NTC 热敏电阻器的解析专题
2017-08-15 12:59阅读：
概述
NTC
热敏电阻器是由锰、钴、镍、铁、铜等过渡金属氧化物经混合、成型、烧结而成的具有尖晶石结构的半导体陶瓷。由这一类陶瓷制成的
NTC 热敏电阻器由于具有特殊的电阻-温度特性及电流-电压特性，被广泛地应用于电子电路中作为温度补偿、温度控制、温度测量以及抑制浪涌电流的电子元件。
简介
热敏电阻器是指电阻值随其阻体温度的变化呈显著变化的热敏感半导体电阻器。通常根据温度系数不同将热敏电阻器的分为电阻值随阻体温度升高而增大的正电阻温度系数（PTC）和电阻值随阻体温度升高而减小的负电阻温度系数热敏电阻器。同时，根据温度系数的大小又可将
PTC
热敏电阻器分为缓变型及开关型两类，而负电阻温度系数热敏电阻器又可分为缓变型负温度系数（
NTC）热敏电阻器及临界型负温度系数（CTR）热敏电阻器。这几种热敏电阻器电阻值随温度的变化如图 1。
NTC 热敏电阻器由 Mn、Co、Ni、Fe、Cu 等过渡金属氧化物中的 2～4 种材料，通过混合、成型、烧结等陶瓷制备工艺制作而成。通过这一工艺制成的 NTC热敏电阻器其电阻率范围为 0.1～108Ω·cm、B
值为 1000～7000K。NTC 热敏电阻器可以被制成各种几何形状，但其主要结构均为陶瓷敏感体和附属电极。
注：1—临界型负温度系数；2—缓变型负温度系数；3—缓变型正温度系数；4—开关型正温度系数
图 1 热敏电阻器电阻－温度关系
发展历史
早在 1837 年以前，英国化学家、物理学家法拉弟便发现了像 Ag2S
这样电导率随温度升高而增大的半导体材料，但是，由于当时理论和技术水平的限制，在将近百年的时间里，这发现一直没有获得实际应用。
第一代热敏电阻器是 1932 年前后，由德国的奥斯兰(Osram)及荷兰的菲利浦(Philips)两家公司制造的。当时具有代表性的材料是 UO2。由于
UO2在空气中极易氧化，从而迫使热敏元件必须密封在真空或充有氮气的玻璃泡中使用。当时的主要用途是抑制电子管的电流，应用范围很受局限。
第二次世界大战期间，随着电子设备在国防上的广泛应用，通讯设备的环境运用性和可靠性等战术指标显得很突出，这相应地对电子产品的性能、体积和重量等参数提出了更高的要求。从而促使热敏电阻器甩掉笨重的外部结构，向能直接在空气下使用的非密封结构发展。
1940 年前后，美国贝尔(Bell)电话实验室成功地应用
Mn、Co、Ni 和 Cu 等过渡金属的氧化物材料，研制出性能更为稳定，可在空气中烧结、能直接使用于空气条件下的一系列由二元、三元上述氧化物组成的热敏电阻，从而开拓了大规模制造热敏电阻器的新的途径。1946
的以来，各国生产的热敏电阻，绝大多数都是用这些材料制造的。
二十世纪五十年代以后，随着半导体理论和科学技术的不断发展，以及热敏电阻器在科学技术领域里所体现的一系列特点，引起了人们的高度重视。而半导体收音机出现后，热敏电阻的需要量剧增，促使热敏电阻器由作坊式的小批量生产，走向大规模的现代化生产。
二十世纪五十年代末期，除在多元系金属氧化物的研究中，合成了一系列性能特别优良的新材料外，六十年代初期相继出现的玻璃态材料、BaTiO3和钒系等具有临界特性的材料，促使热敏电阻器的应用范围，迅速由一般的电路补偿元件扩展到遥测、摇控系统中的功能转换元件。在这方面，由于热敏电阻本身特有的电阻值、电阻温度系数以及小型化、高强度等一系列优点，使它在热工计量和自动控制等领域内引起了人们的极大兴趣，获得越来越广泛的应用。据不完全统计，1972
年国外的年产量已突破 10
亿支，品种、规格两千余个。
随着半导体技术和微电子等技术的不断发展，一些新材料、新技术和新工艺的采用，使热敏电阻器的生产技术日益完善、更加理想。例如传统陶瓷工艺与微电子学技术的结合，生产出一系列高可靠性、长寿命、高精度的热敏电阻器，使热敏电阻器的应用更加广阔。
现状
自 20 世纪
90 年代中期以来，NTC 热敏电阻器的需求量迅速增长，年均增长速度超过 20%。目前，国内外 NTC 热敏电阻器正向着高性能、高精度、高可靠性、片式化和规模化方向发展。到 2004 年，国内 NTC 热敏电阻器的年市场需求达到
3.5 亿支，其率型 NTC
热敏电阻器达到 1.2
亿支，温度传感器达到 0.5亿支，表面安装型 NTC 热敏电阻器达到 2 亿支。
近年来，我国 NTC 热敏电阻器的生产通过优化产品结构，强化技术改造，拓展国内外市场，在产品及品种方面都得到了很好的发展。一大批优质的
NTC热敏电阻器及温度传感器在一些专业化厂家得到迅速发展，这对产品的应用领域也起到了推动作用。这些产品已广泛应用于热水器、空调等家电领域以及汽车仪表、城市供暧、油井探测等方面，取得了省时、方便、实用的效果。
总的说来，我国 NTC 热敏电阻器已取得较大发展，但在不同产品类别上存在发展不均衡的现象。以作为抑制浪涌电流和温度补偿用的
NTC 热敏电阻器，其生产技术比较成熟，产品性能接近国外同期水平。但作为温度测量以及温度传感器使用的
NTC 热敏电阻器，由于产品体积小，电阻值精度较高，产品存在重复性低、批量小，成品稳定性差等特点。
制备工艺
NTC热敏电阻可以采用多种方法制备,大体可分为固相法、液相法、气相法等。制备方法虽然众多,但对粉体的基本要求趋近:颗粒形状规则一致、粒度均匀且细小、不结块、纯度高。下面归纳总结了常见热敏电阻材料的制备方法:
(1)固相反应法
固相反应法分为高温固相反应法和低温固相反应法。大部分NTC热敏电阻材料的生产和研究仍沿用传统的高温固相法生产工艺,即采用金属氧化物或金属的碳酸盐、碱式碳酸盐作原料,经球磨、煅烧等一系列工艺过程完成粉体材料的制备。低温固相反应法是一种全新的化学合成方法,与传统的高温固相反应法相比,具有反应温度低、设备简单、化学反应计量易于控制等优点,避免了因高温反应引起的诸如产物不纯、粒子团聚、晶化时间长、产率低等缺点。
(2)共沉淀法
共沉淀法是在含有多种金属离子的盐溶液中加人沉淀剂,得到各种成分均一的沉淀,是制备含有2种以上金属氧化物材料的重要方法。在沉淀法中要注意反应物浓度对粉体粒径的影响:(1)过饱和度较低时,从溶液中沉淀出来的粉体一般颗粒较粗大;(2)过饱和度较高时,可能瞬间在局部形成大量细小晶核,在范德华力的作用下形成有机溶剂无法破坏的团聚体,导致粉体颗粒小而不均勻。另外,在粉体制备过程中,从反应成核、晶粒生长到分散、干燥、锻烧等每一环节都可能产生团聚,其中分散和干燥2个环节最关键。为防止产生严重的团聚现象可以适当加入表面活性剂进行沉淀和洗漆。
(3)溶胶凝胶法
溶胶一凝胶法的基本原理是:以金属醇盐或无机盐为原料,在温和的条件下,经过水解、缩聚等反应形成溶胶或通过解凝胶法制得溶胶,再将溶胶制成凝胶,干燥、培烧,去除有机成分,最后得到无机材料。在溶胶~凝胶法的基础上改进和衍生的方法有Pechini合成法和溶胶一凝胶自蔓延燃烧法(也叫低温燃烧合成法)。Pechin彼与溶胶一凝胶法的不同之处是先将弱酸(如梓檬酸等)和阳离子形成螯合物,再将其与多经基醇(一般用乙二醇)聚合成树脂并通过煅烧制得粉体。在酷化聚合过程中,乙二醇将不同的络合物分子聚合到一起,脱去小分子水而形成具有空间结构的凝胶,乙二醇在其中起着桥梁的作用。溶胶-凝胶自蔓延燃烧法是溶胶一凝胶法与自蔓延高温合成法法(利用反应物之间高化学反应热和自传导作用来合成材料的一种方法)的结合。溶胶一凝胶自蔓延燃烧合成法有以下优越性:(1)点火分解温度低;(2)—旦点燃,分解或燃烧自动进行;(3)合成的粉料疏松易粉碎,可形成比表面积大的超细氧化物粉末;(4)化学计量比准确,均勻度高,可以合成含多种掺杂元素的新型氧化物以及传统方法很难制得的金属陶瓷等;(5)制得的超细粉体具有较高的烧结活性。
(4)流延法
流延成型(Tape casting,亦称Doctor
blading)工艺由G. N.
Howatt首次提出并应用于陶瓷成型领域
