PTC效應(yīng)PTC的工作原理

PTC熱敏電阻(正溫度系數(shù)熱敏電阻)是一種具溫度敏感性的半導(dǎo)體電阻，一旦超過一定的溫度(居里溫度) 時(shí)，它的電阻值隨著溫度的升高幾乎是呈階躍式的增高。PTC熱敏電阻本體溫度的變化可以由流過PTC熱敏電阻的電流來獲得，也可以由外界輸入熱量或者這二者的疊加來獲得。 陶瓷材料通常用作高電阻的優(yōu)良絕緣體，而陶瓷PTC熱敏電阻是以鈦酸鋇為基，摻雜其它的多晶陶瓷材料制造的，具有較低的電阻及半導(dǎo)特性.通過有目的的摻雜一種化學(xué)價(jià)較高的材料作為晶體的點(diǎn)陣元來達(dá)到的:在晶格中鋇離子或鈦酸鹽離子的一部分被較高價(jià)的離子所替代，因而得到了一定數(shù)量產(chǎn)生導(dǎo)電性的自由電子。

對(duì)于PTC熱敏電阻效應(yīng),也就是電阻值階躍增高的原因，在于材料組織是由許多小的微晶構(gòu)成的，在晶粒的界面上,即所謂的晶粒邊界(晶界)上形成勢壘,阻礙電子越界進(jìn)入到相鄰區(qū)域中，因此而產(chǎn)生高的電阻.這種效應(yīng)在溫度低時(shí)被抵消；在晶界上高的介電常數(shù)和自發(fā)的極化強(qiáng)度在低溫時(shí)阻礙了勢壘的形成并使電子可以自由地流動(dòng).而這種效應(yīng)在高溫時(shí)，介電常數(shù)和極化強(qiáng)度大幅度地降低，導(dǎo)致勢壘及電阻大幅度地增高，呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的PTC效應(yīng)。

PTC熱敏電阻是開發(fā)早、種類多、發(fā)展較成熟的敏感元器件．PTC熱敏電阻由半導(dǎo)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(dǎo)體的電導(dǎo)為：

σ=q（nμn pμp）

因?yàn)閚、p、μn、μp都是依賴溫度T的函數(shù)，所以電導(dǎo)是溫度的函數(shù)，因此可由測量電導(dǎo)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(dǎo)體熱敏電阻的工作原理．

PTC（Positive Temperature Coefficient）是指在某一溫度下電阻急劇增加、具有正溫度系數(shù)的熱敏電阻現(xiàn)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(jié)體，其中摻入微量的Nb、Ta、Bi、Sb、Y、La等氧化物進(jìn)行原子價(jià)控制而使之半導(dǎo)化，常將這種半導(dǎo)體化的BaTiO3等材料簡稱為半導(dǎo)（體）瓷；同時(shí)還添加增大其正電阻溫度系數(shù)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?zé)Y(jié)而使鈦酸鉑等及其固溶體半導(dǎo)化，從而得到正特性的PTC熱敏電阻材料．其溫度系數(shù)及居里點(diǎn)溫度隨組分及燒結(jié)條件（尤其是冷卻溫度）不同而變化．

PTC熱敏電阻于1950年出現(xiàn)，隨后1954年出現(xiàn)了以鈦酸鋇為主要材料的PTC熱敏電阻．PTC熱敏電阻在工業(yè)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(diào)節(jié)，還大量用于民用設(shè)備，如控制瞬間開水器的水溫、空調(diào)器與冷庫的溫度，利用本身加熱作氣體分析和風(fēng)速機(jī)等方面．下面簡介一例對(duì)加熱器、馬達(dá)、變壓器、大功率晶體管等電器的加熱和過熱保護(hù)方面的應(yīng)用。

PTC熱敏電阻除用作加熱元件外，同時(shí)還能起到“開關(guān)”的作用，兼有敏感元件、加熱器和開關(guān)三種功能，稱之為“熱敏開關(guān)”，如圖2和3所示．電流通過元件后引起溫度升高，即發(fā)熱體的溫度上升，當(dāng)超過居里點(diǎn)溫度后，電阻增加，從而限制電流增加，于是電流的下降導(dǎo)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(fù)始，因此具有使溫度保持在特定范圍的功能，又起到開關(guān)作用．利用這種阻溫特性做成加熱源，作為加熱元件應(yīng)用的有暖風(fēng)器、電烙鐵、烘衣柜、空調(diào)等，還可對(duì)電器起到過熱保護(hù)作用．

PTC熱敏電阻的主要特點(diǎn)是：

①靈敏度較高，其電阻溫度系數(shù)要比金屬大10～100倍以上，能檢測出10-6℃的溫度變化；

②工作溫度范圍寬，常溫器件適用于- 55℃～315℃，高溫器件適用溫度高于315℃（目前最高可達(dá)到2000℃），低溫器件適用于-273℃～55℃；

③體積小，能夠測量其他溫度計(jì)無法測量的空隙、腔體及生物體內(nèi)血管的溫度；

④使用方便，電阻值可在0.1～100kΩ間任意選擇；

⑤易加工成復(fù)雜的形狀，可大批量生產(chǎn)；

⑥穩(wěn)定性好、過載能力強(qiáng)．2100433B

相當(dāng)多種類型的導(dǎo)電聚合體會(huì)呈現(xiàn)出這種效應(yīng)，如高分子PTC熱敏電阻。這些導(dǎo)電聚合體對(duì)于制造過電流保護(hù)裝置來說非常有用。2100433B

摻雜BaTiO₃陶瓷是主要的熱敏陶瓷。BaTiO₃的PTC效應(yīng)與其鐵電性相關(guān),其電阻率突變同居里溫度T_c相對(duì)應(yīng)。但是，沒有晶界的BaTiO₃單晶不具有PTC效應(yīng)。只有晶粒充分半導(dǎo)化，晶界具有適當(dāng)絕緣性的BaTiO₃陶瓷才具有PTC效應(yīng)。當(dāng)制備BaTiO₃熱鐓陶瓷時(shí)，采用施主摻雜使晶粒充分半導(dǎo)化，采用氧氣氛燒結(jié)使晶界及其附近氧化，具有適當(dāng)?shù)慕^緣性，緩慢冷卻也使晶界氧化充分，PTC效應(yīng)增強(qiáng)。

關(guān)于BaTiO₃的PTC效應(yīng)，Heywang基于該效應(yīng)同居里點(diǎn)相關(guān)的事實(shí)，認(rèn)為施主摻雜BaTiO₃晶粒邊界存在的二維受主型表面態(tài)與晶粒的載流子相互作用，產(chǎn)生晶粒表面的勢壘層。勢壘高度φ與有效介電常數(shù)ε成反比。當(dāng)溫度低于居里點(diǎn)時(shí)，e約為10⁴，因此，φ很小時(shí)，電阻率也小。