熱敏電阻器:熱敏感的半導體電阻-中文百科頻道

科技名詞定義

中文名稱：熱敏電阻器

英文名稱：thermistor

定義：電阻值随其電阻體溫度的變化而顯著變化的熱敏元件。

所屬學科：機械工程（一級學科）；儀器儀表元件（二級學科）；儀器儀表機械元件-敏感元件（三級學科）

簡介

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别為n、p，遷移率分别為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。

熱敏電阻器

電阻值随溫度變化而變化的敏感元件。

在工作溫度範圍内，電阻值随溫度上升而增加的是正溫度系數(PTC)熱敏電阻器；電阻值随溫度上升而減小的是負溫度系數(NTC)熱敏電阻器。圖中為四種常見的熱敏電阻器的電阻－溫度特性曲線。曲線1是金屬熱敏電阻器。它的電阻值随溫度上升而線性增加，電阻溫度系數為+0。004K左右。曲線2是普通負溫度系數熱敏電阻器。它的電阻值随溫度上升而呈指數減小，室溫下的電阻溫度系數為-0。02K～-0。06K。曲線3是臨界熱敏電阻器(CTR)。它的電阻值在某一特定溫度附近随溫度上升而急劇減小，變化量達到2～4個數量級。曲線4A和4B是钛酸鋇系正溫度系數熱敏電阻器。前者為緩變型，室溫下的電阻溫度系數在+0。03～+0。08K之間；後者為開關型，在某一較小溫度區間，電阻值急增幾個數量級，電阻溫度系數可達+0。10～+0。60K。

1871年西門子公司首先用純鉑制成測溫用鉑熱敏電阻器，之後又出現純銅和純鎳熱敏電阻器。這類純金屬熱敏電阻器有極好的重複性和穩定性。早在1834年以前，M。法拉第就發現硫化銀等半導體材料具有很大的負電阻溫度系數。但直到20世紀30年代，才使用硫化銀、二氧化鈾等材料制成有實用價值的熱敏電阻器。1940年美國J。A。貝克等人發現某些過渡金屬氧化物經混合燒結後，成為具有很大負溫度系數的半導體，而且性能相當穩定。1946年後生産的普通負溫度系數熱敏電阻器，絕大多數是用這種合成氧化物半導體制成的。1954年P。W。哈依曼等人發現添加微量稀土元素的钛酸鋇陶瓷具有較理想的正電阻溫度系數，以後在此基礎上制成了熱敏電阻器，并發展成系列品種，應用範圍日益擴大。

分類

熱敏電阻器可按電阻溫度特性、材料、結構、工作方式、工作溫度和用途分類。

特性參數

熱敏電阻器的主要特性參數有電阻－溫度特性、電壓-電流特性和熱時間常數。

①電阻-溫度特性：特性曲線如圖所示。金屬熱敏電阻器的電阻-溫度關系可表示為 n

Rt＝R0(1＋αt)　　　　　　　　n

(1)式中Rt為溫度t℃時的電阻值，R0為溫度0℃時的電阻值，α為工作溫度區間的平均溫度系數。普通負溫度系數熱敏電阻器的電阻溫度關系可表示為 n

RT＝Ae　　　　　　　　 n

(2)式中RT為溫度T(K)時的電阻值，A為與熱敏電阻器材料和結構有關的系數，B為材料的特性常數。根據溫度系數的定義，n

于是，α和B的關系是

臨界熱敏電阻器以及钛酸鋇系正溫度系數熱敏電阻器的電阻溫度關系不易用數學式表達，一般用特性曲線或某溫度下的電阻溫度系數值來表示。

②電壓-電流特性：在規定溫度和靜止空氣中，熱敏電阻器達到熱平衡時兩端的電壓與其中流過的穩态電流之間的關系，通常呈非線性。

③熱時間常數：當環境溫度從溫度T1突變到溫度T2，熱敏電阻體的溫度變化到等于(T2-T1)的63。2％時所需的時間。

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）。

特點

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工作溫度範圍寬，常溫器件适用于-55℃～315℃，高溫器件适用溫度高于315℃（目前最高可達到2000℃），低溫器件适用于-273℃～55℃；

③體積小，能夠測量其他溫度計無法測量的空隙、腔體及生物體内血管的溫度；

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，可大批量生産；⑥穩定性好、過載能力強。

工作原理

熱敏電阻将長期處于不動作狀态；當環境溫度和電流處于c區時，熱敏電阻的散熱功率與發熱功率接近，因而可能

熱敏電阻動作也可能不動作。熱敏電阻在環境溫度相同時，動作時間随着電流的增加而急劇縮短；熱敏電阻在環境溫度相對較高時具有更短的動作時間和較小的維持電流及動作電流。

1、ptc效應是一種材料具有ptc(positive temperature coefficient)效應，即正溫度系數效應，僅指此材料的電阻會随溫度的升高而增加。如大多數金屬材料都具有ptc效應。在這些材料中，ptc效應表現為電阻随溫度增加而線性增加，這就是通常所說的線性ptc效應。

2、非線性PTC效應經過相變的材料會呈現出電阻沿狹窄溫度範圍内急劇增加幾個至十幾個數量級的現象，即非線性ptc效應，相當多種類型的導電聚合體會呈現出這種效應，如高分子ptc熱敏電阻。這些導電聚合體對于制造過電流保護裝置來說非常有用。

3、高分子ptc熱敏電阻用于過流保護高分子ptc熱敏電阻又經常被人們稱為自恢複保險絲（下面簡稱為熱敏電阻），由于具有獨特的正溫度系數電阻特性，因而極為适合用作過流保護器件。熱敏電阻的使用方法象普通保險絲一樣，是串聯在電路中使用，如圖2所示。

當電路正常工作時，熱敏電阻溫度與室溫相近、電阻很小，串聯在電路中不會阻礙電流通過；而當電路因故障而出現過電流時，熱敏電阻由于發熱功率增加導緻溫度上升，當溫度超過開關溫度（ts，如圖1所示）時，電阻瞬間會劇增，回路中的電流迅速減小到安全值。圖3為熱敏電阻對交流電路保護過程中電流的變化示意圖。熱敏電阻動作後，電路中電流有了大幅度的降低。

圖中t為熱敏電阻的動作時間。由于高分子ptc熱敏電阻的可設計性好，可通過改變自身的開關溫度（ts）來調節其對溫度的敏感程度，因而可同時起到過溫保護和過流保護兩種作用，如kt16－1700dl規格熱敏電阻由于動作溫度很低，因而适用于锂離子電池和鎳氫電池的過流及過溫保護。

溫度特性

熱敏電阻的電阻－溫度特性可近似地用下式表示：R=R0exp{B(1/T-1/T0)}：R:溫度T(K)時的電阻值、Ro:溫度T0、(K)時的電阻值、B:B值、*T(K)=t(ºC)+273。15。實際上，熱敏電阻的B值并非是恒定的，其變化大小因材料構成而異，最大甚至可達5K/°C。因此在較大的溫度範圍内應用式1時，将與實測值之間存在一定誤差。此處，若将式1中的B值用式2所示的作為溫度的函數計算時，則可降低與實測值之間的誤差，可認為近似相等。

BT=CT2+DT+E，上式中，C、D、E為常數。另外，因生産條件不同造成的B值的波動會引起常數E發生變化，但常數C、D不變。因此，在探讨B值的波動量時，隻需考慮常數E即可。常數C、D、E的計算，常數C、D、E可由4點的(溫度、電阻值)數據(T0，R0)。(T1，R1)。(T2，R2)and(T3，R3)，通過式3∼6計算。首先由式樣3根據T0和T1，T2，T3的電阻值求出B1，B2，B3，然後代入以下各式樣。

電阻值計算例：試根據電阻－溫度特性表，求25°C時的電阻值為5(kΩ)，B值偏差為50(K)的熱敏電阻在10°C～30°C的電阻值。步驟(1)根據電阻－溫度特性表，求常數C、D、E。To=25+273。15T1=10+273。15T2=20+273。15T3=30+273。15(2)代入BT=CT2+DT+E+50，求BT。(3)将數值代入R=5exp{(BT1/T-1/298。15)}，求R。*T:10+273。15～30+273。15。

技術參數

①标稱阻值Rc：一般境溫度為25℃時熱敏電阻器的實際電阻值。

②實際阻值RT：在一定的溫度條件下所測得的電阻值。

③材料常數：它是一個描述熱敏電阻材料物理特性的參數，也是熱靈敏度指标，B值越大，表示熱敏電阻器的靈敏度越高。應注意的是，在實際工作時，B值并非一個常數，而是随溫度的升高略有增加。

④電阻溫度系數αT：它表示溫度變化1℃時的阻值變化率，單位為%/℃。

⑤時間常數τ：熱敏電阻器是有熱慣性的，時間常數，就是一個描述熱敏電阻器熱慣性的參數。它的定義為，在無功耗的狀态下，當環境溫度由一個特定溫度向另一個特定溫度突然改變時，熱敏電阻體的溫度變化了兩個特定溫度之差的63。2%所需的時間。τ越小，表明熱敏電阻器的熱慣性越小。

⑥額定功率PM:在規定的技術條件下，熱敏電阻器長期連續負載所允許的耗散功率。在實際使用時不得超過額定功率。若熱敏電阻器工作的環境溫度超過25℃，則必須相應降低其負載。

⑦額定工作電流IM:熱敏電阻器在工作狀态下規定的名義電流值。

⑧測量功率Pc:在規定的環境溫度下，熱敏電阻體受測試電流加熱而引起的阻值變化不超過0。1%時所消耗的電功率。熱敏電阻

⑨最大電壓:對于NTC熱敏電阻器，是指在規定的環境溫度下，不便熱敏電阻器弓起熱失控所允許連續施加的最大直流電壓;對于PTC熱敏電阻器，是指在規定的環境溫度和靜止空氣中，允許連續施加到熱敏電阻器上并保證熱敏電阻器正常工作在PCT特性部分的最大直流電壓。

⑩最高工作溫度Tmax:在規定的技術條件下，熱敏電阻器長期連續工作所允許的最高溫度。

⑪開關溫度tb:PCT熱敏電阻器的電阻值開始發生躍增時的溫度。

⑫耗散系數H:溫度增加1℃時，熱敏電阻器所耗散的功率，單位為mW/℃。

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，常将這種半導體化的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、高溫燒結而使钛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。其溫度系數及居裡點溫度随組分及燒結條件（尤其是冷卻溫度）不同而變化。

钛酸鋇晶體屬于鈣钛礦型結構，是一種鐵電材料，純钛酸鋇是一種絕緣材料。在钛酸鋇材料中加入微量稀土元素，進行适當熱處理後，在居裡溫度附近，電阻率陡增幾個數量級，産生PTC效應，此效應與BaTiO3晶體的鐵電性及其在居裡溫度附近材料的相變有關。钛酸鋇半導瓷是一種多晶材料，晶粒之間存在着晶粒間界面。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。

钛酸鋇半導瓷的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，由于钛酸鋇内電場的作用，導緻電子極容易越過勢壘，則電阻值較小。當溫度升高到居裡點溫度（即臨界溫度）附近時，内電場受到破壞，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，産生PTC效應。钛酸鋇半導瓷的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，它們分别從不同方面對PTC效應作出了合理解釋。

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

RT=RT0 expBp（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，并随雜質種類、濃度、燒結條件等而産生顯著變化。最近，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，因其中的雜質産生的電子散射随溫度上升而增加，從而電阻增加。PTC熱敏電阻于1950年出現，随後1954年出現了以钛酸鋇為主要材料的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”。電流通過元件後引起溫度升高，即發熱體的溫度上升，當超過居裡點溫度後，電阻增加，從而限制電流增加，于是電流的下降導緻元件溫度降低，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。

NTC熱敏電阻

NTC（Negative Temperature Coeff1Cient）是指随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、矽、钴、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随材料成分比例、燒結氣氛、燒結溫度和結構狀态不同而變化。現在還出現了以碳化矽、硒化錫、氮化钽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分别為溫度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曆了漫長的階段。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，并将之成功地運用在航空儀器的溫度補償電路中。随後，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。

它的測量範圍一般為-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）接入一隻熱敏元件RT作溫度傳感探頭。由于熱敏電阻器的阻值随溫度的變化而變化，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。它不僅适用于糧倉測溫儀，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。

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，電阻值随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、锶、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為玻璃态熱敏電阻。驟變溫度随添加鍺、鎢、钼等的氧化物而變。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。若在适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。産生電阻急變的溫度對應于半玻璃半導體物性急變的位置，因此産生半導體-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。随着高、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，将會取得迅速發展。

應用

熱敏電阻也可作為電子線路元件用于儀表線路溫度補償和溫差電偶冷端溫度補償等。利用NTC熱敏電阻的自熱特性可實現自動增益控制，構成RC振蕩器穩幅電路，延遲電路和保護電路。在自熱溫度遠大于環境溫度時阻值還與環境的散熱條件有關，因此在流速計、流量計、氣體分析儀、熱導分析中常利用熱敏電阻這一特性，制成專用的檢測元件。PTC熱敏電阻主要用于電器設備的過熱保護、無觸點繼電器、恒溫、自動增益控制、電機啟動、時間延遲、彩色電視自動消磁、火災報警和溫度補償等方面。