過去敏感材料以無機材料為中心,但近年來有機敏感材料的重要性增加了,原因是用無機材料難以實現(xiàn)的敏感元件,有希望用有機敏感材料實現(xiàn)。但是,無機和有機敏感材料不存在競爭問題,它們是互補關系。
有機敏感材料按功能分類如下:
有機敏感材料響應的刺激可分為物理刺激和化學刺激(化學物質(zhì)),前者是電磁、光、射線、熱、壓力等,后者是化學物質(zhì)。理想的敏感材料即是將這些刺激轉換成與其相應的電性能。敏感元件不僅可以用單一材料構成,也可通過符合某一種類的敏感材料構成敏感元件。以敏感元件功能為目的而進行材料設計、合成已成為趨勢。表1和表2列出目前敏感元件的功能材料,其中除有機材料外,還包含有機和無機復合材料。
表1 物理敏感元件的有機材料
表2 化學敏感元件的有機材料
接下來我們來了解有機敏感材料中的有機熱敏元件材料:
熱敏電阻器
1.塑料熱敏電阻
有機半導體具有陶瓷半導體的溫度-電阻特性,故可用作NTC(負溫度系數(shù))熱敏電阻。特別是,在熱塑性塑料中摻入導電載流子的半導體塑料,可制成任意形狀,并有可撓性等優(yōu)點。用這種塑料構成的塑料熱敏元件可分為三類:①離子傳導型塑料熱敏電阻;②電子傳導型塑料熱敏電阻;③電介質(zhì)型塑料熱敏電容。離子傳導型是將NMQB離子載流子摻入聚氣乙烯樹脂(PVC)等材料中,從而構成離子導體,當通電時,由于法拉第定律而發(fā)生物質(zhì)位移。因此,通常用外加交流電抑制因物質(zhì)位移產(chǎn)生的效應。電子傳導型是將NaTCNQ等電子和空穴載流子物質(zhì)摻入PVC或聚氨甲酸脂等材料中制作而成,它跟離子傳導型不同,可在外加直流電的情況下使用。電介質(zhì)型是指尼龍系塑料等材料,利用其介電常數(shù)對溫度的依賴性構成熱敏電容。
和陶瓷熱敏電阻相比,塑料熱敏電阻有阻抗髙(約109Ω?cm)、容易進行電路處理、自身發(fā)熱產(chǎn)生的誤差小和電阻溫度系數(shù)大(7%?9%)等優(yōu)點,用于溫度控制可獲得髙精度。利用塑料的成型性和可撓性制作的線狀熱敏電阻,使敏感元件由點狀發(fā)展到線狀,線狀塑料熱敏電阻可用作電毛毯的感溫線等。
2.塑料PTC熱敏電阻
導電粒子摻人晶態(tài)高分子中,即可構成PTC(正溫度系數(shù))熱敏電阻。若碳黑粒子摻人聚乙烯、聚丙烯、乙烯基醋酸鹽共聚物等高分子晶體中,則熔點附近電阻變化顯著。原因是,高分子晶體在熔點時體積急劇增大,碳粒子間的距離增加,從而電阻增大,如下圖所示。這種熱敏電阻可用作自身溫度控制型面狀發(fā)熱體,從玻璃軟化點到熔點附近是PTC熱敏電阻,其作用是發(fā)熱,在熔點附近阻抗變大,可自控發(fā)熱溫度。
圖 塑料PTC熱敏電阻的特性
3.熱釋電型紅外線敏感元件
將熱(紅外線)能轉換為電能的熱釋電性溫度敏感元件,稱熱釋電型紅外線敏感元件。PVF2是熱釋電型紅外線敏感材料,它是具有(CH2-CF2)n鏈的結晶度為30%?50%的氟樹脂,有耐腐蝕、耐熱、耐藥物、耐磨損等優(yōu)點。熱釋電性指數(shù)p/cv?ε(是熱釋電系數(shù),cv是體積比熱,ε是介電常數(shù))越大,輸出電壓的靈敏度越髙。p/cv?ε大的PVF2,在制造時,用單軸低溫延伸法制作β晶體膜,然后在兩面蒸上電極,并在100°C左右加500-1000kV/cm電場15?120min,以使材料極化。PVF2的特點:具可撓性,易成薄膜、大面積化;p/cv?ε大,電壓靈敏度高;熱擴散系數(shù)、空間分辨率髙。