热敏电阻材料与应用

热敏电阻材料与应用

一、 传感器定义和分类

1、传感器的定义

国家标准 GB7665-87 对传感器下的定义是： “ 能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成 ” 。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

2、传感器的分类

目前对传感器尚无一个统一的分类方法，但比较常用的有如下三种：

（1）、按传感器的物理量分类，可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等传感器。

（2）、按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、光栅热电偶等传感器。

（3）、按传感器输出信号的性质分类，可分为：输出为开关量（ “ １ ” 和 “ ０ ” 或 “ 开 ” 和“ 关 ” ）的开关型传感器；输出为模拟型传感器；输出为脉冲或代码的数字型传感器。

3、传感器的静态特性

传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关，所以它们之间的关系，即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。

4、传感器的动态特性

所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。

5、传感器的线性度

通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线、线性度（非线性误差）就是这个近似程度的一个性能指标。拟合直线的选取有多种方法。如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线；或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为最小二乘法拟合直线。

6、传感器的灵敏度

灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化△ y 对输入量变化△ x 的比值。它是输出一输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间显线性关系，则灵敏度 S 是一个常数。否则，它将随输入量的变化而变化。灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。例如，某位移传感器，在位移变化 1mm 时，输出电压变化为 200mV ，则其灵敏度应表示为 200mV/mm 。 当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。 提高灵敏度，可得到较高

的测量精度。但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈差。

二、 热敏电阻的定义 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电阻器（PTC）和负温度系数热敏电阻器（NTC）。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。

三、 热敏电阻的材料简介

敏感陶瓷是某些传感器中的关键材料，用于制作敏感元件，敏感陶瓷多属于半导体陶瓷，

是继单晶半导体材料之后，又一类新型多晶半导体电子陶瓷。

敏感陶瓷是根据某些陶瓷的电阻率、电动势等物理量对热、湿、光、电压及某些气体，某

种离子的变化特别敏感这一特性，按其相应的特性，可把这些材料分别称为热敏、湿敏、光敏、压敏、气敏及离子敏感陶瓷。

-47热敏陶瓷是半导体陶瓷材料中的一类，其电阻率约为10~10Ω.cm。

陶瓷材料可以通过掺杂或者使化学计量比偏离而造成晶格缺陷等方法获得半导性。

半导体陶瓷的共同特点是：它们的导电性随环境而变化，利用这一特性，可制成各种不同类型

的陶瓷敏感器件，如热敏、气敏、湿敏、压敏、光敏器件等。

热敏半导体陶瓷材料就是利用它的电阻、磁性、介电性等性质随温度而变化，用它作成的器件可作为温度的测定、线路温度补偿及稳频等，且具有灵敏度高、稳定性好、制造工艺简单及价格便宜等特点。

四、 热敏电阻的分类

按照热敏陶瓷的电阻-温度特性，一般可分为三大类：

1、电阻随温度升高而增大的热敏电阻称为正温度系数热敏电阻，简称PTC热敏电阻；

2、电阻随温度的升高而减少的热敏电阻称为负温度系数热敏电阻，简称NTC热敏电阻；

3、电阻在某特定温度范围内急剧变化的热敏电阻，简称为CTR临界温度热敏电阻。

热敏电阻的应用

五、 PTC热敏陶瓷

1、PTC热敏电阻的基本特性

（1）电阻—温度特性

其电阻—温度曲线（R-T曲线）见图8-1。

居里温度Tc可通过掺杂来调整。

（2）电阻温度系数α

是指零功率电阻值的温度系数，其定义为：

αT=1/RT*dRT/dT

对于PTC，αT=2.303/(T2-T1)*lgR2/R1

（3）室温电阻:是指25℃时的零功率电阻率ρa。

（4）耐压特性:是指PTC热敏电阻陶瓷所承受的最高电压Vmax。

（5）电流-时间特性

（6）放热特性

2、PTC热敏陶瓷材料

PTC热敏电阻器有两大系列：一类是采用BaTiO3为基材料制作的PTC；另一类是以氧化钒为基的材料。

（1） BaTiO3陶瓷产生PTC效应的条件

当BaTiO3陶瓷材料中的晶粒充分半导化，而晶界具有适当绝缘性时，才具有PTC效应。

PTC效应完全是由其晶粒和晶界的电性能决定，没有晶界的单晶不具有PTC效应。

（2）陶瓷的半导化

由于在常温下是绝缘体，要使它们变成半导体，需要一个半导化。所谓半导化，是指在禁

带中形成附加能级：施主能级或受主能级。在室温下，就可以受到热激发产生导电载流子，从而形成半导体。形成附加能级的方法：通过化学计量比偏离和掺杂。

A、化学计量比偏离

在氧化物半导体陶瓷的制备过程中，通过控制烧结温度、烧结气氛以及冷却气氛等，产生化学计量的偏离。

B、掺杂

在氧化物中，掺入少量高价或低价杂质离子，引起氧化物晶体的能带畸变，分别形成施主能级和受主能级。从而形成n型或p型半导体陶瓷。

（3） BaTiO3陶瓷的半导化

3+4+3+3+3+3+3+ 一般采用掺杂施主金属离子。在高纯BaTiO3陶瓷中，用La、Ce、Sm、Dy、Y、Sb、Bi

2+5+5+6+4+等置换Ba。或用Nb、Ta、W等置换Ti。掺杂量一般在0.2%~0.3%之间，稍高或稍低均可能导致重新绝缘化。

（4） BaTiO3PTC陶瓷的生产工艺

以居里点Tc为100℃的PTC BaTiO3陶瓷为例。

(1-y)(Ba1-xCaxTi1.01O3).ySrSnO3+0.002La2O3+0.006Sb2O3+0.0004MnO2+0.0025SiO2+0.00167Al2O3+0.001Li2CO3

A、原料：一般应采用高纯度的原料，特别要控制受主杂质的含量，把Fe、Mg等杂质含量控制在最低限度。一般控制在0.01mol%以下。

B、掺杂：施主掺杂物La2O3、Nb2O5、Y2O3等宜在合成时引入，含量在0.2~0.3mol%这样一个狭窄的范围内。

C、瓷料制备及成型：传统的工艺难以解决纯度和均匀性的问题，现已经开始采用液相法。

D、烧成：PTC陶瓷必须在空气或氧气氛中烧成。

（5）影响PTC热敏陶瓷性能的影响

A、组成对居里温度的影响

不同的PTC热敏陶瓷对Tc(开关温度)有不同的要求。通过控制BaTiO3的居里点可以解决。改变Tc称“移峰”，通过改变组成，即加入某些化合物可以达到“移峰”的目的，这些加入的化合物称为“移峰剂”。

2+4+2+4+ “移峰剂”具有与Ba、Ti离子大小、价态相似的金属离子，可以取代Ba、Ti离子，形成

连续固溶体。如PbTiO3 （高于120℃，Tc=490℃）、 SrTiO3（低于120℃，Tc=-150℃）。

B、晶粒大小的影响

晶粒大小与正温度系数、电压系数及耐压值有密切的关系。一般说来，晶粒越细小，晶界的比重越大，外加电压分配到每个晶粒界面层的电压就越小。因此，晶粒细小可降低电压系数，提高耐压值。

BaTiO3热敏陶瓷的PTC特性的高低，与陶瓷的晶粒大小密切相关。研究表明，晶粒在5um左右的细晶陶瓷具有极高的正温度系数。

要获得细晶陶瓷，首先要求原料细、纯、匀、来源稳定，其次可通过添加一些晶粒生长抑制剂，达到均匀细小净粒结构的目的。此外，加入玻璃形成剂和控制升温速度也可以抑制晶粒长大。

C、化学计算比（Ba/Ti）的影响

在TiO2稍微过量时通常会呈现最低体积电阻率；在Ba过量时体积电阻率往往会增高，且使瓷料易于实现细晶化。

D、Al2O3对PTC陶瓷的影响

3+3+ Al在BaTiO3基陶瓷中有三种存在位置：①当TiO2高度过量时，Al有可能被挤到BaTiO3晶2+3+3+格的Ba位置，这时Al的作用是施主；②在Al2O3-SiO2-TiO2掺杂的PTC瓷料中，Al处于玻璃相中，能够起到吸收受主杂质、纯化主晶相的作用；③在未引入SiO2、且TiO2也不过量的情况下，Al3+

将取代BaTiO3晶格中的Ti4+，起受主作用。显然，①、②种情况下对PTC瓷料的半导化起有益作用。③是有害的。

3、PTC热敏电阻的应用

为温度敏感特性的应用、延迟特性的应用及加热器方面的应用。

(1)、温度监控传感器

(2)、彩色电视机消磁

(3) 、电冰箱起动器

(4)、PTC陶瓷作为发热体

六、 NTC热敏电阻陶瓷

1、NTC热敏电阻的定义

NTC热敏电阻陶瓷是指随温度升高而其电阻率按指数关系减小的一类陶瓷。

RT=R0exp（B/T-B/T0）

B=lgRT-lgR0/（1/T-1/T0）

RT、R0为温度T、T0时热敏电阻的电阻值（Ω），B热敏电阻常数（K）。

热敏电阻常数B可以表征和比较陶瓷材料的温度特性，B值越大，热敏电阻的电阻对于温度的

变化率越大。一般常用的热敏电阻陶瓷的B=2000~6000K，高温型热敏电阻陶瓷的B值约为10000~15000K。

NTC热敏电阻陶瓷大多数是尖晶石结构或其它结构的氧化物陶瓷，主要成分是CoO、NiO、MnO、CuO、ZnO、MgO、Fe2O3、Cr2O3、ZrO2、TiO2等。其主要成分和应用见表8-3。分为三大类：低温型、中温型及高温型陶瓷。

2、中温NTC热敏电阻陶瓷

1）材料体系：

二元系 ：CuO-MnO-O2

CoO-MnO-O2

NiO-MnO-O2

三元系： MnO-NiO-CoO-O2

MnO-NiO-CuO-O2

MnO-CuO-CoO-O2

2）NTC热敏电阻陶瓷的导电机理：

（i）化学计量比偏离

采用氧化或还原气氛烧结，分别产生p型和n型半导体，形成电子或空穴导电。 （ii）掺杂

在主成分中引入少量与主成分金属离子种类不同、电价不等的金属离子，产生不等价置

换，从而产生产生p型和n型半导体，实现电子或空穴导电。

3、高温NTC热敏电阻陶瓷

一般要求为：熔点高、性能稳定、热敏感性高、电阻温度系数大、元件烧成后，与电极

的接触状态好、可通过调整配方和晶粒度能够改变电阻的温度特性。

材料体系有以下两类：

ZrO2-CaO、ZrO2-Y2O3等萤石型结构陶瓷

以Al2O3、MgO为主要成分的尖晶石型陶瓷

4、NTC热敏电阻陶瓷的应用

1）温度补偿：

用于石英振荡器（2~3个NTC）

2）抑制浪涌电流：

用于控制开关电源、电机、变压器等在接通瞬时产生的大电流。

3）温度检测

用于热水器、空调、厨房设备、办公用品、汽车电控等。

片式NTC热敏电阻主要应用在移动电话、手提电脑、液晶显示器、个人计算机、传真机以及汽车工业，其中44%用于通讯领域，26%用于汽车工业，30%用于消费类电器。近年来，由于移动通讯、计算机、消费类电子产品（如彩电、VCD、DVD、LD、CD等）、办公自动化设备、汽车电子装备以及军用无线电设备和航空、航天高新数字电子技术产品在我国的迅猛发展，国内市场对片式化NTC热敏电阻的需求与日俱增，市场前景大为看好。因此，国内外对片式NTC热敏电阻的需求以每年20~30%的速率递增。

5.NTC热敏电阻陶瓷的生产工艺及特点

1）电极制备：与银形成可靠的欧姆电极

2）阻值调整：

3）敏化处理：

七、 展望与总结

1、市场展望

PTCR 的今后市场规模, 一方面随着消费类产品的发展与产量的增长, 将继续得到同步的增长; 另一方面, 随着 PTCR 扩大在投资类和其它各个领域 ( 包括军用、宇航用电子品) 内的推广应用, 将促进其市场规模进一步增长。其中, PT CR 开拓在汽车工业上的应用, 将会成为今后较大的潜在市场。PTCR 在汽车上的应用如表 2 所示, 有广泛的应用前景。根据有关部门调查统计, 目前国内对热敏电阻器 (含NTC) 的年需求量大约在 1. 5亿只左右。

2、技术展望

从 PTC 今后市场需要和扩大其应用来看, 对其性能的要求会愈来愈高。这些要求包括低阻、电阻温度系数大、升阻比大、耐压高、承受大电流和冲击电流能力强、长期使用稳定性好、精度高、寿命长、可靠性高、电阻温度特性的线性好等。根据不同用途, 对上述要求有所侧重。如用作开关元件, 趋向大功率、大电流控制方面, 除了要求低阻、高耐压、高精度外, 还需通过元件比电阻的分布, 使元件发热均匀以及元件趋向 SMD 化;用作发热体元件, 为了充分发挥自控特点, 要求开发低热阻、高响应的PTC 发热体, 为提高发热效率和缩小发热体积, 需开发大功率高温 PT C 材料等

陆侃

通信工程一班

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