热敏电阻功能材料(功能与应用以及原理)

1、热敏电阻材料与应用热敏电阻材料与应用材料化学材料化学 张本星张本星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。 热敏陶瓷是半导体陶瓷材料中的一类，其电阻率约为10-4107.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

2、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。热敏陶瓷热敏陶瓷 thermistor ceramics热敏陶瓷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。热敏陶瓷热敏电容热敏电容热敏电阻热敏电阻热释电材料热释电材料正温度系数热敏电阻正温度系数热敏电阻（BaTiO3半导体瓷）半导体瓷）负温度系数热敏电阻负温度系数热敏电阻（MnCoNi半导体瓷）半导体瓷）热敏电阻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。电阻值随温度升高而增加的称为电阻值随温度升高而增加的称为正温度系数（正温度系数（PTCPTC）热敏

3、电阻）热敏电阻电阻值随温度升高而减小的称为电阻值随温度升高而减小的称为负温度系数（负温度系数（NTCNTC）热敏电阻）热敏电阻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。PTCPTC热敏电阻热敏电阻 PTC PTC是是Positive Temperature coefficient ( (正温度系数正温度系数) )的缩写，是一种以的缩写，是一种以钛酸钛酸钡钡(BaT

4、iO(BaTiO3 3) )为主要成分的半导体功能为主要成分的半导体功能陶瓷材料，具有电阻值随着温度升高陶瓷材料，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特别是在居里温度点附近电阻值跃升有附近电阻值跃升有3 37 7个数量级。个数量级。 利用其最基本的电阻温度特性及电利用其最基本的电阻温度特性及电压压- -电流特性与电流电流特性与电流- -时间特性，时间特性，PTCPTC系系列热敏电阻已广泛应用于工业电子设列热敏电阻已广泛应用于工业电子设备，汽车及家用电器等产品中，以达备，汽车及家用电器等产品中，以达到自动消磁、过热过流保护，马达启到自动消磁、过热过流保护，马达启动

5、，恒温加热，温度补偿、延时等作动，恒温加热，温度补偿、延时等作用。用。一、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。 （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

6、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。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

7、导致重新绝缘化。（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+0.001Li2CO3A、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0.20.3mol%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

8、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。（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）。B、晶粒大小的影响 晶粒大小与正温度系数、电压系数及耐

9、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。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

10、的影响 Al3+在BaTiO3基陶瓷中有三种存在位置：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；在Al2O3-SiO2-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；在未引入SiO2、且TiO2也不过量的情况下，Al3+将取代BaTiO3晶格中的Ti4+，起受主作用。显然，、种情况下对PTC瓷料的半导化起有益作用。是有害的。二、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NTCNTC热

11、敏电阻热敏电阻 NTC NTC是是Negative Temperature coefficient ( (负温度系数负温度系数) )的缩写，是以的缩写，是以尖晶石尖晶石结构为结构为主的半导体功能陶瓷，具有电阻值随着温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，按照使用温度可分按照使用温度可分为低温（为低温（-130-13000）、常温（）、常温（-50-50350350）及高温（）及高温（300300）用三种类型，）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 NTC热敏电阻通常都是以热敏电阻通常都是以MnMnO O为主为主材

12、料，同时引入材料，同时引入CoOCoO、NiONiO、CuOCuO、FeFeO O等，使其在高温下形成尖晶石结构的半等，使其在高温下形成尖晶石结构的半导体材料，主要有二元、三元及四元系导体材料，主要有二元、三元及四元系材料。材料。 1.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。 分为三大类：低温型、中温型及高温型陶瓷。2。NTC热敏电阻陶瓷的导电机理：（1）化学计量比偏离 采用氧化或还原气氛烧结，分别产生p型和n型半导体，形成电子或空穴导电。（2）掺杂 在主成分中引入少量与

13、主成分金属离子种类不同、电价不等的金属离子，产生不等价置换，从而产生产生p型和n型半导体，实现电子或空穴导电。2.高温NTC热敏电阻陶瓷 一般要求为：熔点高、性能稳定、热敏感性高、电阻温度系数大、元件烧成后，与电极的接触状态好、可通过调整配方和晶粒度能够改变电阻的温度特性。材料体系有以下两类：ZrO2-CaO、ZrO2-Y2O3等萤石型结构陶瓷以Al2O3、MgO为主要成分的尖晶石型陶瓷3.NTC热敏电阻陶瓷的应用1）温度补偿： 用于石英振荡器（23个NTC）2）抑制浪涌电流： 用于控制开关电源、电机、变压器等在接通瞬时产生的大电流。3）温度检测 用于热水器、空调、厨房设备、办公用品、汽车电控等。 片式NTC热敏电阻主要应用在移动电话、手提电脑、液晶显示器、个人计算机、传真机以及汽车工业，其中44%用于通讯领域，26%用于汽车工业，30%用于消费类电