半导体敏感陶瓷材料在传感器领域的应用

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1、半导体敏感陶瓷材料在传感器领域的应用（西安建筑科技大学华清学院）摘要：文中从功能陶瓷的敏感特性为出发点，讨论了半导体陶瓷材料在敏惑元件及整个传惑器领域的应用情况。概括了现代新型功能材料在信息、通信、家电、军事、航空、航天、能源、仪器、仪表、自动化等各类新兴产业和传统工业设施中广阔的应用与前景展望。关键词：半导体陶瓷敏感元件传感器1引言对于科学技术日新月异的当今社会，材料科学技术与信息科学技术的交叉渗透诞生了若干全新的领域，如：大规模集成电路(VLSI)与半导体器件，片式元件与新型电子器件，敏感元件与传感器等等。材料按照其导

2、电性可分为导体、绝缘体和介于二者之间的半导体。其中制造各类电子元器件的介电、铁电、压电等陶瓷功能材料，以及IC封装的装置瓷等均为绝缘体。按照传统观点，其优越的绝缘性是实现其特定功能的基础。在制造过程中防止材料的半导化，往往成为提高陶瓷质量的重要技术措施。所以，使陶瓷材料半导化似乎难以理解。但是，正是由于陶瓷工艺与半导体特性的这种奇妙结合，促成了半导体陶瓷材料(简称半导瓷)的发展，尤其是在敏感元件和传感器领域的应用。2半导体陶瓷敏感材料半导瓷的半导化机理，在于陶瓷材料成分中化学计量比的偏离或杂质缺陷对晶粒的影响．以及施主和受

3、主在晶界形成的界面势垒，从而使陶瓷体的电导率由l0-12提高到1O-10～103Ω-1·cm-1之间。半导体的电导率受外界条件，如温度、电场、光照、气氛、湿度的影响可能发生显著变化。利用这种敏感特性可制造各种敏感元件和传感器．具有灵敏度高、结构简单、工艺简便、成本低廉等优点。其中以电导率特性直接应用于敏感电阻器最为成功。例如以半导瓷为主的热敏电阻产量约占整个敏感元件的4O％以上。下面分述若干类半导瓷敏感材料[1]。2．1热敏电阻材料热敏电阻可分为正温度系数(PTC)和负温度系数(NTC)两大类。PTC材料是以高纯钛酸钡主晶

4、相，通过引入施主掺杂和玻璃相形成半导化；同时以Pb、Ca、La、Sr等移动剂移动居里温度(使居里温度可在25～300℃之间调节)，调整温度特性。在低于居里温度时，较高的ε使材料呈低阻态；当温度高于居里点，由于钛酸钡由铁电相转变为顺电相，ε按照居里一外斯定律迅速衰减，致使电阻率发生数量级的变化，被称为PTC效应。微量的Mn、Cu、Cr、La等固溶限极低的受主掺杂可加剧该效应，使居里点附近的电阻率产生4～6个数量级的的巨大变化[1-4]。NTC材料主要是由尖晶石型的过渡金属(Mn、Co、Ni、Fe等)氧化物半导瓷构成。NiO、

5、CoO、MnO等单晶的室温电阻率都在107Ω·cm以下，随着温度增加电阻率的对数lgρ与温度的倒数1／T在一定的温区内接近线性关系，具有n型半导体的特性。常温NTC材料(-60～200℃)通常以MnO为主与其它元素形成二元或三元系半导瓷，电导率可在1O3～1O-9Ω-1·cm-1调节。高温NTC材料刚引入Al2O3形成三元系或多元系，适用于300～1000℃的高温区。大多数NTC材料的受主电离能都很低，可保证在常温下全部电离，即载流子浓度可视为常数A，电导率σ=A(-ΔE／kT)，△E为电导激活能；设B=△E／k，电阻率ρ

6、=ρ0exp（B/T）,B值反映了材料电阻率对温度的依赖关系。对于NTC热敏电阻器来说则反映电阻的灵敏度,即：B=ln(R2／R1)／(1／T1-1／T2)[1-4]。2．2氧化锌系半导瓷材料氧化锌晶体具有纤锌矿结构。室温下满足化学计量比的纯净氧化锌应是绝缘体，但由于本征缺陷的存在。使之具有n型电导。在实用的氧化锌半导瓷中，根据不同的需要可加入少量Al203、Cr2O3、Li2O、Bi2O3等杂质，而使电导率产生巨大变化，从而实现控制和利用氧化锌半导瓷敏感特性的目的。具有ZnO晶粒和富铋相晶界的氧化锌系半导瓷体的电阻值是一

7、个可变量。通过其体内的电流与外加电压之间不符合欧姆定律。仅在击穿电压UB以下，I—U之间满足近似线性关系；而当外加电压高于UB时，I—U间满足非线性关系：I=(U／C)α，α为非线性系数。氧化锌半导瓷的该种性能可用于制造压敏电阻[1,4-6]。掺Pt的氧化锌半导瓷对异丁烷、丙烷、乙烷等碳氢化合物气体有高灵敏度。掺Pd的氧化锌半导瓷恰好相反，而对H2、CO的灵敏度高。添加V2O5、Ag2O的氧化锌半导瓷则对乙醇、苯等比较敏感。此外，由ZnO—Li2O—V2O5构成的半导瓷电阻率随着环境相对湿度的升高而下降，是一种负特性的湿敏

8、半导瓷[4]。2．3其它敏感半导瓷材料[4,7]气敏和湿敏半导瓷材料的敏感机理在于：瓷体表面吸附碳氢化合物、O2、CO、N02、乙醇和水蒸气等被检气体分子后在表面电导和表面能带以及表面势垒等多方面发生的变化。在氧化锌系气敏瓷之后，发现了二氧化锡系气敏瓷，并迅速发展成为该领域的主体．此后，还开发出LaNi