濕敏陶瓷濕敏機(jī)理

濕敏陶瓷1.接觸晶粒的界面勢壘理論

由于濕敏陶瓷為多孔材料，界面接觸主要以點(diǎn)接觸為主，這樣使n型和p型半導(dǎo)體陶瓷的晶粒內(nèi)部和表面正負(fù)離子所處的狀態(tài)不同。內(nèi)部離子對稱包圍，而表面離子則處于未受異性離子屏蔽的不穩(wěn)定狀態(tài)，其電子親和力發(fā)生了變化，表現(xiàn)為表面附近能帶上彎(n型)或下彎(p型)，在半導(dǎo)體陶瓷晶粒接觸處產(chǎn)生雙勢壘曲線，如下圖《半導(dǎo)體的表面勢》所示。由于晶粒界面勢壘的存在，晶粒界面的電阻比晶粒內(nèi)部大得多。當(dāng)濕敏陶瓷晶粒晶界處吸收水分子時，由于水分子是一-種強(qiáng)極性物質(zhì)，其分子結(jié)構(gòu)不對稱，在氫原子的一側(cè)具有很強(qiáng)的正電場，使得表面吸附的水分子可以從半導(dǎo)體表面吸附的O₂或O中吸取電子,甚至從滿帶中直接俘獲電子。因此將引起晶粒表面電子能態(tài)的變化，從而導(dǎo)致晶粒表面電阻和整個元件的電阻變化。對于p型半導(dǎo)體，主要表現(xiàn)為表面俘獲電子，形成表面束縛態(tài)的負(fù)空間電荷，而在表面內(nèi)層形成自由態(tài)的正電荷，該正電荷被氧的施主能級所俘獲，使氧的施主能級密度下降，使下彎的能級變平，耗盡層變薄，表面載流子密度增加，電阻率下降 。

濕敏陶瓷2.質(zhì)子導(dǎo)電理論

質(zhì)子導(dǎo)電理論把分子在晶粒表面的吸附分為三個階段：第一階段少量水分子在晶粒之間的頸部吸附，表面化學(xué)吸附水的一個羥基首先與高價陽離子結(jié)合，水離解出的H 與表面的氧離子形成第二個羥基，羥基解離后的質(zhì)子由一個位置向另一個位置移動，形成了質(zhì)子導(dǎo)電；第二階段是水分子物理吸附在羥基上，形成多分子吸附層，由于水分子的極化，相對介電常數(shù)增加，導(dǎo)致離解水分子的能量增高，促進(jìn)了水分子的離解；第三階段，不僅在頸部的凹面，而且在平表面也吸附了大量水分子，在兩極間形成了連續(xù)電解質(zhì)層，導(dǎo)致電導(dǎo)率隨含水量的增加而增加。

濕敏陶瓷1.電阻型濕敏陶瓷材料

這是一類研究最多、應(yīng)用最廣的濕敏陶瓷材料。典型的瓷料是MgCrzO系統(tǒng)，其主要晶相是MgCr2O。TiO作為摻雜改性成分 。

濕敏陶瓷2.電容型濕敏陶瓷材料

電容型濕度傳感器是利用其電容量和濕度呈線性關(guān)系而受到重視，Al₂O₃膜很容易吸附水汽。多孔氧化鋁的相對介電常數(shù)為1~10，空氣的相對介電常數(shù)約等于1，水的相對介電常數(shù)約為80?？梢?，當(dāng)水汽代替介質(zhì)中孔內(nèi)的空氣時，介質(zhì)的相對介電常數(shù)將發(fā)生很大變化，因而引起元件的電容量變化。Al₂O₃膜在20世紀(jì)70年代采用厚膜技術(shù)制備，即介質(zhì)是采用相對介電常數(shù)近70的陶瓷細(xì)粉印刷而成，它的傳感性能較好，同時具有體積小、可靠性高、成本低、易于和其他厚膜元件.集成電路相配合等優(yōu)點(diǎn)。近年來，隨著薄膜集成電路的應(yīng)用和鍍膜技術(shù)的發(fā)展,氧化物和其他化合物也能形成鍍膜，因而研制成了薄膜型濕度傳感器。電容型濕敏陶瓷材料有Al₂O₃、Ta₂O₃、Nb₂O₅、CaF、TaN等。

濕敏陶瓷3.阻抗型濕敏陶瓷材料

當(dāng)前，這種類型的濕度傳感器已較少應(yīng)用。感濕體是以Al2O膜為介質(zhì)的阻抗元件。它是在厚為0.38 mm的高純鋁金屬板上，采用陽極氧化的方法,在鋁極表面形成Al₂O₃膜，再經(jīng)185攝氏度、16h的熱處理而制成的。

熱敏陶瓷是對溫度變化敏感的陶瓷材料。它可分為熱敏電阻、熱敏電容、熱電和熱釋電等陶瓷材料。在種類繁多的敏感元件中，熱敏電阻應(yīng)用最廣。熱敏電阻是一種電阻值隨溫度變化的電阻元件(或稱電阻器)。

熱敏電阻按阻值隨溫度變化不同，分為正溫度系數(shù)熱敏電阻、負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻、臨界溫度系數(shù)熱敏電阻和線性熱敏電阻四大類。阻值隨溫度升高而增加的電阻稱正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻，相反，則稱為負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻。阻值隨溫度變化呈直線的熱敏電阻稱線性熱敏電阻，阻值隨溫度變化呈指數(shù)(或?qū)?shù))關(guān)系的稱非線性熱敏電阻。在非線性熱敏電阻中，有一類其阻值在一個很窄的溫度范圍內(nèi)可變化(上升或下降)幾個數(shù)量級，稱為臨界溫度系數(shù)熱敏電阻或開關(guān)型熱敏電阻 。

熱敏電阻主要用作電路溫度補(bǔ)償元件。金屬氧化物制成的半導(dǎo)體陶瓷熱敏電阻，以氧化釩為主體的玻璃熱敏電阻，硅、鍺單晶熱敏電阻，用V₂O₃、P₂O₅、 SiO₂、BaO、SrO、CaO等氧化物合成的臨界熱敏電阻(CTR)和以鈦酸鋇為主體的正溫度系數(shù)熱敏電阻。近年來，隨著硅元件平面工藝的成熟與集成技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了碳化硅單晶碳化硅薄膜熱敏電阻等。