热敏电阻功能材料

（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。
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
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。
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。
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也不过量的情况下，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。
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。
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。
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。
（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。
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。
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
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℃
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：
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