熱電阻作為感溫元件常見的幾種類型

熱敏電阻器是敏感元件的一類，典型特點是對溫度敏感，不同的溫度下表現出不同的電阻值。正溫度系數熱敏電阻器(PTC)在溫度越高時電阻值越大，負溫度系數熱敏電阻器(NTC)在溫度越高時電阻值越低，它們同屬于半導體器件。
PTC
PTC(Positive Temperature Coefficient)是指在某一溫度下電阻急劇增加、具有正溫度系數的熱敏電阻現象或材料，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化，常將這種半導體化的BaTiO3等材料簡稱為半導(體)瓷;同時還添加增大其正電阻溫度系數的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、高溫燒結而使鈦酸鉑等及其固溶體半導化，從而得到正特性的熱敏電阻材料.其溫度系數及居里點溫度隨組分及燒結條件(尤其是冷卻溫度)不同而變化.
熱敏電阻鈦酸鋇晶體屬于鈣鈦礦型結構，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，電阻率陡增幾個數量級，產生PTC效應，此效應與BaTiO3晶體的鐵電性及其在居里溫度附近材料的相變有關.鈦酸鋇半導瓷是一種多晶材料，晶粒之間存在著晶粒間界面.該半導瓷當達到某一特定溫度或電壓，晶體粒界就發生變化，從而電阻急劇變化.
鈦酸鋇半導瓷的PTC效應起因于粒界(晶粒間界).對于導電電子來說，晶粒間界面相當于一個勢壘.當溫度低時，由于鈦酸鋇內電場的作用，導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，內電場受到破壞，它不能幫助導電電子越過勢壘.這相當于勢壘升高，電阻值突然增大，產生PTC效應.鈦酸鋇半導瓷的PTC效應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效應作出了合理解釋.
實驗表明，在工作溫度范圍內，PTC熱敏電阻的電阻-溫度特性可近似用實驗公式表示：
RT=RT0 expBp(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.
PTC效應起源于陶瓷的粒界和粒界間析出相的性質，并隨雜質種類、濃度、燒結條件等而產生顯著變化.zui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，這是體型小且精度高的PTC熱敏電阻，由n型硅構成，因其中的雜質產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，隨后1954年出現了以鈦酸鋇為主要材料的PTC熱敏電阻。PTC熱敏電阻在工業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節，還大量用于民用設備，如控制瞬間開水器的水溫、空調器與冷庫的溫度，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用。
PTC熱敏電阻除用作加熱元件外，同時還能起到“開關”的作用，兼有敏感元件、加熱器和開關三種功能，稱之為“熱敏開關”.電流通過元件后引起溫度升高，即發熱體的溫度上升，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，周而復始，因此具有使溫度保持在特定范圍的功能，又起到開關作用.利用這種阻溫特性做成加熱源，作為加熱元件應用的有暖風器、電烙鐵、烘衣柜、空調等，還可對電器起到過熱保護作用.
NTC
NTC(Negative Temperature CoeffiCient)是指隨溫度上升電阻呈指數關系減小、具有負溫度系數的熱敏電阻現象和材料.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、燒結等工藝而成的半導體陶瓷，可制成具有負溫度系數(NTC)的熱敏電阻.其電阻率和材料常數隨材料成分比例、燒結氣氛、燒結溫度和結構狀態不同而變化.現在還出現了以碳化硅、硒化錫、氮化鉭等為代表的非氧化物系NTC熱敏電阻材料.
NTC熱敏半導瓷大多是尖晶石結構或其他結構的氧化物陶瓷，具有負的溫度系數，電阻值可近似表示為：
Rt = RT *EXP(Bn*(1/T-1/T0)
式中RT、RT0分別為溫度T、T0時的電阻值，Bn為材料常數.陶瓷晶粒本身由于溫度變化而使電阻率發生變化，這是由半導體特性決定的.
NTC熱敏電阻器的發展經歷了漫長的階段.1834年，科學家發現了硫化銀有負溫度系數的特性.1930年，科學家發現氧化亞銅-氧化銅也具有負溫度系數的性能，并將之成功地運用在航空儀器的溫度補償電路中.隨后，由于晶體管技術的不斷發展，熱敏電阻器的研究取得重大進展.1960年研制出了NTC熱敏電阻器.NTC熱敏電阻器廣泛用于測溫、控溫、溫度補償等方面.下面介紹一個溫度測量的應用實例.
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，為電橋提供一個穩定的直流電源.R6與表頭(微安表)串聯，起修正表頭刻度和限制流經表頭的電流的作用.R5與表頭并聯，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，因而使接在電橋對角線間的表頭指示也相應變化.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，同時也可應用于食品儲存、醫藥衛生、科學種田、海洋、深井、高空、冰川等方面的溫度測量.
CTR
臨界溫度熱敏電阻CTR(CritiCal 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.構成材料是釩、鋇、鍶、磷等元素氧化物的混合燒結體，是半玻璃狀的半導體，也稱CTR為玻璃態熱敏電阻.驟變溫度隨添加鍺、鎢、鉬等的氧化物而變.這是由于不同雜質的摻入，使氧化釩的晶格間隔不同造成的.若在適當的還原氣氛中變成二氧化釩，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.產生電阻急變的溫度對應于半玻璃半導體物性急變的位置，因此產生半導體-金屬相移.CTR能夠作為控溫報警等應用.
熱敏電阻的理論研究和應用開發已取得了引人注目的成果.隨著高、精、尖科技的應用，對熱敏電阻的導電機理和應用的更深層次的探索，以及對性能優良的新材料的深入研究，將會取得迅速發展.