摘要：熱敏內(nèi)阻是電阻對氣溫變化特別敏感的一種半導體內(nèi)阻，具有許多奇特的優(yōu)點和用途，在手動控制、無線電子技術(shù)、遙控技術(shù)及測溫技術(shù)等方面有著廣泛的應用。本實驗通過用電橋法來研究熱敏阻值的內(nèi)阻氣溫特點，加深對熱敏內(nèi)阻的內(nèi)阻氣溫特點的了解。
關(guān)鍵詞：熱敏內(nèi)阻、非平衡直流電橋、電阻氣溫特點
1、引言
熱敏內(nèi)阻是按照半導體材料的濁度率與氣溫有很強的依賴關(guān)系而制成的一種元件，其阻值氣溫系數(shù)通常為（-0.003~+0.6）℃-1。為此，熱敏內(nèi)阻通常可以分為:
Ⅰ、負內(nèi)阻氣溫系數(shù)（簡稱NTC）的熱敏內(nèi)阻器件
常由一些過渡金屬氧化物（主要用銅、鎳、鈷、鎘等氧化物）在一定的焙燒條件下產(chǎn)生的半導體金屬氧化物作為基本材料制成的，近些年還有單晶硅半導體等材料制成。國產(chǎn)的主要是指MF91~MF96型半導體熱敏內(nèi)阻。因為組成這類熱敏內(nèi)阻的上述過渡金屬氧化物在溫度范圍內(nèi)基本已全部電離，即自旋含量基本上與氣溫無關(guān)，因而這類熱敏阻值的內(nèi)阻率隨氣溫變化主要考慮遷移率與氣溫的關(guān)系，隨著氣溫的下降，遷移率降低，內(nèi)阻率增長。大多應用于測溫溫控技術(shù)，還可以制成流量計、功率計等。
Ⅱ、正阻值氣溫系數(shù)（簡稱PTC）的熱敏內(nèi)阻器件
常用錳酸鋇材料添加微量的鈦、鋇等或稀土元素采用陶瓷工藝，低溫烤制而成。這類熱敏內(nèi)阻的內(nèi)阻率隨氣溫變化主要依賴于自旋含量，而遷移率隨氣溫的變化相對可以忽視。自旋數(shù)量隨氣溫的下降呈指數(shù)降低，自旋數(shù)量越多，內(nèi)阻率越小。應用廣泛，除測溫、控溫，在電子線路中作濕度補償外，還制成各種加熱器，如電吹風等。
2、實驗裝置及原理
【實驗裝置】
FQJ—Ⅱ型教學用非平衡直流電橋，F(xiàn)QJ非平衡電橋加熱實驗裝置（加熱爐外置MF51型半導體熱敏內(nèi)阻（2.7kΩ）以及溫控用的氣溫傳感），連接線若干。
【實驗原理】
按照半導體理論，通常半導體材料的阻值率和絕對濕度之間的關(guān)系為
（1—1）
式中a與b對于同一種半導體材料為常量，其數(shù)值與材料的化學性質(zhì)有關(guān)。因此熱敏內(nèi)阻的內(nèi)阻值可以按照內(nèi)阻定理寫為
（1—2）
式中為兩電極寬度離，為熱敏內(nèi)阻的橫截面，。
對某一特定內(nèi)阻而言，與b均為常數(shù)，用實驗方式可以測定。為了易于數(shù)據(jù)處理，將上式兩側(cè)取對數(shù)，則有
（1—3）
上式表明與呈線性關(guān)系，在實驗中只要測得各個氣溫以及對應的內(nèi)阻的值，
以為橫座標，為縱座標畫圖，則得到的圖線應為直線，可用圖解法、計算法或最小二加法求出參數(shù)a、b的值。
熱敏內(nèi)阻的內(nèi)阻氣溫系數(shù)下式給出
（1—4）
從上述方式求得的b值和溫度代入式（1—4），就可以算出溫度時的內(nèi)阻氣溫系數(shù)。
熱敏內(nèi)阻在不同水溫時的內(nèi)阻值，可由非平衡直流電橋測得。非平衡直流電橋原理圖如下圖所示，B、D之間為一負載內(nèi)阻，只要測出，就可以得到值。
當負載內(nèi)阻→，即電橋輸出處于開
路狀態(tài)時，=0，僅有電流輸出，用表示，當時，電橋輸出=0，即電橋處于平衡狀態(tài)。為了檢測的確切性，在檢測之前，電橋必須預調(diào)平衡，這樣可使輸出電流只與某一臂的內(nèi)阻變化有關(guān)。
若R1、R2、R3固定，R4為待測內(nèi)阻，R4=RX，則當R4→R4+△R時，因電橋不平衡而形成的電流輸出為：
（1—5）
在檢測MF51型熱敏內(nèi)阻時，非平衡直流電橋所采用的是臥式電橋，，且，則
（1—6）
式中R和均為預調(diào)平衡后的內(nèi)阻值，測得電流輸出后，通過式（1—6）運算可得△R，進而求的=R4+△R。
3、熱敏阻值的阻值氣溫特點研究
依據(jù)表中學MF51型半導體熱敏內(nèi)阻（2.7kΩ）之內(nèi)阻~氣溫特點研究橋式電路，并設計各臂內(nèi)阻R和的值，以確保電流輸出不會溢出（本實驗=1000.0Ω，=4323.0Ω）。
按照橋式，預調(diào)平衡，將“功能轉(zhuǎn)換”開關(guān)旋至“電壓“位置，按下G、B開關(guān)，打開實驗加熱裝置升溫，每隔2℃測1個值，并將檢測數(shù)據(jù)列表（表二）。
表一MF51型半導體熱敏內(nèi)阻（2.7kΩ）之內(nèi)阻～溫度特點
室溫℃253035404550556065
內(nèi)阻Ω2700222518701573134111601000868748
表二非平衡電橋電流輸出方式（臥式）檢測MF51型熱敏內(nèi)阻的數(shù)據(jù)
i12345678910
室溫t℃10.412.414.416.418.420.422.424.426.428.4
熱力學TK283.4285.4287.4289.4291.4293.4295.4297.4299.4301.4
0.0-12.5-27.0-42.5-58.4-74.8-91.6-107.8-126.4-144.4
0.0-259.2-529.9-789-1027.2-124.8-1451.9-1630.1-1815.4-1977.9
4323.04063.83793.13534.03295.83074.92871.12692.92507.62345.1
依據(jù)表二所得的數(shù)據(jù)做出～圖，如下圖所示。運用最小二加法估算所得的線性多項式為，即MF51型半導體熱敏內(nèi)阻（2.7kΩ）的內(nèi)阻～溫度特點的物理表達式為。
4、實驗結(jié)果偏差
通過實驗所得的MF51型半導體熱敏阻值的內(nèi)阻—溫度特點的物理表達式為。按照所得表達式估算出熱敏內(nèi)阻的內(nèi)阻～溫度特點的檢測值，與表一所給出的參考值有較好的一致性，如下表所示：
表三實驗結(jié)果比較
室溫℃253035404550556065
參考值RTΩ2700222518701573134111601000868748
檢測值RTΩ2720223819001587140812321074939823
相對偏差%0.740.581.600.894.996.207.408.1810.00
從上述結(jié)果來看，基本在實驗偏差范圍之內(nèi)。但我們可以清楚的發(fā)覺導體電阻的測量實驗報告，隨著氣溫的下降，內(nèi)阻值變小，而且相對偏差卻在變大，這主要是由肺熱效應而造成的。
5、內(nèi)熱效應的影響
在實驗過程中，因為借助非平衡電橋檢測熱敏內(nèi)阻時總有一定的工作電壓通過，熱敏內(nèi)阻的內(nèi)阻值大，容積小，潛熱量小，因而焦耳熱將迅速使熱敏內(nèi)阻形成穩(wěn)定的低于外界氣溫的附加肺熱溫升，這就是所謂的肺熱效應。在確切檢測熱敏內(nèi)阻的氣溫特點時，必須考慮肺熱效應的影響。本實驗不作進一步的研究和闡述。
6、實驗小結(jié)
通過實驗，我們很顯著的可以發(fā)覺熱敏內(nèi)阻的電阻對氣溫的變化是十分敏感的，但是隨著氣溫上升，其阻值值呈指數(shù)關(guān)系升高。因此可以借助內(nèi)阻—溫度特點制成各種傳感導體電阻的測量實驗報告，可使微小的氣溫變化轉(zhuǎn)變?yōu)樽柚档淖兓a(chǎn)生大的訊號輸出，非常易于高精度檢測。又因為器件的容積小，形狀和封裝材料選擇性廣，非常易于低溫、高濕、振動及熱沖擊等環(huán)境下作溫溫度傳感，可應用與各類生產(chǎn)作業(yè)，開發(fā)潛力十分大。