第4章 特殊光、电功能材料[3,6,19,20]

4.1 基于光电效应的光电材料

85 光电阴极材料

当入射光波长λ＜λ₀=hc/ϕ（λ₀为产生光电子发射的临界波长，Φ为逸出功）时产生光电子发射（即外光电效应），利用该效应的光电转换器件之一是真空电子器件，例如光电倍增管和像增强管等，其关键材料是光电阴极材料。对光电阴极材料的要求：1）光吸收系数大；2）光电子在体内传输中能量损失小，逸出深度大；3）电子亲和势低，表面逸出概率大。一些半导体和其他材料在可见光及红外范围都有高的量子效率。

主要光电阴极材料有多碱光电阴极材料（锑、铯在可见光区，银、氧、铯等波长可延伸到红外区，能满足夜视技术和激光技术发展的需要）、零电子亲和势材料（铯被吸附在掺锌的P型砷化镓表面）和负电子亲和势材料（重掺杂的P型砷化镓覆盖Cs₂O层）。

86 光电导材料及其应用

在电磁辐射作用下半导体和电介质电导率改变的现象（即光电导效应）。通常是指在光照下可动载流子电荷浓度增加而引起的电导率增加。对本征半导体，价电子吸收光子而跃迁到导带，使导带电子数和价带空穴数都增加，由此增加了半导体的电导率，这叫本征光电导。对于掺杂半导体，电子从施主束缚态激发到导带而产生电子导电；也可以价带电子激发到禁带中的受主态而增加了价带中的空穴而产生空穴导电。实际上三种激发过程都存在，只是对一种半导体材料以一种激发机制为主。光电导性除了晶体结构外，禁带宽度E_g对其影响甚大。一般认为禁带宽度在2eV以上的半导体材料可以称为宽禁带材料，主要包括Ⅳ族的SiC和金刚石，Ⅲ-Ⅴ族的氮化物GaN、AlN、InN及其合金以及不少Ⅱ-Ⅵ族化合物及其合金。表3.4-1中列出一些主要宽禁带半导体材料在室温下的禁带宽度。一般说来，Ⅱ-Ⅵ化合物半导体具有较强的极性，Ⅲ-Ⅴ族次之，Ⅳ族元素或化合物则基本以共价结合，因此就材料的化学稳定性而言，显然Ⅳ族材料最优，Ⅲ-Ⅴ族次之，Ⅱ-Ⅵ族较差。

利用光电导性可以做成光敏电阻、光敏二极管和光敏晶体管等。

（1）高分子光导材料 高分子在受光照前是绝缘体，受光照后，具有导电性或半导电性。在光照作用下，高分子光导材料能产生光生载流子和输运载流子。根椐所产生或输运的载流子的性质分为P型或N型。大部分高分子光导材料属于P型，即产生或输运空穴。因此，理想的高分子光导材料应有高的光生载流子产生效率，同时具有高的载流子迁移率，在输运过程中，载流子不会复合或被陷阱俘获。

高分子光导材料与无机材料相比具有成膜性好、易加工成型、灵敏度高及无毒等优点。现已研究出多种高分子光电导材料：例如主链共轭型高分子、侧链共轭型高分子、聚芳香胺类以及由给体和受体组成的电荷转移复合物型高分子等。高分子光导材料可用于静电照相技术，如静电复印、光导热塑全息录像介质等，有些已经进入实用阶段，如聚乙烯咔唑和三硝基芴酮电荷转移复合物已经用于静电照相技术。高分子光导材料还可用于做光电二极管、光导摄像管等。

（2）半导体光电导材料 若光子能量大于该材料的禁带宽度，能将价带中的电子激发到导带上来产生电子空穴对，即产生带间吸收形成光电导，则称该光电导为本征型光电导。利用不同禁带宽度的半导体材料制作的本征型光电导探测器可以适用于不同的工作波段及性能需要，是常规光电导型探测器优先采用的方式。

若光子能量小于材料禁带宽度，也可能将束缚在杂质能级上的载流子激发到导带或价带中去产生光电导，则称该光电导为非本征型光电导。自由载流子吸收、量子阱中子能级吸收、子能带吸收所对应的带内吸收所产生的光电导也属于非本征型光电导。杂质能级一般较浅，因此往往用于制作中、远红外波段的探测器：例如采用宽禁带半导体材料制作紫外光电探测器。

（3）光敏电阻材料 光敏电阻是均质型半导体光电器件，与光敏电阻的灵敏度长波限有密切关系。选用禁带宽和迁移率大的N型半导体材料可获得大的增益。通常采用蒸发的方法制得由0.1～1μm大小的晶粒聚合而成的1μm厚的多孔结构。

常用的光敏电阻材料有硫化铅、碲化铅、硒化铅、硫化镉、锑化铟等，其中铅的硫属化合物既是电子导电型，又是空穴导电型。单晶型硫化镉对可见光、X、α、β和γ射线都很灵敏。但受单晶层尺寸限制，光电流容量小。多晶型硫化镉制成光敏电阻，可得到比单晶型大的光电流和较宽的光谱灵敏范围，但响应时间较长。硒化镉的光谱灵敏范围和响应速度比硫化镉好，但低温性能差。

87 红外光电导探测器材料

大气中对红外辐射的“透明窗”主要分布在1～3μm、3～5μm、8～14μm三个波段，适用于这些波段的红外探测器及其材料的性能见表3.4-2。

本征半导体探测器用于长波限在7.5μm以内的红外区中，探测器效率高，响应时间较短，工作温度不要求极低，使用方便。三元系碲镉汞和碲锡铅因其禁带宽度在0.09～0.05eV，可制作8～14μm波段的本征探测器。

制作红外探测器的非本征材料有掺杂锗、掺杂锗硅合金和掺硼、铝、镓、磷、砷、锑等杂质的硅。掺杂锗探测器响应时间较短，但工作温度要求较低（使杂质能级不致因热激发而电离），且响应波长越长，要求工作温度越低。

88 光电二极管

主要有硅、锗和砷化镓等Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体。光电二极管按工作原理分为耗尽层光电二极管和雪崩光电二极管；按器件结特性可分为PN结、PIN结、异质结、金属半导体（肖特基势垒）结；按对光的响应可分为紫外、红外、可见光波段的光电二极管。决定光谱响应的关键因素是材料的吸收系数α（强烈地依赖于波长），其长波限由半导体材料的禁带宽度决定，波长短时α大，光电流小；硅、锗的短波限分别为0.4μm和0.3μm。

89 太阳电池材料

太阳电池是利用光生电动势效应将光能转换为电能的固态电子器件。光电池分金属半导体型和P-N结型两类。光电转换效率η是光电池的最大输出功率与照射在光电池表面积S上的辐射功率的比值。光电流与材料禁带宽度有密切关系，应尽量选择E_g在0.9～1.5eV范围内的半导体材料。太阳电池及材料的性能参数见表3.4-3。

非晶硅（a-Si）光电性能优良，吸收系数比单晶硅大一个数量级，单位面积非晶硅太阳电池用硅量仅为单晶硅太阳电池的1%。非晶硅可在金属及玻璃薄片上沉积，做成大面积电池。对非晶硅太阳电池的研究甚至超过了发展很快的单晶硅（C-Si）太阳电池。

4.2 能把其他能量转变为光能的发光材料

90 电致发光材料

能将电能（电场激发）直接转换成光能（发光）。这类材料大多是半导体材料。主要的电致发光材料及其物理性质见表3.4-4。

91 发光二极管（LED）材料

发光二极管是利用半导体PN结、MS结、MIS结制成的发光器件，用于显示、显像、探测辐射场等领域。用于固体显示的发光材料有注入型场致发光材料和本征场致发光材料。发光二极管材料主要是化合物和固溶体半导体材料，见表3.4-4。

发光二极管发射光的波长由半导体材料禁带宽度决定，Ⅱ-Ⅳ族化合物的禁带宽度较大，可以发出可见光和蓝光，但这类化合物制作PN结比较难，且发光效率不够高。用Zn和O掺入晶体后，红光的发光效率可达7%，是目前发光效率最高的材料之一。

92 荧光材料和磷光体

荧光材料的特点是分子或原子吸收了能量后即刻发光（激发态持续8～10s），供给能量中断时，发光几乎立即停止。只有以苯环为骨干的芳香族化合物和杂环化合物才能产生荧光，分为光致荧光、电致荧光和射线黄光等几类。

磷光体的特点是吸收能量后所发射的光量子能量和波长与荧光一样，但激发态持续时间大大超过8～10s，磷光体是具有缺陷的某些复杂的无机晶体物质，由基质和激活剂两部分组成：基质多半是Ⅱ族金属的硫化物、硒化物和氧化物，如CaS、BaS、ZnS、CdS等；激活剂是重金属。磷光体最重要的应用是显示和照明，常用磷光体及应用见表3.4-5。

93 激光器材料

激光器材料有等离子体、气体、液体、半导体、晶体、玻璃和玻璃陶瓷等多种。晶体激光器材料是在基质晶体中掺入适量的激活离子，激活离子来自3价和2价铁类、镧系和錒系元素。晶体激光器材料大体又可分为氟化物、盐类和氧化物3类，目前实用的主要晶体激光器材料见表3.4-6。半导体材料有铅的硫属化合物、砷化镓、锑化铟、砷化铟、锑化镓、磷化铟、铟镓砷、铟磷砷、铝镓砷、镓砷磷等。

4.3 基于特殊的介质极化性能的液晶、高电容率材料和驻极体

94 液晶

液晶的特点是同时具有流动性和各向异性。热致液晶在一定温度范围内为液晶态；溶致液晶溶于适当的溶剂中，在一定浓度范围内为液晶态。液晶分子呈长线形或盘形，线形分子按排列方式不同分为近晶相、向列相和胆甾相三类，盘形分子分为向列相、胆甾相和柱状相三类，分子在电场中发生取向极化作用，改变对环境光的反射或透射特性，因此可利用局域电极控制明暗以形成与背景不同的具有一定对比度的数字或符号。液晶主要用作各种显示器件，与其他电子显示器件相比，其最大特点是“无源显示”，显示工作电压一般为20～30V，功耗为500μW/cm2，场效应液晶功耗更小，仅几毫瓦，工作电压仅为3～5V；制造工艺简单，价格低廉。其缺点是响应时间长、低温性能差、对比度小、工作寿命不长。用于光电显示的多为向列型液晶。它们应满足以下要求：1）合适的温度范围-20～60℃；2）良好的化学、物理稳定性；3）满足电光特性要求：阈值电压低、响应快、对比度好、余辉小等。目前使用的材料有芳酯类、氰基联苯类和苯基环烷等有机化合物。

95 高电容率材料

用于制造体积小、电容量大的电容器。主要品种有钛酸钡基高介瓷和钛酸锶基高介瓷，它们都是铁电体，有电畴，能自发极化而且随外电场方向而变，因此相对电容率ε_r特别高。钛酸钡基高介瓷易制造、价格低，应用广泛。缺点是tanδ较大，ε_r易随电场强度变化，E_b较低，电容温度变化率θ_c较大。钛酸锶基高介瓷在SrTiO₃中加入Bi、Ti的氧化物，可以克服上述缺点，在高电压高介陶瓷电容器中应用广泛。此外，还有晶界层电容器材料，以晶界为电介质，用于制造超小型大容量电容器。常用钛酸钡基和钛酸锶基高介瓷性能见表3.4-7。

钛酸铜钙基以及施主受主共掺的氧化钛陶瓷发展迅速，它们具有弱温度和频率依赖特性的高介电常数（104～105），稳定的高介电常数有利于推动器件小型化发展。基于上述高介电常数陶瓷可制备X8R电容器，但tanδ相对较高，最小值达到0.01。

其他作为电容器用的瓷还有高钛氧瓷和钛酸镁瓷等。高钛氧瓷的ε_r为60～160，E_b为15～25MV/m；钛酸镁瓷的特点是介电温度系数很低，甚至可接近于零，E_b为15～30MV/m，ε_r为10～20，tanδ=0.001。

96 驻极体

不存在无外电场的条件下，电极化后能长期保持电极化状态并向周围环境施加电作用力的电介质。长期贮存的电荷可以是真实电荷、极化电荷或两者并存。电介质材料必须经过充电（驻极）才能形成驻极体，驻极方法有高温时施加直流电场的热极化法、电晕充电法、液体接触法、电子束注入法，以及接触带电和穿透辐照引起的电离等，分别得到热驻极体（每升1K使单位体积产生的电荷量称为热电常数）、电驻极体、光驻极体和辐照驻极体。驻极体分为单极（同号）驻极体和异号驻极体。单极驻极体内储存的电荷为同号（极性）空间电荷，是从电极或气隙注入介质表面的。异号驻极体内异号电荷占优势。异号电荷可以是介质内部的离子在极化电场的作用下向两极分离，在电极附近被介质中的离子型“陷阱”捕获形成异号空间电荷，或是由介质内部偶极极化形成的异号束缚电荷。

驻极体材料有有机聚合物和无机材料两类：1）有机聚合物驻极体，有蜡、聚四氟乙烯（PT-FE）、四氟乙烯与六氟丙烯共聚物（Teflon-FEP）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚丙烯（PP）、聚碳酸酯（PC）、聚酯（PET）、聚乙烯（PE）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等，其中氟碳聚合物化学结构稳定，热稳定性好、电荷密度高、保存电荷的能力强，是优良的驻极体材料，见表3.4-8。2）无机材料驻极体，有钛酸盐类陶瓷（如Ba-TiO₃、Pb[Zr，Ti]O₃等）、金属氧化物（如Al₂O₃、SiO₂）等。

驻极体具有静电、压电和热电等效应，而且制造工艺简便、成本低、原材料消耗低，因而得到广泛应用。例如可用于制造各种电声器材，驻极体传声器是最常用的一种驻极体换能器。可用于气体分析，经过改进的驻极体传声器还可用来测量核爆炸、台风发出的次声（10-3Hz）以及脉冲星发出的超声（108Hz）等。还可用驻极体测量放射性剂量，当放射性射线照射驻极体时，与驻极体表面接触的空气发生电离，电离程度与放射线剂量成比例，所产生的离子与驻极体表面电荷中和，使驻极体表面电荷减少，通过驻极体电量的减少量测量放射性的剂量；此外还可制造高效空气过滤器（参见第22篇第115条），利用驻极体的开缝效应制造新式电动机等。

4.4 基于电-机械效应的压电材料和磁-机械效应的磁致伸缩材料

97 压电材料

若沿着一定方向对某些电介质施加作用力，则材料除发生形变外在材料内部还会产生极化，在其表面上产生电荷，电荷的极性随外力作用方向变化而变化，若再撤去外力，则电介质又重新回到不带电状态，这就是正压电效应。相反，若在电介质的极化方向施加电场，则这些电介质也会发生形变，这就是逆压电效应。

两个统称为压电效应，又称电-机械效应。具有压电效应的电介质材料称为压电材料。常见的压电材料有压电晶体、压电陶瓷。压电材料用于换能器：包括声-电换能型（如传声器）、电-声换能型（如扬声器）、机电换能型（如转换器）、水声-电换能型（如水声器）等。

压电效应可用压电方程描述：

式中 D——电位移；

E——电场强度；

X——应力；

x——应变。

式中有3个常数，分别称为恒定压力下的电容率ε（F/m）；应力产生压电耦合效应的压电应变常数d（C/N）；应力产生弹性应变的弹性柔顺常数S（m2/N）。机电耦合效应系数K定义是

K 2=机械转换获得的能量/输入的总能量

正压电效应：

K 2=（总机械能-机械转换能）/总机械能

逆压电效应：

K 2=（总电能-极化能）/总电能

（1）压电单晶材料

1）石英（水晶，结晶的二氧化硅），是最早获得使用的压电材料。石英晶体透明度极好；在大气压和室温下十分稳定，除溶于氟酸外，不溶于其他酸中，老化极微，不加任何防护能耐100%RH的湿度；机械损耗小，机械特性稳定，最大安全应力为98N/m；压电系数的温度特性好，没有热释电效应；体积电阻率高（>1012Ω·m）；加工比较容易；因此现在仍被广泛应用。其缺点是由于耦合系数小而带宽窄，输入损耗大，频率降低时阻抗值过大而难以取得匹配等。

2）水溶性压电晶体由水溶液培育获得，特点是耦合系数比水晶高，阻抗值低；缺点是易受潮，温度特性差，机械强度低，电阻率低，因此正被压电陶瓷所取代。单斜晶系中的硫酸锂（LiSO₄·H₂O）耦合系数大，ε小，作为0.5～10MHz高频材料时性能卓越，但难以加工成薄片，且防湿性较差。

3）铌酸锂（LiNbO₃）和钽酸锂（LiTaO₃）用单晶拉晶法生长，耦合系数大，弹性损耗小，居里点高（铌酸锂高达1210℃），可用于高频或高温。常用压电单晶材料的特性见表3.4-9。

（2）压电陶瓷 是由钛、钡、锆、铌等元素的氧化物经混合、成型、烧结后再经高电压极化而成的多晶压电材料。钛酸钡发现最早，以后发展了锆钛酸铅系陶瓷、铌酸盐陶瓷、三元系和四元系压电陶瓷。常用压电陶瓷材料的特性见表3.4-10。

常用压电陶瓷：1）钛酸钡陶瓷，压电系数约为石英的50倍，电容率也高，但其居里点较低（约为115℃），机械强度也不高。用于变换器和电容器。2）锆钛酸铅压电陶瓷（简称PZT），压电系数较高，居里点温度在300～400℃之间，没有较低的相变点，性能稳定，是目前常用的压电材料。3）铌酸盐压电陶瓷，特点是居里点高，电容率小，高温性能稳定，常用于水声换能器。4）三元系压电陶瓷，铌镁酸铅[Pb（Mg_1/3，Nb_2/3）O₃]、钛酸铅（PbTiO₃）、锆酸铅（PbZrO₃）三种基本组分组成。5）四元系压电陶瓷[Pb（Sn_1/3，Nb_2/3）_A（Zn_1/3，Nb_2/3）_BTicZr_DO₃]，A、B、C、D四种组分比例可改变。优点是容易烧结，机电耦合系数、电容率、机械强度高，且压电性能受压力影响不大，随温度变化小。

98 磁致伸缩材料

磁致伸缩是因磁化而引起磁性物质弹性变形，是一种磁-机械效应。磁性体长度沿磁化方向的相对变化率（即λ=Δl/l）称为磁致伸缩系数。λ随磁场强度增大而增大，直到饱和磁致伸缩系数λ_s。磁致伸缩材料分金属和铁氧体两类：金属类包括纯镍、铁铝（1J13）和FeCo；铁氧体类包括Ni-Cu-Co系和Ni-Zn-Co系。主要用于超声波传输信号测量仪表和通信仪表（如声音探测器、鱼群探测器、探伤仪、信号延迟器）和用超声波能量作动力的场合（如洗涤、机械加工、乳化、焊接及超声波诊断等）。磁致伸缩材料的要求为机电耦合系数（磁弹耦合常数）K大，并有良好的力学性能。磁致伸缩材料的特性见表3.4-11。

4.5 基于电性（特别是电导率）对杂质或外界因素敏感性的敏感材料

99 电压敏材料

具有电流电压非线性现象的材料。主要压敏材料特性见表3.4-12。

当压敏元件两端的外加电压低于某一临界值时，压敏元件呈现高阻态且伏安特性呈线性关系；当外加电压超过某一临界值时，其伏安特性转变为非线性，电压稍有增加，电流可陡然增加几个数量级，这就是压敏效应。电流电压特性近似表示为

I=（V/C）α

式中 C——压敏电阻常数（相当于电阻值）；

α——非线性指数。

压敏特性是指α、C值、压敏电压V_c（对应1mA所施加的电压）及其温度系数θ_V。压敏陶瓷材料在电力系统、电子线路和一般家用电气设备中得到了广泛的应用，尤其在过电压保护、高能浪涌的吸收以及高压稳定等方面的应用更为突出。氧化锌是最重要的压敏材料。

100 碳化硅非线性电阻防电晕材料

该材料由聚合物黏合剂及碳化硅非线性电阻材料配制而成，也是一种压敏材料，但非线性特性与氧化锌不同，在一定电场强度范围内电阻率随所受电场强度的提高而下降：

ρ=ρ₀exp（-βE）

式中 ρ₀——加电场前的电阻率；

β——非线性系数（m/MV）。

若碳化硅粉料颗粒愈粗、聚合物黏合剂含量愈低、黏合剂的玻璃化温度T_g愈高，则β愈大。若用热固性黏合剂，则β值随固化过程进行而增大，直至稳定值。β值与防晕层工作温度有密切关系，当温度升高时，黏合剂膨胀，改变了碳化硅粒子间通过隧道效应传导电流的特性，使β值下降。

使用防晕材料时，要根据电气设备或元件结构特点选定合适的防晕层参数：β值、ρ₀值及防晕层长度。对高压发电机线圈端部，ρ₀约为1010Ω，β值为10～15m/MV，防晕层长度可达到10～15cm。当防晕层长度受到限制时，ρ₀值可适当提高，β值可适当降低些。

101 热敏及PTC材料

热敏电阻材料的分类和特性见表3.4-13。

ρ随温度改变而发生显著变化的材料。电阻率与温度关系为

ρ=ρ₀exp（B/T）

式中 ρ₀和ρ——升温前后的电阻率；

B——材料常数（K）。

热敏材料一般分为三类：

1）负温度系数（NTC）材料，特点是电阻率随温度升高而减小：如Mn-Co-Ni系，B值为2000～7000K，使用温度<200℃；CoO-Al₂O₃-CaSiO₄系，B值为6500～16500K，使用温度为300～1000℃。NTC材料广泛用于控温和测温传感器。

2）负电阻突变特性（CTR）材料，即临界温度热敏电阻，如Ag₂SCuS系和V系氧化物材料，CTR材料主要用于火灾警报器。

3）正温度系数（PTC）材料，即电阻率随温度升高而增大，具有发热特性和温度开关特性。

4）其他热敏电阻材料，包括厚膜、薄膜热敏电阻材料以及单晶热敏电阻材料；厚膜型热敏电阻器普遍应用NTC厚膜热敏电阻材料；薄膜热敏电阻材料主要有SnSe、TaN等化合物材料以及元素半导体硅、锗和铂等金属材料。

PTC材料：1）无机材料添加微量元素Mn、Y等：例如BaTiO₃系半导体陶瓷和新V₂O₅系陶瓷；2）聚合物添加炭黑等导电组分，例如PE、氟塑料等添加炭黑；3）无机-有机复合材料。PTC材料主要用于火警探测传感器、温度自控、过电流过热保护、彩电消磁、电动机起动、墙体、输油管道加热等需要控温、加热、保温的场合。自动控温加热电缆可取代蒸汽保温系统，广泛用于石油、化工、电力和民用建筑工业以及其他不能采用蒸汽保温系统的场合，具有节约能源、清洁环境、使用寿命长、安装维护方便、控温效果好、运应性强等优点。

102 力敏材料

电学特性随外力作用而发生显著变化的材料，它有利于实现力与电的相互转换。由于测量电阻值要比测量电容值方便，因此一般应用电阻型力敏材料，最常用的有两类：

1）金属应变电阻材料，具有金属应变电阻效应，金属力敏材料的主要特性见表3.4-14。

2）半导体压阻材料，具有半导体压阻效应。力敏材料的主要特性指标是灵敏系数K（表示单位应变引起的阻值相对变化量，K值越大，材料对应变的反应能力越高）、电阻率ρ、电阻温度系数、膨胀系数α、对铜电动势E_cu、力学性能、静态和动态最高使用温度等。

硅半导体材料是目前制造力敏元件最常见的压阻材料。单晶硅应用最多，主要有两种：1）体型，元件电特性主要是由单晶硅制造过程中掺入杂质的性质决定；2）扩散型，元件电特性由元件制作时扩散到单晶硅中的杂质情况决定。单晶硅的灵敏系数具有各向异性的特点。目前除了应用单晶硅外，还着力研究GaP、InSb等材料，同时开发异质结外延材料（硅-蓝宝石、硅-尖晶石）及化合物材料。

103 湿敏材料

电学特性随湿度而发生显著变化的材料。一般利用表面吸附所引起的电导率变化而获得有用信号。成分主要是不同类型的金属氧化物，结构上采用微粒状粉末堆集体和多孔状的多晶烧结体。电阻率通常为10-6～106Ω·m，半导化过程使晶粒体的电阻率大为降低，而粒界电阻要比体内电阻高得多，粒界存在高阻效应能提高湿敏特性。

根据电阻率随湿度的变化，可分为：1）负特性湿敏材料，电阻率随湿度的增加而下降；2）正特性湿敏材料。湿敏材料的主要特性是：湿敏度，RH每变化1%时的电阻率变化；湿度温度系数：每变化1℃，相对湿度的变化。

典型的湿敏材料有瓷粉膜型湿敏材料、烧结体型湿敏材料和厚膜型湿敏材料。主要用于湿度的测量和控制。湿敏材料的分类和特性见表3.4-15。

104 气敏材料

物理参量随外界气体种类和浓度变化而变化的敏感材料，见表3.4-16。

气敏材料的主要种类：1）半导体气敏材料，如SnO₂、ZnO、γ-Fe₂O₃、Ln_1-xSr_xCoO₃等，利用电导率随吸收气体的吸附化学反应而改变的特性；2）接触燃烧式气敏材料，如Pt-Al₂O₃+Pt丝、Pd-Al₂O₃+Pt丝，利用材料对气体的接触燃烧反应热而改变另一种材料电阻值的特性；3）固体电解质气敏材料，如CaO-ZrO₂（CSZ）、Y₂O₃-ZrO₂（YSZ）、Y₂O₃-TbO₂、LaF₃、PbCl₂、PbBr₂、K₂SO₄、K₂CO₃和Ba（NO₃）₂等，利用固体电解质对气体的选择透通性能，产生浓差电势等。气敏材料的主要性能参数包括灵敏度、响应时间、恢复时间、选择性、稳定性等。

105 磁敏电阻材料

磁敏电阻材料的电阻值随外施磁场变化而变化（即磁阻效应）。与霍尔器件相比，磁阻电阻结构简单，可将多个元件集成在同一基片上，使温度系数很小（达10-5/℃）。磁敏电阻按感磁材料划分为半导体磁敏电阻和强磁性薄膜磁敏电阻。

半导体磁敏电阻常用的主体材料有锑化铟、砷化铟以及它们的某些共晶体材料。从半导体磁敏电阻率变化率可知选用载流子迁移率大的材料可使磁敏电阻的磁阻效应更显著。

只有一种载流子的半导体：

（ρ-ρ₀）/ρ₀=Δρ/ρ₀=0.275μ2B2

有电子和空穴两种载流子时：

Δρ/ρ₀=（p/n）μ_nμ_pB2

式中 ρ、ρ₀——磁感应强度为B和0时的电阻率；

n、p——电子密度、空穴密度；

μ、μ_n、μ_p——载流子的迁移率、电子迁移率、空穴迁移率。

强磁性磁阻效应的基本特征是电阻率与磁化方向有关：平行磁化方向ρ_//，垂直磁化方向ρ_⊥。常以（Δρ/ρ₀）表示强磁性材料磁阻效应的大小，其中Δρ=ρ_//-ρ_⊥，ρ₀为退磁状态下的电阻率。一般选大的材料，主要是镍基合金，有镍-钴（Ni-Co）和镍-铁（Ni-Fe）合金。

强磁性薄膜材料具有以下特点：对于弱磁场的灵敏度很高（3×10-3T时达25mV/mA），具有倍频特性、磁饱和特性，灵敏度具有方向性，可靠性高，温度特性好，使用温度范围宽，成本低。