HUMIDITY SENSORS BASED ON SnO2 -Co3 O4 -Nb2 O5 -Cr2 O3 SEMICONDUCTOR VARISTOR CERAMICS

Abstract

The varistor effect in SnO 2 -Co 3 O 4 -Nb 2 O 5 -Cr 2 O 3 ceramics with different additions is accompanied by a strong humidity-sensitivity effect in the low-field electrical conductivity. The low-field electrical conductivity and dielectric permittivity of ceramics are increased when air relative humidity rises from 10 to 93%. Such effects are observed both in the samples prepared by solid-phase sintering without or with CaO addition and in the samples prepared by liquid-phase sintering with CuO or V 2 O 5 additions. The lowest humidity-sensitivity effect was found in the liquid-phase sintering samples due to the more solid structures and the secondary phases which are located between the SnO 2 grains. For the studied samples the values of humidity sensitivity coefficient 1.8·10 3 -3.2·10 5 at low electric fields and the nonlinearity coefficient 30-57 at high electric fields (E 1 = 5.3-7 kV·cm -1 ) were calculated. The properties of oxide ceramics are explained by electrical conductivity which is controlled by the grain-boundary potential barriers. The barrier height decreases with the increase both of air relative humidity at low electric fields and of voltage at high electric fields. Strong humidity sensitivity is a key factor for sensor application of SnO 2based ceramics. кераміці з різними домішками супроводжувався сильним вологочутливим ефектом для електричної провідності у слабкому полі. Електропровідність у слабких полях і діелектрична проникність кераміки збільшувались при зростанні відносної вологості повітря з 10 до 93%. Такі ефекти спостерігались як для твердо-фазних синтезованих зразків без або з CaO домішкою, так і для рідко-фазних синтезованих зразків з CuO або V 2 O 5 домішками. Найменшу вологочутливість мають рідкофазні синтезовані зразки у зв'язку з їх більш щільною структурою й існуючими вторинними фазами, які розташовуються між зернами SnO 2 . Для досліджених зразків обчислені значення коефіцієнта вологочутливості 1,8·10 3 -3,2·10 5 при слабких електричних полях і коефіцієнта нелінійності 30-57 при сильних електричних полях (E 1 = 5,3-7 кВ·см -1 ). Властивості оксидної кераміки пояснюються електричною провідністю, яка контролюється потенціальними бар'єрами на межах зерен. Висота бар'єрів зменшується як зі збільшенням відносної вологості повітря при слабких електричних полях, так і напруги при сильних електричних полях. Велика вологочутливість є ключовим фактором для сенсорного використання кераміки на основі SnO 2 .Ключові слова: сенсор вологості, оксид олова, варистор, оксидна кераміка, межа зерен, електрична провідність СЕНСОРЫ ВЛАЖНОСТИ НА ОСНОВЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ВАРИСТОРНОЙ КЕРАМИКИ SnO 2 -Co 3 O 4 -Nb 2 O 5 -Cr 2 O 3 А. В. ГапоновАннотация. Варисторный эффект в SnO 2 -Co 3 O 4 -Nb 2 O 5 -Cr 2 O 3 керамике с различными добавками сопровождался сильным влагочувствительным эффектом для электрической проводимости в слабом поле. Электропроводность в слабых полях и диэлектрическая проницаемость керамики увеличивались при повышении относительной влажности воздуха с 10 до 93%. Такие эффекты набл...