学年论文谈谈半导体热敏电阻剖析

1、热敏电阻是开发早、种类多、发展较成熟的敏感元器件.半导体材料做成的 热敏电阻是对温度变化表现出非常敏感的电阻元件，它能测量出温度的微小变 化，并且体积小，工作稳定，结构简单。因此，它在测温技术、无线电技术、自 动化和遥控等方面都有广泛的应用。 由于热敏电阻具有非线性，就限制了它的应 用，热敏电阻的线性化在温度测控中是生产具有线性刻度的指示仪表和微机接口 必不可少的基础。它的规格化可以使半导体热敏电阻传感器能够相互替换，进行大批量生产。由于热敏电阻的应用越来越广，各国对热敏电阻的研制也越加重视。 热敏电阻的发展与新原理、新工艺、新材料、新应用的发展密切相关。关键词：热敏电阻；微小变化；广泛应用；

2、线性化；规格化；发展1、简介半导体热敏电阻是利用半导体的电阻 温度特性制成的一种热敏元件，它对温度非常敏感，温度的微小变化能引起其电阻值的显著变化。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。热敏电阻是开发早、种类多、发展较成熟的敏感元器件热敏电阻由半导体陶瓷材料组成，热敏电阻是用半导体材料，大多为负温度系数，即阻值随温度

3、增加而降低。温度变化会造成大的阻值改变，因此它是最灵敏的温度传感器。但热敏电阻的线性度极差，并且与生产工艺有很大关系。制造商给不出标准化的热敏电阻曲线。热敏电阻体积非常小， 对温度变化的响应也快。但热敏电阻需要使用电流源，小尺寸也使它对自热误差极为敏感。n、P，迁移率分别为.二、利用的原理是温度引起电阻变化.若电子和空穴的浓度分别为Ip，则半导体的电导为:=q （n 巴+P 岂p）因为n、p、叫、Jp都是依赖温度T的函数，所以电导是温度的函数，因此可由测量 电导而推算出温度的高低，并能做出电阻 -温度特性曲线。这就是半导体热敏电阻的工作原 理。2、半导体热敏电阻的特点2.1热敏电阻的型号我国产

4、热敏电阻是按部颁标准SJ1155-82来制定型号，由四部分组成。第一部分：主称，用字母 Ml示 敏感元件。第二部分：类别，用字母 Z表示正温度系数热敏电阻器，或者用字母表示负温度系数热敏电阻器。第三部分：用途或特征，用一位数字（0-9）表示。一般数字 表示普通用途，表示稳压用途（负温度系数热敏电阻器）， 3表示微波测量用途（负温度系数热敏电阻器）， 4表示旁热式（负温度系数热敏电阻器），表示测温用途， 6表示控温用途，表示消磁用 途（正温度系数热敏电阻器），8表示线性型（负温度系数热敏电阻器），表示恒温型（正 温度系数热敏电阻器），（表示特殊型（负温度系数热敏电阻器）。第四部分：序号，也由数字

5、表示，代表规格、性能。往往厂家出于区别本系列产品的特殊需要，在序号后加派生序号由字母、数字和-号组合而成。例：MZ 1 12.2热敏电阻的主要特点热敏电阻包括正温度系数（PTC ）和负温度系数（NTC ）热敏电阻，以及临界温度热敏电阻（CTR ）。其主要特点是： 灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大 10100倍以上，能检测出10-6 C的温度变 化； 工作温度范围宽， 常温器件适用于-55 C315 C,高温器件适用温度高于315 C （目 前最高可达到2000 C），低温器件适用于-273 C55 C;体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度; 使用方便，电阻值可

6、在 0.1100k Q间任意选择； 易加工成复杂的形状，可大批量生产； 稳定性好、过载能力强。3、半导体热敏电阻的工作原理按温度特性热敏电阻可分为两类，随温度上升电阻增加的为正温度系数热敏电阻，反之为负温度系数热敏电阻。3.1正温度系数热敏电阻的工作原理此种热敏电阻以钛酸钡（BaTiO3 ）为基本材料，再掺入适量的稀土元素,利用陶瓷工艺高温烧结尔成。纯钛酸钡是一种绝缘材料，但掺入适量的稀土元素如镧（La）和铌（Nb）等以后，变成了半导体材料，被称半导体化钛酸钡。它是一种多晶体材料,晶粒之间存在着晶粒界面，对于导电电子而言， 晶粒间界面相当于一个位垒。当温度低时,由于半导体化钛酸钡内电场的作用，

7、 导电电子可以很容易越过位垒，所以电阻值较小;当温度升高到居里点温度（即临界温度，此元件的温度控制点般钛酸钡的居里点为120C ）时，内电场受到破坏，不能帮助导电电子越过位垒,所以表现为电阻值的急剧增加。因为这种元件具有未达居里点前电阻随温度变化非常缓慢,具有恒温、调温和自动控温的功能，只发热，不发红，无明火，不易燃烧，电压交、直流3440V均可，使用寿命长，非常适用于电动机等电器装置的过热探测。3.2负温度系数热敏电阻的工作原理负温度系数热敏电阻是以氧化锰、氧化钻、氧化镍、氧化铜和氧化铝等金属氧化物为主要原料，采用陶瓷工艺制造而成。这些金属氧化物材料都具有半导体性质，完全类似于锗、 硅晶体材

8、料，体内的载流子（电子和空穴）数目少，电阻较高；温度升高，体内载流子数目 增加，自然电阻值降低。负温度系数热敏电阻类型很多，使用区分低温（-60300C）、中温（300600C）、高温（600C）三种，有灵敏度高、稳定性好、响应快、寿命长、价格 低等优点，广泛应用于需要定点测温的温度自动控制电路，如冰箱、空调、温室等的温控系 统。热敏电阻与简单的放大电路结合， 就可检测千分之一度的温度变化， 所以和电子仪表组 成测温计，能完成高精度的温度测量。普通用途热敏电阻工作温度为-55C+315 C,特殊低温热敏电阻的工作温度低于 -55C，可达-273Co4、热敏电阻器的主要参数热敏电阻的主要参数有各

9、种热敏电阻器的工作条件一定要在其出厂参数允许范围之内。十余项：标称电阻值、使用环境温度(最高工作温度)、测量功率、额定功率、标称电压(最 大工作电压)、工作电流、温度系数、材料常数、时间常数等。其中标称电阻值是在25C零功率时的电阻值，实际上总有一定误差，应在10%之内。普通热敏电阻的工作温度范围较大，可根据需要从-55C到+315 C选择，值得注意的是，不同型号热敏电阻的最高工作温度差异很大，如 MF11片状负温度系数热敏电阻器为+125C,而MF53-1仅为+70 C,学生实验时应注意(一般不要超过 50C)。具体指：(1) 标称阻值Rc :一般指环境温度为25 C时热敏电阻器的实际电阻值

10、。(2) 实际阻值Rt :在一定的温度条件下所测得的电阻值。(3) 材料常数：它是一个描述热敏电阻材料物理特性的参数，也是热灵敏度指标，B值越大，表示热敏电阻器的灵敏度越高。应注意的是，在实际工作时，B值并非一个常数，而是随温度的升高略有增加。(4) 电阻温度系数T :它表示温度变化1 C时的阻值变化率，单位为 /C。(5) 时间常数t热敏电阻器是有热惯性的，时间常数，就是一个描述热敏电阻器热惯性的参数。它的定义为，在无功耗的状态下，当环境温度由一个特定温度向另一个特定温度突 然改变时，热敏电阻体的温度变化了两个特定温度之差的63.2%所需的时间。t越小，表明热敏电阻器的热惯性越小。(6) 额

11、定功率Pm :在规定的技术条件下，热敏电阻器长期连续负载所允许的耗散功率。在实际使用时不得超过额定功率。若热敏电阻器工作的环境温度超过25 C,则必须相应降低其负载。(7) 额定工作电流Im :热敏电阻器在工作状态下规定的名义电流值。(8) 测量功率FC :在规定的环境温度下，热敏电阻体受测试电流加热而引起的阻值变化 不超过0.1%时所消耗的电功率。(9) 最大电压：对于NTC热敏电阻器，是指在规定的环境温度下，不使热敏电阻器引起热失控所允许连续施加的最大直流电压；对于PTC热敏电阻器，是指在规定的环境温度和静止空气中，允许连续施加到热敏电阻器上并保证热敏电阻器正常工作在PTC特性部分的最大直

12、流电压。(10) 最高工作温度Tmax :在规定的技术条件下，热敏电阻器长期连续工作所允许的最 高温度。(11) 开关温度tb :PTC热敏电阻器的电阻值开始发生跃增时的温度。(12) 耗散系数H :温度增加1C时，热敏电阻器所耗散的功率，单位为mw/C。5、半导体热敏电阻的应用半导体热敏电阻的应用很广，下面仅就其几个主要方面的应用情况作一介绍。5.1在测温方面的应用国外半导体热敏电阻广泛地用于测温，其特点是灵敏度高，尤其是在测量微小的温度变化方面更具有优越性。由于它的体积小，还可以用在医学上。以日本为例，约有六十家温度计厂，在测300 C以下的温度时，有50%勺测温仪表采用半导体热敏电阻，这

13、就足以说明其应用之广泛。国外多点测温可达数百点。日本的薄膜热敏电已制成红外探测器， 是用两个热敏电阻，一个做为检测用，一个做为室温变化补偿用， 红外探测器分为热型和量子型。国外用薄膜热敏电阻作红外辐射检测元件，可以用于下列的温度检测：土壤、水面、转动物体，以及高压电器接头开关发热检查、气象观测等。已广泛地用于自动控制、军事、宇 航等。半导体热敏电阻测温在医学上的应用更引人注目，原来的水银温度计，既消耗大量水银，又有公害问题，今后电子式体温计会得到普及。1975年日本就出售了电子式体温计，都是用热敏电阻测温，用表头指示和数字显示，测量体温的位置，可以放在腋下、口腔、直肠、 内脏、血管、外表皮等。

14、另外，国外还有用于低温测量的热敏电阻，如苏联有测液态气体温度的产品。5.2在温度控制方面的应用热敏电阻可以用于自动化装置、自动控制系统的控温。用钦酸钡、钦酸铭、钦酸银系材料制成的正温度系数的热敏电阻，以及用钒、硼、磷、硅或钒、镁、铭、钨系材料制作的临 温度热敏电阻，由于在临界温度附近电阻温度系数急剧增大，所以它不需要放大，就可直接控温。热敏电阻用作控温的例子很多，如机器、控制仪表、飞行体、导弹等的控温。5.3在温度补偿方面的应用热敏电阻也作为电路的补偿元件而被广泛应用。它不仅可补偿相反电阻温度系数的器 件，也能补偿电路某种成份的特性，如晶体振荡器的温度一频率特性、放大器传输系统的衰减一频率特性

15、等。热敏电阻广泛地用于晶体管线路的温度补偿、电视阴极射线管架的温度补偿、 电气仪表温度补偿和伺服机构中动圈的温度补偿等。如西德生产一种温度补偿元件， 为二极管、欧姆电阻、热敏电阻的组合体，它能较为理想地满足晶体管低频末级稳定温度的要求，尺寸很小，只占有很微小的空间位置，温度稳定性很好。5.4用于测流量用SiC热敏电阻可作旋进型漩涡流量计的敏热元件。近年来，国外这种仪表发展十分迅速，被认为是七十年代的新型仪表。其优点是：精度高、量程比宽、灵敏、无可动部件、休积小、重量轻，并且具有与流量成正比的脉冲信号输出，易于与数字仪表和计算机配套，便于安装，便于维修。5.5用于测压力国外发现SiC热敏电阻的特

16、性很适宜于制作压力敏感元件，已制得用于测微压的一种单桥路系统。这种元件与相同外形尺寸的其他元件比较具有更高的信号输出。如美国金刚砂公司发明了一种单晶 SiC热敏电阻元件，可以做为压力敏感元件， 该元件灵敏度高、再现性好、 化学稳定性好。此外，热敏电阻还可以测风速、流速、真空，作温度一频率和温度一时间变换，还可以 稳压、稳幅。薄膜热敏电阻可用于检测流量，用于计算机和超高频电路，红外辐射检测（如非接触式 红外辐射温度计红外图象仪、红外显微镜、红外分析仪等）、厚度计、火箭探测、探伤等。6、半导体热敏电阻特性的研究（实验）6.1实验原理半导体材料做成的热敏电阻是对温度变化表现出非常敏感的电阻元件，它能

17、测量出温 度的微小变化，并且体积小，工作稳定，结构简单。因此，它在测温技术、无线电技术、自 动化和遥控等方面都有广泛的应用。半导体热敏电阻的基本特性是它的温度特性，而这种特性又是与半导体材料的导电机制密切相关的。由于半导体中的载流子数目随温度升高而按指数规律迅速增加。温度越高,载流子的数目越多， 导电能力越强，电阻率也就越小。因此热敏电阻随着温度的升高，它的 电阻将按指数规律迅速减小。实验表明，在一定温度范围内，半导体材料的电阻Rt和绝对温度T的关系可表示为R,二aebT（4-6 1）其中常数a不仅与半导体材料的性质而且与它的尺寸均有关系，而常数b仅与材料的性质有关。常数a、b可通过实验方法测

18、得。例如，在温度Ti时测得其电阻为 RtiRT1b T=ae(4 6 2)在温度T2时测得其阻值为甩RT2b T2=aeb 2(4 6 3)将以上两式相除，消去 a得1 1RT1咛花）=eRT2再取对数，有(4 6 4)或写作ln Ry把由此得出的b代入（4 6 2）或（4 6 3）式中，又可算出常数 a,由这种方法确定的 常数a和b误差较大，为减少误差，常利用多个T和Ry的组合测量值，通过作图的方法（或 用回归法最好）来确定常数 a、b，为此取（4 6 1）式两边的对数。变换成直线方程：(4 6 5)(4 6 6)式中Y =1 nRy,A=| na, B=b,X -1 T，然后取X、Y分别为

19、横、纵坐标，对不同的温度 T测 得对应的Ry值，经过变换后作 XY曲线，它应当是一条截距为 A、斜率为B的直线。根A据斜率求出b，又由截距可求出 a = e。确定了半导体材料的常数 a和b后，便可计算出这种材料的激活能 E = bK（ K为玻耳兹曼常数，其值见附录）以及它的电阻温度系数1 dRTa =Rt dTT2100%(4 6-7)显然，半导体热敏电阻的温度系数是负的，并与温度有关。热敏电阻在不同温度时的电阻值，可用惠斯通电桥测得。6.2实验内容用电桥法测量半导体热敏电阻的温度特性。1. 按图4 6 1实验装置接好电 路，安置好仪器。2. 在容器内盛入水，开启直流电源开关，在电热丝中通以2

20、.5A 3.0A的电流，对水加热，使水温逐渐上升， 温度由水银温度计读出。热敏电阻的两 条引出线连接到惠斯通电桥的待测电阻Rx二接线柱上。直流电源水银温度计电热丝3测试的温度从20 C开始，每增加5 C,作一次测量，直到85C 止。6.3数据处理1.把实验测量数据填入下表中温度（度）升温读数倍率降温读数倍率R。均值1/TlnRTT=20T=25T=30T=35T=40T=45T=50T=55T=60T=65T=70T=75T=80T=852. 作Rtt曲线。3. 作InRT1/T (T = 273 + t)直线，求此直线的斜率 B和截距A,由此算出常数a和b 值，有条件者，最好用回归法代替作图

21、法求常数a和b值。4. 根据求得的a、b值，计算出半导体热敏电阻温度系数a。7、半导体热敏电阻在温度控制中的应用目前市场上的温度控制器种类繁多，应用场所也比较广泛，然而多数都是价格比较昂贵目应用领域针对性强， 如何通过低成本的电路设计，实现电路的精确温控， 应用领域有一定的普遍性，是该类产品存在的较为突出问题。本文在一种低成本、 高性能电路设计中， 利用半导体热敏电阻器、LM 324集成运算放大器、继电器 J9V210 Q,双向可控硅BCR3A M作为 卞要元器件，实现了对水温的精确可调温控，并成功地运用到电路的实现之中。该温度控制器选择水温控制范围为OC 40 C,在某个温度点控制精度 士

22、0.5C，负载 功率W54W，满足对水(60 L范围内)温的控制精度有转高要求的应川领域。7.1水温控制电路设计水温控制电路的原理图如图 1所小，由检测、放大、控制二部分组成；图2是水温控制 电路的流程图。整个电路以L M 324集成运算放大器为核心控制器， 采用玻璃封装系列 NTC 半导体热敏电阻器 Rt，实现水温监测，由二极竹 3D G12A、继电器J9V210 Q、双向可控硅 BCR3AM构成控制电路，实现对负载工作状态的控制。电路的工作过程为：调节电位器 Rw，用以确定水温控制的温度值。由热敏电阻 Rt测得 的实际温度值，会形成电路中a、b两点的电位差并输出给 LM 324集成运算放大

23、器；LM324 经过信号处理，A4放大器输出V+或V-正、反向饱和输出电压；V+或V-加在三极管3D G12A 基极发射极端，根据 3DG 12A的工作状态饱和或是截止，决定集电极上继电器 J9V 210 Q 是否吸合还是打开，从而确定双向可控硅 BCR3AM导通或是截止，最终完成对负载的控制。图】水淤控引电晞廉理图趟檢电田脸底桥平世条F3TCI2A轩通攜电髀吸合石一BCR3A5t 甘透I fl第览tI MJ24 f：丘向电EK K3DGI2A Ujj：讎电器斷TTMR3AM載止凤號旳止丄卄7.2半导体热敏电阻R温度检测模块设计半导体热敏电阻 Rt是一种重要的敏感元件，由于其具有高灵敏度、体积

24、小、寿命长、使用简单等特点既可以用在各种传感器上，也可以直接用作测温元件。在本文中，半导体热敏电阻Rt主要用于构成非平衡电桥，进行水温检测。实验表明，在一定的温度范围内，半导体的电阻率p和热力学温度 T之间的关系可表示为：b/TP = a0e式中：a0、b为常量，其数值与材料的物理性质有关。热敏电阻的阻值根据电阻定律可写成：Rt =/ S = a0eb/T L / S = aeb/T式中：L为电极间的距离，S为热敏电阻的横截面积，a=a0L/S,利用n组Rt - T实验测量值，用最小二乘法可求出参数a、b之值，并给出经验公式b/TRt =ae(1)式(1)是一个曲线函数，取对数可以变换成直线形

25、式Ln R =Ln a +b/T,令 y= Ln R ,A=Ln a,x=1/T,式（2）可写成y=A+bx对式(3)虽然可以用做图法描成直线，测量出它们相应的斜率和截距，得出A、b值，但是这样处理数据，具有一定的主观随意性，对于同一组数据，得出的结果会因人而异。按统计观点，A、b是两个随机变量，用一元线性回归法可以得出A、b的最佳值。该温度控制器选择水温控制范围为0C40C, 表1是同等实验环境条件下测得的9组Rt- T实验测量值，用以确定参数a、b的数值。按最小二乘法原理，可得1-偉(5)由式(4)又可求出参数a的值经计算，热敏电阻Rt的经验公式实验求得R =0.0 3 8 5e89 8n

26、8式(4)、(5)是在选定了模型方程的函数形式下，基于最小二乘法原理，拟合出方程的待定系数而得到的，但实验数据与它们的吻合程度如何，还须用统计的方法进行检验，即相关系数r的取值r的取值范围为：0令冬,r的计算值越接近1说明拟合的程度越高。经计算求得r = 0. 97.由此看出，该温度控制器的温度检测实验数据还是比较精确的。8半导体热敏电阻温度特性的计算机仿真负温度系数热敏电阻是根据电阻随温度的变化而显著变化的性质，由半导体材料制成的 器件。它具有许多独特的优点，如体积小、结构简单、对热敏感、热惯性小、电阻率大、能长期工作等，在工业、农业、医学、家电、通信、自动化控制等领域中得到了广泛应用。国内

27、一些研究者对热敏电阻的温度特性也做了一定的研究，但都是直接做实验，比较繁琐，不直观，且仅在实验数据的处理方法上有所区别。而笔者通过实验室团队自编的程序进行了计算机仿真，通过虚拟实验的形式对负温度系数热敏电阻的温度特性进行了深入的探讨和 总结，并对负温度系数热敏电阻温度特性规律进行了定量分析，确定了其温度特性函数的表达式。8.1理论分析热敏电阻由半导体材料制成，其基本特性是温度特性。 它对温度的变化十分敏感， 当温度变化为1度时，金属材料的电阻值仅变化，而热敏电阻值变化可达 3%6%。热敏电阻的体积可以做得很小，其中 RC3型珠状热敏电阻的大小仅与芝麻颗粒的大小相当，其电阻值 可以做成几百欧姆到

28、几千欧姆不等。半导体的导电能力取决于参与导电的自由电子数，也即载流子数。载流子数目越多， 导电能力越强，其电阻率也就越小。和一般的金属不同，负温度系数热敏电阻有一个重要的特 点：当温度升高时，其阻值急剧减小，并且其中的载流子数目是随着温度的升高而按指数规 律迅速增加的，因此负温度系数热敏电阻的电阻值随着温度的升高将按指数规律迅速减小。 实验表明在一定温度范围内，半导体热敏电阻与温度的关系为：(1)其中，A ,B均为常数，B是热敏电阻的材料常数，T是绝对温度，R是温度为t时的电阻。根据电阻温度系数的定义：h) I(2)可以得到：丄.1Udr式中a为电阻温度系数。若绘出热敏电阻的电阻温度特征曲线就

29、可以得到特定温度范围内的 电阻温度系数 a对于半导体，公式 两边对T求导，带入公式(3)可得： 由公式（4），我们可以发现半导体的电阻温度系数为一负值，这一点也正好说明了其电阻温 度特性。JL8.2计算机仿真根据上述理论进行编程，并采用界面化处理，得到了下面的结果。（1）运行软件。首先出现如图 1所示的界面，界面上左右两条变化的垂直棒示意着热敏电阻 的阻值与温度。“按钮选择”的框架有 5个按钮选项，单击其中按钮将进入相应的系统或完 成相应的功能。（2）数据测量。单击此项按钮，出现如图 2所示界面（此界面的实验组别为 14）,界面上标有“第1组”、“第2组”、“第3组”、“第4组”的4个小窗口分

30、别实时地显示着 4组实验的 电桥平衡情况、温度及有关的提示信息。当小窗口中的虚拟检流计指针未指向“0”时，在图1软件主界面其下方的文本框中会提示：现在电桥不平衡！实验者根据虚拟检流计的指针位置及界面右上角的电桥示意图，可容易地分析出应如何调节比较臂阻值。当调节到检流计指针指向 0时,会在文本框中报告电桥平衡的消息，如图3中的“第2组”窗口所示.当某组电桥达平衡时， 单击相应的“采集数据”的按钮 （现以“第3组采集数据”按钮为例，其余类同 ），将当前 的R0阻值输入后，计算机根据所得的电桥 3个臂电阻计算出当前的热敏电阻阻值， 与当前 的液体温度一起显示在如图 3所示界面上的“实验数据明细表”中

31、，并实时地在 RT图上描出对应的一点。图2实验调节观察窗口图3第3组实验采集一次时的界面图给加热器加热，改变液体温度，待升高约 5 C时，细心调节R0使电桥平衡，计算机将显 示第2次的测量数据并在图上描出第2个点及两点间的连线，如此每升高5 C左右采集-次，直至液体的温度接近 100C。图3所示为第3组实验采集了 6次后的屏幕界面图。以上 所述为第3组实验的情况，实验操作时，哪组实验的电桥先平衡就单击哪组实验所对应的采 集数据按钮，可混合进行，计算机自动识别不同组别的数据。8.3数据采集与处理（1）在仿真操作界面上，按实验要求将所需的各种虚拟仪器组装成完整的实验系统，通过调节R1、R2的大小选

32、取电桥倍率 k =R1/R2=1.温度调到10 C,调节电阻箱 R0，使检 流计的读数为零，并记录此时的温度值t和电阻值Rt;调节温度到升温档，从 10 C开始，每隔5 C测量一次，直至 90 C,将所测温度和电阻值记录并填入表格中，如表1所示。表1半导体热敏电躺勰制图5半导体煎最电阻hRrVT系曲线计算此半导体热敏电阻的材料常数B以及常数A和温度为20 C、50 C时的电温度0 r101520253035404550加$4和2R20J229181 876.91 546.61 2S2.51谕.g897.57 57 J(r = 273.2)/K283.2288.2293.2298.2303.13

33、08.2313.2318.2323.2(1 oavn/K3 5313.4703.4113.3533,29812453.1竹3,14?3.(m1调8.1597.?457.7387.5377.3447.1576.9756.8006.629d V5560657075甜B5和R.IQ642.0547.0468.3402.8347.9301.8262.822.7Ithl32U.2331233S.2343.234K.2353.235K.2363.2(1 OOM/K3.0473.0012胸2.9142.8722.8312.7922.75 JInAi6.4656.306495.99S5.8525JI05.57

34、15.437系数：t，最终写出此种半导体热敏电阻的电阻2温度关系表达式 Rt =Aexp(B/ T).此半导体的材料常数B可以通过图5求出，根据公式(1)可以得到:InRt=旦 InA1由以上分析可知InRt*为一线性关系，其斜率与材料常数 B的值是一致的，求出图5中直线的斜率便知道了B的值。 在直线上任取两点 a(3. 001 X 10,6. 304)和b(3. 411 X10=7. 738)，则求得:3. 500 X1O3求常数A，任取一点带入公式(1)，在这里我们取点c(Rt =547. 0 Q, T=333. 2 K),可以求得:A =n“pf* 丿547 n* 0.015(Qj(7)

35、=3. 500 XIOVexp H“re丿r333. 2求材料的电阻温度指数a由公式可得：当t =20C,即卩 T=293. 2 K时材料的电阻温度系数a为：0. 041;当t =50 C,即T=323. 2 K时材料的电阻温度系数a为 20.034.显然，不同温度下材料的电阻温度系数是不同的。此半导体的电阻温度关系式为:(8)= 0, 01 5 Xexp(从公式(8)可以看到，半导体热敏电阻的电阻2温度关系为非线性的的指数关系，此性质与半导体的内部结构及组成有关。它在实际中应用很广泛，设计半导体热敏电阻温度计就是一个例子。9、半导体热敏电阻的线性化与规格化方法由于热敏电阻具有非线性，就限制了

36、它的应用，热敏电阻的线性化在温度测控中是生产具有线性刻度的指示仪表和微机接口必不可少的基础。它的规格化可以使半导体热敏电阻传感器能够相互替换，进行大批量生产。9.1热敏电阻温度特性的线性化、规格化基本原理负温度系数半导体热敏电阻的阻值与温度之间的关系为Rt = A *eB/T ；温度系数-B/T2.为了改善热敏电阻温度， 经过大量实验采用如图 1所示的线路，等效热敏电阻值为 R ,酌 1S 2在低温端热敏电阻的阻值rtr3，与r3并联后的阻值在低温端接近 r3的值，压低了 Rr与T曲线的左半部分，限制了等效电阻 R,的上限。在离温端，由于热敏电阻的阻值很 低，串联的电阻 R4起主要作用，使曲线

37、在高温端得到了提升。通过上述方案使参数相差较 大的热敏电阻在温度 To变化到T，时，虽然热敏电阻的阻值由Rto到Rt2各不相同，但是，相应的等效热敏电阻 R0到R12的变化范围基本相同，在一定的温度范围内 R随T变化的曲 线成直线，其斜率基本一致，这就是热敏电阻的线性化。采用图2的线路，串联电阻 &可使等效热敏电阻在温度自 To变化到T2时，其阻值的变化范田统一到固定的范围，这就是热 敏电阻的规格化。92并联电阻R3与串联电阻R4的计算方法温度由To变化到T2,热敏电阻值由Rro到Rr2，由于元件参数的差异，不同元件Rro、Rr2值各不相同，经过图1所示的线性化方法，等效电阻Ri不同的元件在两

38、端点的值为Rio、R12。尺=&0的值则相等。旷隔+艮+略&仟& +出+ /经变换得211式中尸* 尺“(箱一凡”应一局一局由于 ：/i.止是设计中预先给定的值，由（2）式可求得 并联电阻R3，将R3的值代入（1 ）式可计算出串联电阻 R4的值。10、半导体热敏电阻的国外现状101行业情况美国的汾瓦尔电子公司从 1955年开始生产精密氧化物半导体热敏电阻， 各种系列规格 的产品有六百多种。 其他各国如西德的西门子公司、 日本的宝工业、日立等公司也在五十年 代开始大量生产氧化物热敏电阻。五十年代末到六十年代初，各国也生产玻璃热敏电阻（如日本的东亚电波）。美国德克萨斯仪器公司则生产锗单晶热敏电阻。

39、六十年代初，出现了正温度系数和临界温度热敏电阻。西德的西门子公司、日本的富士电机、东京化学电气工业等公司都有此类产品。日本在1970年对15个生产热敏电阻的厂家进行统计，总产量达4700万个。1975年,日本半导体热敏电阻的总生产数量已达9019.3万个，产值达19.88亿日元。1977年，产量达12996.7万个，产值达 32.09亿日元。1980年产量为12366.6万个,产值为49.42亿日元。西德的西门子公司生产的正电阻温度系数的热敏电阻有24种型号，负电阻温度系数的热敏电阻有33种型号。苏联1975年生产了正电阻温度系数的大功率的热敏电阻，并生产了高温热（6001000 C）。美国的

40、NL industries公司生产一种掺有钛化钡杂质的正电阻温度系数的热敏电阻。金刚砂公司研制并生产了SiC热敏电阻。目前，世界上许多国家都在研制、生产和使用半导体热敏电阻，主要有美国、英国、日本、西德、法国、荷兰、苏联等。其主要厂家如表1所示（不完全统计）。表1 半导体热敏电阻生产厂家一览表国另U厂家生产的品种美国汾瓦尔电子有限公司(Fenwal Electronics Inc.)德克萨斯仪器公司(Texas In strume nt In c.)凯士顿公司(Carbor un dum Co.)金刚砂公司(Keystone)西屋公司(Western)NL in dustries金属氧化物热敏

41、电阻SiC热敏电阻氧化物热敏电阻热敏电阻西德西门子公司(Siemens AG)特律风根通用电气公司(AEG-Telefu nken)布朗鲍威里公司(BBC) 英特麦塔尔(In termermetall)热敏电阻日本富士通松下电子部品二菱电机村田制作所大泉制作所芝浦电子制作所 宝热敏电阻仪表公司 富士电机制造锗热敏电阻PTC热敏电阻玻璃热敏电阻东亚电波英国标准电信和电缆有限公司(Standard Telephones and CablesLtd.)德克萨斯仪器公司(Texas In strume nt Ltd.)热敏电阻硅热敏电阻法国欧洲电子元件公司(Lcc-CICE-Compa nicEuro

42、pee nedesComposa nsElectr oni gues)热敏电阻10.2产品情况关于国外半导体热敏电阻的技术水平，各国产品都有良好的稳定性和互换性。美国、日本等国都具有较高的水平。现将各国产品的技术水平分述如下：（1）美国美国汾瓦尔电子有限公司生产多种热敏电阻，对特殊用途线路的应用有很高的功率灵敏度。该公司在1980年生产的可互换的热敏电阻，在070 C的整个温度范围内可完全互换，其精度为+02C,阻值精度接近0.25% ,高温热敏电阻则可工作到5001000 C。该公司生产的热敏电阻与精密电阻组成的热敏电阻网络，在整个温区有线性输出。美国金刚砂公司生产多种碳化硅热敏电阻，品种多

43、，材质稳定，其温度特性、阻值、温 度系数可以适应多种电子线路的需要。1980年共生产75种型号。（2）日本日本所生产的半导体热敏电阻，也有较高的技术水平。具有代表性的厂家有大泉制作所， 按月产计算，仪用热敏电阻为500万个，其生产历史悠久，品种也较多。仅以圆片状热敏电阻为例，其在1977年（44种型号）的技术水平如下：在25C时的电阻值为 1.320% Q150k 15%;常数B为1500 _10%4200 _7%K ;在25 C时的电阻温度系数为一 1.74.7%/ C ;在25 C时 的最大允许电流为 41500mA ;热耗散系数为 515mW/C ;直径为511mm。石琢电子株式会社生产

44、的各种形状的热敏电阻，其在1977年生产的珠状热敏电阻，有24种型号，在 25 C时的电阻值为 400 _ 15%100000 _ 15% Q ;常数 B 为3280 _ 5%3770 _ 5%K ;热耗散系数为 1mW/C ;热时间常数为25 S ;最高使用温度为300 C。日本东海高热株式会社研制用于高温的热敏电阻，1971年就制出用于1100 C的高温热敏电阻产品，在 4001100C温度范围内性能稳定，灵敏度高，可以制出各种形状和尺寸。(3 )其他国家英国早在1969年就研制出一种高灵敏度的塑料热敏电阻，这种元件能耐120 C的温度达600小时。苏联的半导体热敏电阻种类也很多，在1971年研制出一种特殊类型的负电阻温度系数的低温热敏电阻，1975年还制造出一些新型的大功率正电阻温度系数的热敏电阻， 它是基于钦酸钡的合金固溶体制造的，其特点是：虽然几何尺寸较小，在20 C时，材料的比电阻也小，但是它耐受的电压很大，不低于450V/cm。11、半导体热敏电阻的发展动向由于热敏电阻的应用越来越广，各国对热敏电阻的研制也越加重视。热敏电阻的发展与 新原理、新工艺、新材料、新应用的发展密切相关。1、探索新原理，发展新技术，研制新元器件正电阻温度系数的热敏电阻和临界温度热敏电阻已研制成功，并且已实际应用了，尤其是在控温和过热保护技术中用得更加广泛。近年来，又出现了薄膜热敏电阻， 敏