根据上述工作原理，可将磁电式传感器分为恒磁通式和变磁通式两大类。......
2023-06-22
半导体热敏电阻传感器的工作原理简介
【摘要】：目前，最小的珠状热敏电阻其直径仅为0.2mm。电阻值随温度升高而下降的热敏电阻器简称NTC热敏电阻器。额定功率PEPE是指热敏电阻器在规定的条件下，长期连续负荷工作所允许的消耗功率。它可用热敏电阻器的主要参数变化率来表示。标称工作电流II是指在环境温度25℃时，旁热式热敏电阻器的电阻值被稳定在某一规定值时加热器内的电流。由测试结果表明，不管是由氧化物材料，还是由单晶体材料制成的NTC热敏电阻器，在不太宽的温度范围（小于450
热敏电阻是利用某种半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质制成的。
1.热敏电阻的特点与分类
（1）热敏电阻的特点
①电阻温度系数的范围甚宽。有正、负温度系数和在某一特定温度区域内阻值突变的3种热敏电阻元件。电阻温度系数的绝对值比金属大10～100倍。
②材料加工容易、性能好。可根据使用要求加工成各种形状，特别是能够做到小型化。目前，最小的珠状热敏电阻其直径仅为0.2mm。
③阻值在1～10MΩ可供自由选择。使用时，一般可不必考虑导线电阻的影响；由于其功耗小、故不需采取冷端温度补偿，所以适合于远距离测温和控温使用。
④稳定性好。商品化产品已有30多年历史，加之近年在材料与工艺上不断得到改进。据报道，在0.01℃的小温度范围内，其稳定性可达0.0002℃的精度。相比之下，优于其他各种温度传感器。
⑤原料资源丰富，价格低廉。烧结表面均已经做玻璃封装，故可用于较恶劣的环境条件。另外，由于热敏电阻材料的迁移率很小，故其性能受磁场影响很小，这是十分可贵的特点。
（2）热敏电阻的分类
热敏电阻的种类很多，分类方法也不相同。按热敏电阻的阻值与温度关系这一重要特性可分为以下几种。具体情况见表7-3。
表7-3 热敏电阻材料的分类
①正温度系数热敏电阻器（PTC）。电阻值随温度升高而增大的电阻器，简称PTC热敏电阻器。它的主要材料是掺杂的BaTiO3半导体陶瓷，如图7-25所示。
图7-25 PIC热敏电阻
②负温度系数热敏电阻器（NTC）。电阻值随温度升高而下降的热敏电阻器简称NTC热敏电阻器。它的材料主要是一些过渡金属氧化物半导体陶瓷，如图7-26所示。
图7-26 NTC热敏电阻器
③突变型负温度系数热敏电阻器（CTR）。该类电阻器的电阻值在某特定温度范围内，随温度升高而降低3～4个数量级，即具有很大负温度系数。其主要材料是VO2，并添加一些金属氧化物。
2.热敏电阻的基本参数
（1）标称电阻R25
标称电阻值是热敏电阻在25±0.2℃时的阻值。
（2）材料常数BN
材料常数是指表征NTC热敏电阻器材料的物理特性常数。BN值决定于材料的激活能ΔE，其函数关系为BN＝ΔE/2k。式中，k为波尔兹曼常数。一般BN值越大，电阻值越大，绝对灵敏度越高。在工作温度范围内，BN值并不是一个常数，而是随温度的升高略有增加的。
（3）电阻温度系数（％/℃）
电阻温度系数是指热敏电阻的温度变化1℃时电阻值的变化率。
（4）耗散系数H
H是指热敏电阻器的温度变化1℃所耗散的功率变化量。在工作范围内，当环境温度变化时，H值随之变化，其大小与热敏电阻的结构、形状和所处介质的种类及状态有关。
（5）时间常数τ
τ是指热敏电阻器在零功率测量状态下，当环境温度突变时，电阻器的温度变化量从开始到最终变量的63.2％所需的时间。它与热容量C和耗散系数H之间的关系为τ＝C/H。
（6）最高工作温度Tmax
Tmax是指热敏电阻器在规定的技术条件下能长期连续工作所允许的最高温度。
（7）最低工作温度Tmin
Tmin是指热敏电阻器在规定的技术条件下能长期连续工作的最低温度。
（8）转变点温度Tc
Tc是指热敏电阻器的电阻-温度特性曲线上的拐点温度。主要指正电阻温度系数热敏电阻和临界温度热敏电阻。
（9）额定功率PE
PE是指热敏电阻器在规定的条件下，长期连续负荷工作所允许的消耗功率。在此功率下，其自身温度不应超过Tmax。
（10）测量功率P0
P0是指热敏电阻器在规定的环境温度下，受到测量电流加热而引起的电阻值变化不超过0.1％时所消耗的功率。
（11）工作点电阻RG
RG是指在规定的温度和正常气候条件下，施加一定的功率后使电阻器自热而达到某一给定的电阻值。
（12）工作点耗散功率PG
PG是指当电阻值达到RG时所消耗的功率。
（13）功率灵敏度KG
KG是指热敏电阻器在工作点附近消耗功率1MW时所引起电阻的变化。即在工作范围内，KG随环境温度的变化略有改变。
（14）稳定性
稳定性是指热敏电阻在各种气候、机械、电气等使用环境中，保持原有特性的能力。它可用热敏电阻器的主要参数变化率来表示。最常用的是以电阻值的年变化率或对应的温度变化率来表示。
（15）热电阻值RH
RH是指旁热式热敏电阻器在加热器上通过给定的工作电流时，电阻器达到热平衡状态时的电阻值。
（16）加热器电阻值Rr
Rr是指旁热式热敏电阻器的加热器，在规定环境温度条件下的电阻值。
（17）最大加热电流Imax
Imax是指旁热式热敏电阻器上允许通过的最大电流。
（18）标称工作电流I
I是指在环境温度25℃时，旁热式热敏电阻器的电阻值被稳定在某一规定值时加热器内的电流。
（19）标称电压
标称电压是指稳压热敏电阻器在规定温度下，标称工作电流所对应的电压值。
（20）元件尺寸
元件尺寸是指热敏电阻器的截面积A、电极间距离L和直径d。
3.热敏电阻器的主要特性
（1）热敏电阻器的电阻-温度特性（RT-T）
①负电阻温度系数（NTC）热敏电阻器的温度特性，如图7-27所示。NTC热敏电阻器的电阻-温度关系的一般数学表达式为
式中，RT、RT0为温度为T、T0时热敏电阻器的电阻值；BN为NTC热敏电阻器的材料常数。由测试结果表明，不管是由氧化物材料，还是由单晶体材料制成的NTC热敏电阻器，在不太宽的温度范围（小于450℃），都能利用该式，它仅是一个经验公式。
如果以lnRT、1/T分别作为纵坐标和横坐标，那么上式是一条斜率为BN，通过点（1/T，lnRT）的一条直线，如图7-28所示。
图7-27 热敏电阻的电阻-温度特性曲线
1—NTC；2—CTR；3，4—PTC
图7-28 NTC热敏电阻器的电阻-温度曲线
若材料的不同或配方的比例和方法不同，则BN也不同。用lnRT—1/T表示NTC热敏电阻器的电阻-温度特性，在实际应用中比较方便。
为了使用方便，常取环境温度为25℃作为参考温度（即T0＝25℃），则NTC热敏电阻器的电阻-温度关系式为
②正电阻温度系数（PTC）热敏电阻器的电阻-温度特性。其特性是利用正温度热敏材料，在居里点附近结构发生相变，引起导电率突变来取得的，典型特性曲线如图7-29所示。
PTC热敏电阻器的工作温度范围较窄，在工作区两端，电阻-温度曲线上有两个拐点：Tp1和Tp2。当温度低于Tp1时，温度灵敏度低；当温度升高到Tp1后，电阻值随温度值剧烈增高（按指数规律迅速增大）；当温度升到Tp2时，PTC热敏电阻器在工作温度范围内存在温度Tc，对应有较大的温度系数αtp。
图7-29 PTC热敏电阻器的电阻-温度曲线
经实验证实：在工作温度范围内，PTC热敏电阻器的电阻-温度特性可近似用下面的实验公式表示：
式中，RT、RT0分别为温度T、T0时的电阻值；BP为PTC热敏电阻器的材料常数。
若对式（7-17）取对数，则得
以lnRT、T分别作为纵坐标和横坐标，便得到用lnRT、T表示的PTC热敏电阻器电阻-温度曲线，如图7-30所示。
图7-30 lnRT—T表示的PTC热敏电阻器电阻-温度曲线
若对式（7-18）取微分，可得PTC热敏电阻器的温度系数αtp
可见，PTC热敏电阻器的温度系数αtp正好等于它的材料常数BP的值。
（2）热敏电阻器的伏安特性（U—I）
热敏电阻器伏安特性表示加在其两端的电压和通过的电流，在热敏电阻器和周围介质热平衡（即加在元件上的电功率和耗散功率相等）时的相互关系。
①负温度系数（NTC）热敏电阻器的伏安特性。该曲线是在环境温度为T0时的静态介质中测出的静态U-I曲线，如图7-31所示。
图7-31 NTC热敏电阻器的静态伏安特性
热敏电阻的端电压UT和通过它的电流I有如下关系：
式中，T0为环境温度；ΔT为热敏电阻的温升。
②正温度系数（PTC）热敏电阻器的伏安特性。该曲线与NTC热敏电阻器一样，曲线的起始段为直线，其斜率与热敏电阻器在环境温度下的电阻值相等。这是因为流过电阻器电流很小时，耗散功率引起的温升可以忽略不计的缘故。当热敏电阻器温度超过环境温度时，引起电阻值增大，曲线开始弯曲，如图7-32所示。
图7-32 PTC热敏电阻器的静态伏安特性
当电压增至Um时，存在一个电流最大值Im。此时，若电压继续增加，由于温升引起电阻值增加的速度超过电压增加的速度，电流反而减小，即曲线斜率由正变负。
（3）功率-温度特性（PT-T）
描述热敏电阻器的电阻体与外加功率之间的关系，与电阻器所处的环境温度、介质种类和状态等相关。
（4）热敏电阻器的动态特性
热敏电阻器的电阻值的变化完全是由热现象引起的。因此，它的变化必然有时间上的滞后现象。这种电阻值随时间变化的特性，叫作热敏电阻器的动态特性。
动态特性的种类：周围温度变化所引起的加热特性；周围温度变化所引起的冷却特性；热敏电阻器通电加热所引起的自热特性。
当热敏电阻器由温度T0增加到Tu时，其电阻值RTt随时间t的变化规律为
式中，RTt为时间t时热敏电阻的阻值；T0为环境温度；Tu为介质温度（Tu＞T0）；RTa为温度Ta时，热敏电阻器的电阻值；t为时间。
当热敏电阻器由温度Tu冷却至T0时，其电阻值RTt与时间的关系为
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