[科普中國]-敏感陶瓷

敏感陶瓷指某些性能隨外界條件（溫度、電壓、濕度、氣氛）的變化而發(fā)生改變的陶瓷。當某一個外界條件，如溫度、壓力、濕度、氣氛、電場、光及射線等改變時，能引起該材料某種物理性能的變化，從而能從這種元件上準確迅速地獲得某種有用的信號。這類陶瓷主要用于遙感測量及自動控制領域。

敏感陶瓷的發(fā)展前景傳感器的發(fā)展趨勢是力求微型化和引入微電子技術，不斷提高工作可靠性。為滿足工業(yè)自動化、辦公自動化和家庭自動化的需要，在發(fā)展微機和自動化的同時開發(fā)研究新型傳感器。人們開始注重研究敏感機理，結合實際需要來充分利用材料已有的功能特性和現(xiàn)象，不斷創(chuàng)新，開拓新品種的敏感陶瓷材料,使之實用化。

1、多功能化。大多傳感器是單一功能的，但隨著控制系統(tǒng)的日益復雜，迫切需要能同時檢測兩個或兩個以上物理或化學參量的多功能傳感器。

2、薄膜化。薄膜材料已成為許多新興技術的基本材料.它對傳感器向固態(tài)化、集成化、多功能化和智能化方向的發(fā)展有重要作用。采用薄膜化技術制備的敏感元件具有體積小、質量輕、功耗低、便于大規(guī)模生產、產品的一致性和穩(wěn)定性好、成本低等特點。1

3、開發(fā)新功能材料。敏感功能陶瓷是制作傳感器的物質基礎.高性能的傳感器完全取決于敏感材料的特性和質量。因此，大力開發(fā)利用新型功能敏感材料是材料發(fā)展的重要趨勢，復合化、數(shù)字化輸出、集成化、片狀化是其發(fā)展的幾個方向，而且有些方向還可以結合起來應用，應用前景廣闊。

敏感陶瓷的結構與性能現(xiàn)代電子技術要求傳感器將檢測到的信息(如溫度、濕度、氣體濃度等)以電信號的形式輸出，因此，敏感陶瓷常屬半導體材料。主要是在絕緣陶瓷中通過摻入微量的雜質，并在適當?shù)臍夥罩袩Y，以控制其化學計量比偏離及設計的微觀結構，獲得相應的半導體化特征，以便其具備某種特定要求的性能。

陶瓷是由晶粒、晶界、氣孔組成的多相系統(tǒng)，通過摻雜，造成晶粒的組分偏離，尤其在晶粒表層產生固溶、偏析及晶格缺陷，在晶界(包括同質晶界、異質晶界及晶粒間相)處產生異質相的析出、雜質的聚集、晶格缺陷及晶格各向異性等。這些晶粒邊界層的組成、結構的變化，顯著改變了晶界的電性能，從而導致整個陶瓷電氣性能的顯著變化。2

敏感陶瓷分類半導體陶瓷的晶界效應，顯示了許多單晶體所不具有的性質。人們可以從宏觀上調節(jié)化學組分、氣孔率(從致密到多孔質)；從微觀上控制微區(qū)組分(主要是晶界組分)和微觀結構(晶粒、晶界及其缺陷等) ，可以獲得一系列特殊功能材料。這些功能材料的應用特性雖然與晶粒本身性質有關,但更主要是利用晶界及材料表面的特性，這是單晶體所不及的。已獲得實用的半導體陶瓷可分為三：

(1)主要利用晶體本身性質的有NTC熱敏電阻、高溫熱敏電阻、氧氣傳感器。

(2)主要利用晶界性質的有PTC熱敏電阻、ZnO系壓敏電阻。

(3)主要利用表面性質的有各種氣體傳感器、濕度傳感器。2

敏感陶瓷的半導化過程絕大部分敏感陶瓷由各種氧化物組成，由于這些氧化物多數(shù)禁帶寬度Eg≥3eV，屬絕緣體，要使它們變成半導體，需要在禁帶中形成附加能級(施主能級或受主能級)。一般來說，這些施主能級多數(shù)是靠近導帶底的，而受主能級多數(shù)是靠近價帶頂?shù)摹＜此鼈兊碾婋x能一般比較小，在室溫下就可以受到熱激發(fā)產生導電載流子，形成半導體。形成附加能級主要有兩種途徑：一種是通過化學計量比偏離來形成氧化物的附加能級，另一種是通過添加雜質形成氧化物的附加能級。2

本詞條內容貢獻者為:

李斌 - 副教授 - 西南大學