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入门PTC热敏电阻 | 温度传感器之五

特普生科技 特普生科技 2023-06-24 12 269

PTC(Positive Temperature Coeffi Cient )

PTC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。

高温铂电阻PT200

钛酸钡晶体

钛酸钡晶体是一种具有钙钛矿型结构的材料,属于铁电材料的一种。纯钛酸钡本身是一种绝缘材料。然而,当微量稀土元素被引入钛酸钡材料中,并经过适当的热处理后,它会在接近居里温度的范围内发生显著的电阻率增加,这就是所谓的正温度系数(Positive Temperature Coefficient,PTC)效应。这种效应与钛酸钡晶体的铁电性质及其在居里温度附近的相变密切相关。

在钛酸钡晶体中引入微量的稀土元素可以改变材料的电子结构,从而影响其电阻特性。当材料处于低温状态时,钛酸钡晶体是绝缘体,电子几乎无法在其中流动。然而,在接近居里温度时,钛酸钡晶体会发生相变,导致其电子结构发生重排,使电子在材料内部能够更自由地传导。这种相变过程会导致材料的电阻率急剧上升,从而显示出PTC效应。

PTC效应使得钛酸钡晶体在实际应用中具有广泛的用途。其中一个重要的应用领域是热敏电阻器(PTC电阻器)。当钛酸钡材料处于PTC效应的区域时,它能够在特定温度范围内提供稳定的电阻值。这种特性使得钛酸钡晶体可以用于温度控制、过载保护以及电流限制等方面。

总之,钛酸钡晶体由于其铁电性质和在居里温度附近的相变,引发了PTC效应,使其在热敏电阻器等领域具有重要应用价值。

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:

图片

热敏电阻式中 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,这是体型小且精度高的 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。

利用PTC热敏电阻的特性,热敏开关在许多领域中发挥着重要作用。在家电和工业设备中,热敏开关常用于温度控制和过热保护。当设备温度超过安全范围时,PTC热敏电阻的阻值急剧上升,触发开关动作,切断电流,从而防止设备过热引发事故。

除了家电和工业设备,热敏开关也广泛应用于汽车领域。在发动机冷却系统中,热敏开关能够监测冷却液的温度,一旦温度过高,热敏电阻的特性会导致开关动作,触发冷却系统的运行,有效降低发动机温度。此外,在汽车座椅加热器中,热敏开关能够监测座椅温度,当温度达到设定值时,热敏开关将切断加热元件的电源,避免过热造成不适或安全隐患。在汽车空调系统中,热敏开关可监测冷气供应管路的温度,确保系统运行在合适的温度范围内,提供舒适的驾乘环境。

总之,热敏开关的多功能性和可靠性使其成为许多电子设备中不可或缺的关键元件,为各行各业提供了温度控制和保护的重要手段。无论是家电、工业设备还是汽车领域,热敏开关都发挥着关键的作用,确保设备和系统的稳定运行,同时提高了安全性和可靠性。

PTC热敏电阻除了作为加热元件外,还可以起到"开关"的作用,同时具备敏感元件、加热器和开关的功能,被称为"热敏开关"。

当电流通过PTC热敏电阻时,会引起温度升高,也就是发热体的温度上升。当温度超过居里点温度时,电阻值增加,从而限制电流的增加。这导致电流减少,进而使得元件温度下降。随着温度降低,电阻值减小,电路中的电流再次增加,从而使元件温度上升。这样的过程不断重复,从而使得温度保持在特定范围内,并起到开关的作用。利用PTC热敏电阻的这种阻温特性,可以将其用作加热源,例如暖风器、电烙铁、烘衣柜、空调等。此外,它还可以在电器中起到过热保护的作用。

特普生,成立于2011年,是国家高新技术、专精特新企业。主要研制NTC芯片热敏电阻温度传感器储能线束储能CCS集成采集母排储能模组铝巴等温度采集产品系列。一体化研制、一致性品质的特普生,竞争力优势明显:自主研制NTC芯片核心技术及实现医用0.3%精度;专利百项,保留不公开技术2项;为全球新能源产品、大消费品与工业品提供了定制化的温度采集技术。

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