NTC熱敏電阻特性參數(shù)基本知識

NTC熱敏電阻特性參數(shù)基本知識熱敏電阻分為兩類,分別為:NTC負溫度系數(shù)熱敏電阻PTC正溫度系數(shù)熱敏電阻熱敏電阻的物理特性用下列參數(shù)表示：電阻值、B值、耗散系數(shù)、熱時間常數(shù)、電阻溫度系數(shù)。電阻值：R〔Q〕電阻值的近似值表示為：R2=Rlexp[l/T2-l/Tl]其中：R2：絕對溫度為T2〔K〕時的電阻〔Q〕R1：絕對溫度為T1〔K〕時的電阻〔Q〕B：B值〔K〕B值:B〔k〕B值是電阻在兩個溫度之間變化的函數(shù)，表達式為：B=InR1-InR2=2.3026(1ogR1-1ogR2)1/T1-1/T21/T1-1/T2其中：B：B值〔K〕R1：絕對溫度為T1〔K〕時的電阻〔Q〕R2：絕對溫度為T2〔K〕時的電阻〔Q〕耗散系數(shù)：6〔mW/°C〕耗散系數(shù)是物體消耗的電功與相應(yīng)的溫升值之比5=W/T-Ta=12R/T-Ta其中：S：耗散系數(shù)5〔mW/C〕W：熱敏電阻消耗的電功〔mW〕T：達到熱平衡后的溫度值〔C〕Ta:室溫〔C〕I:在溫度T時加熱敏電阻上的電流值〔mA〕R：在溫度T時加熱敏電阻上的電流值〔KQ〕在測量溫度時，應(yīng)注意防止熱敏電阻由于加熱造成的升溫。熱時間常數(shù)：T〔sec.〕熱敏電阻在零能量條件下，由于步階效應(yīng)使熱敏電阻本身的溫度發(fā)生改變，當溫度在初始值和最終值之間改變63.2%所需的時間就是熱時間系數(shù)t。電阻溫度系數(shù)：a〔％/C〕a是表示熱敏電阻器溫度每變化loC，其電阻值變化程度的系數(shù)〔即變化率〕，用a=l/R?dR/dT表示，計算式為：a=1/R?dR/dTX100=-B/T2X100其中：a：電阻溫度系數(shù)〔％/C〕R：絕對溫度T〔K〕時的電阻值〔Q〕B：B值〔K〕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,遷移率分別為口n、口p,則半導(dǎo)體的電導(dǎo)為：o=q（nunpup）因為n、p、un、up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°C的溫度變化;②工作溫度范圍寬，常溫器件適用于-55°C?315°C,高溫器件適用溫度高于315C（目前最高可達到2000C），低溫器件適用于-273°C?55°C；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?100kQ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、宇航等各個領(lǐng)域，發(fā)展前景極其廣闊．一、PTC熱敏電阻PTC（PositiveTemperatureCoeff1Cient）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、高溫燒結(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，晶粒間界面相當于一個勢壘.當溫度低時，由于鈦酸鋇內(nèi)電場的作用，導(dǎo)致電子極容易越過勢壘，則電阻值較小．當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（NegativeTemperatureCoefflCient）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、TO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?下面介紹一個溫度測量的應(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°C，也可做到-200?10°C，甚至可用于300?1200°C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0.1C，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（Crit1CalTemperatureResistor）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?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.NTC熱敏電阻是指具有負溫度系數(shù)的熱敏電阻。是使用單一高純度材料、具有接近理論密度結(jié)構(gòu)的高性能陶瓷。因此，在實現(xiàn)小型化的同時，還具有電阻值、溫度特性波動小、對各種溫度變化響應(yīng)快的特點，可進行高靈敏度、高精度的檢測。本公司提供各種形狀、特性的小型、高可靠性產(chǎn)品，可滿足廣大客戶的應(yīng)用需求。NTC負溫度系數(shù)熱敏電阻工作原理NTC是NegativeTemperatureCoefficient的縮寫，意思是負的溫度系數(shù),泛指負溫度系數(shù)很大的半導(dǎo)體材料或元器件，所謂NTC熱敏電阻器就是負溫度系數(shù)熱敏電阻器。它是以錳、鉆、鎳和銅等金屬氧化物為主要材料，采用陶瓷工藝制造而成的。這些金屬氧化物材料都具有半導(dǎo)體性質(zhì)，因為在導(dǎo)電方式上完全類似鍺、硅等半導(dǎo)體材料。溫度低時，這些氧化物材料的載流子(電子和孔穴)數(shù)目少，所以其電阻值較高；隨著溫度的升高，載流子數(shù)目增加，所以電阻值降低oNTC熱敏電阻器在室溫下的變化范圍在1OO~1OOOOOO歐姆，溫度系數(shù)-2%~-6.5%。NTC熱敏電阻器可廣泛應(yīng)用于溫度測量、溫度補償、抑制浪涌電流等場合。NTC負溫度系數(shù)熱敏電阻專業(yè)術(shù)語零功率電阻值RT(Q)RT指在規(guī)定溫度T時，采用引起電阻值變化相對于總的測量誤差來說可以忽略不計的測量功率測得的電阻值。電阻值和溫度變化的關(guān)系式為：RT=RNexpB(l/T-1/TN)RT:在溫度T(K)時的NTC熱敏電阻阻值。RN：在額定溫度TN(K)時的NTC熱敏電阻阻值。T:規(guī)定溫度(K)。B：NTC熱敏電阻的材料常數(shù)，又叫熱敏指數(shù)。exp:以自然數(shù)e為底的指數(shù)(e=2.71828…)。該關(guān)系式是經(jīng)驗公式，只在額定溫度TN或額定電阻阻值RN的有限范圍內(nèi)才具有一定的精確度，因為材料常數(shù)B本身也是溫度T的函數(shù)。額定零功率電阻值R25(Q)根據(jù)國標規(guī)定，額定零功率電阻值是NTC熱敏電阻在基準溫度25°C時測得的電阻值R25,這個電阻值就是NTC熱敏電阻的標稱電阻值。通常所說NTC熱敏電阻多少阻值，亦指該值。材料常數(shù)(熱敏指數(shù))B值(K)B值被定義為:RT1:溫度T1(K)時的零功率電阻值。RT2:溫度T2(K)時的零功率電阻值。T1，T2:兩個被指定的溫度(K)。對于常用的NTC熱敏電阻，B值范圍一般在2000K?6000K之間。零功率電阻溫度系數(shù)(aT)在規(guī)定溫度下，NTC熱敏電阻零動功率電阻值的相對變化與引起該變化的溫度變化值之比值。aT:溫度T(K)時的零功率電阻溫度系數(shù)。RT:溫度T(K)時的零功率電阻值。T:溫度(T)。B:材料常數(shù)。耗散系數(shù)（6）在規(guī)定環(huán)境溫度下，NTC熱敏電阻耗散系數(shù)是電阻中耗散的功率變化與電阻體相應(yīng)的溫度變化之比值。6：NTC熱敏電阻耗散系數(shù)，（mW/K）。P:NTC熱敏電阻消耗的功率（mW）。T:NTC熱敏電阻消耗功率△P時，電阻體相應(yīng)的溫度變化（K）。熱時間常數(shù)（t）在零功率條件下，當溫度突變時，熱敏電阻的溫度變化了始未兩個溫度差的63.2%時所需的時間，熱時間常數(shù)與NTC熱敏電阻的熱容量成正比，與其耗散系數(shù)成反比。t：熱時間常數(shù)（S）。C：NTC熱敏電阻的熱容量。6：NTC熱敏電阻的耗散系數(shù)。額定功率Pn在規(guī)定的技術(shù)條件下，熱敏電阻器長期連續(xù)工作所允許消耗的功率。在此功率下，電阻體自身溫度不超過其最高工作溫度。最高工作溫度Tmax在規(guī)定的技術(shù)條件下，熱敏電阻器能長期連續(xù)工作所允許的最高溫度。即:T0-環(huán)境溫度。測量功率Pm熱敏電阻在規(guī)定的環(huán)境溫度下，阻體受測量電流加熱引起的阻值變化相對于總的測量誤差來說可以忽略不計時所消耗的功率。一般要求阻值變化大于0.1%，則這時的測量功率Pm為：電阻溫度特性NTC熱敏電阻的溫度特性可用下式近似表示：式中：RT：溫度T時零功率電阻值。A：與熱敏電阻器材料物理特性及幾何尺寸有關(guān)的系數(shù)。B：B值。T：溫度（k）。更精確的表達式為：式中：RT：熱敏電阻器在溫度T時的零功率電阻值。T：為絕對溫度值，K；A、B、C、D：為特定的常數(shù)。熱敏電阻的基本特性電阻－溫度特性熱敏電阻的電阻－溫度特性可近似地用式1表示。（式1）R=Roexp{B（I/T-I/To）}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但實際上，熱敏電阻的B值并非是恒定的，其變化大小因材料構(gòu)成而異，最大甚至可達5K/°C。因此在較大的溫度范圍內(nèi)應(yīng)用式1時，將與實測值之間存在一定誤差。此處，若將式1中的B值用式2所示的作為溫度的函數(shù)計算時，則可降低與實測值之間的誤差，可認為近似相等。(式2)BT=CT2DTE上式中，C、D、E為常數(shù)。另外，因生產(chǎn)條件不同造成的B值的波動會引起常數(shù)E發(fā)生變化，但常數(shù)C、D不變。因此，在探討B(tài)值的波動量時，只需考慮常數(shù)E即可。•常數(shù)C、D、E的計算常數(shù)C、D、E可由4點的(溫度、電阻值)數(shù)據(jù)(T0,R0).(T1,R1).(T2,R2)and(T3,R3),通過式3?6計算。首先由式樣3根據(jù)T0和T1,T2,T3的電阻值求出B1,B2,B3,然后代入以下各式樣。•電阻值計算例試根據(jù)電阻一溫度特性表，求25°C時的電阻值為5(kQ)，B值偏差為50(K)的熱敏電阻在10°C?30°C的電阻值。•步驟根據(jù)電阻一溫度特性表，求常數(shù)C、D、E。To=25273.15 T1=10273.15 T2=20273.15 T3=30273.15代入BT=CT2DTE50,求BT。將數(shù)值代入R=5exp{(BTI/T-I/298.15)}，求R。*T:10273.15?30273.15•電阻－溫度特性圖如圖1所示電阻溫度系數(shù)所謂電阻溫度系數(shù)(a),是指在任意溫度下溫度變化1°C(K)時的零負載電阻變化率。電阻溫度系數(shù)(a)與B值的關(guān)系，可將式1微分得到。這里a前的負號(一)，表示當溫度上升時零負載電阻降低。散熱系數(shù)(JIS-C2570)散熱系數(shù)(6)是指在熱平衡狀態(tài)下，