶瓷絕大多數是尖晶石型氧化物，主要是含錳二元系和含錳三元系氧化物。二元系有MnO-CuO-O₂，MnO-CoO-O₂，MnO-NiO-O₂系，三元系有Mn-Co-Ni，Mn-Cu-N，Mn-Cu-Co系氧化物等。MnO-CoO-O₂系陶瓷含錳23%~60%(質量分數)，主晶相是立方尖晶石MnCo₂O₄和四方尖晶石CoMn₂O₄，主要導電相是MnCo₂O₄，其導電機制是全反尖品石氧八面體中Mn⁴⁺和Co²⁺的電子交換。該系的B值和電阻溫度係數比MnO-CuO-O₂和MnO-NiO-O₂系高。