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熱敏電阻

熱敏電阻是早、種類多、發(fā)展較成熟的元器件．熱敏電阻由半導(dǎo)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(dǎo)體的電導(dǎo)為：

　　σ=q（nμn+pμp）

　　因?yàn)閚、p、μn、μp都是依賴溫度T的函數(shù)，所以電導(dǎo)是溫度的函數(shù)，因此可由測量電導(dǎo)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(dǎo)體熱敏電阻的工作原理．

　　熱敏電阻包括正溫度系數(shù)（PTC）和負(fù)溫度系數(shù)（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(diǎn)是：①靈敏度較高，其電阻溫度系數(shù)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℃（目前高可達(dá)到2000℃），低溫器件適用于-273℃～55℃；③體積小，能夠測量其他溫度計(jì)無法測量的空隙、腔體及生物體內(nèi)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(fù)雜的形狀，可大批量生產(chǎn)；⑥穩(wěn)定性好、過載能力強(qiáng)．

　　由于半導(dǎo)體熱敏電阻有的性能，所以在應(yīng)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(guān)、限流器）和電路補(bǔ)償元件．熱敏電阻用于家用電器、電力工業(yè)、通訊、**科學(xué)、宇航等各個(gè)，發(fā)展前景**廣闊．

　　一、PTC熱敏電阻

　　PTC（Positive TemperatureCoeff1Cient）是指在某一溫度下電阻急劇增加、具有正溫度系數(shù)的熱敏電阻現(xiàn)象或材料，可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(jié)體，其中摻入微量的Nb、Ta、Bi、Sb、Y、La等氧化物進(jìn)行原子價(jià)控制而使之半導(dǎo)化，常將這種半導(dǎo)體化的BaTiO3等材料簡稱為半導(dǎo)（體）瓷；同時(shí)還添加增大其正電阻溫度系數(shù)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?zé)Y(jié)而使鈦酸鉑等及其固溶體半導(dǎo)化，從而得到正特性的熱敏電阻材料．其溫度系數(shù)及居里點(diǎn)溫度隨組分及燒結(jié)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(jié)構(gòu)，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(jìn)行適當(dāng)熱處理后，在居里溫度附近，電阻率陡增幾個(gè)數(shù)量級，產(chǎn)生PTC效應(yīng)，此效應(yīng)與BaTiO3晶體的鐵電性及其在居里溫度附近材料的相變有關(guān)．鈦酸鋇半導(dǎo)瓷是一種多晶材料，晶粒之間存在著晶粒間界面．該半導(dǎo)瓷當(dāng)達(dá)到某一特定溫度或電壓，晶體粒界就發(fā)生變化，從而電阻急劇變化．

　　鈦酸鋇半導(dǎo)瓷的PTC效應(yīng)起因于粒界（晶粒間界）．對于導(dǎo)電電子來說，晶粒間界面相當(dāng)于一個(gè)勢壘．當(dāng)溫度低時(shí)，由于鈦酸鋇內(nèi)電場的作用，導(dǎo)致電子極容易越過勢壘，則電阻值較?。?dāng)溫度升高到居里點(diǎn)溫度（即臨界溫度）附近時(shí)，內(nèi)電場受到破壞，它不能幫助導(dǎo)電電子越過勢壘．這相當(dāng)于勢壘升高，電阻值突然增大，產(chǎn)生PTC效應(yīng)．鈦酸鋇半導(dǎo)瓷的PTC效應(yīng)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(yīng)作出了合理解釋．

　　實(shí)驗(yàn)表明，在工作溫度范圍內(nèi)，PTC熱敏電阻的電阻-溫度特性可近似用實(shí)驗(yàn)公式表示：

　　RT=RT0expBp（T-T0）

　　式中RT、RT0表示溫度為T、T0時(shí)電阻值，Bp為該種材料的材料常數(shù)．

　　PTC效應(yīng)起源于陶瓷的粒界和粒界間析出相的性質(zhì)，并隨雜質(zhì)種類、濃度、燒結(jié)條件等而產(chǎn)生變化．近，進(jìn)入實(shí)用化的熱敏電阻中有利用硅片的硅溫度元件，這是體型且精度高的PTC熱敏電阻，由n型硅構(gòu)成，因其中的雜質(zhì)產(chǎn)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(xiàn)，隨后1954年出現(xiàn)了以鈦酸鋇為主要材料的PTC熱敏電阻．PTC熱敏電阻在工業(yè)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(diào)節(jié)，還大量用于民用設(shè)備，如控制瞬間開水器的水溫、空調(diào)器與冷庫的溫度，利用本身加熱作氣體分析和風(fēng)速機(jī)等方面．下面簡介一例對加熱器、馬達(dá)、變壓器、大功率晶體管等電器的加熱和過熱保護(hù)方面的應(yīng)用。

　　PTC熱敏電阻除用作加熱元件外，同時(shí)還能起到“開關(guān)”的作用，兼有元件、加熱器和開關(guān)三種功能，稱之為“熱敏開關(guān)”，如圖2和3所示．電流通過元件后引起溫度升高，即發(fā)熱體的溫度上升，當(dāng)過居里點(diǎn)溫度后，電阻增加，從而限制電流增加，于是電流的下降導(dǎo)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(fù)始，因此具有使溫度保持在特定范圍的功能，又起到開關(guān)作用．利用這種阻溫特性做成加熱源，作為加熱元件應(yīng)用的有暖風(fēng)器、電烙鐵、烘衣柜、空調(diào)等，還可對電器起到過熱保護(hù)作用．

　　二、NTC熱敏電阻

　　NTC（Negative TemperatureCoeff1Cient）是指隨溫度上升電阻呈指數(shù)關(guān)系減小、具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻現(xiàn)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(jìn)行充分混合、成型、燒結(jié)等工藝而成的半導(dǎo)體陶瓷，可制成具有負(fù)溫度系數(shù)（NTC）的熱敏電阻．其電阻率和材料常數(shù)隨材料成分比例、燒結(jié)氣氛、燒結(jié)溫度和結(jié)構(gòu)狀態(tài)不同而變化．現(xiàn)在還出現(xiàn)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(dǎo)瓷大多是尖晶石結(jié)構(gòu)或其他結(jié)構(gòu)的氧化物陶瓷，具有負(fù)的溫度系數(shù)，電阻值可近似表示為：

　　式中RT、RT0分別為溫度T、T0時(shí)的電阻值，Bn為材料常數(shù)．陶瓷晶粒本身由于溫度變化而使電阻率發(fā)生變化，這是由半導(dǎo)體特性決定的．

　　NTC熱敏電阻器的發(fā)展經(jīng)歷了漫長的階段．1834年，科學(xué)家**發(fā)現(xiàn)了硫化銀有負(fù)溫度系數(shù)的特性．1930年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)氧化亞銅-氧化銅也具有負(fù)溫度系數(shù)的性能，并將之成功地運(yùn)用在航空儀器的溫度補(bǔ)償電路中．隨后，由于晶體管的不斷發(fā)展，熱敏電阻器的研究取得重大進(jìn)展．1960年出了N1C熱敏電阻器．NTC熱敏電阻器用于測溫、控溫、溫度補(bǔ)償?shù)确矫妫旅娼榻B一個(gè)溫度測量的應(yīng)用實(shí)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(huán)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(yàn)表頭，也稱校驗(yàn)電阻；R7、R8和W為分壓電阻，為電橋提供一個(gè)穩(wěn)定的直流電源．R6與表頭（微安表）串聯(lián)，起修正表頭刻度和限制流經(jīng)表頭的電流的作用．R5與表頭并聯(lián)，起保護(hù)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?qū)蔷€間的表頭指示也相應(yīng)變化．這就是熱敏電阻器溫度計(jì)的工作原理．

　　熱敏電阻器溫度計(jì)的精度可以達(dá)到0.1℃，感溫時(shí)間可少至10s以下．它不僅適用于糧倉測溫儀，同時(shí)也可應(yīng)用于食品儲存、醫(yī)藥衛(wèi)生、科學(xué)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（Crit1Cal TemperatureResistor）具有負(fù)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(fù)溫度系數(shù)．構(gòu)成材料是釩、鋇、鍶、磷等元素氧化物的混合燒結(jié)體，是半玻璃狀的半導(dǎo)體，也稱CTR為玻璃態(tài)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(zhì)的摻入，使氧化釩的晶格間隔不同造成的．若在適當(dāng)?shù)倪€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(jìn)一步還原為三氧化二釩，則急變消失．產(chǎn)生電阻急變的溫度對應(yīng)于半玻璃半導(dǎo)體物性急變的位置，因此產(chǎn)生半導(dǎo)體-金屬相移．CTR能夠作為控溫報(bào)警等應(yīng)用．

　　熱敏電阻的理論研究和應(yīng)用已取得了引人注目的**．隨著高、精、尖科技的應(yīng)用，對熱敏電阻的導(dǎo)電機(jī)理和應(yīng)用的更深層次的探索，以及對****的新材料的深入研究，將會取得迅速發(fā)展．

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