NTC温敏陶瓷指导书.docx

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1、附件1NTC热敏陶瓷一.NTC热敏陶瓷的概念与分类通常将电阻率随温度上升而下降的材料，称为负温度系数材料，简称NTC材料。NTC热敏电阻器是争论较早的半导体陶瓷元件之一，它具有灵敏度高比钳电阻高10倍以上），响应速度快，体积小，价格廉价，易于实现远距离测量和掌握的特点，而广泛的应用于测温、控温、补偿、稳压、遥控、流量流速测量以准时间延迟等设备。这类热敏电阻材料绝大局部都是Mn.Co、Ni、Fe等过渡金属的尖晶石型氧化物陶瓷，其电阻率p与温度一般遵循热激活特征的Arrhenius方程。按使用温区大致分为低温热敏材料（470K）,常温热敏材料（-60300C）,高温热敏材料（300）。二.NTC热

2、敏电子陶瓷的导电机理对于含微量杂质的单质半导体（如硅、钻）及共价半导体（如GaAs、GaP）导电机制较好的符合能带模型理论。NTC热敏陶瓷材料主要是通过掺入的杂质原子而成为价控半导体，一般遵循小极化子模型。所谓的极化子理论，是指载流子（电子或空穴）在离子晶体中慢速运动时，由于离子带电荷，载流子与晶格离子之间相互作用而产生极化，并使载流子处于半束缚状态。这种极化状态称为极化子。极化子又有大极化子（电子云重叠较多，可认为载流子在能带中运动）和小极化子之分。如NiO是典型的金属缺位型半导体，当晶格中存在银空位或低价外来杂质，会使Ni?+变成Ni3+离子而产生空穴电导。但导电并不是由于空穴在满带中运动

3、的结果，而是通过在能级间跳动进展的，即所谓跳动式电导。其在适当高的温区，载流子的迁移现象可用大极化子理论来解释或用介于大极化子和小极化子中间的型模型才能合理的解释其跃迁电性能。CoO类似于NiO属于低迁移率的P型半导体（金属缺位型），在284K以上为NaCl构造，低于此温度时将发生微小的晶格畸变，其导电机理，一般认为在120K以下属于小极化子能带半导体机制，而在此温度以上则变为小极化子的跳跃电导机制，这一点已被塞贝克系数的测量所证明；MnO同属于金属缺位型p型半导体，但它与NiO不同，高温下随氧分压的变化，电导消灭微小值，即发生PN型转变。通过测量电导和塞贝克系数与温度的函数关系，证明其电导机

4、制符合小极化子跳动模型。NTC热敏半导体陶瓷材料通常都是以MnO为主材料，同时引入CoO、NiO、CuO、FeO等，使其在高温下形成半反或全反尖晶石构造的半导体材料。以下分三种状况争论其导电机理。DMnO中引入可变价的氧化物FOF:过渡金属离子，经高温烧结形成尖晶石构造，其过程可作如下描述。一般认为高温下C800oCJ氧化铳可以以正尖晶石构造的Mn304形式存在，其构造式为Mn2(Mn3Mn3+)0,2-。当引入FO氧化物时，局部F离子占据B位而形成半反或全反尖晶石构造，相应的构造式为PMn3(RMn2)02,或者FMn、(F?MnI)O?,或者I-XX4I-XX4F3(RMn2)02,或者F

5、2(FaMn)？等。明显上述构造式满足电子交换O44条件，因而可以形成半导体材料。式中B位离子假设取二、三价的形式，则电导过程为：Mn2+p+Mn3+P+ClJ式中B位离子假设取二、四价的形式，则电导过程为：Mn4+即Mn3+F+(2)另外由于F2+与Mn3+均是变价离子，自然还应当考虑下述电导过程：F3+R+他+伊(3)Mn4+Mn3+M113+Mn+(4)到底那一种过程占主导地位，取决于电子交换的激活能。但一般来说，对于B位同时存在两种变价离子的状况，它们之间电子交换的激活能总是于其它状况的电子交换激活能，因而当以此种状况为主。B位离子的电子交换打算了载流子的浓度，因而电导率随组分变化的最

6、大点往往消灭在两种组分含量相当的部位。2)MnO中引入非变价的氧化物FO,经高温烧结同样会形成反尖晶石构造，即有局部F离子进入B位而将B位的三价Mn3,置换出来，形成以下构造：F2Mn3(F2Mn3)02。此构造中由于B位F2+离子不变价，因而不行能发生IrX4电子交换，其电导过程只可能是由于Mm+变价引起的。此过程可以理解为晶格中存在固有金属离子缺位及引入低价受主杂质使其产生空穴电导。电导过程可用（4）式描述。3）含镒的三元系半导体陶瓷导电机理与二元系的相像，镒的作用是形成构造稳定的立方尖晶石或连续的固溶体。目前应用较多的有Mn-Co-NisMn-Co-CuMn-Ni-CU等系列，在这些系列

7、中Co、NiCU等主要以二价的形式存在，而Mn则以三价和四价的形式存在。在晶格中锦离子优先占据B位，下面依次是Ni、Cu.Co,相反钻离子则主要占据A位。导电过程主要依靠B位中异价镒离子之间的价键交换：Mn4+M113+M113+Mn4+o明显，在含镒三元体系中载流子的浓度与异价镒离子的浓度有关，即在肯定范围内（小于60mol%）,材料的电导率随镒含量的增加而增加。应当指出，含锦三元系材料中的电导过程相当简单，相关因素很多。一方面材料的组分不同会造成晶格的显著变化，即不能获得单一纯洁的尖晶石相，而使材料的电阻率相差很大。另一方面，材料中晶相的固有缺陷及不同元素在不同晶相中的相互掺杂渗透都会使其

8、中的电导过程变得格外简单。值得留意的是，含镒三元系材料的电导率与材料组分的关系，在一个很大的范围内变化很小，估量这是由于上述因素共同作用的结果。这一特点有相当高的有用价值，由于这使得生产易于掌握，从而有可能制备出全都性好，重复性高，稳定牢靠的高质量产品。假设想转变材料的电阻率，可进一步引入低价受主杂质或高价施主杂质来实现。三.NTC热敏电子陶瓷材料的制备NTC热敏电子陶瓷材料分陶瓷粉体的制备，成型，烧成。常用的制粉方法有固相反响、化学共沉及硝酸盐热分解等。固相反响法是指把不同氧化物按肯定配比称重，混合后在高温下燃烧制备成所需粉料。固相反响法的缺点是原料混合不易均匀，影响产品的晶相构造，使得产品

9、的全都性较差。往往造成一样配方的样品的阻值的离散性高达3-4个数量级。假设承受化学法制粉则可较好地解决上述问题。沉淀液一般用碳酸镀，氢氧化钠（钾）及草酸等。化学反响后生成碳酸盐、氢氧化物及草酸盐的沉淀物。反响物中一般含有碱性离子，必需反复用去离子水化学共沉法制粉的工艺流程或蒸储水清洗，直到碱性消逝。清洗后的沉淀物烘干、经预烧、球磨、枯燥后备用。用化学共沉法制得的粉料，其平均粒径在lm左右，图1.16为其粒度分布图。化学共沉法的缺点是本钱较高，工艺简单。对于产品质量要求高的场合，以及膜状NTC电阻等用料不多的场合可以承受。硝酸盐热分解法与化学共沉法相像，只是直接把各组分的硝酸盐倒入同一容器，搅拌

10、混合后烘干预烧。预烧温度在1000C左右，保温3小时。硝酸盐热分解法由于省去了沉淀工序，使本钱降低。同时不用沉淀液、粉料中不含由沉淀剂带进的钠、钾等微量杂质，使粉料纯度及产品质量进一步提高。硝酸盐热分解法获得的粉料粒度大小与分布状况与化学共沉法相近。四.NTC热敏电子陶瓷材料的特征常数NTC温敏电阻的根本参数包括材料常数B值、温度系数、伏安特性、时间常数及热特性常数等.1.材料常数B值和温度系数。NTC热敏电阻材料的阻温特性可用下式表示：R=Rexp(EkT)T0令：ZEk=B得R=Rexp(BT)(1)T0式中，B为材料的常数；R为温度T时的电阻值；R表示Tf8时的电阻值；T0对式(1)两边

11、取对数得InR=InR+B/T(2)T0显见在单对数坐标下与呈线性关系,B值则为直线的斜率，B二工上二工1旦1(3)iz.-,z2TTR或者B=2.303怆二(4)T-TR式中，R是温度T时的零功率电阻值；R是温福T时的零功率电阻值；国家标准1I22规定，T=298K(25C),T=358K(85C)o电阻温度系数：二J=竺上生_1RdTdT把式12)代入式(5)中得:aBT2T=-明显，温度系数并格外数，随着T的上升快速减小。2 .静态伏安特性静态伏安特性是指在25静止空气中，热敏电阻施加电压达热平衡后与稳态电流之间的关系。3 .与热特性有关的特性(6)NTC热敏电阻的静态伏安特性1)耗散系

12、数H耗散系数H指热敏元件功率耗散的变化量与该元件电阻体温度变化量之比，单位为mW/O2)热容量C指元件的体温每上升IC所需的热量。单位为JfCo3)热时间常数热时间常数也称为响应时间，它表征热敏元件的体温随环境温度变化的速度特性。把一个在高于环境温度TO的T温度下到达热平衡的热敏电阻，移To的环VU境温度中，热敏电阻将因耗散热而逐步冷却，其热导方程为：-CdT=H(T-T)dt(7)0当t=0时，T=T；t=8时，T=TO解得：0T-T=(T-TJexp(-t)(8)OeU式中=CHO明显，当t=时有：T-T0.368(T-TJO或者T-T=O.632(T-TJ(9)T定义为时间常数，指在肯定

13、环境温度和零功率条件下，当温度发生突变时，热敏元件温度变化了首末温差的63.2%所需时间。五NTC热敏元件的应用NTC热敏电阻用途测控温系统,制冷设备，液面、液温测量，五车水温、引擎温度测证，办公机器如更印机、打厚机等的温度补偿，纺织厂、仓库的温湿度控制暖房测控温、养鱼、海水涮温，温空栽培、根库测控温空调、电冰箱、电烤箱、灶具、美容器具、开水器,烘干机等的测控温体温表，及皮测遍，直肠检查，医疗设备的测控温气象研究，海潮研究,人造卫星，流址流速检测,温湿度控制,真空测接珞用短嬲L、控端,温度敝管假被迟等电路2好永业、农业、轻I.以仪国的科明等方面均有厂泛的用途。表中列出了一局部应用实例，从表中不难看出NTC热敏电阻器具有相当高的应用价值。用NTC热敏电阻作为温度传感器检测及控温的电路方案很多，最常用的有分压式、非平衡电桥以及电路模拟等。