《熱敏電阻》word版.doc

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熱敏電阻 　　熱敏電阻是開發(fā)早、種類多、發(fā)展較成熟的敏感元器件．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） 　　因為n、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(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． 　　由于半導(dǎo)體熱敏電阻有獨特的性能，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）和電路補償元件．熱敏電阻廣泛用于家用電器、電力工業(yè)、通訊、軍事科學(xué)、宇航等各個領(lǐng)域，發(fā)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(shù)的熱敏電阻現(xiàn)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(jié)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(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，進行適當(dāng)熱處理后，在居里溫度附近，電阻率陡增幾個數(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)于一個勢壘．當(dāng)溫度低時，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)溫度升高到居里點溫度（即臨界溫度）附近時，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． 　　實驗表明，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(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(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(yīng)用。 　　PTC熱敏電阻除用作加熱元件外，同時還能起到“開關(guān)”的作用，兼有敏感元件、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)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(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作用． 　　二、NTC熱敏電阻 　　NTC（Negative Temperature Coeff1Cient）是指隨溫度上升電阻呈指數(shù)關(guān)系減小、具有負溫度系數(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)家首次發(fā)現(xiàn)了硫化銀有負溫度系數(shù)的特性．1930年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)氧化亞銅-氧化銅也具有負溫度系數(shù)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(shù)的不斷發(fā)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?shù)确矫妫旅娼榻B一個溫度測量的應(yīng)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(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(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(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 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(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能夠作為控溫報警等應(yīng)用． 　　熱敏電阻的理論研究和應(yīng)用開發(fā)已取得了引人注目的成果．隨著高、精、尖科技的應(yīng)用，對熱敏電阻的導(dǎo)電機理和應(yīng)用的更深層次的探索，以及對性能優(yōu)良的新材料的深入研究，將會取得迅速發(fā)展 什么是ptc熱敏電阻 熱敏電阻原理 作者:佚名 來源:不詳 錄入:Admin 更新時間：2008-7-27 15:34:18 點擊數(shù)：6 【字體： 】 什么是ptc熱敏電阻 PTC是一種半導(dǎo)體發(fā)熱陶瓷，當(dāng)外界溫度降低，PTC的電阻值隨之減小，發(fā)熱量反而會相應(yīng)增加。 PTC的工作原理 　 　 　　PTC熱敏電阻(正溫度系數(shù)熱敏電阻)是一種具溫度敏感性的半導(dǎo)體電阻,一旦超過一定的溫度(居里溫度) 時,它的電阻值隨著溫度的升高幾乎是呈階躍式的增高.PTC熱敏電阻本體溫度的變化可以由流過PTC熱敏電阻的電流來獲得,也可以由外界輸入熱量或者這二者的疊加來獲得. 陶瓷材料通常用作高電阻的優(yōu)良絕緣體,而陶瓷PTC熱敏電阻是以鈦酸鋇為基, 摻雜其它的多晶陶瓷材料制造的,具有較低的電阻及半導(dǎo)特性.通過有目的的摻雜一種化學(xué)價較高的材料作為晶體的點陣元來達到的:在晶格中鋇離子或鈦酸鹽離子的一部分被較高價的離子所替代,因而得到了一定數(shù)量產(chǎn)生導(dǎo)電性的自由電子. 　 　 　 　　對于PTC熱敏電阻效應(yīng),也就是電阻值階躍增高的原因,在于材料組織是由許多小的微晶構(gòu)成的 , 在晶粒的界面上,即所謂的晶粒邊界(晶界)上形成勢壘,阻礙電子越界進入到相鄰區(qū)域中去, 因此而產(chǎn)生高的電阻.這種效應(yīng)在溫度低時被抵消:在晶界上高的介電常數(shù)和自發(fā)的極化強度在低溫時阻礙了勢壘的形成并使電子可以自由地流動.而這種效應(yīng)在高溫時,介電常數(shù)和極化強度大幅度地降低, 導(dǎo)致勢壘及電阻大幅度地增高,呈現(xiàn)出強烈的PTC效應(yīng). PTC熱敏電阻是開發(fā)早、種類多、發(fā)展較成熟的敏感元器件．PTC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） 因為n、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．PTC熱敏電阻的主要特點是：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(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． 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(shù)的熱敏電阻現(xiàn)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(jié)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(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PTC熱敏電阻材料．其溫度系數(shù)及居里點溫度隨組分及燒結(jié)條件（尤其是冷卻溫度）不同而變化． 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(yīng)用。 PTC熱敏電阻除用作加熱元件外，同時還能起到“開關(guān)”的作用，兼有敏感元件、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)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(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作用． 當(dāng)電路處于正常狀態(tài)時，通過過載保護用PTC熱敏電阻的電流小于額定電流，過載保護用PTC熱敏電阻處于常態(tài)，阻值很小，不會影響被保護電路的正常工作。當(dāng)電路出現(xiàn)故障，電流大大超過額定電流時，過載保護用PTC熱敏電阻陡然發(fā)熱，呈高阻態(tài)，使電路處于相對"斷開"狀態(tài)，從而保護電路不受破壞。當(dāng)故障排除后，過載保護用PTC熱敏電阻亦自動回復(fù)至低阻態(tài)，電路恢復(fù)正常工作。 圖2為電路正常工作時的伏-安特性曲線和負載曲線示意圖，由A點到B點，施加在PTC熱敏電阻上的電壓逐步升高，流過PTC熱敏電阻的電流也線性增加，表明PTC熱敏電阻的電阻值基本不變，即保持在低電阻態(tài)；由B點到E點，電壓逐步升高，PTC熱敏電阻由于發(fā)熱而電阻迅速增大，流過PTC熱敏電阻的電流的也迅速降低，表明PTC熱敏電阻進入保護狀態(tài)。正常的負載曲線低于B點，PTC熱敏電阻就不會進入保護狀態(tài)。 通常而言有三種過流過熱保護的類型： 1、電流過載（圖3）：RL1為正常工作時的負載曲線，當(dāng)負載阻值減少，如變壓器線路短路，負載曲線由RL1變?yōu)镽L2，超過B點， PTC熱敏電阻器進入保護狀態(tài)； 2、電壓過載（圖4）：電源電壓增加，如220V電源線突然升到380V，負載曲線由RL1變?yōu)镽L2，超過B點， PTC熱敏電阻器進入保護狀態(tài)； 3、溫度過熱（圖5）：當(dāng)環(huán)境溫度升高超過一定限度，PTC熱敏電阻器伏-安特性曲線由A-B-E變成A-B1-F，負載曲線RL超過B1點，PTC熱敏電阻器進入保護狀態(tài)；