[科普中国]-敏感陶瓷

敏感陶瓷指某些性能随外界条件（温度、电压、湿度、气氛）的变化而发生改变的陶瓷。当某一个外界条件，如温度、压力、湿度、气氛、电场、光及射线等改变时，能引起该材料某种物理性能的变化，从而能从这种元件上准确迅速地获得某种有用的信号。这类陶瓷主要用于遥感测量及自动控制领域。

敏感陶瓷的发展前景传感器的发展趋势是力求微型化和引入微电子技术，不断提高工作可靠性。为满足工业自动化、办公自动化和家庭自动化的需要，在发展微机和自动化的同时开发研究新型传感器。人们开始注重研究敏感机理，结合实际需要来充分利用材料已有的功能特性和现象，不断创新，开拓新品种的敏感陶瓷材料,使之实用化。

1、多功能化。大多传感器是单一功能的，但随着控制系统的日益复杂，迫切需要能同时检测两个或两个以上物理或化学参量的多功能传感器。

2、薄膜化。薄膜材料已成为许多新兴技术的基本材料.它对传感器向固态化、集成化、多功能化和智能化方向的发展有重要作用。采用薄膜化技术制备的敏感元件具有体积小、质量轻、功耗低、便于大规模生产、产品的一致性和稳定性好、成本低等特点。1

3、开发新功能材料。敏感功能陶瓷是制作传感器的物质基础.高性能的传感器完全取决于敏感材料的特性和质量。因此，大力开发利用新型功能敏感材料是材料发展的重要趋势，复合化、数字化输出、集成化、片状化是其发展的几个方向，而且有些方向还可以结合起来应用，应用前景广阔。

敏感陶瓷的结构与性能现代电子技术要求传感器将检测到的信息(如温度、湿度、气体浓度等)以电信号的形式输出，因此，敏感陶瓷常属半导体材料。主要是在绝缘陶瓷中通过掺入微量的杂质，并在适当的气氛中烧结，以控制其化学计量比偏离及设计的微观结构，获得相应的半导体化特征，以便其具备某种特定要求的性能。

陶瓷是由晶粒、晶界、气孔组成的多相系统，通过掺杂，造成晶粒的组分偏离，尤其在晶粒表层产生固溶、偏析及晶格缺陷，在晶界(包括同质晶界、异质晶界及晶粒间相)处产生异质相的析出、杂质的聚集、晶格缺陷及晶格各向异性等。这些晶粒边界层的组成、结构的变化，显著改变了晶界的电性能，从而导致整个陶瓷电气性能的显著变化。2

敏感陶瓷分类半导体陶瓷的晶界效应，显示了许多单晶体所不具有的性质。人们可以从宏观上调节化学组分、气孔率(从致密到多孔质)；从微观上控制微区组分(主要是晶界组分)和微观结构(晶粒、晶界及其缺陷等) ，可以获得一系列特殊功能材料。这些功能材料的应用特性虽然与晶粒本身性质有关,但更主要是利用晶界及材料表面的特性，这是单晶体所不及的。已获得实用的半导体陶瓷可分为三：

(1)主要利用晶体本身性质的有NTC热敏电阻、高温热敏电阻、氧气传感器。

(2)主要利用晶界性质的有PTC热敏电阻、ZnO系压敏电阻。

(3)主要利用表面性质的有各种气体传感器、湿度传感器。2

敏感陶瓷的半导化过程绝大部分敏感陶瓷由各种氧化物组成，由于这些氧化物多数禁带宽度Eg≥3eV，属绝缘体，要使它们变成半导体，需要在禁带中形成附加能级(施主能级或受主能级)。一般来说，这些施主能级多数是靠近导带底的，而受主能级多数是靠近价带顶的。即它们的电离能一般比较小，在室温下就可以受到热激发产生导电载流子，形成半导体。形成附加能级主要有两种途径：一种是通过化学计量比偏离来形成氧化物的附加能级，另一种是通过添加杂质形成氧化物的附加能级。2

本词条内容贡献者为:

李斌 - 副教授 - 西南大学