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熱敏電阻
日期：2023-04-12 17:34
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摘要：
熱敏電阻是開發早、種類多、發展較成熟的敏感元器件．熱敏電阻由半導體陶瓷材料組成，利用的原理是溫度引起電阻變化．若電子和空穴的濃度分別為n、p，遷移率分別為μn、μp，則半導體的電導為：
σ=q（nμn+pμp）
因為n、p、μn、μp都是依賴溫度T的函數，所以電導是溫度的函數，因此可由測量電導而推算出溫度的高低，並能做出電阻-溫度特性曲線．這就是半導體熱敏電阻的工作原理．
熱敏電阻包括正溫度係數（PTC）和負溫度係數（NTC）熱敏電阻，以及臨界溫度熱敏電阻（CTR）．它們的電阻-溫度特性如圖1所示．熱敏電阻的主要特點是：①靈敏度較高，其電阻溫度係數要比金屬大10～100倍以上，能檢測出10-6℃的溫度變化；②工作溫度範圍寬，常溫器件適用於-55℃～315℃，高溫器件適用溫度高於315℃（目前*高可達到2000℃），低溫器件適用於-273℃～55℃；③體積小，能夠測量其他溫度計無法測量的空隙、腔體及生物體內血管的溫度；④使用方便，電阻值可在0.1～100kΩ間任意選擇；⑤易加工成複雜的形狀，可大批量生產；⑥穩定性好、過載能力強．
由於半導體熱敏電阻有獨特的性能，所以在應用方麵，它不僅可以作為測量元件（如測量溫度、流量、液位等），還可以作為控製元件（如熱敏開關、限流器）和電路補償元件．熱敏電阻廣泛用於家用電器、電力工業、通訊、**科學、宇航等各個領域，發展前景極其廣闊．
一、PTC熱敏電阻
PTC
鈦酸鋇晶體屬於鈣鈦礦型結構，是一種鐵電材料，純鈦酸鋇是一種絕緣材料．在鈦酸鋇材料中加入微量稀土元素，進行適當熱處理後，在居裏溫度附近，電阻率陡增幾個數量級，產生PTC效應，此效應與BaTiO3晶體的鐵電性及其在居裏溫度附近材料的相變有關．鈦酸鋇半導瓷是一種多晶材料，晶粒之間存在著晶粒間界麵．該半導瓷當達到某一特定溫度或電壓，晶體粒界就發生變化，從而電阻急劇變化．
鈦酸鋇半導瓷的PTC效應起因於粒界（晶粒間界）．對於導電電子來說，晶粒間界麵相當於一個勢壘．當溫度低時，由於鈦酸鋇內電場的作用，導致電子極容易越過勢壘，則電阻值較小．當溫度升高到居裏點溫度（即臨界溫度）附近時，內電場受到破壞，它不能幫助導電電子越過勢壘．這相當於勢壘升高，電阻值突然增大，產生PTC效應．鈦酸鋇半導瓷的PTC效應的物理模型有海望表麵勢壘模型、丹尼爾斯等人的鋇缺位模型和疊加勢壘模型，它們分別從不同方麵對PTC效應作出了合理解釋．
實驗表明，在工作溫度範圍內，PTC熱敏電阻的電阻-溫度特性可近似用實驗公式表示：
R
式中RT、RT0表示溫度為T、T0時電阻值，Bp為該種材料的材料常數．
PTC
PTC
PTC
二、NTC熱敏電阻
NTC
NTC
式中RT、RT0分別為溫度T、T0時的電阻值，Bn為材料常數．陶瓷晶粒本身由於溫度變化而使電阻率發生變化，這是由半導體特性決定的．
NTC
它的測量範圍一般為-10～+300℃，也可做到-200～+10℃，甚至可用於+300～+1200℃環境中作測溫用．RT為NTC熱敏電阻器；R2和R3是電橋平衡電阻；R1為起始電阻；R4為滿刻度電阻，校驗表頭，也稱校驗電阻；R7、R8和W為分壓電阻，為電橋提供一個穩定的直流電源．R6與表頭（微安表）串聯，起修正表頭刻度和限製流經表頭的電流的作用．R5與表頭並聯，起保護作用．在不平衡電橋臂（即R1、RT）接入一隻熱敏元件RT作溫度傳感探頭．由於熱敏電阻器的阻值隨溫度的變化而變化，因而使接在電橋對角線間的表頭指示也相應變化．這就是熱敏電阻器溫度計的工作原理．
熱敏電阻器溫度計的精度可以達到0.1℃，感溫時間可少至10s以下．它不僅適用於糧倉測溫儀，同時也可應用於食品儲存、醫藥衛生、科學種田、海洋、深井、高空、冰川等方麵的溫度測量．
三、CTR熱敏電阻
臨界溫度熱敏電阻CTR（Crit1Cal TemperatureResistor）具有負電阻突變特性，在某一溫度下，電阻值隨溫度的增加激劇減小，具有很大的負溫度係數．構成材料是釩、鋇、鍶、磷等元素氧化物的混合燒結體，是半玻璃狀的半導體，也稱CTR為玻璃態熱敏電阻．驟變溫度隨添加鍺、鎢、鉬等的氧化物而變．這是由於不同雜質的摻入，使氧化釩的晶格間隔不同造成的．若在適當的還原氣氛中五氧化二釩變成二氧化釩，則電阻急變溫度變大；若進一步還原為三氧化二釩，則急變消失．產生電阻急變的溫度對應於半玻璃半導體物性急變的位置，因此產生半導體-金屬相移．CTR能夠作為控溫報警等應用．
熱敏電阻的理論研究和應用開發已取得了引人注目的成果．隨著高、精、尖科技的應用，對熱敏電阻的導電機理和應用的更深層次的探索，以及對性能優良的新材料的深入研究，將會取得迅速發展．
熱敏電阻器的發展經曆了漫長的階段．1834年，科學家**發現了硫化銀有負溫度係數的特性．1930年，科學家發現氧化亞銅-氧化銅也具有負溫度係數的性能，並將之成功地運用在航空儀器的溫度補償電路中．隨後，由於晶體管技術的不斷發展，熱敏電阻器的研究取得重大進展．1960年研製出了N1C熱敏電阻器．NTC熱敏電阻器廣泛用於測溫、控溫、溫度補償等方麵．下麵介紹一個溫度測量的應用實例，NTC熱敏電阻測溫用原理如圖4所示．熱敏半導瓷大多是尖晶石結構或其他結構的氧化物陶瓷，具有負的溫度係數，電阻值可近似表示為：（NegativeTemperatureCoeff1Cient）是指隨溫度上升電阻呈指數關係減小、具有負溫度係數的熱敏電阻現象和材料．該材料是利用錳、銅、矽、鈷、鐵、鎳、鋅等兩種或兩種以上的金屬氧化物進行充分混合、成型、燒結等工藝而成的半導體陶瓷，可製成具有負溫度係數（NTC）的熱敏電阻．其電阻率和材料常數隨材料成分比例、燒結氣氛、燒結溫度和結構狀態不同而變化．現在還出現了以碳化矽、硒化錫、氮化鉭等為代表的非氧化物係NTC熱敏電阻材料．熱敏電阻除用作加熱元件外，同時還能起到“開關”的作用，兼有敏感元件、加熱器和開關三種功能，稱之為“熱敏開關”，如圖2和3所示．電流通過元件後引起溫度升高，即發熱體的溫度上升，當超過居裏點溫度後，電阻增加，從而限製電流增加，於是電流的下降導致元件溫度降低，電阻值的減小又使電路電流增加，元件溫度升高，周而複始，因此具有使溫度保持在特定範圍的功能，又起到開關作用．利用這種阻溫特性做成加熱源，作為加熱元件應用的有暖風器、電烙鐵、烘衣櫃、空調等，還可對電器起到過熱保護作用．熱敏電阻於1950年出現，隨後1954年出現了以鈦酸鋇為主要材料的PTC熱敏電阻．PTC熱敏電阻在工業上可用作溫度的測量與控製，也用於汽車某部位的溫度檢測與調節，還大量用於民用設備，如控製瞬間開水器的水溫、空調器與冷庫的溫度，利用本身加熱作氣體分析和風速機等方麵．下麵簡介一例對加熱器、馬達、變壓器、大功率晶體管等電器的加熱和過熱保護方麵的應用。效應起源於陶瓷的粒界和粒界間析出相的性質，並隨雜質種類、濃度、燒結條件等而產生顯著變化．*近，進入實用化的熱敏電阻中有利用矽片的矽溫度敏感元件，這是體型且精度高的PTC熱敏電阻，由n型矽構成，因其中的雜質產生的電子散射隨溫度上升而增加，從而電阻增加．T=RT0expBp（T-T0）（Positive TemperatureCoeff1Cient）是指在某一溫度下電阻急劇增加、具有正溫度係數的熱敏電阻現象或材料，可專門用作恒定溫度傳感器．該材料是以BaTiO3或SrTiO3或PbTiO3為主要成分的燒結體，其中摻入微量的Nb、Ta、Bi、Sb、Y、La等氧化物進行原子價控製而使之半導化，常將這種半導體化的BaTiO3等材料簡稱為半導（體）瓷；同時還添加增大其正電阻溫度係數的Mn、Fe、Cu、Cr的氧化物和起其他作用的添加物，采用一般陶瓷工藝成形、高溫燒結而使鈦酸鉑等及其固溶體半導化，從而得到正特性的熱敏電阻材料．其溫度係數及居裏點溫度隨組分及燒結條件（尤其是冷卻溫度）不同而變化．
