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濕敏陶瓷之二

當前,由于濕度傳感器在家用電器、食品、醫(yī)藥、工及農(nóng)業(yè)等各方面的應用越來越廣泛,因此對濕度傳感器的要求也越來越高。概括起來有下幾點:

①高可靠性和長壽命;

②用于各種有腐蝕性氣體(如Cl2、SO2等)的場合時,傳感器的特性不變;

③ 用于多種污染環(huán)境,如存在油、煙等環(huán)境時,其特性不漂移;

④傳感器特性的溫度穩(wěn)定性好;

⑤能用于寬的濕度范圍。如1%~100%RH和溫度范圍,如1~100℃;

⑥在全濕度量程內(nèi),傳感器的變化要易于測量,如電阻在10~10的7次方Ω范圍內(nèi)變化,或電容在10~10的5次方pF范圍內(nèi)變化;

⑦便于生產(chǎn),價格便宜;

⑧有好的互換性。

綜上所述可知,濕敏陶瓷是滿足這些性能要求的最好材料。

1.濕敏陶瓷材料

目前,研究和生產(chǎn)的濕敏陶瓷材料種類繁多,化學組成復雜,涉及一至六價多種金屬氧化物和一元至多元系統(tǒng)。按其感濕特性大體可分為電阻型、電容型和阻抗型。按制造工藝又可分為涂覆膜型、燒結(jié)體型、厚膜型和薄膜型。本節(jié)簡單介紹幾種有代表性的瓷料。

(1) 電阻型濕敏陶瓷材料

這是一類研究最多、應用最廣的濕敏陶瓷材料,典型的瓷料是MgCr2O4系統(tǒng),其主要晶相是MgCr2O4。TiO2 作為摻雜改性成分,主要特性有以下幾個。

①多孔結(jié)構

MgCr2O4-TiO2 二元系在高溫下有良好的力學和熱學性質(zhì)。MgCr2O4有較高的耐火度,Cr在高溫下容易揮發(fā),因此,含Cr量高的金屬氧化物很難燒結(jié)成高密度,燒結(jié)體是一種典型的多孔結(jié)構。樣品的體積密度占理論密度的百分數(shù)隨TiO2 的添加量略有增加。同時,晶粒尺寸和氣孔大小也隨TiO2加入量的增加而增大,比表面積隨TiO2加入量的增加而減小。晶粒之間以頸狀部分相聯(lián)結(jié)。氣孔呈開口毛細管狀,因此,它很容易吸附水蒸氣,并凝結(jié)在毛細管中。這種多孔結(jié)構能有效地阻止熱沖擊引起的開裂,因此,它能反復地進行熱清洗而不破壞。

②半導體性

在高溫下Cr是以原子狀態(tài)揮發(fā),造成MgCr2O4中氧過剩,并提供大量受主能級,表現(xiàn)為p型半導體性。電阻率隨溫度的升高而下降,具有負溫度系數(shù)(NTC) 特性,并影響這種材料的濕度溫度系數(shù)。

③濕敏特性

材料對吸附水非常靈敏,并有穩(wěn)定的函數(shù)關系。由函數(shù)關系可確定濕度測量范圍、正常狀態(tài)下的電阻值(如50%RH時的阻值)、全濕度量程下的阻值范圍及感濕靈敏度等重要參數(shù)。

④響應速度

MgCr2O4-TiO2 濕敏陶瓷的吸脫濕響應時間,可見,30s 已達到完全穩(wěn)定。

⑤滯后曲線

MgCr2O4-TiO2 材料的升濕和降濕曲線,兩者幾乎重合,滯后很小,在±0.5%RH以內(nèi)。

⑥頻率特性

電源頻率對該材料濕度-電阻關系——在10的4次方Hz以下影響很小。

⑦壽命

在各種嚴酷條件下的壽命實驗表明材料的壽命特性很好,性能可靠。

⑧濕度溫度系數(shù)

MgCr2O4-TiO2 材料在20~80℃范圍內(nèi)溫度對電阻-溫度曲線的影響。在60%RH下的溫度系數(shù)約為3. 8%RH/℃。

⑨ 電壓特性

測試電壓在5V以下時,其特性幾乎與電壓無關。施加電壓大于5V時,在高濕度情況下受焦耳熱的影響。

在 MgCr2O4-TiO2 系統(tǒng)的TiO2 的含量變動在很寬的范圍內(nèi)[ (1~30) mol%] , 濕敏性都較好。



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