NiO-Li-%2c2-O厚膜湿敏材料的特性研究.pdfVIP

98湿度·水分·气体 19 一『^，转9 NO—Li 20厚膜湿敏材料的特性研究 丁跌fJ7妒．鳃 铁宏安方湘怡贺永宁式明堂 (西安交通大学电信学院．?10049，西安) 摘要纯化学计量Lt献io是一种绝缘材料。电阻率，凫达io”O·Cmt不能直接 用柬制作感湿材科，当掺入Li：0时，可以有效地降低材科的电阻率a奉文对掺 LiO．的NiO材料的半导体机理进行了讨论。用半导化后的、】O材料制成厚膜湿敏 元件，具有良好的湿敏特性。本文对厚膜湿敏元件的感淀特性、响应特性、电 雎特性等进行r测试分析。 芙键词NiO半导仡．湿敏特性陶瓷j于ij彳山：￡． 引言 陶瓷湿度传感器的优点是：测湿范围宽，1：作温度高，啊应较快，结构简单，价格便宜， 因而引起人们的广泛重视。但最早研制的Mgcr：吨～Ti0：湿度传感器，需要加热清洗以恢复其湿敏 特性…，闵而不能在易燃易爆的环境中使刷，也不能实现湿度的连续测董与监控，而且反复加 LiznvO。多孔玻璃一陶瓷温度传感器。，克服了上述缺点。 根据制造工艺的不同，陶瓷湿度传感器可分为烧结型和厚膜型丽种，它们都具有上述陶瓷 湿度传感器所具有的优点。但烧结型陶瓷湿度传感器，需要责金属Ruo：作电极材料，而且元件的 分数性大，响应慢。采用厚膜陶瓷L艺制造的陶瓷湿度传感器，可以克服上述缺点：电极材料 用钯银，湿敏材料用料少：湿敏元件片状化，可以用丁混台集成电路；制造1：艺简单，直于大 批量生产：膜厚容易控制．分散性小；膜比较薄，响应时问快：生产成本低，价格便宜。 由于陶瓷湿度传感器有上述优点，人们已经研究了许多陶瓷湿敏材料，除上述MgCb04一 Ti啦、ZnCr。0d-LiZnVG#b，还有TiOz-sn02、ZnO—Li 一种新型的NiO-Li。0厚膜湿敏陶瓷材料，并对其感湿特性、响应特性、电压特性等进行测试分 析。 1 N；0材料的半导化 位，Ni空位的电离提供了导电的空穴，其电离过程如F： ％§％十h’ (1) v；t∞y；?4-h’ (2) 铁宏安方湘恰等Nio—Li：O厚膜湿敏材料的特性研究 式中，矿，表示未电离的Ni中性空位；聪表示空位的一次电离； ∥j表示Ni空位的两次电离； 厅?表示空穴所带的正电荷。 在NiO晶体中，由于Ni的空位电离给晶体提供了大量的异电载流子一空穴，故由于本征缺陷的存 在使NiO材料变成P型半导体，材料的电阻率有所下降。 本征缺陷所形成的Ni。0P型半导体，电阻率仍比较高，属于弱P型半导体材料，还不能用 它直接作为湿敏材料，仍需要进一步降低材料的电阻率。为了不使掺入的杂质作用于本征缺陷 互相补偿．于是需要加八P型杂质，使Ni：一sO材料由弱P型半导体材料变成强P型，进一步降低电 阻率。 为了有效地降低Ni。一。o的电阻率，根据有关资料报道({]，我们采用Li。0为受主杂质添加剂， 这是考虑了以下原则：低价离子替代高价离子，替代之后形成P型杂质，替代与被替代的离子半 径比较接近，因而掺入【。l：0的NiO材料，在高温烧结进行固楣反应时，Li易形成替代式杂质，生 成物为jNi。。Li：)0，x为摩尔数，在、i0加入Li207：，发生的准化学反应式可以写成： 上f，0《≥2三，：、+2h。+0： 从式(3)可见，一个Li替代一个Ni之 后，出现一个空穴。因而随着掺入的Li的增 加，NiO材料的导电空穴浓度增大，Ni094书} 的电阻率下降。(、i。Li，)0材料的室温电 阻率与Li含量x关系如图1所示。5-。 2厚膜湿敏元件的制造工艺 Nio采用分析纯化学试荆，Li．0采用分析 纯的u：c()3化学试剂，按(Ni。Li，)O式进行配 料，x分别取0．05，0．i0，0．15，通过陶瓷工艺 压制成圆片，在高温1300℃进行烧结，保温 2h，测得其电阻率分别为6．5X105Q·Ⅲ， 图