NTC温敏陶瓷指导书电子教案

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。NTC温敏陶瓷指导书-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升高而下降的材料，称为负温度系数材料，简称NTC材料。NTC热敏电阻器是研究较早的半导体陶瓷元件之一，它具有灵敏度高（比铂电阻高10倍以上），响应速度快，体积小，价格便宜，易于实现远距离测量和控制的特点，而广泛的应用于测温、控温、补偿、稳压、遥控、流量流速测量以及时间延迟等设备。这类热敏电阻材料绝大部分都是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

2、。按使用温区大致分为低温热敏材料(470K),常温热敏材料(-60300),高温热敏材料(300)。二NTC热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、锗）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，

3、当晶格中存在镍空位或低价外来杂质，会使Ni2+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的结果，而是通过在能级间跳跃进行的，即所谓跳跃式电导。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新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结构，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实；MnO同属于金属缺位型p型半导体，但它与NiO不同

4、，高温下随氧分压的变化，电导出现极小值，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，证明其电导机制符合小极化子跳跃模型。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结构的半导体材料。以下分三种情况讨论其导电机理。1）MnO中引入可变价的氧化物FO（F:过渡金属离子），经高温烧结形成尖晶石结构，其过程可作如下描述。一般认为高温下（800oC）氧化锰可以以正尖晶石结构的Mn3O4形式存在，其结构式为Mn2+(Mn3+Mn3+)O42-。当引入FO氧化物时，部分F离子占据B位而形成半反或全反尖晶石结构，相

5、应的结构式为,或者,或者,或者等。显然上述结构式满足电子交换条件，因而可以形成半导体材料。式中B位离子如果取二、三价的形式，则电导过程为：Mn2+F3+Mn3+F2+（1）式中B位离子如果取二、四价的形式，则电导过程为：Mn4+F2+Mn3+F3+(2)另外由于F2+与Mn3+均是变价离子，自然还应该考虑下述电导过程：F3+F2+F2+F3+(3)Mn4+Mn3+Mn3+Mn4+(4)究竟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情况，它们之间电子交换的激活能总是小于其它情况的电子交换激活能，因而当以此种情况为主。B位离子的电子交换决定了载流子的浓

6、度，因而电导率随组分变化的最大点往往出现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结构，即有部分F离子进入B位而将B位的三价Mn3+置换出来，形成下列结构：。此结构中由于B位F2+离子不变价，因而不可能发生电子交换，其电导过程只可能是由于Mn3+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）含锰的三元系半导体陶瓷导电机理与二元系的相似，锰的作用是形成结构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-Ni、Mn-Co-Cu、Mn-Ni-Cu等系列，在这些系列中C

7、o、Ni、Cu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。在晶格中锰离子优先占据B位，下面依次是Ni、Cu、Co，相反钴离子则主要占据A位。导电过程主要依靠B位中异价锰离子之间的价键交换：Mn4+Mn3+Mn3+Mn4+。显然，在含锰三元体系中载流子的浓度与异价锰离子的浓度有关，即在一定范围内（小于60mol），材料的电导率随锰含量的增加而增加。应当指出，含锰三元系材料中的电导过程相当复杂，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，即不能获得单一纯净的尖晶石相，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中的电导

8、过程变得十分复杂。值得注意的是，含锰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，估计这是由于上述因素共同作用的结果。这一特点有相当高的实用价值，因为这使得生产易于控制，从而有可能制备出一致性好，重复性高，稳定可靠的高质量产品。若想改变材料的电阻率，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应、化学共沉及硝酸盐热分解等。固相反应法是指把不同氧化物按一定配比称重，混合后在高温下煅烧制备成所需粉料。固相反应法的缺点是原料混合不易均匀，影响产品的晶相结构，使得产品的一致性较差

9、。往往造成相同配方的样品的阻值的离散性高达3-4个数量级。若采用化学法制粉则可较好地解决上述问题。沉淀液一般用碳酸铵，氢氧化钠（钾）及草酸等。化学反应后生成碳酸盐、氢氧化物及草酸盐的沉淀物。反应物中一般含有碱性离子，必须反复用去离子水或蒸馏水清洗，直到碱性消失。清洗后的沉淀物烘干、经预烧、球磨、干燥后备用。用化学共沉法制得的粉料，其平均粒径在1m左右，图1.16为其粒度分布图。化学共沉法的缺点是成本较高，工艺复杂。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采用。化学共沉法制粉的工艺流程硝酸盐混合液球磨粉碎烘干加入沉淀液沉淀过滤清洗预烧干燥硝酸盐热分解法与化学共沉法相似，只

10、是直接把各组分的硝酸盐倒入同一容器，搅拌混合后烘干预烧。预烧温度在10000C左右，保温3小时。硝酸盐热分解法由于省去了沉淀工序，使成本降低。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情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温敏电阻的基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：RT=R0exp(E/kT)令：E/k=B得RT=R0exp(B/T)(1)式中，B为材料的常数；RT为温度T时的电阻值；

11、R0表示T时的电阻值；对式(1)两边取对数得RT=R0+B/T(2)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=(3)或者B=2.303lg(4)式中，R1是温度T1时的零功率电阻值；R2是温度T2时的零功率电阻值；国家标准规定，T1=298K（25），T2=358K（85）。电阻温度系数：T=(5)把式（2）代入式（5）中得：T=B/T2(6)NTC热敏电阻的静态伏安特性显然，温度系数并非常数，随着T的升高迅速减小。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1）耗散系数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/。2）热容量C指元件的体温每升高1所需的热量。单位为J/。3）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T0的T温度下达到热平衡的热敏电阻，移T0的环境温度中，热敏电阻将因耗散热而逐步冷却，其热导方程为：-CdT=H(T-T0)dt(7)当t=0时，T=T；t=时，T=T0。解得：T-T0=（T-T0）exp(-t/)(8)式中=C/H。显然，当t=时有：T-T00.368（T-T0）或者T-T=0.632（T-T0）(9)定义为时间常数，指在一定环境温度和零功率条件下，当温度发生突