詳細介紹熱敏電阻

詳細介紹熱敏電阻

　　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）．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zui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*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
　　PTC（Positive 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，則電阻值較小．當溫度升高到居里點溫度（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=RT0expBp（T-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．zui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”．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
　　NTC（Negative 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，具有負的溫度系數，電阻值可近似表示為：
　　式中RT、RT0分別為溫度T、T0時的電阻值，Bn為材料常數．陶瓷晶粒本身由于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熱敏電阻器的發展經歷了漫長的階段．1834年，科學家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．下面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．
　　它的測量范圍一般為-10～+300℃，也可做到-200～+10℃，甚至可用于+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制流經表頭的電流的作用．R5與表頭并聯，起保護作用．在不平衡電橋臂（即R1、RT）接入一只熱敏元件RT作溫度傳感探頭．由于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
　　臨界溫度熱敏電阻CTR（CritiCal 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．