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1、浅论热敏材料的特性及应用【摘要】：半导体热敏电阻有着独特的性能，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。热敏电阻包括正温度系数（PTC）和负温度系数（NTC）热敏电阻。【关键词】热敏材料PTCNTC一、热敏材料的原理——热电现象（1）塞贝克效应在两种金属A和B组成的回路中，如果使两个接触点的温度不同，则在回路中将出现电流，称为热电流。相应的电动势称为热电势，其方向取决于温度梯度的
2、方向。一般规定热电势方向为：在热端电流由负流向正。塞贝克效应的实质在于两种金属接触时会产生接触电势差（电压），该电势差取决于两种金属中的电子溢出功不同及两种金属中电子浓度不同造成的。（2）帕尔帖效应当有电流通过不同的导体组成的回路时，除产生不可逆的焦耳热外，在不同导体的接头处随着电流方向的不同会分别出现吸热、放热现象。如果电流从自由电子数较高的一端A流向自由电子数较低的一端B，则B端的温度就会升高；反之，B端的温度就会降低。二、NTC热敏电阻NTC热敏电阻大多数是由一些过渡金属氧化物(主要用Mn,Co,Ni,Fe等氧化物)的粉料,按一定比例混合
3、后,用焙烧陶瓷工艺制成热敏电阻体,再烧电极,焊上引线,涂上保护漆而成。改变这些混合物的成分和配比及工艺条件,就可以获得测温范围、阻值及温度系数不同的NTC热敏电阻。如常温下使用的热敏电阻是Mn，Co，Ni，Fe等氧化物的烧结体,如在该组分中添加Cu,则工作温度降低了;如组分中加入Al2O3为基,温度提高到中温范围。NTC热敏电阻的阻值由R(T)=R0(T0)exp[B(1/T-1/T0)]给出。其中，R(T)是温度T（绝对温度）时的电阻值，R0是参考温度时的电阻值，B是热敏电阻的材料常数，可用实验获得。通常B=2000~6000K。上式仅是一项
4、经验公式，在温度小于4500C时使用。从NTC热敏材料不同特性的角度看，材料有很多用途：利用其阻-温特性，可制作成测控温计、热补偿元件等；利用其伏安特性的非线性，可制作成功率计、稳压器、限幅器、低频振荡器、放大器、调制器等；利用其耗散常数与环境介质的种类、状态有关的特性，可制作成气压计、流量计、液位计等；利用其热惰性，可制作成时间延迟器件等。构成NTC热敏电阻的物质有Mn3O4，Fe2O4，NiO,Co3O4,CuO等等，大多数NTC热敏陶瓷都由是尖晶石晶相物质构成的，尖晶石结构的分子表达式为：AB2O4。其结构如下图所示：在一个单晶胞中，有3
5、2个氧离子，8个A离子，16个B离子。下面来说明NTC热敏电阻的导电机制。在形如Mn3-XMXO4（M：Ni，Co，Feetc）的尖晶石结构中，电子在Mn3+与Mn4+之间跃迁，使得温度T上升，增加了晶体的点缺陷，又使得电子跃迁加剧，从而使得电阻R下降。电子跃迁示意图如下所示：跳跃导电模型理论认为：导致热敏半导体陶瓷产生高电导的载流子，来源于过渡金属的3d层电子，这些金属离子处于能量等效的结晶学位置(A位或B位)，但具有不同的价键状态。由于晶格能等效，当离子间距较小时，通过隧道效应，离子间可发生电子交换，即跳跃导电。在电场作用下，这些电子交换引
6、起载流子沿电场方向产生迁移运动，从而产生导电。在尖晶石结构中，处于氧离子构成的正八面体中心的金属离子之间的距离较近，电子云有一定的重叠，它们之间容易发生价键交换，但处于正四面体中心的金属离子，相互之间的距离较远，难于进行跳跃导电钙钛矿结构体系的电子导电能力依赖于B位离子具有较强的变价。下面通过液体位置传感器的例子来说明NTC热敏电阻的应用。通常在NTC热敏电阻上施加电压来产生电流以便放出热量。当油箱是满的时候，NTC传感器浸没在油面以下，放出的热量被液体油吸收使得NTC温度下降，那么电阻就会减小。当油箱的页面位置下降是NTC传感器暴露在空气中的
7、时候，T的温度就会上升因为放出的热量没有被吸收，此时电阻就会相应的下降。三、PTC热敏电阻PTC热敏电阻是用钦酸材料为主体,并在该材料中掺加微量(约0.1%一0.3%)的稀土类金属氧化物,经过高温烧结后制取的热敏电阻。PTC热敏电阻具有多晶结构,各晶粒内部为半导电性区,晶界为高阻层区。外加电压的大部分降在高阻的晶界层上。由于晶界面存在一个势垒,当温度在居里点以下时,高阻的晶界具有铁电性,介电常数很大。从半导体物理可知,势垒的高度与介电常数成反比,此时的势垒高度小,电子容易越过势垒,材料电阻小;当温度增加到高于居里点Tc时,材料的晶格结构发生变化
8、,它的铁电性消失,介电常数变小,势垒随着增高,这时电子不容易越过势垒,电流变小,材料的电阻率变大,电阻温度系数为正。如下图所示：Tp2Tp1PTC热敏
