热敏电阻功能材料

二、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系PTC热敏电阻陶瓷 （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。
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 一般采用掺杂施主金属离子。在高纯BaTiO3陶 瓷中，用La3+、Ce4+、Sm3+、Dy3+、Y3+、Sb3+、 Bi3+等置换Ba2+。或用Nb5+、Ta5+、W6+等置换 Ti4+。 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。
其中： 其中：W T T0 I R
热敏电阻消耗的功率(mW) 热敏电阻消耗的功率(mW) 热敏电阻的温度 环境温度 在温度T时通过热敏电阻的电流（mA） 在温度T时通过热敏电阻的电流（mA） 在温度T时热敏电阻的电阻值(Ω) 在温度T时热敏电阻的电阻值(Ω)
4、时间常数（τ） 时间常数（ 热敏电阻在零功率状态下， 热敏电阻在零功率状态下，当环境温度由一个特定 温度向另一个特定温度突变时， 温度向另一个特定温度突变时，热敏电阻阻值变化 63.2%所需时间 所需时间。 63.2%所需时间。 起始温度：25℃～85℃或0℃～ 起始温度：25℃～85℃或0℃～100℃ 5、温度系数（αT） 温度系数（ 当温度变化1℃时 热敏电阻阻值的变化率。 当温度变化1℃时，热敏电阻阻值的变化率。 1℃
三、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 见表8-2
四、NTC热敏电阻陶瓷 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（ ）， 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。
基本特性
1、标准阻值（R） 标准阻值（ 热敏电阻器在规定温度下（25℃），采用引起电阻 热敏电阻器在规定温度下（25℃），采用引起电阻 ）， 值不超过0.1%的功率测得的电阻值，称为标准阻值 0.1%的功率测得的电阻值 标准阻值。 值不超过0.1%的功率测得的电阻值，称为标准阻值。 2、材料常数（B） 材料常数（ 表征热敏电阻材料物理特性的常数，与标准阻值的 表征热敏电阻材料物理特性的常数， 关系如下式： 关系如下式：
1 dRT αT = • RT dT
对应于温度T αT和RT对应于温度T（K）时的电阻温度系数和电阻 在工作温度范围内， 不是一个常数。 值，在工作温度范围内，αT不是一个常数。
PTC热敏电阻 PTC热敏电阻
PTC是 PTC是Positive Temperature coefficient 正温度系数)的缩写， (正温度系数)的缩写，是一种以钛酸 钡(BaTiO3)为主要成分的半导体功能 陶瓷材料， 陶瓷材料，具有电阻值随着温度升高 而增大的特性， 而增大的特性，特别是在居里温度点 附近电阻值跃升有3 个数量级。 附近电阻值跃升有3～7个数量级。 利用其最基本的电阻温度特性及电 电流特性与电流-时间特性，PTC系 压-电流特性与电流-时间特性，PTC系 列热敏电阻已广泛应用于工业电子设 汽车及家用电器等产品中， 备，汽车及家用电器等产品中，以达 到自动消磁、过热过流保护， 到自动消磁、过热过流保护，马达启 恒温加热，温度补偿、 动，恒温加热，温度补偿、延时等作 用。
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 Al3+在BaTiO3基陶瓷中有三种存在位置：①当 TiO2高度过量时，Al3+有可能被挤到BaTiO3晶格的 Ba2+位置，这时Al3+的作用是施主；②在Al2O3SiO2-TiO2掺杂的PTC瓷料中，Al3+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Байду номын сангаас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。
（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。
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。
PTC热敏电阻 热敏电阻 NTC热敏电阻 热敏电阻
RP = AP e
BT
B T
BP =
BN =
LnR1 − LnR2 T1 − T2
RT = A N e
LnR1 − LnR 2 1 1 − T1 T2
AP、AN为与形状尺寸相关的常数
3、耗散系数（H） 耗散系数（ 表示热敏电阻温度升高1℃所消耗的功率， 表示热敏电阻温度升高1℃所消耗的功率，描述了热 1℃所消耗的功率 敏电阻工作时与外界环境进行热交换的大小。 敏电阻工作时与外界环境进行热交换的大小。
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）。 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）室温电阻率 是指25℃时的零功率电阻率ρa。 （4）电压-电流特性： （5）耐压特性 是指PTC热敏电阻陶瓷所承受的最高电压 Vmax。 （6）电流-时间特性 （7）放热特性
（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”。 “移峰剂”具有与Ba2+、Ti4+离子大小、价 态相似的金属离子，可以取代Ba2+、Ti4+离子， 形成连续固溶体。如PbTiO3 （高于120℃， Tc=490℃）、 SrTiO3（低于120℃，Tc=150℃）。
热敏电阻材料与应用
热敏电阻材料与应用
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。
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。
1.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
NTC热敏电阻 NTC热敏电阻
NTC是 NTC是Negative Temperature coefficient 负温度系数)的缩写， (负温度系数)的缩写，是以尖晶石结构为 主的半导体功能陶瓷， 主的半导体功能陶瓷，具有电阻值随着温 度升高而减小的特性， 度升高而减小的特性，按照使用温度可分 为低温（ 130～0℃）、常温（ 50～ ）、常温 为低温（-130～0℃）、常温（-50～ 350℃）及高温（＞300℃）用三种类型， （＞300℃ 350℃）及高温（＞300℃）用三种类型， 主要应用于温度测量和温度补偿。 主要应用于温度测量和温度补偿。 NTC热敏电阻通常都是以Mn NTC热敏电阻通常都是以Mn３O４为主 热敏电阻通常都是以 材料，同时引入CoO NiO、CuO、 CoO、 材料，同时引入CoO、NiO、CuO、Fe２O３ 等，使其在高温下形成尖晶石结构的半 导体材料，主要有二元、 导体材料，主要有二元、三元及四元系 材料。 材料。
thermistor ceramics
热敏陶瓷是指对温度变化敏感的陶瓷材料。 热敏陶瓷是指对温度变化敏感的陶瓷材料。 是指对温度变化敏感的陶瓷材料 热敏电容
热 敏 陶 瓷
正温度系数热敏电阻
半导体瓷） （BaTiO3半导体瓷）
热敏电阻
负温度系数热敏电阻
热释电材料
半导体瓷） （MnCoNi半导体瓷） 半导体瓷
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。 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。
热敏陶瓷是半导体陶瓷材料中的一类，其 电阻率约为10-4~107 .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。
热敏陶瓷
热敏电阻是一种电阻值随温度变化的电阻元件 是一种电阻值随温度变化的电阻元件。 热敏电阻是一种电阻值随温度变化的电阻元件。 电阻值随温度升高而增加的称为正温度系数（PTC）热敏电阻 电阻值随温度升高而增加的称为正温度系数（PTC） 正温度系数 电阻值随温度升高而减小的称为负温度系数（NTC）热敏电阻 电阻值随温度升高而减小的称为负温度系数（NTC） 负温度系数
（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。