熱敏電阻是開發早、種類多、發展較成熟的敏感元器件．熱敏電阻由半導體陶瓷材料組成，利用的原理是溫度引起電阻變化。若電子和空穴的濃度分別為n、p，遷移率分別為μn、μp，則半導體的電導為：σ=q（nμn+pμp）。因為n、p、μn、μp都是依賴溫度T的函數，所以電導是溫度的函數，因此可由測量電導而推算出溫度的高低，并能做出電阻-溫度特性曲線．這就是半導體熱敏電阻的工作原理。

　　熱敏電阻包括正溫度系數（PTC）和負溫度系數（NTC）熱敏電阻，以及臨界溫度熱敏電阻（CTR）。由于半導體熱敏電阻有獨特的性能，所以在應用方面，它不僅可以作為測量元件（如測量溫度、流量、液位等），還可以作為控制元件（如熱敏開關、限流器）和電路補償元件．熱敏電阻廣泛用于家用電器、電力工業、通訊、軍事科學、宇航等各個領域，發展前景極其廣闊。

　　熱敏電阻的分類：

　　一、PTC熱敏電阻

　　PTC（Positive Temperature Coeff1Cient）是指在某一溫度下電阻急劇增加、具有正溫度系數的熱敏電阻現象或材料，可專門用作恒定溫度傳感器．該材料是以BaTiO3或SrTiO3或PbTiO3為主要成分的燒結體，其中摻入微量的Nb、Ta、Bi、Sb、Y、La等氧化物進行原子價控制而使之半導化，常將這種半導體化的BaTiO3等材料簡稱為半導（體）瓷；同時還添加增大其正電阻溫度系數的Mn、Fe、Cu、Cr的氧化物和起其他作用的添加物，采用一般陶瓷工藝成形、高溫燒結而使鈦酸鉑等及其固溶體半導化，從而得到正特性的熱敏電阻材料．其溫度系數及居里點溫度隨組分及燒結條件（尤其是冷卻溫度）不同而變化．

　　鈦酸鋇晶體屬于鈣鈦礦型結構，是一種鐵電材料，純鈦酸鋇是一種絕緣材料．在鈦酸鋇材料中加入微量稀土元素，進行適當熱處理后，在居里溫度附近，電阻率陡增幾個數量級，產生PTC效應，此效應與BaTiO3晶體的鐵電性及其在居里溫度附近材料的相變有關．鈦酸鋇半導瓷是一種多晶材料，晶粒之間存在著晶粒間界面．該半導瓷當達到某一特定溫度或電壓，晶體粒界就發生變化，從而電阻急劇變化．

　　鈦酸鋇半導瓷的PTC效應起因于粒界（晶粒間界）．對于導電電子來說，晶粒間界面相當于一個勢壘．當溫度低時，由于鈦酸鋇內電場的作用，導致電子極容易越過勢壘，則電阻值較?。敎囟壬叩骄永稂c溫度（即臨界溫度）附近時，內電場受到破壞，它不能幫助導電電子越過勢壘．這相當于勢壘升高，電阻值突然增大，產生PTC效應．鈦酸鋇半導瓷的PTC效應的物理模型有海望表面勢壘模型、丹尼爾斯等人的鋇缺位模型和疊加勢壘模型，它們分別從不同方面對PTC效應作出了合理解釋．

　　實驗表明，在工作溫度范圍內，PTC熱敏電阻的電阻-溫度特性可近似用實驗公式表示：

　　RT=RT0expBp（T-T0）

　　式中RT、RT0表示溫度為T、T0時電阻值，Bp為該種材料的材料常數．

　　PTC效應起源于陶瓷的粒界和粒界間析出相的性質，并隨雜質種類、濃度、燒結條件等而產生顯著變化．最近，進入實用化的熱敏電阻中有利用硅片的硅溫度敏感元件，這是體型且精度高的PTC熱敏電阻，由n型硅構成，因其中的雜質產生的電子散射隨溫度上升而增加，從而電阻增加。

　　PTC熱敏電阻于1950年出現，隨后1954年出現了以鈦酸鋇為主要材料的PTC熱敏電阻．PTC熱敏電阻在工業上可用作溫度的測量與控制，也用于汽車某部位的溫度檢測與調節，還大量用于民用設備，如控制瞬間開水器的水溫、空調器與冷庫的溫度，利用本身加熱作氣體分析和風速機等方面．下面簡介一例對加熱器、馬達、變壓器、大功率晶體管等電器的加熱和過熱保護方面的應用。

　　PTC熱敏電阻除用作加熱元件外，同時還能起到“開關”的作用，兼有敏感元件、加熱器和開關三種功能，稱之為“熱敏開關”，如圖2和3所示．電流通過元件后引起溫度升高，即發熱體的溫度上升，當超過居里點溫度后，電阻增加，從而限制電流增加，于是電流的下降導致元件溫度降低，電阻值的減小又使電路電流增加，元件溫度升高，周而復始，因此具有使溫度保持在特定范圍的功能，又起到開關作用．利用這種阻溫特性做成加熱源，作為加熱元件應用的有暖風器、電烙鐵、烘衣柜、空調等，還可對電器起到過熱保護作用。

　　二、NTC熱敏電阻

　　NTC（Negative Temperature Coeff1Cient）是指隨溫度上升電阻呈指數關系減小、具有負溫度系數的熱敏電阻現象和材料．該材料是利用錳、銅、硅、鈷、鐵、鎳、鋅等兩種或兩種以上的金屬氧化物進行充分混合、成型、燒結等工藝而成的半導體陶瓷，可制成具有負溫度系數（NTC）的熱敏電阻．其電阻率和材料常數隨材料成分比例、燒結氣氛、燒結溫度和結構狀態不同而變化．現在還出現了以碳化硅、硒化錫、氮化鉭等為代表的非氧化物系NTC熱敏電阻材料。

　　NTC熱敏半導瓷大多是尖晶石結構或其他結構的氧化物陶瓷，具有負的溫度系數，電阻值可近似表示為：

　　式中RT、RT0分別為溫度T、T0時的電阻值，Bn為材料常數．陶瓷晶粒本身由于溫度變化而使電阻率發生變化，這是由半導體特性決定的。

　　NTC熱敏電阻器的發展經歷了漫長的階段．1834年，科學家首次發現了硫化銀有負溫度系數的特性．1930年，科學家發現氧化亞銅-氧化銅也具有負溫度系數的性能，并將之成功地運用在航空儀器的溫度補償電路中．隨后，由于晶體管技術的不斷發展，熱敏電阻器的研究取得重大進展．1960年研制出了N1C熱敏電阻器．NTC熱敏電阻器廣泛用于測溫、控溫、溫度補償等方面。

　　熱敏電阻器溫度計的精度可以達到0.1℃，感溫時間可少至10s以下．它不僅適用于糧倉測溫儀，同時也可應用于食品儲存、醫藥衛生、科學種田、海洋、深井、高空、冰川等方面的溫度測量。

　　三、CTR熱敏電阻

　　臨界溫度熱敏電阻CTR（Crit1Cal Temperature Resistor）具有負電阻突變特性，在某一溫度下，電阻值隨溫度的增加激劇減小，具有很大的負溫度系數．構成材料是釩、鋇、鍶、磷等元素氧化物的混合燒結體，是半玻璃狀的半導體，也稱CTR為玻璃態熱敏電阻．驟變溫度隨添加鍺、鎢、鉬等的氧化物而變．這是由于不同雜質的摻入，使氧化釩的晶格間隔不同造成的．若在適當的還原氣氛中五氧化二釩變成二氧化釩，則電阻急變溫度變大；若進一步還原為三氧化二釩，則急變消失．產生電阻急變的溫度對應于半玻璃半導體物性急變的位置，因此產生半導體-金屬相移．CTR能夠作為控溫報警等應用。

　　熱敏電阻的理論研究和應用開發已取得了引人注目的成果．隨著高、精、尖科技的應用，對熱敏電阻的導電機理和應用的更深層次的探索，以及對性能優良的新材料的深入研究，將會取得迅速發展。

　　熱敏電阻的材料分類：

　　熱敏材料一般可分為半導體類、金屬類和合金類三類，現分別簡述如下。

　　半導體熱敏電阻材料

　　這類材料有單晶半導體、多晶半導體、玻璃半導體、有機半導體以及金屬氧化物等。它們均具有非常大的電阻溫度系數和高的龜阻率，用其制成的傳感器的靈敏度也相當高。按電阻溫度系數也可分為負電阻溫度系數材料和正電阻溫度系數材料。在有限的溫度范圍內，負電阻溫度系數材料a可達-6*10-2/℃，正電阻溫度系數材料a可高達-60*10-2/℃以上。如飲酸鋇陶瓷就是一種理想的正電阻溫度系數的半導體材料。上述兩種材料均廣泛用于溫度測量、溫度控制、溫度補瞬、開關電路、過載保護以及時間延遲等方面，如分別用子制作熱敏電阻溫度計、熱敏電阻開關和熱敏電阻溫度計、熱敏電阻開關和熱敏電阻延遲繼電錯等 。這類材料由于電阻和流度呈指數關系，因此測溫范圍狹窄、均勻性也差 。

　　金屬熱敏電阻材料

　　此類材料作為熱電阻測溫、限流器以及自動恒溫加熱元件均有較為廣泛的應用。如鉑電阻溫度計、鎳電阻溫度計、銅電阻溫度計等。其中鉑側溫傳感器在各種介質中（包括腐蝕性介質），表現出明顯的高精度和高穩定的特征。但是，由于鉑的稀缺和價格昂貴而使它們的廣泛應用受到一定的限制。銅測溫傳感器較便宜，但在腐蝕性介質中長期使用，可導致靜態特性與阻值發生明顯變化。最近有資料報導，銅測溫傳感器可在空氣介質中-60~180℃溫度范圍使用。但是，國外為了在-60~180℃長期地測量溫度和在250℃短期測量溫度，普遍大量使用著鎳測溫傳感器，并認為鎳是一種較理想的材料，因為它們具有高的靈敏度、滿意的重現性和穩定性 。

　　合金熱敏電阻材料

　　合金熱敏電阻材料亦稱熱敏電阻合金。這種合金具有較高的電阻率，并且電阻值隨溫度的變化較為敏感，是一種制造溫敏傳感器的良好材料。

　　作為溫敏傳感器的熱敏電阻合金性能要求如下：

　?。?）足夠大的電阻率；

　　（2）相當高的電阻溫度系數；

　?。?）具有接近于實驗材料線膨脹系數；

　?。?）小的應變靈敏系數；

　　（5）在工作溫度區間加熱和冷卻時，電阻溫度曲線應有良好的重復性 。

　　熱敏電阻參數：

　　零功率電阻：

　　是指在某一溫度下測量PTC熱敏電阻值時，加在PTC熱敏電阻上的功耗極低，低到因其功耗引起的PTC熱敏電阻的阻值變化可以忽略不計。額定零功率電阻指環境溫度25℃條件下測得的零功率電阻值。

　　居里溫度 Tc：

　　對于PTC熱敏電阻的應用來說，電阻值開始陡峭地增高時的溫度是重要的，我們將其定義為居里溫度。居里溫度對應的PTC熱敏電阻的電阻 RTc = 2*Rmin。

　　溫度系數 α：

　　PTC熱敏電阻的溫度系數定義為溫度變化導致的電阻的相對變化。溫度系數越大， PTC熱敏電阻對溫度變化的反應越靈敏。 α = （lgR2-lgR1）/lge（T2-T1）

　　額定電壓 VN：

　　額定電壓是在最大工作電壓Vmax以下的供電電壓。通常 Vmax = VN + 15［%］

　　擊穿電壓 VD：

　　擊穿電壓是指PTC熱敏電阻最高的電壓承受能力。PTC熱敏電阻在擊穿電壓以上時將會擊穿失效。

　　表面溫度 Tsurf：

　　表面溫度Tsurf是指當PTC熱敏電阻在規定的電壓下并且與周圍環境間處于熱平衡狀態已達較長時間時，PTC熱敏電阻表面的溫度。

　　動作電流 Ik：

　　流過PTC熱敏電阻的電流，足以使PTC熱敏電阻自熱溫升超過居里溫度，這樣的電流稱為動作電流。 動作電流的最小值稱為最小動作電流。

　　不動作電流 INk：

　　流過PTC熱敏電阻的電流，不足以使PTC熱敏電阻自熱溫升超過居里溫度， 這樣的電流稱為不動作電流。不動作電流的最大值稱為最大不動作電流。

　　技術參數：

　?、贅朔Q阻值Rc：一般指環境溫度為25℃時熱敏電阻器的實際電阻值。

　　②實際阻值RT：在一定的溫度條件下所測得的電阻值。

　　③材料常數：它是一個描述熱敏電阻材料物理特性的參數，也是熱靈敏度指標，B值越大，表示熱敏電阻器的靈敏度越高。應注意的是，在實際工作時，B值并非一個常數，而是隨溫度的升高略有增加。

　?、茈娮铚囟认禂郸罷：它表示溫度變化1℃時的阻值變化率，單位為%/℃。

　　⑤時間常數τ：熱敏電阻器是有熱慣性的，時間常數，就是一個描述熱敏電阻器熱慣性的參數。它的定義為，在無功耗的狀態下，當環境溫度由一個特定溫度向另一個特定溫度突然改變時，熱敏電阻體的溫度變化了兩個特定溫度之差的63.2%所需的時間。τ越小，表明熱敏電阻器的熱慣性越小。

　?、揞~定功率PM：在規定的技術條件下，熱敏電阻器長期連續負載所允許的耗散功率。在實際使用時不得超過額定功率。若熱敏電阻器工作的環境溫度超過 25℃，則必須相應降低其負載。

　　⑦額定工作電流IM：熱敏電阻器在工作狀態下規定的名義電流值。

　?、鄿y量功率Pc：在規定的環境溫度下，熱敏電阻體受測試電流加熱而引起的阻值變化不超過0.1%時所消耗的電功率。

　　⑨最大電壓：對于NTC熱敏電阻器，是指在規定的環境溫度下，不使熱敏電阻器引起熱失控所允許連續施加的最大直流電壓；對于PTC熱敏電阻器，是指在規定的環境溫度和靜止空氣中，允許連續施加到熱敏電阻器上并保證熱敏電阻器正常工作在PTC特性部分的最大直流電壓。

　?、庾罡吖ぷ鳒囟萒max：在規定的技術條件下，熱敏電阻器長期連續工作所允許的最高溫度。

　　?開關溫度tb:PTC熱敏電阻器的電阻值開始發生躍增時的溫度。

　　?耗散系數H：溫度增加1℃時，熱敏電阻器所耗散的功率，單位為mW/℃。

　　熱敏電阻的應用：

　　熱敏電阻也可作為電子線路元件用于儀表線路溫度補償和溫差電偶冷端溫度補償等。利用NTC熱敏電阻的自熱特性可實現自動增益控制，構成RC振蕩器穩幅電路，延遲電路和保護電路。在自熱溫度遠大于環境溫度時阻值還與環境的散熱條件有關，因此在流速計、流量計、氣體分析儀、熱導分析中常利用熱敏電阻這一特性，制成專用的檢測元件。PTC熱敏電阻主要用于電器設備的過熱保護、無觸點繼電器、恒溫、自動增益控制、電機啟動、時間延遲、彩色電視自動消磁、火災報警和溫度補償等方面。

　　主要應用范圍包括：

　　電磁爐、電壓力鍋、電飯煲、電烤箱、消毒柜、飲水機、微波爐、電取暖機、工業、醫療、環保、氣象、食品加工設備等家用電器的溫度控制及溫度檢測以及辦公自動化設備（如復印機、打印機）、儀表線圈、集成電路、石英晶體振蕩器和熱電偶的等溫度檢測及溫度補償。

　　1.過液面控制 將兩只負溫度系數熱敏電阻置于容器高、低液面安全位置，并施加定值加熱電流。處于底部浸沒于液體中的熱敏電阻表面溫度與周界溫度相同，而處于高處暴露于空氣中的熱敏電阻表面溫度則高于周界溫度。若液面淹沒高處電阻，使其表面溢度下降阻值增高，判斷電路可利用阻值變化而及時通知報警裝置，動作電路切斷進液管路，起到過液面保護作用。若液面下降到低位，底部熱敏電阻逐漸暴露于空氣中，此時表面溫度升高阻值下降，判斷電路可利用阻值變化而及時通知動作電路打開進液管路供液。

　　2.溫度測量 作為測量溫度的熱敏電阻一般結構簡單，價格低廉。由于本身阻值較大，所以可忽略連接處的接觸電阻，并可應用在數千米之外的遠距離遙測過程。

　　3.溫度補償 利用負溫度特性，可在某些電子裝置中起到補償作用。當過載而使電流和溫度增加時，熱敏電阻阻值加大反向下拉電流，起到補償、保護等作用。此時應注意熱敏電阻需串接在電子線路中。

　　4.溫度拉制 在機電保護與控制中，常將臨界點熱敏電阻串接在繼電器控制回路中，當某一設備遇突發性故障發生過載時，引起溫度增高。若達到臨界點阻值突然下降，繼電器電流超過動作電流額定值而動作，起到切斷、保護作用。

　　5.溫度保護 熱敏電阻在一些設備的功能管理中起著非常關鍵的作用，如無線話機、筆記本計算機、等。如果充電電阻很大，這些設備的電池完成充電就會很快。但同時也會存在過熱的危險。如果過熱使得溫度超過電池的居里溫度，電池的損壞就不能恢復。但如果充電電壓太低，則電池充電時間就會長到無法忍受。在電池中使用熱敏電阻，就可以檢測過熱的電阻或電池的過熱，從而調整充電的速度。其結果是，電池開始充電時的電壓會比較大，這樣，在比較短的時間內就可以以較大的充電電壓快速充電。而當將要達到臨界電壓或臨界溫度時，可以控制充電的速度使之降低，然后，再比較平穩地完成充電。

　　6.過熱保護 筆記本計算機越來越小的尺寸，主板對溫度是非常敏感的，而主板又是非常接近發熱的電源電阻，不斷提高的CPU 主頻不僅提高了CPU 的速度，也使得它的工作溫度高。在這種場合，表面封裝式熱敏電阻既可以快速響應又有過熱的保護，也比較容易使用。

　　7.食品與藥品的溫度控制 食品和藥品工業在運輸過程中也使用溫度控制保證產品的質量。為防止部分或全部地損失藥品的有效性，有不少藥品在運輸中要準確地控制溫度和濕度。在運輸過程中溫度傳感器不斷地管理著運輸的條件。

　　8.醫院領域的熱敏電阻應用 溫度通常是人體最經常測，并且一直是多種人體嚴重情況的早期警告。特別是新生兒，要通過體溫仔細地監察他們的狀態。 在醫院的環境中新生兒經常用取暖器，甚至嬰兒箱要保持溫度。溫度調節可用一個安放在嬰兒腹部的熱敏電阻探針實現。嬰兒箱通常是密封的，除要監控嬰兒的溫度外，還要控制嬰兒箱內的空氣。

　　9.熱敏電阻在汽車工業中應用 汽車工業現在代替空間工業成為傳感技術進步的推動者。熱敏電阻廣泛地用來測試汽車的空調、發動機、水箱溫度，現在，則有許多新的應用。

　　現在對熱敏電阻工業提出了很高的要求：較小的尺寸、較高的穩定性、較好的高溫測試性能，等等。在所有這些方面現在所取得的進展。在這些進展的基礎上將會有許多新的應用：包括微小溫差傳感器、改進燃氣效率的汽車中的高溫傳感器，等等。回顧熱敏電阻應用的進展，可以相信，現在熱敏電阻工業和研究的進展一定可以滿足電子工業現在和將來對于熱敏傳感所提出的各種需求。