多功能敏感陶瓷

各 种 陶 瓷 传 感 器 ， 其 功 能 都 是 单 一 的 ， 显 然 ， 这种 单 功 能 传 感 器 与 当 前 科 学 技 术 的 迅 速 进 展 和 社会 发 展 的 安 际 需 要 是 不 相 适 应 的 。 有 必 要 研 究 把不 同 功 能 的 传 感 一 器 集 中 在 一 个 元 件 上 的 多 功 能传 感 器 。 于 是 ， 在 这 样 的 背 景 下 国 内 外 从 80年 代初 期 起 ， 便 着 手 研 制 新 型 的 多 功 能 敏 感 陶 瓷 ， 迄今 已 有 多 种 敏 感 陶 瓷 陆 续 问 世 ， 并 已 制 成 了 各 种类 犁 的 多 功 能 陶 瓷 传 感 器 。 一 、 MgCr204-TiO2系 敏 感 陶 瓷 MgCr204-Ti02系 是 一 种 具 有 优 良 物 理 、 化 学 和 热 稳 定 性 的高 温 烧 结 金 属 氧 化 物 陶 瓷 ， 通 过 控 制 陶 瓷 的 烧 结 条 件 ， 可以 制 成 致 密 陶 瓷 或 多 孔 性 陶 瓷 。 MgCr204-Ti02多 孔 陶 瓷的 晶 粒 之 间 存 在 着 晶 界 或 气 孔 。 这 些 晶 界 或 气 孔 很 容 易 吸附 、 凝 聚 水 蒸 汽 和 各 种 气 体 当 晶 体 表 面 的 晶 界 处 吸 附 水分 或 气 体 后 其 表 面 电 导 率 会 发 生 急 剧 变 化 ， 早 期 研 制 成功 的 湿 度 传 感 器 和 气 体 传 感 器 ， 就 是 分 别 利 用 MgCr 204-Ti02陶 瓷 的 这 些 效 应 制 成 。 这 些 敏 感 元 件 的 研 制 成 功 ， 表 明 这 种 系 统 的 陶 瓷 原 来 就是 一 种 具 有 双 重 功 能 的 敏 感 陶 瓷 。 当 进 一 步 研 究 这 种 陶 瓷固 有 的 多 功 能 特 性 后 发 现 ， MgCr204-Ti02系 多 孔 性 陶 瓷 ，当 环 境 温 度 在 150 以 下 时 ， 仅 对 水 蒸 气 敏 感 ， 而 在 300 -550 时 的 高 温 下 ， 陶 瓷 呈 现 出 P型 半 导 体 特 性 ， 对水 蒸 气 的 敏 感 性 消 失 ， 而 显 示 出 对 各 种 占 毛 体 的 敏 感 性 。利 用 系 多 孔 特 性 陶 瓷 的 这 些 特 性 ， 并 借 助 于 掩 蔽 技 术 和引 入 在 电 气 上 无 串 扰 的 分 离 技 术 便 在 单 个 元 件 上 试 制 成湿 度 一 气 体 双 重 功 能 的 传 感 器 这 种 多 功 能 敏 感 陶 瓷 元 件 的 制 备 是 ： 原 材 料 采 用 高 纯 度 的MgO、 Cr2O3和 Ti02。 根 据 MgCr204-Ti02系 化 学 式 配 料 ，把 粉 料 同 玛 瑙 球 和 纯 水 放 入 有 橡 皮 衬 垫 的 球 磨 机 肉 湿 磨 24小 时 烘 干 ， 添 加 胶 合 剂 并 压 成 40 36 8 mm的 长 条 ， 在1300 的 空 气 中 烧 结 2小 时 ， 把 烧 结 体 切 成4X5 0 25mm的 试 片 。 在 试 片 的 两 个 主 表 面 上 用 丝 网印 刷 法 涂 复 RuO2浆 料 ， 并 在 800 烧 结 加 成 电 极 ， 其 中电 极 的 一 个 面 兼 作 加 热 器 使 用 。 PtIr引 线 用 烧 结 的 RuO2焊 料 焊 接 制 成 引 出 端 。 图 1表 示 用 MgCr 204-Ti02系 陶 瓷 制作 的 湿 度 一 气 体 双 重 功 能 传 感 器 的 结 构 。 用 该 传 感 器 检 测 湿 度 时 ， 由 于 器 件 曝 露 在 含 有 水 蒸 气 和 各种 成 分 的 气 氛 中 ， 这 些 成 分 的 吸 附 或 粘 附 有 油 污 和 尘 埃 时 ，都 会 降 低 传 感 器 ， 的 湿 敏 特 性 。 为 此 ， 在 检 测 湿 度 以 前 必须 把 器 件 加 到 500 的 高 温 下 进 行 热 清 洗 ， 以 便 清 除 掉 油污 等 附 着 物 。 不 仅 如 此 ， 在 每 次 检 测 湿 度 和 气 体 以 前 ， 特别 是 在 检 测 高 浓 度 还 原 性 气 体 后 ， 容 易 产 生 不 可 逆 的 复 原 ，有 时 会 使 电 阻 值 产 生 明 显 的 滞 后 现 象 ， 故 必 须 进 行 热 清 洗使 器 件 复 原 。 器 件 用 于 检 测 气 体 时 ， 由 于 气 体 的 化 学 吸 附 ，必 须 使 传 感 器 的 工 作 温 度 高 于 水 蒸 汽 的 物 理 吸 附 温 度 ， 一般 把 传 感 器 加 热 到 400 左 右 的 工 作 温 度 。 这 种 加 热 温 度的 控 制 是 利 用 传 感 器 陶 瓷 的 高 温 热 敏 电 阻 特 性 进 行 自 控 的 。 图 2表 示 湿 度 一 气 体 传 感 器 的 湿 敏 特 性 。 出 相 对湿 度 从 0变 化 到 l00 时 ， 交 流 电 阻 以 对 数 形 式 急剧 地 变 化 ， 滞 后 在 5 RH范 围 内 ， 交 流 电 压 在 5 V以 内 时 ， 其 特 性 几 乎 与 电 压 无 关 ， 但 当 电 压 提高 到 5 V以 上 时 ， 在 高 湿 度 区 将 会 受 到 焦 耳 热 的 影响 。 在 1-80 温 度 范 围 内 相 对 湿 度 和 温 度 的 关 系 ，例 如 在 60%的 相 对 湿 度 下 约 为 3 8 RH 。该 器 件 若 除 去 给 定 相 对 湿 度 所 需 的 时 间 ， 响 应 时间 在 几 秒 钟 之 内 ， 有 良 好 的 响 应 性 。 图 8表 示 在 空 气 中 各 种 不 同 浓 度 的 气 体 检 测 灵 敏度 与 温 度 的 关 系 。 气 体 检 测 灵 敏 度 通 常 是 被 定 义为 气 体 中 的 电 阻 值 Rgas和 大 气 中 的 电 阻 值 Rair的比 值 。 由 图 可 见 ， 在 含 有 还 原 性 气 体 的 气 氛 中 ，其 电 阻 值 比 在 大 气 中 的 为 高 ， 在 300 -500 范围 内 对 气 体 敏 感 。 这 种 P型 半 导 体 气 体 传 感 器 对于 含 有 H2S、 乙 醇 等 有 机 气 体 有 较 高 的 灵 敏 度 ，而 对 CO、 H 2和 C 3H4等 气 体 的 灵 敏 度 低 。 故 这 种传 感 器 特 别 适 合 于 检 测 H 2S、 乙 醇 、 和 烟 等 气 体之 用 。 二 、 BaTiO3-SrTiO3系 敏 感 陶 瓷 BaTi03-SrTiO3系 陶 瓷 是 一 种 介 电 常 数 与 温 度 有 大 的 依 赖 关 系 的 铁 电陶 瓷 材 料 ， 其 介 电 常 数 随 着 温 度 上 升 而 增 大 ， 在 居 里 温 度 Tc附 近 达 到了 极 大 值 ， 在 Tc以 上 则 遵 循 居 里 一 外 斯 定 律 ， 介 电 常 数 随 着 温 度 继 续上 升 而 急 剧 下 降 。 利 用 这 种 陶 瓷 的 电 容 量 随 温 度 变 化 的 特 性 ， 便 可 用来 制 成 检 测 温 度 的 传 感 器 。 此 外 ， BaTi03-SrTiO3系 也 和 MgCr204 -TiO 2系 陶 瓷 一 样 ， 通 过 控 制 烧 结 条 件 ， 可 以 制 成 多 孔 性 陶 瓷 ， 它 的 所有 细 孔 几 乎 都 与 外 表 面 连 通 ， 水 蒸 汽 经 由 细 孔 扩 散 到 陶 瓷 内 部 并 被 吸附 在 晶 界 的 表 面 上 ， 而 且 能 在 短 时 间 内 达 到 吸 附 、 解 吸 附 的 平 衡 状 态 。于 是 ， 利 用 陶 瓷 晶 界 表 面 吸 附 水 分 引 起 电 阻 值 的 变 化 ， 便 可 用 来 检 测湿 度 。 因 此 ， 采 用 这 种 陶 瓷 的 上 述 双 重 特 性 ， 便 在 单 个 元 件 上 制 成 了温 度 一 湿 度 多 功 能 传 感 器 。 敏 感 元 件 的 制 备 是 首 先 根 据 B a1-XS r xTi03(X=0 1)的 化 学 式 配 料 、 球 磨 、 烘干 、 压 片 、 烧 成 和 切 片 。 在 试 片 的 两 个 主表 面 上 涂 敷 RuO2电 极 和 焊 接 PfIr引 线 。图 4表 示 用 B aTi03-SrTiO3系 敏 感 陶 瓷 制 成的 温 度 -湿 度 传 感 器 的 结 构 。 加 热 清 洗 用 的加 热 器 采 用 傍 热 式 而 成 辐 射 式 结 构 。 图 5 (a)表 示 温 度 -湿 度 传 感 器 的 温 度 特 性 ，在 -40 至 +150 宽 广 温 度 范 围 内 具 有 较 高的 灵 敏 度 ， 特 别 是 在 -20 +20 范 围 内 ，电 容 量 几 乎 呈 线 性 变 化 而 无 滞 后 现 象 。 在高 湿 度 区 (90%RH以 上 )， 因 湿 度 关 系 对 灵敏 度 有 一 定 影 响 ， 但 仍 不 影 响 它 的 实 际 应用 。 器 件 在 150 以 上 显 示 图 5 (b)所 示 的通 用 电 导 式 热 敏 电 阻 特 性 。 (BaSrTiO3)系 温 度 -湿 度 传 感 器 的 湿 敏 特 性 如 图 6所 示 。 这 种 器 件 几 乎 可 用 于 检 测 从 1 到 100%RH的 全 湿 度 范 围 。 由 图 可 见 ， 湿 敏 特 性 与 温 度 和 湿度 有 关 ， 电 阻 值 随 温 度 和 湿 度 增 高 而 下 降 。 但 是 ，当 需 要 检 测 更 精 确 的 湿 度 时 ， 可 以 根 据 图 5(a)所示 的 电 容 一 温 度 特 性 ， 安 装 温 度 补 偿 电 路 便 可 自行 校 正 ， 这 是 这 种 温 度 一 湿 度 传 感 器 的 最 大 特 点 。此 外 ， 该 传 感 器 通 过 清 洗 可 克 服 因 表 面 污 染 而 弓 l起 的 性 能 恶 化 ， 故 它 是 一 种 耐 久 性 良 好 的 器 件 。 三 、 SrTiO3系 敏 感 陶 瓷 1 SrTiO3系 陶 瓷 众 所 周 知 ， 以 ZnO-Bi2O3为 主 要 成 分 的 烧 结 陶 瓷 ， 以 其 高的 非 欧 姆 特 性 和 优 良 的 浪 涌 承 受 能 力 ， 在 过 去 20年 里 ， 一直 是 制 作 压 敏 电 阻 器 的 主 要 材 料 。 但 是 ， ZnO-Bi2O3系 压敏 电 阻 器 的 电 容 量 较 小 ， 往 往 导 致 响 应 速 度 慢 和 噪 声 吸 收性 不 好 等 问 题 。 1980年 日 本 太 阳 诱 电 公 司 为 了 克 服 ZnO-Bi 2O3系 压 敏 电 阻 器 的 这 些 缺 陷 ， 在 SrTiO3系 中 添 加 少 量杂 质 变 成 半 导 体 陶 瓷 后 ， 把 绝 缘 反 应 物 热 扩 散 到 陶 瓷 体 内部 研 制 成 表 现 介 电 常 数 为 10000以 上 、 电 压 非 线 性 系 数 为15、 浪 涌 电 流 值 为 18QOA cm2的 既 有 介 电 性 又 有 压 敏性 的 多 功 能 敏 感 陶 瓷 。 特 别 是 经 过 最 近 几 年 来 的 不 断 改 进 ， 现 已 制 成 了 SrTiO3系高 电 容 量 的 压 敏 电 阻 器 ， 其 电 容 量 为 ZnO-Bi2O3系压 敏 电 阻 器 的 10倍 以 上 ， 称 为 复 合 功 能 元 件 。 日本 已 把 这 种 元 件 作 为 电 子 产 品 的 电 磁 相 容 性 (EMC)中 新 型 的 EMC对 策 元 件 而 获 得 了 广 泛 的 应 用 。 制 备 样 品 使 用 的 原 材 料 为 高 纯 度 的 SrCO3、 Ti02 、Nb2O5 、 Na2O和 少 量 其 他 的 添 加 物 。 按 照 配 比 称 料 、 混料 、 烘 干 、 添 加 胶 合 剂 ， 在 108Pa压 力 下 压 成 圆 片 ， 排 胶后 把 圆 片 置 于 N2+H2还 原 性 气 氛 中 在 1380-1470 烧 成 半导 体 陶 瓷 ， 然 后 将 含 有 Na或 N a2O的 浆 料 印 刷 在 半 导 体 圆片 的 表 面 上 ， 并 在 1100 -1250 的 空 气 中 进 行 高 温 处理 ， 使 印 刷 在 表 面 的 金 属 氧 化 物 扩 散 到 晶 界 层 中 而 成 为 高电 阻 值 的 绝 缘 层 ， 这 便 制 成 了 SrTiO3系 多 功 能 敏 感 陶 瓷 。1987年 太 阳 诱 电 公 司 已 用 这 种 敏 感 陶 瓷 制 成 了 三 个 品 种45种 规 格 的 SrTiO 3系 压 敏 电 阻 器 ， 其 中 圆 片 型 有 直 径 为 5、8、 14)和 14mm四 种 规 格 的 产 品 ， 压 敏 电 压 范 围 为 15-610V。 其 他 日 本 公 司 如 松 下 、 村 田 以 及 美 国 、 西 德 等 众多 的 公 司 也 有 大 量 SrTiO3系 压 敏 电 阻 器 上 市 供 应 。 图 7表 示 SrTiO3系 陶 瓷 压 敏 电 阻 器 的 电 容 量-电 压 特 性 。 由 图 可 见 ， 与 外 加 电 压 相 对 应的 电 流 值 ， 由 于 很 大 的 非 线 性 系 数 而 急 剧变 化 (压 敏 特 性 )， 电 容 量 (电 容 器 特 性 )一 直到 电 流 值 达 到 1 mA附 近 的 电 压 为 止 基 本 上无 变 化 。 此 外 ， 在 虚 线 所 示 的 通 常 使 用 状态 下 ， 从 它 的 电 压 -电 流 特 性 来 看 ， 不 仅 漏电 流 低 到 微 安 级 的 幅 度 ， 而 且 它 还 具 有 为ZnOBi 2O3系 压 敏 电 阻 器 10倍 以 上 的 电 容 量 ， 故 可 作 为电 容 器 工 作 。 但 在 外 加 高 电 压 使 用 状 态 下 ，由 于 电 -电 流 特 性 的 关 系 ， 其 阻 抗 急 剧 下 降 ，而 可 用 作 浪 涌 吸 收 功 能 的 压 敏 电 阻 器 工 作 。因 此 ， 可 以 认 为 SrTi03系 陶 瓷 压 敏 电 阻 器 的电 路 功 能 相 当 于 一 只 大 电 容 器 的 电 容 器 与一 只 大 电 压 -电 流 非 线 性 系 数 的 压 敏 电 阻 器的 并 联 组 合 。 概 括 起 来 ， 这 种 SrTi03系 陶 瓷压 敏 电 阻 器 具 有 如 下 四 种 功 能 ： 高 频 噪 声 吸 收 功 能 。 上 升 快 速 脉 冲 性 噪 声 吸收 功 能 浪 涌 吸 收 功 能 。 自 己 恢 复 功 能 。 从SrTiO3系 陶 瓷 压 敏 电 阻 器 四 种 功 能 分 析 来 看 ， 它比 ZnOBi2O3系 压 敏 电 阻 器 具 有 更 高 的 电 容 量 ，不 仅 能 抑 制 高 电 平 的 浪 涌 过 电 压 和 滤 除 低 电 平 噪声 ， 而 且 它 还 具 有 良 好 的 自 已 恢 复 功 能 。 但SrTiO3系 陶 瓷 需 要 在 还 原 性 气 氛 中 烧 成 ， 不 如ZnOBi2O3系 可 在 空 气 中 烧 结 那 样 简 便 。 凶 此 ，可 以 预 料 SiTi0 3系 陶 瓷 压 敏 电 阻 器 今 后 将 会 得 到越 来 越 广 泛 的 推 广 应 用 。 2 (SrCa)TiO3陶 瓷 (SrC a)TiO3系 陶 瓷 是 在 SrTiO3系 陶 瓷 的 基 础 上 派 生 出 来 的既 有 介 电 性 又 有 压 敏 性 的 多 功 能 敏 感 陶 瓷 材 料 ， 其 制 备 方 法与 SrTiO3系 陶 瓷 的 相 同 ， 所 不 同 的 只 是 在 SrTiO3系 中 用 C a 部 分 置 换 S r ， 而 获 得 了 两 种 性 能 优 良 的 Sr0.95Ca0.05TiO3和Sr 0.85C a 0.15TiO3系 陶 瓷 组 分 。 这 些 陶 瓷 具 有 12000-42000的 表 现 介 电 常 数 （ SAPP)、 12-20的 非 线 性 系 数 ()和 优 良 的 浪涌 吸 收 能 力 。 (SiC a)TiO3系 陶 瓷 的 这 些 特 性 是 通 过 控 制 基 础 半 导 体 陶 瓷 的晶 粒 尺 寸 来 实 现 的 。 例 如 ， Sr0.95Ca0.05TiO3系 陶 瓷 的 SAPPs随 晶 粒 尺 寸 增 大 而 增 加 ， 晶 粒 尺 寸 为 17、 24和 28 m时 ， SAPPs分 别 为 2500、 30000和 3400， ， 而 对 Sr 0.85C a 0.15TiO3系 陶 瓷 来 说 ， 其 SAPPs值 受 晶 粒 尺 寸 的 影 响 远 比 前 者 为大 .(SrC a)TiO3系 系 陶 瓷 的 压 敏 电 压 V 1mA和 随 着 晶 粒 尺 寸的 增 大 而 显 著 降 低 ， 当 晶 粒 尺 寸 为 7、 9、 20和 28 m时 ， 值 分 别 为 20、 15.5、 13.5和 12； 而 V 1mA则 分 别 为 390、 200、60和 25V。 值 分 别 为 20、 15.5、 13.5和 12； 而 V 1mA则 分 别 为 390、 200、 60和25V。 图 8和 图 9分 别 表 示 出 (SrC a)TiO3陶 瓷 压 敏 电 阻 器 的 SAPP、 介 质 损 耗角 （ tan ) 和 电 流 及 直 流 偏 置 电 场 的 关 系 曲 线 。 由 图 可 见 ， 当 流 过压 敏 电 阻 器 的 电 流 为 3 x 10-7 A cm2 的 偏 置 电 场 下 ,SAPP、 和 tan 几乎 乎 无 变 化 。 但 当 流 过 压 敏 元 件 的 电 流 高 于 3 x 10-7 A cm2时 ， tan 显 著 增 加 ， 而 SAPP则 呈 缓 慢 变 化 的 趋 势 。 例 如 ， Sr0.95Ca0.05TiO3系 样 品 的 , SAPP在 20V mm时 为 初 始 值 的 -5 ， 而tan 在 13、 20和 25V mm时 分 别 为 初 始 值 的 +20 、 +128 和+680 。 由 图 9可 见 ， 在 电 压 电 流 特 性 中 显 示 的 (SrC a)TiO 3样 品 的绝 缘 电 阻 ， 在 Sr0.85Ca0.15TiO3系 样 品 中 在 100V m、 电 流 为 10-6 Acm 时 几 乎 等 效 于 在 100V mm下 103M cm的 电 阻 率 。 图 10表 示 当 分 别 给 (SrC a)TiO3系 和 SrTiO3系 陶瓷 压 敏 电 阻 器 施 加 宽 度 为 8 20s时 各 种 高 脉 冲波 时 ， 作 为 电 流 函 数 的 压 敏 电 压 V 1mA的 变 化 曲 线 ，高 脉 冲 能 量 是 每 5分 钟 加 两 次 。 由 图 可 见 ，SrTiO3系 样 品 的 V 1mA从 1000A cm2 起 开 始 变 化 ，而 Sr0.85Ca0.15TiO3系 样 品 来 说 ， 其 V 1mA在 2530A cm2以 下 几 乎 无 变 化 ， 而 在 3500A cm2时 V 1mA的 变 化 为 -24 。 故 (SrC a)TiO3系 陶 瓷 压 敏 电阻 器 比 SrTiO3系 陶 瓷 压 敏 电 阻 器 有 更 优 良 的 浪 涌承 载 能 力 。 综 合 上 述 ， (SrCa)TiO3系 陶 瓷 压 敏 电 阻 器的 非 线 性 系 数 和 浪 涌 能 量 能 力 远 比 S rTiO3系 的 为 优 ， 而 且 ， (S rCa)TiO3系 陶 瓷 压敏 电 阻 器 具 有 从 25 mm到 400V mm宽广 范 围 的 压 敏 电 压 ， 其 表 观 介 电 常 数 SAPP也 比 ZnO-Bi 2O3系 压 敏 电 阻 器 的 为 高 。 这些 优 良 的 介 电 和 压 敏 特 性 ， 使 (SrC a)TiO3系 陶 瓷 压 敏 电 阻 器 将 会 获 得 人 们 的 高 度 重视 。 四 、 BaTiO3-BaSnO3系 敏 感 陶 瓷 最 近 ， 我 国 清 华 大 学 材 料 科 学 和 工 程 系 试制 成 一 种 新 型 的 BaTiO3-B aSnO3(BTS)系多 功 能 敏 感 陶 瓷 。 这 种 陶 瓷 具 有 高 的 电 容量 和 表 面 电 阻 率 ， 并 能 分 别 对 温 度 、 相 对湿 度 和 周 围 大 气 中 存 在 的 气 体 产 生 可 逆 性响 应 ， 从 而 试 制 成 用 单 个 元 件 检 测 温 度 、湿 度 和 气 体 三 种 功 能 的 传 感 器 。 样 品 制 备 使 用 的 原 材 料 是 试 剂 级 B aCO3、 SnO2、和 TiO2 氧 化 物 。 按 照 组 成 配 料 后 把 粉 料 球 磨 、 烘干 并 在 50MPa压 力 下 压 成 圆 片 ， 生 片 在 1200 -1350 的 空 气 中 烧 结 0.1-2 小 时 ， 通 过 通 常 的 热压 烧 结 方 法 获 得 了 相 对 密 度 小 于 90% 和 密 度 大 于理 论 密 度 的 90% 的 烧 结 体 陶 瓷 。 这 种 陶 瓷 显 示 出典 型 的 树 枝 多 孔 性 结 构 。 经 用 X射 线 衍 射 图 形 研 究 BTS陶 瓷 的 结 构 表 明 ， B a(Ti 1-xSnx)O3(x=0.22， 简 称 BTS-22)是 一 种 具有 钙 钛 矿 型 结 构 的 B aTiO3为 基 的 固 溶 体 。 为 了 测试 电 性 能 ， 在 8 0.4mm样 品 的 两 个 主 表 面 上 真空 沉 积 Au电 极 。 沉 积 的 Au或 烧 结 的 RuO2电 极 ，都 是 具 有 平 均 气 孔 尺 寸 大 于 1m 的 多 孔 性 结 构 。电 极 与 陶 瓷 的 粘 接 有 良 好 的 附 着 强 度 ， 并 对 水 蒸气 和 还 原 性 气 体 具 有 优 良 的 吸 附 和 解 吸 附 作 用 。 BTS多 孔 陶 瓷 是 一 种 具 有 大 的 介 电 常 数 -温 度 依 赖 关 系 的介 质 材 料 。 介 质 谱 研 究 结 果 表 明 众 多 的 BTS组 分 ， 特 别 是BTS-22具 有 良 好 的 敏 感 特 性 。 图 11(a)表 示 BTS-22的 电 容量 与 温 度 的 关 系 特 性 ， 由 图 可 见 ， BTS-22陶 瓷 传 感 器 能检 测 从 -40 至 +150 宽 广 的 温 度 范 围 ， 而 只 有 -15 以下 才 有 极 小 的 滞 后 现 象 ， 而 且 湿 度 对 电 容 量 的 影 响 是 极 微小 的 。 BTS-22陶 瓷 传 感 器 的 湿 度 -电 阻 值 特 性 如 图 11(b)所示 。 当 相 对 湿 度 从 接 近 于 1% 增 加 100% 时 ， 电 阻 值 按 照对 数 标 尺 迅 速 地 下 降 。 在 小 于 3% RH实 验 性 误 差 范 围 内没 有 观 察 到 滞 后 回 线 。 在 1 -80 温 度 范 围 内 相 对 湿60%时 ， 湿 度 -电 阻 特 性 的 温 度 系 数 约 4050(B常 数 )， 该 值与 纯 水 的 极 相 接 近 。 在 大 于 300 的 高 温 下 ， 可 逆 的 化 学 吸 附 成为 主 导 ， P型 半 导 体 BTS-22系 陶 瓷 的 电 导随 着 气 体 的 化 学 吸 附 而 改 变 。 电 导 率 随 着环 境 气 氛 中 含 有 诸 如 丙 烯 、 乙 炔 和 乙 烯(C3H6)、 C2H2 以 及 C2 H4等 官 能 团 有 机 分 子的 还 原 性 气 体 的 吸 附 而 减 少 。 由 于 还 原 性气 体 的 化 学 吸 附 改 变 的 气 体 检 测 灵 敏 度 (Rgas Rair)如 图 11(c)所 示 。 综 合 上 述 ， 用 多 孔 性 陶 瓷 制 作 的 传 感 器 ， 其 敏 感 特 性 在 很大 程 度 上 取 决 于 陶 瓷 的 多 孔 性 结 构 。 因 此 ， 通 过 控 制 晶 相成 分 的 分 布 、 气 孔 尺 寸 的 大 小 和 气 孔 率 的 多 少 ， 便 能 制 成重 复 性 和 一 致 性 都 良 好 的 敏 感 陶 瓷 。 BTS-22系 陶 瓷 便 是一 种 敏 感 特 性 优 良 的 P型 金 属 氧 化 物 半 导 体 多 孔 性 陶 瓷 ，故 用 它 制 作 的 三 功 能 陶 瓷 传 感 器 ， 在 对 温 度 、 湿 度 或 气 体的 检 测 中 显 现 出 良 好 的 敏 感 特 性 ， 而 且 ， 这 种 传 感 器 虽 在高 温 下 经 过 重 复 热 清 洗 循 环 后 ， 对 器 件 的 响 应 特 性 也 无 任何 影 响 。 这 种 多 功 能 陶 瓷 传 感 器 已 在 空 气 调 节 器 、 烘 箱 、炊 具 和 微 波 炉 等 方 面 获 得 了 应 用 。 五 、 结 束 语 敏 感 材 料 是 开 发 各 类 功 能 传 感 器 的 基 础 ， 是 使 敏 感 技 术 通向 广 泛 应 用 的 桥 梁 。 在 过 去 10多 年 里 ， 由 于 各 种 新 型 敏 感陶 瓷 的 陆 续 问 世 ， 大 大 地 推 动 了 在 一 个 元 件 上 制 作 多 功能 陶 瓷 传 感 器 的 工 作 ， 并 促 进 了 它 们 在 自 动 化 检 测 和 自 动控 制 技 术 等 领 域 里 的 应 用 。 例 如 ， 本 文 以 上 叙 述 的 几 种 新的 敏 感 陶 瓷 ， 并 用 它 们 制 作 的 各 类 多 能 传 感 器 ， 它 们 不仅 具 有 灵 敏 度 高 、 响 应 速 度 快 、 滞 后 小 和 可 分 离 性 等 优点 ， 而 且 在 提 高 电 子 产 品 的 可 靠 性 、 降 低 成 本 和 使 用 简 便等 方 面 ， 都 有 裨 益 。 可 以 预 料 ， 随 着 这 些 产 品 性 能 的 不 断提 高 ， 品 种 规 格 的 扩 充 以 及 生 产 成 本 的 逐 渐 降 低 ， 今 后 多功 能 陶 瓷 传 感 器 将 会 获 得 更 加 广 泛 的 推 广 应 用 。