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          熱敏電阻介紹
          來源:www.ouyeung.com 發布時間:2017年09月27日

          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,并能做出電阻-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系數(PTC)和負溫度系數(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,其電阻溫度系數要比金屬大10~100倍以上,能檢測出10-6℃的溫度變化;②工作溫度范圍寬,常溫器件適用于-55℃~315℃,高溫器件適用溫度高于315℃(目前最高可達到2000℃),低溫器件適用于-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易加工成復雜的形狀,可大批量生產;⑥穩定性好、過載能力強.

           

          由于半導體熱敏電阻有獨特的性能,所以在應用方面,它不僅可以作為測量元件(如測量溫度、流量、液位等),還可以作為控制元件(如熱敏開關、限流器)和電路補償元件.熱敏電阻廣泛用于家用電器、電力工業、通訊、軍事科學、宇航等各個領域,發展前景極其廣闊.

           

          一、PTC熱敏電阻器

          PTCPositive Temperature Coeff1Cient)是指在某一溫度下電阻急劇增加、具有正溫度系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BaTiO3SrTiO3PbTiO3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制而使之半導化,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系數的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.其溫度系數及居里點溫度隨組分及燒結條件(尤其是冷卻溫度)不同而變化.

          鈦酸鋇晶體屬于鈣鈦礦型結構,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,進行適當熱處理后,在居里溫度附近,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里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面.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效應起因于粒界(晶粒間界).對于導電電子來說,晶粒間界面相當于一個勢壘.當溫度低時,由于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?。敎囟壬叩骄永稂c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.這相當于勢壘升高,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面勢壘模型、丹尼爾斯等人的鋇缺位模型和疊加勢壘模型,它們分別從不同方面對PTC效應作出了合理解釋.

          實驗表明,在工作溫度范圍內,PTC熱敏電阻的電阻-溫度特性可近似用實驗公式表示:

          RT=RT0expBpT-T0

          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效應起源于陶瓷的粒界和粒界間析出相的性質,并隨雜質種類、濃度、燒結條件等而產生顯著變化.最近,進入實用化的熱敏電阻中有利用硅片的硅溫度敏感元件,這是體型且精度高的PTC熱敏電阻,由n型硅構成,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.

          PTC熱敏電阻于1950年出現,隨后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制,也用于汽車某部位的溫度檢測與調節,還大量用于民用設備,如控制瞬間開水器的水溫、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面.下面簡介一例對加熱器、馬達、變壓器、大功率晶體管等電器的加熱和過熱保護方面的應用。

          PTC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23所示.電流通過元件后引起溫度升高,即發熱體的溫度上升,當超過居里點溫度后,電阻增加,從而限制電流增加,于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,周而復始,因此具有使溫度保持在特定范圍的功能,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、烘衣柜、空調等,還可對電器起到過熱保護作用.


           

          二、NTC熱敏電阻器

           

          NTCNegative Temperature Coeff1Cient)是指隨溫度上升電阻呈指數關系減小、具有負溫度系數的熱敏電阻現象和材料.該材料是利用錳、銅、硅、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,可制成具有負溫度系數(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硅、硒化錫、氮化鉭等為代表的非氧化物系NTC熱敏電阻材料.

           

          NTC熱敏電阻器的發展經歷了漫長的階段.1834年,科學家首次發現了硫化銀有負溫度系數的特性.1930年,科學家發現氧化亞銅-氧化銅也具有負溫度系數的性能,并將之成功地運用在航空儀器的溫度補償電路中.隨后,由于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年研制出了N1C熱敏電阻器.NTC熱敏電阻器廣泛用于測溫、控溫、溫度補償等方面。

           

          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.它不僅適用于糧倉測溫儀,同時也可應用于食品儲存、醫藥衛生、科學種田、海洋、深井、高空、冰川等方面的溫度測量.

           

          三、CTR熱敏電阻器

           

                臨界溫度熱敏電阻CTR(Crit1Cal Temperature Resistor)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,具有很大的負溫度系數.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.這是由于不同雜質的摻入,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于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.

           


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