淺論熱材的特性應【摘要】半導體熱敏電阻有著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。熱敏電阻包括正溫度系數（）和負溫度系數（NTC）熱敏電阻。【關鍵】敏材料PTCNTC一、熱材料的原理—熱電象（）塞貝克效在兩種金屬A和B組成的回路中如果使兩個接觸點的溫度不同則在回路中將出現電流稱為熱電流相應的電動勢稱為熱電勢其方向取決于溫度梯度的方向一般規定熱電勢方向為在熱端電流由負流向正塞貝克效應的實質在于兩種金屬接觸時會產生接觸電勢（電壓該電勢差取決于兩種金屬中的電子溢出功不同及兩種金屬中電子濃度不同造成的。（）帕爾帖應當有電流通過不同的導體組成的回路時除產生不可逆的焦耳熱外在不同導體的接頭處隨著電流方向的不同會分別出現吸熱放熱現象如果電流從自由電子數較高的一端A流向自由電數較低的一端B，則B端的溫度就會升高；反之，B端的溫度就會降低。二NTC敏阻NTC熱敏電阻大多數是由一些過渡金屬氧化物主要用Mn,Co,Ni,Fe等氧化物)粉料,按一定比例混合后,用焙燒陶瓷工藝制成熱敏電阻體,再燒電極,焊上引線,涂上保護漆而成。改變這些混合物的成分和配比及工藝條件就可以獲得測溫范圍、阻值及溫度系數不同的NTC熱敏電阻。如常溫下使用的熱敏電阻是Mn，Co，Ni，Fe等氧化物的燒結體,如在該組分中添加u,則工作溫度降低了;如組分中加入AlO為基,溫度提高到中溫范圍。熱敏電阻的阻值由23R(T)=R(T)exp[B(1/T-1/T)]給出。其中，是溫度T（絕對溫度）時的電阻000

值，R是參考溫度時的電阻值，B是熱敏電阻的材料常數，可用實驗獲得。通常0B=2000~6000K。上式僅是一項經驗公式，在溫度小4500C時使用。從NTC熱敏材料不同特性的角度看，材料有很多用途：利用其阻溫特性，可制作成測控溫計、熱補償元件等；利用其伏安特性的非線性，可制作成功率計、穩壓器、限幅器、低頻振蕩器、放大器、調制器等；利用其耗散常數與環境介質的種類、狀態有關的特性，可制作成氣壓計、流量計、液位計等；利用其熱惰性，可制作成時間延遲器件等。構成NTC熱敏電阻的物質有nO，FeO，NiO,CoO,CuO等等，大342434多數NTC熱敏陶瓷都由是尖晶石晶相物質構成的晶石結構的分子表達式為：ABO。其結構如下圖所示：24在一個單晶胞中，32個氧離子8個A離子16個B離子。下面來說明NTC熱敏電阻的導電機制。在形如MnMO（M：Ni，Co，Fe）的尖晶石結構中，電子在3-XX4Mn3+與Mn4+之間躍遷使得溫度T上升增加了晶體的點缺陷又使得電子躍遷加劇，從而使得電阻R下降。電子躍遷示意圖如下所示：

跳躍導電模型理論認為導致熱敏半導體陶瓷產生高電導的載流子來源于過渡金屬的3d層電子這些金屬離子處于能量等效的結晶學位置A位或B位)但具有不同的價鍵狀態。由于晶格能等效，當離子間距較小時，通過隧道效應，離子間可發生電子交換即跳躍導電在電場作用下這些電子交換引起載流子沿電場方向產生遷移運動從而產生導電在尖晶石結構中處于氧離子構成的正八面體中心的金屬離子之間的距離較近電子云有一定的重疊它們之間容易發生價鍵交換但處于正四面體中心的金屬離子相互之間的距離較遠難于進行跳躍導電鈣鈦礦結構體系的電子導電能力依賴于位離子具有較強的變價。下面通過液體位置傳感器的例子來說明TC熱敏電阻的應用。

通常在NTC熱敏電阻上施加電壓來產生電流以便放出熱量。當油箱是滿的時候，NTC傳感器浸沒在油面以下放出的熱量被液體油吸收使得TC溫度下降那么電阻就會減小當油箱的頁面位置下降是TC傳感器暴露在空氣中的時候T的溫度就會上升因為放出的熱量沒有被吸收，此時電阻就會相應的下降。三、敏電阻PTC熱敏電阻是用欽酸材料為主體,在該材料中摻加微量(約0.1%一0.3%)的稀土類金屬氧化物,經過高溫燒結后制取的熱敏電阻熱敏電阻具有多晶結構,各晶粒內部為半導電性區,晶界為高阻層區。外加電壓的大部分降在高阻的晶界層上于晶界面存在一個勢壘當溫度在居里點以下時高阻的晶界具有鐵電性,介電常數很大半導體物理可知,勢壘的高度與介電常數成反比,此時的勢壘高度小,電子容易越過勢壘,材料電阻小當溫度增加到高于居里點Tc時,材料的晶格結構發生變化,它的鐵電性消失,電常數變小,勢壘隨著增高,這時電子不容易越過勢壘,電流變小,材料的電阻率變大電阻溫度系數為正。如下圖所示：

T

p2T

p1PTC熱敏電阻在低于居里點時，呈現負阻特性，當達到居里點時，電阻值急劇增大，約為103~107倍，呈現正的電阻溫度系數，所以稱為TC熱敏電阻。PTC熱敏電阻的電阻溫度特性如上圖所示它的工作溫度范圍不寬在工作區兩端有兩點拐點T和T。當溫度低T時，電阻溫度特性是負的，且溫度靈敏度不高；當溫p1p2p1度升高到T后電阻值隨溫度升高按指數規律增大電阻溫度系數較大且為正p1值。在工作溫度范圍T至T內存在有T，對應有較大的電阻溫度系數。型鈣p1p2c3鈦礦氧化物的結構如下所示：理想的鈣鈦礦氧化ABO構為簡單立方結構是一大類無機材料的基礎。3BaTi0晶體結構有六方相、立方相、四方相、斜方相和三方相等晶相。除六方晶3

相外他幾種結構均屬于鈣鈦型結構的變體BaTi01460℃以上為六方晶型，3在1460℃以下為立方的鈣鈦礦(AB0結構。其中A為電價較低、半徑較大的離子3Ba2+

，它和0

2-

離子一起按面心立方密集。B則為電價較高、半徑較小的離Ti針，處于氧八面體中性，AB03機構中B離子有個配位氧，A離子有12個配位氧。對于PTC熱敏陶瓷機理的理論解釋尚不完善前比較認可eywang理論，主要用晶界勢壘理論以及鐵電補償效應來解釋TC熱敏陶瓷的導電機理。（）晶界勢壘論實際上，BaTi0與許多陶瓷材料一樣，其晶界理論不是意義上的幾何界面，3而是具有一定厚度的界面面區的厚度取決于陶瓷制備時冷卻過程中氧化還原條件。BaTi0半導體的晶界可以吸附氧及周圍的空間電荷，形成阻礙導電電子3通過的勢壘，相當于晶界上形成了chottky勢壘，如圖1-9所示，圖中由為表面勢壘高度，Ns為表面態密度，Es為表面態與導帶底得能量差，Ef為Femmi能級，r為空間耗盡層(spacedepletionlayer)即空間電荷層spacechargeregion)的厚度勢壘高度與介電常數成反比在urie溫度以下于介電常數值較高，約為104，因此勢壘高度較低。勢壘高度可表示為：其中，￡、go分別為介質介電常數和真空介電常數，為電子的電量，為晶粒中的施主濃度。電阻率隨溫度的變化可表示為：

式中，po為與溫度無關的常數。在urie溫度以上，介電常數滿足Weiss定律：式中的C為Curie常數，To為特征溫度，其數值略小于urie溫度。由于勢壘高度隨介電常數的迅速下降而迅速增加，引起材料電阻率的迅速增加，從而出現PTC效應。另一方面，晶界絕緣區的邊緣由于氧化可能存在有大量的a空位，稱為界面的受主態，也引起了導電和TC效應。（）鐵電補償應雖然BaTi0晶體的晶界上存在有非平衡氧化還原反應，其晶粒內為半導體，晶界3上為絕緣體以及在urie溫度以下材料為鐵電相介電常數高達0

4

但在Curie溫度以下仍不足以把勢壘高度降低到可以忽略的程度電補償效應的解釋認為，在Curie溫度以下PTC的低電阻是由于aTi0的鐵電性決定的鐵電疇在晶界上的3定向排列形成了正負電荷的界面電荷界面上原來俘獲的空間電荷會被鐵電極化強度在晶界法線方向上的分量所削弱和抵消這種行為稱為鐵電補償效應即ferroelecticcompensation，鐵電補償是晶粒表面的勢壘大幅下降，在Curie溫度以下，材料的電阻值顯著下降。參考文獻：[1]RolfE.Hummel，Ele