热敏电阻

热敏电阻的研究与应用

叶昌敏 120081002145

福建省闽江学院电子系 08电子科学与技术 【摘要】

热敏电阻器是敏感元件的一类，按照温度系数不同分为正温度系数热敏阻器（PTC）和负温度系数热敏电阻器（NTC）[4]。热敏电阻器的典型特点是对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电阻值。正温度系数热敏电阻器（PTC）在温度越高时电阻值越大，负温度系数热敏电阻器（NTC）在温度越高时电阻值越低，它们同属于半导体器件。热敏电阻是开发早、种类多、发展较成熟的热电探测器件．热敏电阻由半导体陶瓷材料组成。本文综述了热敏电阻的原理、特征、分类与应用等，并分析了该器件在未来领域中的发展前景与存在的问题。

【关键词】 热敏电阻 正温度系数 负温度系数 温度 电流

Thermistors research and development

【Abstrcat】 A thermistor is sensitive components category, according to temperature coefficient different cent is the temperature coefficient thermistor (PTC) and negative temperature coefficient thermistor (NTC). The typical characteristics of thermal resistor is sensitive to temperature, different temperature show different resistance. Is the temperature coefficient thermistor (PTC) in the higher the temperature is, the greater the resistance value when negative temperature coefficient thermistor (NTC) in the higher the temperature is, the lower the electrical resistance when they belonged to the semiconductor devices. Thermistors is to develop early, many species and development mature thermoelectric detector pieces. Thermistors composed by the semiconductor ceramic materials. This paper summarized the principle, fortement characteristics, classification and application, etc., and analyzes the device in the field of future development foreground and existing problems. 【key word】thermistors Are temperature coefficient Negative temperature coefficient temperature current

一 、前言

热敏电阻的主要特点是：①灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10～100倍以上，能检测出10-6℃的温度变化；②工作温度范围宽，常温器件适用于-55℃～315℃，高温器件适用温度高于315℃（目前最高可达到2000℃），低温器件适用于-273℃～55℃；③体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内

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血管的温度；④使用方便，电阻值可在0.1～100kΩ间任意选择；⑤易加工成复杂的形状，可大批量生产；⑥稳定性好、过载能力强。热敏电阻可作为电子线路元件用于仪表线路温度补偿和温差电偶冷端温度补偿等[10]。利用NTC热敏电阻的自热特性可实现自动增益控制,构成RC振荡器稳幅电路,延迟电路和保护电路。在自热温度远大于环境温度时阻值还与环境的散热条件有关，因此在流速计、流量计、气体分析仪、热导分析中常利用热敏电阻这一特性,制成专用的检测元件。PTC热敏电阻主要用于电器设备的过热保护、无触点继电器、恒温、自动增益控制、电机启动、时间延迟、彩色电视自动消磁、火灾报警和温度补偿等方面[8]。

二、热敏电阻工作原理

热敏电阻将长期处于不动作状态；当环境温度和电流处于c区时，热敏电阻的散热功率与发热功率接近，因而可能热敏电阻动作也可能不动作。热敏电阻在环境温度相同时，动作时间随着电流的增加而急剧缩短；热敏电阻在环境温度较高时具有更短的动作时间和较小的维持电流及动作电流[9]。

当电路正常工作时，热敏电阻温度与室温相近、电阻很小，串联在电路中不会阻碍电流通过；而当电路因故障而出现过电流时，热敏电阻由于发热功率增加导致温度上升，当温度超过开关温度（ts，见图）时，电阻瞬间会剧增,回路中的电流迅速减小到安全值.为热敏电阻对交流电路保护过程中电流的变化示意图。热敏电阻动作后，电路中电流有了大幅度的降低，图中t为热敏电阻的动作时间。由于高分子ptc热敏电阻的可设计性好，可通过改变自身的开关温度（ts）来调节其对温度的敏感程度，因而可同时起到过温保护和过流保护两种作用，如kt16－1700dl规格热敏电阻由于动作温度很低，因而适用于锂离子电池和镍氢电池的过流及过温保护。环境温度对高分子ptc热敏电阻的影响 高分子ptc热敏电阻是一种直热式、阶跃型热敏电阻，其电阻变化过程与自身的发热和散热情况有关，因而其维持电流（ihold）、动作电流（itrip）及动作时间受环境温度影响。当环境温度和电流处于a区时，热敏电阻发热功率大于散热功率而会动作；当环境温度和电流处于b区时发热功率小于散热功率，高分子ptc热敏电阻由于电阻可恢复，因而可以重复多次使用。热敏电阻动作后，恢复过程中电阻一般在十几秒到几十秒中即可恢复到初始值1.6倍左右的水平，此时热敏电阻的维持电流已经恢复到额定值，可以再次使用了。面积和厚度较小的热敏电阻恢复相对较快；而面积和厚度较大的热敏电阻恢复相对较[1]。

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按温度特性热敏电阻可分为两类，随温度上升电阻增加的为正温度系数热敏电阻，反之为负温度系数热敏电阻。

1、正温度系数热敏电阻的工作原理

PTC是一种多晶体材料，晶粒之间存在着晶粒界面，对于导电电子而言，晶粒间界面相当于一个位垒。当温度低时，由于半导体化钛酸钡内电场的作用，导电电子可以很容易越过位垒，所以电阻值较小；当温度升高到居里点温度（即临界温度，此元件的‘温度控制点’ 一般钛酸钡的居里点为120℃）时，内电场受到破坏，不能帮助导电电子越过位垒，所以表现为电阻值的急剧增加。因为这种元件具有未达居里点前电阻随温度变化非常缓慢，具有恒温、调温和自动控温的功能，只发热，不发红，无明火，不易燃烧，电压交、直流3～440V均可，使用寿命长，非常适用于电动机等电器装置的过热探测压力传感器。

PTC在某一温度下电阻急剧增加、具有正温度系数的热敏电阻现象或材料，可专门用作恒定温度传感器．该材料是以BaTiO3或SrTiO3或PbTiO3为主要成分的烧结体，其中掺入微量的Nb、Ta、 Bi、La等氧化物进行原子价控制而使之半导化，常将这种半导体化的BaTiO3等材料简称为半导（体）瓷；同时还添加增大其正电温度系数的Mn、Fe、Cu、Cr的氧化物和起其他作用的添加物，采用一般陶瓷工艺成形、高温烧结而使钛酸铂等及其固溶体半导化，从而得到正特性的热敏电阻材料．其温度系数及居里点温度随组分及烧结条件（尤其是冷却温度）不同而变化。钛酸钡晶体属于钙钛矿型结构，是一种铁电材料，纯钛酸钡是一种绝缘材料．在钛酸钡材料中加入微量稀土元素，进行适当热处理后，在居里温度附近，电阻率陡增几个数量级，产生PTC效应，此效应与BaTiO3晶体的铁电性及其在居里温度附近材料的相变有关．钛酸钡半导瓷是一种多晶材料，晶粒之间存在着晶粒间界面。该半导瓷当达到某一特定温度或电压，晶体粒界就发生变化，从而电阻急剧变化，钛酸钡半导瓷的PTC效应起因于粒界。对于导电电子来说，晶粒间界面相当于一个势垒．当温度低时，由于钛酸钡内电场的作用，导致电子极容易越过势垒，则电阻值较小．当温度升高到居里点温度（即临界温度）附近时，内电场受到破坏，它不能帮助导电电子越过势垒．这相当于势垒升高，电阻值突然增大，产生PTC效应．钛酸钡半导瓷的PTC效应的物理模型有海望表面势垒模型、丹尼尔斯等人的钡缺位模型和叠加势垒模型，它们分别从不同方面对PTC效应作出了合理解释．PTC效应起源于陶瓷的粒界和粒界间析出相的性质，并随杂质种类、浓度、烧结条件等而产生显著变化．最近，进入实用化的热敏电阻中有利用硅片的硅温度敏感元件，这是体型且精度高的PTC热敏电阻，由n型硅构成，因其中的杂质产生的电子散射随温度上升而增加，从而电阻增加．

2、 负温度系数热敏电阻的工作原理 负温度系数热敏电阻是以氧化锰、氧化钴、氧化镍、氧化铜和氧化铝等金属氧化物为主要原料，采用陶瓷工艺制造而成。这些金属氧化物材料都具有半导体性质，完全类似于锗、硅晶体材料，体内的载流子（电子和空穴）数目少，电阻较高；温度升高，体内载流子数目增加，自然电阻值降低。负温度系数热敏电阻类型很多，响应快、寿命长、价格低等优点，广泛应用于需要定点测温的温度自动控制电路，如冰箱、空调、温室等的温控系统。热敏电阻与简单的放大电路结合，就可检测千

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分之一度的温度变化，所以和电子仪表组成测温计，能完成高精度的温度测量。普通用途热敏电阻工作温度为-55℃～+315℃，特殊低温热敏电阻的工作温度低于-55℃，可达-273℃角度传感器。NTC热敏电阻随温度上升电阻呈指数关系减小。NTC热敏半导瓷大多是尖晶石结构或其他结构的氧化物陶瓷，具有负的温度系数，陶瓷晶粒本身由于温度变化而使电阻率发生变化，这是由半导体特性决定的． 它的测量范围一般为-10～+300℃，也可做到-200～+10℃，甚至可用于+300～+1200℃环境中作测温用．RT为NTC热敏电阻器；R2和R3是电桥平衡电阻；R1为起始电阻；R4为满刻度电阻，校验表头，也称校验电阻；R7、R8和W为分压电阻，为电桥提供一个稳定的直流电源．R6与表头（微安表）串联，起修正表头刻度和限制流经表头的电流的作用．R5与表头并联，起保护作用．在不平衡电桥臂（即R1、RT）接入一只热敏元件RT作温度传感探头．由于热敏电阻器的阻值随温度的变化而变化，因而使接在电桥对角线间的表头指示也相应变化．这就是热敏电阻器温度计的工作原理[11]．

三、热敏电阻应用系统

如下图是利用热敏电阻测量温度的典型电路。电阻R1将热敏电阻的电压拉升到参考电压，一般它与ADC的参考电压一致，因此如果ADC的参考电压是5V，Vref也将是5V。热敏电阻和电阻串联产生分压，其阻值变化使得节点处电压也产生变化[7]。

下面介绍2种典型热敏电阻应用系统：

1、电子体温计 电子体温计的电路如图所示。热敏电阻RT和R1、R2、R3及RP1。在温度为20℃时，选择R1、R3并调节RP1，使电桥平衡。当温度升高时，热敏电阻RT的阻值变小，电桥处于不平衡状态，电桥输出的不平衡电压由运算放大器放大，放大后的不平衡电压引起接在运算放大器反馈电路中的微安表的相应偏转[3]。

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2、电热水器控温器 下图所示电路是电热水器温度控制器电路。电路主要由热敏电阻RT、比较器、驱动电路及加热器RL等组成。通过电路可自动控制加热器的开闭，使水温保持在90℃。热敏电阻在25℃时的阻值为1OOkΩ，温度系数为1K/℃。在比较器的反相输入端加有3.9V的基准电压，在比较器的同相输入端加有RP和热敏电阻RT的分压电压。当水温低于90℃时，比较器IC输出高电位，驱动VT，和VT2导通，使继电器K工作，闭合加热器电路;当水温高于90℃:时，比较器IC输出端变为低电位，VT1和VT2截止，继电器K则断开加热器电路。调节RP可得到要求的水温[11]。

四、热敏电阻的发展与现状

PTC热敏电阻于1950年出现，随后1954年出现了以钛酸钡为主要材料的PTC热敏电阻。PTC热敏电阻在工业上可用作温度的测量与控制，也用于汽车某部位的

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温度检测与调节，还大量用于民用设备，如控制瞬间开水器的水温、空调器与冷库的温度，利用本身加热作气体分析和风速机等方面．对加热器、马达、变压器、大功率晶体管等电器的加热和过热保护方面的作用。除用作加热元件外，同时还能起到“开关”的作用，兼有敏感元件、加热器和开关三种功能，称之为“热敏开关”．电流通过元件后引起温度升高，即发热体的温度上升，当超过居里点温度后，电阻增加，从而限制电流增加，于是电流的下降导致元件温度降低，电阻值的减小又使电路电流增加，元件温度升高，周而复始，因此具有使温度保持在特定范围的功能，又起到开关作用．利用这种阻温特性做成加热源，作为加热元件应用的有暖风器、电烙铁、烘衣柜、空调等，还可对电器起到过热保护作用． NTC热敏电阻器的发展经历了漫长的阶段．1834年，科学家首次发现了硫化银有负温度系数的特性．1930年，科学家发现氧化亚铜-氧化铜也具有负温度系数的性能，并将之成功地运用在航空仪器的温度补偿电路中．随后，由于晶体管技术的不断发展，热敏电阻器的研究取得重大进展．1960年研制出了N1C热敏电阻器．NTC热敏电阻器广泛用于测温、控温、温度补偿等方面[2]．

五、小结

由于热敏电阻具有测温精度高、互换性好、可靠性高等特点，在温度测量、控制、补偿等方面应用十分广泛。目前，热敏电阻在整个温敏器件领域已经占据40％以上的市场份额，随着智能化仪器仪表对高精度热敏器件需求的日益扩大，以及手持电话、掌上电脑（PersonalDigitalAssistants,PDA）、笔记本电脑和其它便携式信息及通信设备的迅速普及，进一步带动了温度传感器和热敏电阻的大量需求，主要表现在：大量使用的二次电池、液晶显示器（LCD）、温度补偿型晶体振荡器（Temperature－CompensatedCrystalOscillators,TCXO）等都必须采用热敏电阻进行温度补偿，以保证器件性能稳定；高密度组装的电路结构对温度测量和控制的要求也就更加迫切[8]。 但是热敏电阻还是存在些缺点：①阻值与温度的关系非线性严重；②元件的一致性差，互换性差；③元件易老化，稳定性较差；④除特殊高温热敏电阻外，绝大多数热敏电阻仅适合0～150℃范围，使用时必须注意[4]。

参 考 文 献

[1] 张国栋 热敏电阻非线性1994年05期

[2] 刘润久 热敏电阻测温技术发展动态 国外计量, 1979 [3] 刘润久 热敏电阻温度计 工业仪表与自动化装置, 1984 [4] 吴雄 热敏电阻及其应用 国营第4431厂 1985 [5] 徐定松. 热敏电阻温度计 中国医学物理学杂志, 1987

[6] 毕强, 郭乃宁. 低温热敏电阻的复现性实验宇航计测技术, 1983

[7] A.A.Khan, 杰雄. 利用热敏电阻的温度-频率线性转换器 国外计量, 1983 [8] 徐开先,叶济民编 热敏电阻器 机械工业出版社 2000 [9] 麦德林 热敏电阻 万里出版 2000 [10] 安迪生 热敏电阻器 国外传感技术 2000

[11] 钟彩霞 热敏电阻实用技术 成都科技大学出版社 1994

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