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热敏电阻的分类、参数及其应用

2017年05月05日 15:05 网络整理 作者: 用户评论(0

  热敏电阻是开发早、种类多、发展较成熟的敏感元器件.热敏电阻由半导体陶瓷材料组成,利用的原理是温度引起电阻变化。若电子和空穴的浓度分别为n、p,迁移率分别为μn、μp,则半导体的电导为:σ=q(nμn+pμp)。因为n、p、μn、μp都是依赖温度T的函数,所以电导是温度的函数,因此可由测量电导而推算出温度的高低,并能做出电阻-温度特性曲线.这就是半导体热敏电阻的工作原理。

  热敏电阻包括正温度系数(PTC)和负温度系数(NTC)热敏电阻,以及临界温度热敏电阻(CTR)。由于半导体热敏电阻有独特的性能,所以在应用方面,它不仅可以作为测量元件(如测量温度、流量、液位等),还可以作为控制元件(如热敏开关、限流器)和电路补偿元件.热敏电阻广泛用于家用电器、电力工业、通讯、军事科学、宇航等各个领域,发展前景极其广阔。

  热敏电阻的分类、参数及其应用

  热敏电阻的分类:

  一、PTC热敏电阻

  PTC(PosiTIve Temperature Coeff1Cient)是指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、Sb、Y、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阻温度系数的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(晶粒间界).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.

  实验表明,在工作温度范围内,PTC热敏电阻的电阻-温度特性可近似用实验公式表示:

  RT=RT0expBp(T-T0)

  式中RT、RT0表示温度为T、T0时电阻值,Bp为该种材料的材料常数.

  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。

  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.下面简介一例对加热器、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应用。

  PTC热敏电阻除用作加热元件外,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”,如图2和3所示.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。

  二、NTC热敏电阻

  NTC(Negative Temperature Coeff1Cient)是指随温度上升电阻呈指数关系减小、具有负温度系数的热敏电阻现象和材料.该材料是利用锰、铜、硅、钴、铁、镍、锌等两种或两种以上的金属氧化物进行充分混合、成型、烧结等工艺而成的半导体陶瓷,可制成具有负温度系数(NTC)的热敏电阻.其电阻率和材料常数随材料成分比例、烧结气氛、烧结温度和结构状态不同而变化.现在还出现了以碳化硅、硒化锡、氮化钽等为代表的非氧化物系NTC热敏电阻材料。

  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,电阻值可近似表示为:

  式中RT、RT0分别为温度T、T0时的电阻值,Bn为材料常数.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。

  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。

  热敏电阻器温度计的精度可以达到0.1℃,感温时间可少至10s以下.它不仅适用于粮仓测温仪,同时也可应用于食品储存、医药卫生、科学种田、海洋、深井、高空、冰川等方面的温度测量。

  三、CTR热敏电阻

  临界温度热敏电阻CTR(Crit1Cal Temperature Resistor)具有负电阻突变特性,在某一温度下,电阻值随温度的增加激剧减小,具有很大的负温度系数.构成材料是钒、钡、锶、磷等元素氧化物的混合烧结体,是半玻璃状的半导体,也称CTR为玻璃态热敏电阻.骤变温度随添加锗、钨、钼等的氧化物而变.这是由于不同杂质的掺入,使氧化钒的晶格间隔不同造成的.若在适当的还原气氛中五氧化二钒变成二氧化钒,则电阻急变温度变大;若进一步还原为三氧化二钒,则急变消失.产生电阻急变的温度对应于半玻璃半导体物性急变的位置,因此产生半导体-金属相移.CTR能够作为控温报警等应用。

  热敏电阻的理论研究和应用开发已取得了引人注目的成果.随着高、精、尖科技的应用,对热敏电阻的导电机理和应用的更深层次的探索,以及对性能优良的新材料的深入研究,将会取得迅速发展。

  热敏电阻的材料分类:

  热敏材料一般可分为半导体类、金属类和合金类三类,现分别简述如下。

  半导体热敏电阻材料

  这类材料有单晶半导体、多晶半导体、玻璃半导体、有机半导体以及金属氧化物等。它们均具有非常大的电阻温度系数和高的龟阻率,用其制成的传感器的灵敏度也相当高。按电阻温度系数也可分为负电阻温度系数材料和正电阻温度系数材料。在有限的温度范围内,负电阻温度系数材料a可达-6*10-2/℃,正电阻温度系数材料a可高达-60*10-2/℃以上。如饮酸钡陶瓷就是一种理想的正电阻温度系数的半导体材料。上述两种材料均广泛用于温度测量、温度控制、温度补瞬、开关电路、过载保护以及时间延迟等方面,如分别用子制作热敏电阻温度计、热敏电阻开关和热敏电阻温度计、热敏电阻开关和热敏电阻延迟继电错等 。这类材料由于电阻和流度呈指数关系,因此测温范围狭窄、均匀性也差 。

  金属热敏电阻材料

  此类材料作为热电阻测温、限流器以及自动恒温加热元件均有较为广泛的应用。如铂电阻温度计、镍电阻温度计、铜电阻温度计等。其中铂侧温传感器在各种介质中(包括腐蚀性介质),表现出明显的高精度和高稳定的特征。但是,由于铂的稀缺和价格昂贵而使它们的广泛应用受到一定的限制。铜测温传感器较便宜,但在腐蚀性介质中长期使用,可导致静态特性与阻值发生明显变化。最近有资料报导,铜测温传感器可在空气介质中-60~180℃温度范围使用。但是,国外为了在-60~180℃长期地测量温度和在250℃短期测量温度,普遍大量使用着镍测温传感器,并认为镍是一种较理想的材料,因为它们具有高的灵敏度、满意的重现性和稳定性 。

  合金热敏电阻材料

  合金热敏电阻材料亦称热敏电阻合金。这种合金具有较高的电阻率,并且电阻值随温度的变化较为敏感,是一种制造温敏传感器的良好材料。

  作为温敏传感器的热敏电阻合金性能要求如下:

  (1)足够大的电阻率;

  (2)相当高的电阻温度系数;

  (3)具有接近于实验材料线膨胀系数;

  (4)小的应变灵敏系数;

  (5)在工作温度区间加热和冷却时,电阻温度曲线应有良好的重复性 。

  热敏电阻参数:

  零功率电阻:

  是指在某一温度下测量PTC热敏电阻值时,加在PTC热敏电阻上的功耗极低,低到因其功耗引起的PTC热敏电阻的阻值变化可以忽略不计。额定零功率电阻指环境温度25℃条件下测得的零功率电阻值。

  居里温度 Tc:

  对于PTC热敏电阻的应用来说,电阻值开始陡峭地增高时的温度是重要的,我们将其定义为居里温度。居里温度对应的PTC热敏电阻的电阻 RTc = 2*Rmin。

  温度系数 α:

  PTC热敏电阻的温度系数定义为温度变化导致的电阻的相对变化。温度系数越大, PTC热敏电阻对温度变化的反应越灵敏。 α = (lgR2-lgR1)/lge(T2-T1)

  额定电压 VN:

  额定电压是在最大工作电压Vmax以下的供电电压。通常 Vmax = VN + 15[%]

  击穿电压 VD:

  击穿电压是指PTC热敏电阻最高的电压承受能力。PTC热敏电阻在击穿电压以上时将会击穿失效。

  表面温度 Tsurf:

  表面温度Tsurf是指当PTC热敏电阻在规定的电压下并且与周围环境间处于热平衡状态已达较长时间时,PTC热敏电阻表面的温度。

  动作电流 Ik:

  流过PTC热敏电阻的电流,足以使PTC热敏电阻自热温升超过居里温度,这样的电流称为动作电流。 动作电流的最小值称为最小动作电流。

  不动作电流 INk:

  流过PTC热敏电阻的电流,不足以使PTC热敏电阻自热温升超过居里温度, 这样的电流称为不动作电流。不动作电流的最大值称为最大不动作电流。

  热敏电阻的分类、参数及其应用

  技术参数:

  ①标称阻值Rc:一般指环境温度为25℃时热敏电阻器的实际电阻值。

  ②实际阻值RT:在一定的温度条件下所测得的电阻值。

  ③材料常数:它是一个描述热敏电阻材料物理特性的参数,也是热灵敏度指标,B值越大,表示热敏电阻器的灵敏度越高。应注意的是,在实际工作时,B值并非一个常数,而是随温度的升高略有增加。

  ④电阻温度系数αT:它表示温度变化1℃时的阻值变化率,单位为%/℃。

  ⑤时间常数τ:热敏电阻器是有热惯性的,时间常数,就是一个描述热敏电阻器热惯性的参数。它的定义为,在无功耗的状态下,当环境温度由一个特定温度向另一个特定温度突然改变时,热敏电阻体的温度变化了两个特定温度之差的63.2%所需的时间。τ越小,表明热敏电阻器的热惯性越小。

  热敏电阻的分类、参数及其应用

  ⑥额定功率PM:在规定的技术条件下,热敏电阻器长期连续负载所允许的耗散功率。在实际使用时不得超过额定功率。若热敏电阻器工作的环境温度超过 25℃,则必须相应降低其负载。

  ⑦额定工作电流IM:热敏电阻器在工作状态下规定的名义电流值。

  ⑧测量功率Pc:在规定的环境温度下,热敏电阻体受测试电流加热而引起的阻值变化不超过0.1%时所消耗的电功率。

  ⑨最大电压:对于NTC热敏电阻器,是指在规定的环境温度下,不使热敏电阻器引起热失控所允许连续施加的最大直流电压;对于PTC热敏电阻器,是指在规定的环境温度和静止空气中,允许连续施加到热敏电阻器上并保证热敏电阻器正常工作在PTC特性部分的最大直流电压。

  ⑩最高工作温度Tmax:在规定的技术条件下,热敏电阻器长期连续工作所允许的最高温度。

  ?开关温度tb:PTC热敏电阻器的电阻值开始发生跃增时的温度。

  ?耗散系数H:温度增加1℃时,热敏电阻器所耗散的功率,单位为mW/℃。

  热敏电阻的应用:

  热敏电阻也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。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。

  热敏电阻的分类、参数及其应用

  主要应用范围包括:

  电磁炉、电压力锅、电饭煲、电烤箱、消毒柜、饮水机、微波炉、电取暖机、工业、医疗、环保、气象、食品加工设备等家用电器的温度控制及温度检测以及办公自动化设备(如复印机、打印机)、仪表线圈、集成电路、石英晶体振荡器和热电偶的等温度检测及温度补偿。

  1.过液面控制 将两只负温度系数热敏电阻置于容器高、低液面安全位置,并施加定值加热电流。处于底部浸没于液体中的热敏电阻表面温度与周界温度相同,而处于高处暴露于空气中的热敏电阻表面温度则高于周界温度。若液面淹没高处电阻,使其表面溢度下降阻值增高,判断电路可利用阻值变化而及时通知报警装置,动作电路切断进液管路,起到过液面保护作用。若液面下降到低位,底部热敏电阻逐渐暴露于空气中,此时表面温度升高阻值下降,判断电路可利用阻值变化而及时通知动作电路打开进液管路供液。

  2.温度测量 作为测量温度的热敏电阻一般结构简单,价格低廉。由于本身阻值较大,所以可忽略连接处的接触电阻,并可应用在数千米之外的远距离遥测过程。

  3.温度补偿 利用负温度特性,可在某些电子装置中起到补偿作用。当过载而使电流和温度增加时,热敏电阻阻值加大反向下拉电流,起到补偿、保护等作用。此时应注意热敏电阻需串接在电子线路中。

  4.温度拉制 在机电保护与控制中,常将临界点热敏电阻串接在继电器控制回路中,当某一设备遇突发性故障发生过载时,引起温度增高。若达到临界点阻值突然下降,继电器电流超过动作电流额定值而动作,起到切断、保护作用。

  5.温度保护 热敏电阻在一些设备的功能管理中起着非常关键的作用,如无线话机、笔记本计算机、等。如果充电电阻很大,这些设备的电池完成充电就会很快。但同时也会存在过热的危险。如果过热使得温度超过电池的居里温度,电池的损坏就不能恢复。但如果充电电压太低,则电池充电时间就会长到无法忍受。在电池中使用热敏电阻,就可以检测过热的电阻或电池的过热,从而调整充电的速度。其结果是,电池开始充电时的电压会比较大,这样,在比较短的时间内就可以以较大的充电电压快速充电。而当将要达到临界电压或临界温度时,可以控制充电的速度使之降低,然后,再比较平稳地完成充电。

  6.过热保护 笔记本计算机越来越小的尺寸,主板对温度是非常敏感的,而主板又是非常接近发热的电源电阻,不断提高的CPU 主频不仅提高了CPU 的速度,也使得它的工作温度高。在这种场合,表面封装式热敏电阻既可以快速响应又有过热的保护,也比较容易使用。

  7.食品与药品的温度控制 食品和药品工业在运输过程中也使用温度控制保证产品的质量。为防止部分或全部地损失药品的有效性,有不少药品在运输中要准确地控制温度和湿度。在运输过程中温度传感器不断地管理着运输的条件。

  8.医院领域的热敏电阻应用 温度通常是人体最经常测,并且一直是多种人体严重情况的早期警告。特别是新生儿,要通过体温仔细地监察他们的状态。 在医院的环境中新生儿经常用取暖器,甚至婴儿箱要保持温度。温度调节可用一个安放在婴儿腹部的热敏电阻探针实现。婴儿箱通常是密封的,除要监控婴儿的温度外,还要控制婴儿箱内的空气。

  9.热敏电阻在汽车工业中应用 汽车工业现在代替空间工业成为传感技术进步的推动者。热敏电阻广泛地用来测试汽车的空调、发动机、水箱温度,现在,则有许多新的应用。

  现在对热敏电阻工业提出了很高的要求:较小的尺寸、较高的稳定性、较好的高温测试性能,等等。在所有这些方面现在所取得的进展。在这些进展的基础上将会有许多新的应用:包括微小温差传感器、改进燃气效率的汽车中的高温传感器,等等。回顾热敏电阻应用的进展,可以相信,现在热敏电阻工业和研究的进展一定可以满足电子工业现在和将来对于热敏传感所提出的各种需求。

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( 发表人:王增涛 )

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