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。

热敏陶瓷是半导体陶瓷材料中的一类，其电阻率约为10-4~107Ω.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/R T*dR T/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V max。

（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。