热敏电阻器:热敏感的半导体电阻-中文百科频道

科技名词定义

中文名称：热敏电阻器

英文名称：thermistor

定义：电阻值随其电阻体温度的变化而显著变化的热敏元件。

所属学科：机械工程（一级学科）；仪器仪表元件（二级学科）；仪器仪表机械元件-敏感元件（三级学科）

简介

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，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n、p，迁移率分别为μn、μp，则半导体的电导为：σ=q（nμn+pμp）因为n、p、μn、μp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。

热敏电阻器

电阻值随温度变化而变化的敏感元件。

在工作温度范围内，电阻值随温度上升而增加的是正温度系数(PTC)热敏电阻器；电阻值随温度上升而减小的是负温度系数(NTC)热敏电阻器。图中为四种常见的热敏电阻器的电阻－温度特性曲线。曲线1是金属热敏电阻器。它的电阻值随温度上升而线性增加，电阻温度系数为+0。004K左右。曲线2是普通负温度系数热敏电阻器。它的电阻值随温度上升而呈指数减小，室温下的电阻温度系数为-0。02K～-0。06K。曲线3是临界热敏电阻器(CTR)。它的电阻值在某一特定温度附近随温度上升而急剧减小，变化量达到2～4个数量级。曲线4A和4B是钛酸钡系正温度系数热敏电阻器。前者为缓变型，室温下的电阻温度系数在+0。03～+0。08K之间；后者为开关型，在某一较小温度区间，电阻值急增几个数量级，电阻温度系数可达+0。10～+0。60K。

1871年西门子公司首先用纯铂制成测温用铂热敏电阻器，之后又出现纯铜和纯镍热敏电阻器。这类纯金属热敏电阻器有极好的重复性和稳定性。早在1834年以前，M。法拉第就发现硫化银等半导体材料具有很大的负电阻温度系数。但直到20世纪30年代，才使用硫化银、二氧化铀等材料制成有实用价值的热敏电阻器。1940年美国J。A。贝克等人发现某些过渡金属氧化物经混合烧结后，成为具有很大负温度系数的半导体，而且性能相当稳定。1946年后生产的普通负温度系数热敏电阻器，绝大多数是用这种合成氧化物半导体制成的。1954年P。W。哈依曼等人发现添加微量稀土元素的钛酸钡陶瓷具有较理想的正电阻温度系数，以后在此基础上制成了热敏电阻器，并发展成系列品种，应用范围日益扩大。

分类

热敏电阻器可按电阻温度特性、材料、结构、工作方式、工作温度和用途分类。

特性参数

热敏电阻器的主要特性参数有电阻－温度特性、电压-电流特性和热时间常数。

①电阻-温度特性：特性曲线如图所示。金属热敏电阻器的电阻-温度关系可表示为 n

Rt＝R0(1＋αt)　　　　　　　　n

(1)式中Rt为温度t℃时的电阻值，R0为温度0℃时的电阻值，α为工作温度区间的平均温度系数。普通负温度系数热敏电阻器的电阻温度关系可表示为 n

RT＝Ae　　　　　　　　 n

(2)式中RT为温度T(K)时的电阻值，A为与热敏电阻器材料和结构有关的系数，B为材料的特性常数。根据温度系数的定义，n

于是，α和B的关系是

临界热敏电阻器以及钛酸钡系正温度系数热敏电阻器的电阻温度关系不易用数学式表达，一般用特性曲线或某温度下的电阻温度系数值来表示。

②电压-电流特性：在规定温度和静止空气中，热敏电阻器达到热平衡时两端的电压与其中流过的稳态电流之间的关系，通常呈非线性。

③热时间常数：当环境温度从温度T1突变到温度T2，热敏电阻体的温度变化到等于(T2-T1)的63。2％时所需的时间。

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）。

特点

①灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10～100倍以上，能检测出10-6℃的温度变化；

②工作温度范围宽，常温器件适用于-55℃～315℃，高温器件适用温度高于315℃（目前最高可达到2000℃），低温器件适用于-273℃～55℃；

③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；

④使用方便，电阻值可在0。1～100kΩ间任意选择；⑤易加工成复杂的形状，可大批量生产；⑥稳定性好、过载能力强。

工作原理

热敏电阻将长期处于不动作状态；当环境温度和电流处于c区时，热敏电阻的散热功率与发热功率接近，因而可能

热敏电阻动作也可能不动作。热敏电阻在环境温度相同时，动作时间随着电流的增加而急剧缩短；热敏电阻在环境温度相对较高时具有更短的动作时间和较小的维持电流及动作电流。

1、ptc效应是一种材料具有ptc(positive temperature coefficient)效应，即正温度系数效应，仅指此材料的电阻会随温度的升高而增加。如大多数金属材料都具有ptc效应。在这些材料中，ptc效应表现为电阻随温度增加而线性增加，这就是通常所说的线性ptc效应。

2、非线性PTC效应经过相变的材料会呈现出电阻沿狭窄温度范围内急剧增加几个至十几个数量级的现象，即非线性ptc效应，相当多种类型的导电聚合体会呈现出这种效应，如高分子ptc热敏电阻。这些导电聚合体对于制造过电流保护装置来说非常有用。

3、高分子ptc热敏电阻用于过流保护高分子ptc热敏电阻又经常被人们称为自恢复保险丝（下面简称为热敏电阻），由于具有独特的正温度系数电阻特性，因而极为适合用作过流保护器件。热敏电阻的使用方法象普通保险丝一样，是串联在电路中使用，如图2所示。

当电路正常工作时，热敏电阻温度与室温相近、电阻很小，串联在电路中不会阻碍电流通过；而当电路因故障而出现过电流时，热敏电阻由于发热功率增加导致温度上升，当温度超过开关温度（ts，如图1所示）时，电阻瞬间会剧增，回路中的电流迅速减小到安全值。图3为热敏电阻对交流电路保护过程中电流的变化示意图。热敏电阻动作后，电路中电流有了大幅度的降低。

图中t为热敏电阻的动作时间。由于高分子ptc热敏电阻的可设计性好，可通过改变自身的开关温度（ts）来调节其对温度的敏感程度，因而可同时起到过温保护和过流保护两种作用，如kt16－1700dl规格热敏电阻由于动作温度很低，因而适用于锂离子电池和镍氢电池的过流及过温保护。

温度特性

热敏电阻的电阻－温度特性可近似地用下式表示：R=R0exp{B(1/T-1/T0)}：R:温度T(K)时的电阻值、Ro:温度T0、(K)时的电阻值、B:B值、*T(K)=t(ºC)+273。15。实际上，热敏电阻的B值并非是恒定的，其变化大小因材料构成而异，最大甚至可达5K/°C。因此在较大的温度范围内应用式1时，将与实测值之间存在一定误差。此处，若将式1中的B值用式2所示的作为温度的函数计算时，则可降低与实测值之间的误差，可认为近似相等。

BT=CT2+DT+E，上式中，C、D、E为常数。另外，因生产条件不同造成的B值的波动会引起常数E发生变化，但常数C、D不变。因此，在探讨B值的波动量时，只需考虑常数E即可。常数C、D、E的计算，常数C、D、E可由4点的(温度、电阻值)数据(T0，R0)。(T1，R1)。(T2，R2)and(T3，R3)，通过式3∼6计算。首先由式样3根据T0和T1，T2，T3的电阻值求出B1，B2，B3，然后代入以下各式样。

电阻值计算例：试根据电阻－温度特性表，求25°C时的电阻值为5(kΩ)，B值偏差为50(K)的热敏电阻在10°C～30°C的电阻值。步骤(1)根据电阻－温度特性表，求常数C、D、E。To=25+273。15T1=10+273。15T2=20+273。15T3=30+273。15(2)代入BT=CT2+DT+E+50，求BT。(3)将数值代入R=5exp{(BT1/T-1/298。15)}，求R。*T:10+273。15～30+273。15。

技术参数

①标称阻值Rc：一般境温度为25℃时热敏电阻器的实际电阻值。

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αT：它表示温度变化1℃时的阻值变化率，单位为%/℃。

⑤时间常数τ：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。τ越小，表明热敏电阻器的热惯性越小。

⑥额定功率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℃，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Pc: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。热敏电阻

⑨最大电压:对于NTC热敏电阻器，是指在规定的环境温度下，不便热敏电阻器弓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PCT特性部分的最大直流电压。

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:PCT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1℃时，热敏电阻器所耗散的功率，单位为mW/℃。

PTC热敏电阻

PTC（Positive Temperature Coeff1Cient）是指在某一温度下电阻急剧增加、具有正温度系数的热敏电阻现象或材料，可专门用作恒定温度传感器。该材料是以BaTiO3或SrTiO3或PbTiO3为主要成分的烧结体，其中掺入微量的Nb、Ta、 Bi、 Sb、Y、La等氧化物进行原子价控制而使之半导化，常将这种半导体化的BaTiO3等材料简称为半导（体）瓷；同时还添加增大其正电阻温度系数的Mn、Fe、Cu、Cr的氧化物和起其他作用的添加物，采用一般陶瓷工艺成形、高温烧结而使钛酸铂等及其固溶体半导化，从而得到正特性的热敏电阻材料。其温度系数及居里点温度随组分及烧结条件（尤其是冷却温度）不同而变化。

钛酸钡晶体属于钙钛矿型结构，是一种铁电材料，纯钛酸钡是一种绝缘材料。在钛酸钡材料中加入微量稀土元素，进行适当热处理后，在居里温度附近，电阻率陡增几个数量级，产生PTC效应，此效应与BaTiO3晶体的铁电性及其在居里温度附近材料的相变有关。钛酸钡半导瓷是一种多晶材料，晶粒之间存在着晶粒间界面。该半导瓷当达到某一特定温度或电压，晶体粒界就发生变化，从而电阻急剧变化。

钛酸钡半导瓷的PTC效应起因于粒界（晶粒间界）。对于导电电子来说，晶粒间界面相当于一个势垒。当温度低时，由于钛酸钡内电场的作用，导致电子极容易越过势垒，则电阻值较小。当温度升高到居里点温度（即临界温度）附近时，内电场受到破坏，它不能帮助导电电子越过势垒。这相当于势垒升高，电阻值突然增大，产生PTC效应。钛酸钡半导瓷的PTC效应的物理模型有海望表面势垒模型、丹尼尔斯等人的钡缺位模型和叠加势垒模型，它们分别从不同方面对PTC效应作出了合理解释。

实验表明，在工作温度范围内，PTC热敏电阻的电阻-温度特性可近似用实验公式表示：

RT=RT0 expBp（T-T0）

式中RT、RT0表示温度为T、T0时电阻值，Bp为该种材料的材料常数。

PTC效应起源于陶瓷的粒界和粒界间析出相的性质，并随杂质种类、浓度、烧结条件等而产生显著变化。最近，进入实用化的热敏电阻中有利用硅片的硅温度敏感元件，这是体型且精度高的PTC热敏电阻，由n型硅构成，因其中的杂质产生的电子散射随温度上升而增加，从而电阻增加。PTC热敏电阻于1950年出现，随后1954年出现了以钛酸钡为主要材料的PTC热敏电阻。PTC热敏电阻在工业上可用作温度的测量与控制，也用于汽车某部位的温度检测与调节，还大量用于民用设备，如控制瞬间开水器的水温、空调器与冷库的温度，利用本身加热作气体分析和风速机等方面。下面简介一例对加热器、马达、变压器、大功率晶体管等电器的加热和过热保护方面的应用。　　

PTC热敏电阻除用作加热元件外，同时还能起到“开关”的作用，兼有敏感元件、加热器和开关三种功能，称之为“热敏开关”。电流通过元件后引起温度升高，即发热体的温度上升，当超过居里点温度后，电阻增加，从而限制电流增加，于是电流的下降导致元件温度降低，电阻值的减小又使电路电流增加，元件温度升高，周而复始，因此具有使温度保持在特定范围的功能，又起到开关作用。利用这种阻温特性做成加热源，作为加热元件应用的有暖风器、电烙铁、烘衣柜、空调等，还可对电器起到过热保护作用。

NTC热敏电阻

NTC（Negative Temperature Coeff1Cient）是指随温度上升电阻呈指数关系减小、具有负温度系数的热敏电阻现象和材料。该材料是利用锰、铜、硅、钴、铁、镍、锌等两种或两种以上的金属氧化物进行充分混合、成型、烧结等工艺而成的半导体陶瓷，可制成具有负温度系数（NTC）的热敏电阻。其电阻率和材料常数随材料成分比例、烧结气氛、烧结温度和结构状态不同而变化。现在还出现了以碳化硅、硒化锡、氮化钽等为代表的非氧化物系NTC热敏电阻材料。

NTC热敏半导瓷大多是尖晶石结构或其他结构的氧化物陶瓷，具有负的温度系数，电阻值可近似表示为：式中RT、RT0分别为温度T、T0时的电阻值，Bn为材料常数。陶瓷晶粒本身由于温度变化而使电阻率发生变化，这是由半导体特性决定的。

NTC热敏电阻器的发展经历了漫长的阶段。1834年，科学家首次发现了硫化银有负温度系数的特性。1930年，科学家发现氧化亚铜-氧化铜也具有负温度系数的性能，并将之成功地运用在航空仪器的温度补偿电路中。随后，由于晶体管技术的不断发展，热敏电阻器的研究取得重大进展。1960年研制出了N1C热敏电阻器。NTC热敏电阻器广泛用于测温、控温、温度补偿等方面。下面介绍一个温度测量的应用实例。

它的测量范围一般为-10～+300℃，也可做到-200～+10℃，甚至可用于+300～+1200℃环境中作测温用。RT为NTC热敏电阻器；R2和R3是电桥平衡电阻；R1为起始电阻；R4为满刻度电阻，校验表头，也称校验电阻；R7、R8和W为分压电阻，为电桥提供一个稳定的直流电源。R6与表头（微安表）串联，起修正表头刻度和限制流经表头的电流的作用。R5与表头并联，起保护作用。在不平衡电桥臂（即R1、RT）接入一只热敏元件RT作温度传感探头。由于热敏电阻器的阻值随温度的变化而变化，因而使接在电桥对角线间的表头指示也相应变化。这就是热敏电阻器温度计的工作原理。

热敏电阻器温度计的精度可以达到0。1℃，感温时间可少至10s以下。它不仅适用于粮仓测温仪，同时也可应用于食品储存、医药卫生、科学种田、海洋、深井、高空、冰川等方面的温度测量。

CTR热敏电阻

临界温度热敏电阻CTR（CritiCal Temperature Resistor）具有负电阻突变特性，在某一温度下，电阻值随温度的增加激剧减小，具有很大的负温度系数。构成材料是钒、钡、锶、磷等元素氧化物的混合烧结体，是半玻璃状的半导体，也称CTR为玻璃态热敏电阻。骤变温度随添加锗、钨、钼等的氧化物而变。这是由于不同杂质的掺入，使氧化钒的晶格间隔不同造成的。若在适当的还原气氛中五氧化二钒变成二氧化钒，则电阻急变温度变大；若进一步还原为三氧化二钒，则急变消失。产生电阻急变的温度对应于半玻璃半导体物性急变的位置，因此产生半导体-金属相移。CTR能够作为控温报警等应用。

热敏电阻的理论研究和应用开发已取得了引人注目的成果。随着高、精、尖科技的应用，对热敏电阻的导电机理和应用的更深层次的探索，以及对性能优良的新材料的深入研究，将会取得迅速发展。

应用

热敏电阻也可作为电子线路元件用于仪表线路温度补偿和温差电偶冷端温度补偿等。利用NTC热敏电阻的自热特性可实现自动增益控制，构成RC振荡器稳幅电路，延迟电路和保护电路。在自热温度远大于环境温度时阻值还与环境的散热条件有关，因此在流速计、流量计、气体分析仪、热导分析中常利用热敏电阻这一特性，制成专用的检测元件。PTC热敏电阻主要用于电器设备的过热保护、无触点继电器、恒温、自动增益控制、电机启动、时间延迟、彩色电视自动消磁、火灾报警和温度补偿等方面。