NTC熱敏電阻已用于不同的應(yīng)用(限制在150°C左右的低Currie點(diǎn)),如溫度傳感器,延時(shí)元件,紅外探測(cè)器,電壓調(diào)節(jié),風(fēng)扇控制等。它們?nèi)匀皇侵饕糜谖㈦娮訉W(xué)的重要材料和光電子學(xué)。
由3d過渡金屬組成的亞錳酸鎳NiMn 2 O 4已被廣泛用作負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻器件的材料。
眾所周知,亞錳酸鎳是一種鐵磁性材料,具有中間(部分反向)立方尖晶石結(jié)構(gòu)(圖1)。陽離子反轉(zhuǎn)參數(shù)的值在0.8和0.88之間。此參數(shù)很大程度上決定了材料的所有物理屬性。亞錳酸鎳中的導(dǎo)電機(jī)制通常被描述為位于八面體位置的Mn3 +和Mn4 +陽離子之間的聲子輔助電子跳躍(所謂的跳躍)
圖1. NiMn 2 O 4的尖晶石結(jié)構(gòu)
亞錳酸鎳材料的主要特征是它們的電阻率隨溫度的升高呈指數(shù)下降。這種關(guān)系可以用Arrhenius方程(方程1)表示:
在無限溫度下材料的電阻率在哪里,T是絕對(duì)溫度,B是電阻率的溫度系數(shù),以溫度尺寸(開爾文)給出。
電阻率受到過渡金屬氧化物的組成和制備方法的強(qiáng)烈影響。許多作者試圖定義用作生產(chǎn)敏感NTC熱敏電阻的起始材料的燒結(jié)材料的結(jié)構(gòu),微觀結(jié)構(gòu),熱和電性質(zhì)之間的關(guān)系。在我們?cè)缙诘难芯恐校覀冄芯苛藷Y(jié)時(shí)間和溫度對(duì)這種材料的熱學(xué),光學(xué)和某些電學(xué)性質(zhì)的影響[1-3]。
我們最近研究的主要目的是顯示起始混合氧化物的機(jī)械活化對(duì)形成的亞錳酸鋰的電性能(在我們的情況下為直流(DC)電阻率)的不可忽略的影響[4]。
與其他加工技術(shù)相比,機(jī)械活化具有很大的優(yōu)勢(shì):首先,它使我們能夠生產(chǎn)更均質(zhì)的材料。該技術(shù)增加了載體的數(shù)量并加強(qiáng)了運(yùn)輸過程。除了燒結(jié)的時(shí)間和溫度之外,優(yōu)化機(jī)械活化的時(shí)間是非常重要的,因?yàn)槎痰臋C(jī)械活化不能提供足夠的能量來改善材料性能,而太長(zhǎng)的活化時(shí)間會(huì)導(dǎo)致微結(jié)構(gòu)缺陷的形成,從而影響載流子數(shù)和材料的導(dǎo)電率(電阻率)。非常長(zhǎng)的活化期最終導(dǎo)致更高的納米顆粒團(tuán)聚,導(dǎo)致孔隙率增加(圖2)。
已經(jīng)注意到,固有電阻率隨著燒結(jié)和環(huán)境溫度的增加而降低,這是載流子數(shù)量增長(zhǎng)的結(jié)果,其確保了更高的導(dǎo)電性,因此降低了材料的電阻率。短時(shí)機(jī)械活化導(dǎo)致晶粒尺寸和孔隙率降低,樣品密度增加,導(dǎo)致材料電阻率降低。較長(zhǎng)的活化時(shí)間會(huì)增加孔隙率,從而降低樣品密度。
D E F
圖2。在1200 ℃下燒結(jié)1小時(shí)的斷裂NiMn 2 O 4陶瓷樣品的微觀結(jié)構(gòu)變化,相對(duì)于機(jī)械活化時(shí)間(A)未研磨,(B)5分鐘,(C)15分鐘,(D)30分鐘,(E) 45分鐘,(F)60分鐘。放大5000倍
此外,已經(jīng)顯示,多組分過渡氧化物的制備途徑(機(jī)械活化-在我們的情況下)影響電性能- 乙鎳錳酸常數(shù)和不同的傳輸特性。通過燒結(jié)粉末混合物獲得的亞錳酸鋰樣品的遷移率,電阻率和平均霍爾系數(shù)進(jìn)行了測(cè)量,并在不同溫度下進(jìn)行了比較 - 室溫,50,80,100和120°C,用于施加電場(chǎng)0.37 T [5]。
圖3顯示了比電阻率(
)和溫度(T)之間的關(guān)系。對(duì)于未活化和活化的樣品,電阻率隨溫度的升高呈指數(shù)下降。還注意到未活化樣品的電阻率高于機(jī)械活化樣品的電阻率。這是由額外的機(jī)械活化引起的載體數(shù)量增加的結(jié)果。
對(duì)于不同時(shí)間段激活的
NiMn 2 O 4樣品,函數(shù)對(duì)數(shù)與絕對(duì)溫度倒數(shù)(1 / T)之間的關(guān)系如圖4所示。對(duì)數(shù)與絕對(duì)值的倒數(shù)有明顯的線性相關(guān)性。溫度(1 / T),它符合方程式1所述的眾所周知的指數(shù)定律。1,確認(rèn)這種材料的NTC特性
圖3.NiMn 2 O 4樣品的logq和1 / T之間的關(guān)系另外激活了不同的時(shí)間段
圖4. 不同時(shí)間段激活的NiMn 2 O 4樣品的電阻率與絕對(duì)溫度(T)的關(guān)系
圖5. 施加電場(chǎng)為0.37 T的NiMn 2 O 4樣品的霍爾遷移率與環(huán)境溫度的關(guān)系
發(fā)現(xiàn)霍爾測(cè)量計(jì)算的遷移率隨溫度升高而增加(圖5)。隨著溫度的升高和較長(zhǎng)的機(jī)械活化時(shí)間,遷移率增加的事實(shí)證實(shí)并支持小極化子跳躍機(jī)制。在我們的例子中,移動(dòng)性高于文獻(xiàn)值,因?yàn)闄C(jī)械活化導(dǎo)致移動(dòng)性增加。
使用驗(yàn)證R-T熱敏電阻特性的公式(公式2)計(jì)算溫度靈敏度系數(shù)B 22/80:
其中T 22和T 80分別代表室溫和80℃,R 22和R 80代表在這些溫度下測(cè)得的電阻。從下一個(gè)表達(dá)式(等式3)計(jì)算導(dǎo)電的活化能(E a):
其中k是玻爾茲曼常數(shù)。
表1. 在不同時(shí)間段激活的NiMn 2 O 4樣品的電阻,熱敏電阻常數(shù),B 22/80和活化能,Ea
結(jié)果表明,在1200℃下燒結(jié)并在不同時(shí)間段內(nèi)機(jī)械激活的熱敏電阻材料的電性能不同,并且可以通過改變這些參數(shù)來控制,這確保了這種熱敏電阻的廣泛適用性。
厚膜形式的亞錳酸錳用于制造風(fēng)速計(jì)。與貝爾格萊德多學(xué)科研究所的同事們合作,使用NTC厚膜分段熱敏電阻創(chuàng)建了一種新型單軸風(fēng)速儀[6]來測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)向。風(fēng)速計(jì)根據(jù)空氣流量和空氣速度引起的熱量損失原理運(yùn)行。NTC分段熱敏電阻在風(fēng)速計(jì)中用作風(fēng)傳感器。它由直流恒壓自加熱。由于電阻率變化,熱量損失改變了通過熱敏電阻的自加熱直流電流。對(duì)于-20至+ 40°C范圍內(nèi)的不同輸入空氣溫度,風(fēng)速在1至15 m / s之間變化。通過測(cè)量NTC分段熱敏電阻的內(nèi)電極上的電壓差來確定風(fēng)向。通過在權(quán)利要求室中校準(zhǔn)的冷NTC厚膜分段熱敏電阻測(cè)量空氣溫度。在室溫(25°C)和正常室內(nèi)濕度(50%)下測(cè)量風(fēng)速計(jì)的慣性。獲得的結(jié)果使得能夠在3D風(fēng)速計(jì)中快速優(yōu)化和實(shí)施單軸風(fēng)速計(jì)。
SASA技術(shù)科學(xué)研究所在該領(lǐng)域的最新研究重點(diǎn)是測(cè)試用于水流傳感器應(yīng)用的新型亞錳酸錳厚膜熱敏電阻。主要思想是利用毛細(xì)管將傳感器熱連接到熱交換層,從而實(shí)現(xiàn)水流冷卻。熱敏電阻傳感器采用恒壓(直流電源)自加熱。測(cè)量熱敏電阻電流作為水流量和輸入水溫的函數(shù)。水流量傳感器實(shí)際上基于熱量損失原理運(yùn)行,并且通過傳感器周圍的空氣和腔室(styropore泡沫的殼體)進(jìn)行熱絕緣。使用冰/水混合物在室溫下進(jìn)行校準(zhǔn),以測(cè)量傳感器靈敏度的范圍。還分析了傳感器的穩(wěn)定性和慣性