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NTC热敏电阻传感器应用的镍锰锰合金材料

时间:2019-04-18 ??来源:敏创电子??编辑:热敏电阻厂家??浏览:
NTC热敏电阻已用于不同的应用(限制在150°C左右的低Currie点),如温度传感器,延时元件,红外探测器,电压调节,风扇控制等。它们仍然是主要用于微电子学的重要材料和光电子学。
由3d过渡金属组成的亚锰酸镍NiMn 2 O 4已被广泛用作负温度系数(NTC)热敏电阻器件的材料。
众所周知,亚锰酸镍是一种铁磁性材料,具有中间(部分反向)立方尖晶石结构(图1)。阳离子反转参数的值在0.8和0.88之间。此参数很大程度上决定了材料的所有物理属性。亚锰酸镍中的导电机制通常被描述为位于八面体位置的Mn3 +和Mn4 +阳离子之间的声子辅助电子跳跃(所谓的跳跃)
 

图1. NiMn 2 O 4的尖晶石结构
亚锰酸镍材料的主要特征是它们的电阻率随温度的升高呈指数下降。这种关系可以用Arrhenius方程(方程1)表示:
在无限温度下材料的电阻率在哪里,T是绝对温度,B是电阻率的温度系数,以温度尺寸(开尔文)给出。
电阻率受到过渡金属氧化物的组成和制备方法的强烈影响。许多作者试图定义用作生产敏感NTC热敏电阻的起始材料的烧结材料的结构,微观结构,热和电性质之间的关系。在我们早期的研究中,我们研究了烧结时间和温度对这种材料的热学,光学和某些电学性质的影响[1-3]。
我们最近研究的主要目的是显示起始混合氧化物的机械活化对形成的亚锰酸锂的电性能(在我们的情况下为直流(DC)电阻率)的不可忽略的影响[4]。
与其他加工技术相比,机械活化具有很大的优势:首先,它使我们能够生产更均质的材料。该技术增加了载体的数量并加强了运输过程。除了烧结的时间和温度之外,优化机械活化的时间是非常重要的,因为短的机械活化不能提供足够的能量来改善材料性能,而太长的活化时间会导致微结构缺陷的形成,从而影响载流子数和材料的导电率(电阻率)。非常长的活化期最终导致更高的纳米颗粒团聚,导致孔隙率增加(图2)。
已经注意到,固有电阻率随着烧结和环境温度的增加而降低,这是载流子数量增长的结果,其确保了更高的导电性,因此降低了材料的电阻率。短时机械活化导致晶粒尺寸和孔隙率降低,样品密度增加,导致材料电阻率降低。较长的活化时间会增加孔隙率,从而降低样品密度。
 
    
                     A                               B                            C                        

    
              D                            E                           F              
图2。在1200 ℃下烧结1小时的断裂NiMn 2 O 4陶瓷样品的微观结构变化,相对于机械活化时间(A)未研磨,(B)5分钟,(C)15分钟,(D)30分钟,(E) 45分钟,(F)60分钟。放大5000倍

此外,已经显示,多组分过渡氧化物的制备途径(机械活化-在我们的情况下)影响电性能- 乙镍锰酸常数和不同的传输特性。通过烧结粉末混合物获得的亚锰酸锂样品的迁移率,电阻率和平均霍尔系数进行了测量,并在不同温度下进行了比较 - 室温,50,80,100和120°C,用于施加电场0.37 T [5]。
图3显示了比电阻率()和温度(T)之间的关系。对于未活化和活化的样品,电阻率随温度的升高呈指数下降。还注意到未活化样品的电阻率高于机械活化样品的电阻率。这是由额外的机械活化引起的载体数量增加的结果。
对于不同时间段激活的NiMn 2 O 4样品,函数对数与绝对温度倒数(1 / T)之间的关系如图4所示。对数与绝对值的倒数有明显的线性相关性。温度(1 / T),它符合方程式1所述的众所周知的指数定律。1,确认这种材料的NTC特性
 


图3.NiMn 2 O 4样品的logq和1 / T之间的关系另外激活了不同的时间段

图4. 不同时间段激活的NiMn 2 O 4样品的电阻率与绝对温度(T)的关系


图5. 施加电场为0.37 T的NiMn 2 O 4样品的霍尔迁移率与环境温度的关系

发现霍尔测量计算的迁移率随温度升高而增加(图5)。随着温度的升高和较长的机械活化时间,迁移率增加的事实证实并支持小极化子跳跃机制。在我们的例子中,移动性高于文献值,因为机械活化导致移动性增加。
使用验证R-T热敏电阻特性的公式(公式2)计算温度灵敏度系数B 22/80:

其中T 22和T 80分别代表室温和80℃,R 22和R 80代表在这些温度下测得的电阻。从下一个表达式(等式3)计算导电的活化能(E a):

其中k是玻尔兹曼常数。

表1. 在不同时间段激活的NiMn 2 O 4样品的电阻,热敏电阻常数,B 22/80和活化能,Ea

结果表明,在1200℃下烧结并在不同时间段内机械激活的热敏电阻材料的电性能不同,并且可以通过改变这些参数来控制,这确保了这种热敏电阻的广泛适用性。
厚膜形式的亚锰酸锰用于制造风速计。与贝尔格莱德多学科研究所的同事们合作,使用NTC厚膜分段热敏电阻创建了一种新型单轴风速仪[6]来测量风速和风向。风速计根据空气流量和空气速度引起的热量损失原理运行。NTC分段热敏电阻在风速计中用作风传感器。它由直流恒压自加热。由于电阻率变化,热量损失改变了通过热敏电阻的自加热直流电流。对于-20至+ 40°C范围内的不同输入空气温度,风速在1至15 m / s之间变化。通过测量NTC分段热敏电阻的内电极上的电压差来确定风向。通过在权利要求室中校准的冷NTC厚膜分段热敏电阻测量空气温度。在室温(25°C)和正常室内湿度(50%)下测量风速计的惯性。获得的结果使得能够在3D风速计中快速优化和实施单轴风速计。
SASA技术科学研究所在该领域的最新研究重点是测试用于水流传感器应用的新型亚锰酸锰厚膜热敏电阻。主要思想是利用毛细管将传感器热连接到热交换层,从而实现水流冷却。热敏电阻传感器采用恒压(直流电源)自加热。测量热敏电阻电流作为水流量和输入水温的函数。水流量传感器实际上基于热量损失原理运行,并且通过传感器周围的空气和腔室(styropore泡沫的壳体)进行热绝缘。使用冰/水混合物在室温下进行校准,以测量传感器灵敏度的范围。还分析了传感器的稳定性和惯性