• 35
•
热敏电阻最核心的问题是阻值随温度变化关系的确认，这是热敏电阻能够开展应用的前提。本文采用负温度系数的半导体热敏电阻为研究对象，实验发现，阻值随温度的变化有一定的滞后性。由于材料的滞后效应，测量结果与参考值有很大的偏差。为了减小实验测量误差，采用升温和降温各测量一次，然后求平均值的方法，其测量结果与参考值吻合的很好，其材料参数值的相对误差大大减小，说明采用这种测量方法一定程度的消除了由于滞后性带来的系统误差。这种消除实验误差的方法在类似的实验中也有一定的借鉴参考作用。 热敏电阻是其电阻值随温度变化非常敏感的电阻灵敏元件，不同的温度下呈现出不同的电阻值。按照温度系数不同，可以将热敏电阻分为正温度系数热敏电阻器和负温度系数热敏电阻器。正温度系数热敏电阻器在温度越高时电阻值越大，常见的正温度系数电阻是BaTiO3、SrTiO3或PbTiO3为主要成分的烧结
体；负温度系数热敏电阻器在温度越高时电阻值越小，该电阻材料是一些金属氧化物的半导体材料（李小龙，热敏电阻的分类、特性与应用研究：科技展望，2016）。
热敏电阻由于灵敏度较高、工作温度范围宽，还有体积小、使用方便、稳定性好等特点，在测温技术、无线电技术、自动化和遥控等方面都有广泛的应用。
本文从热敏电阻阻值随温度变化的滞后性出发，探讨该滞后性对热敏电阻的温度特性研究产生的系统误差。为了一定程度减小该实验误差的影响，采用升温和降温各测量一次的方法，实验结果发现：利用该方法可以有效的减小由于滞后性引起的系统误差。
1 半导体热敏电阻的电阻-温度特性
实验表明，在一定温度范围内，半导体材料的电阻率ρ和绝对温度T的关系可表示为（何佳清，霍剑青，大学物理实验与综合物理实验：高等教育出版社，2018）：
(1)
其中常数A1、B与材料的物理性质有关（徐海英，董慧媛，刘英，等.NTC热敏电阻B常数：电子器件，2004），T取绝对温度。对于截面均匀的热敏电阻，其电阻值R T 可以根据电阻定律写为：
(2)塑料角码
式中l为两电极间距离，s为热敏电阻的横截面。常数A表示为温度T为无限大时热敏电阻的阻值（胡勇，祝忠明，周潞，NTC热敏电阻R-T特性的线性化研究：信息通信，2013），它不仅与半导体材料的性质而且与它的尺寸均有关系。
网络雷达无线接收器
2 惠斯通电桥测量半导体热敏电阻
用伏安法测量电阻，受电流表内阻以及外接、内接法的影响，产生不可避免的系统误差。采用惠斯通电桥测量电阻，从测量的方法、线路的设计和仪器的选择上，在系统误差上均优于伏安法，测量结果的准确性较伏安法有很大的提高（董琳，倪敏，韩唯伟，等.惠斯通电桥实验误差分析与研究：物理通报，2018；原媛，沈元华，赵在忠，等.惠斯通电桥实验中对互易桥臂测量结果的不确定度评定：物理实验，2014
）。
图1 惠斯通电桥原理图
惠斯通电桥的电路原理图如图1所示。四个电阻R0，R1，R2，R x 组成一个四边形，即电桥的四个臂，其中R x就是待测电阻。在四边形的一对对角A和C之间连接电源，而在另一对对角B和D之间接入检流计G。当B和D两点电位相等时，即U B=U D，G中无电流通过，电桥便达到了平衡。平衡时必有：
(3)
由惠斯通电桥平衡条件可得：
(4)
其中称为电桥的比例臂，R1、R2和R0都已知，即可求出R x。
在惠斯通电桥中，R1、R2和R0都是标准电阻，而制作标准电阻可以达到很高的精度，用惠斯通电桥测量电阻，就是把未知电阻和标准电阻进行比较来确定其阻值，所以测量的结果的准确度很高（原媛，沈元华，赵在忠，等.惠斯通电桥实验中对互易桥臂测量结果的不确定度评定：物理实验，2014）。
3 实验方案
本实验除了惠斯通电桥，温度控制仪以外，采用的热敏电阻是5KB3470，参数为常温（25℃）下阻值为5000[Ω]，常数B=3470[K]。实验装置如图2所示，在容器内盛入水，将热敏电阻置于水热容器中。升温时，直流电源加热电阻丝，使水温缓慢上升，温度由自动温控仪控制。热敏电阻的两条引出线连接到惠斯通电桥的待测电阻R x接线柱上。测试的温度从20℃开始，每增加2.5℃，作一次测量，直到70℃止。测试过程中，电桥跟踪调平衡，始终在平衡点附近。然后根据测量结果绘制热敏电阻R T-T特性曲线。
热敏电阻温度特性实验的滞后性误差探讨
南方科技大学物理系 张蔡婕 张贤高 陈 佶
杨 珺 邵明珍
• 36
•
图2 实验装置图
4 结果与讨论
实验测量得到不同温度下热敏电阻的阻值，对数据进行处理，按照目标方程进行数据拟合，拟合的结果图如图3所示。从拟合结果可以看出，A =0.053[Ω]，B =3423.7[K]。该结果与样品的参考值B =3470[K]相差很大，相对误差达到1.3%。对于惠斯通电桥这么高精度的测量方法而言，该误差不能容忍。为了消除偶然因素，我们换不同的
伸缩杆参考样品，和不同的设备，进行了相同的实验，都得到类似的结果。
图3 热敏电阻的温度特性曲线
为了进一步探讨误差来源，将热敏电阻的阻值随温度的变化测量结果与参考值进行对比，其对比图如图4所示。我们从图中发现测量值略大于参考值。分析原因，由于所用热敏电阻由半导体材料制成，其电阻的宏观体现与半导体材料的导电机制有关。由于半导体中的载流子数目随温度升高而按指数规律迅速增加。温度越高，载流子的数目越多，导电能力越强，电阻率也就越小。因此热敏电
保安接线排阻随着温度的升高，它的电阻将按指数规律迅速减小。
图4 电阻测量结果与参考值对比图
从半导体材料的能带结构分析（王邦文，卢锦杰，竺江峰，探究桥臂电阻及待测电阻的阻值改变对惠斯通电桥相对不确定度的影响：大学物理实验，2016），如图5所示。由于热激发，半导体导带中的电子浓度随温度呈指数式的增加，而本征半导体的电阻率同温度的关系主要取决于电子浓度同温度的关系。随着温度的上升，半导体材料中的电子被激活参与导电，使得负温度系数的热敏电阻的阻值逐渐变小。但是该过程是一个物理过程，需要时间来完成，但是在我们实验
中，温度逐渐上升，由于滞后性，热敏电阻阻值的测量结果偏向低温部分的阻值，所以阻值略大于相同温度的参考值。
从半导体材料的能带结构分析（刘恩科，罗晋生，半导体物理学：国防工业出版社，2007），如图5所示。由于热激发，半导体导带中的电子浓度随温度呈指数式的增加，而本征半导体的电阻率同温度的关系主要取决于电子浓度同温度的关系。随着温度的上升，半导体材料中的电子被激活参与导电，使得负温度系数的热敏电阻的阻值逐渐变小。但是该过程是一个物理过程，需要时间来完成，但是在我们实验中，温度逐渐上升，由于滞后性，热敏电阻阻值的测量结果
偏向低温部分的阻值，所以阻值略大于相同温度的参考值。
图5 半导体的能带结构图
为了减小由于滞后性带来的测量误差，在完成一次升温测量之后，继续降温测量热敏电阻的阻值，测试的温度点与升温过程的温度点完全相同。然后在相同的温度点对实验结果求平均值，同样采用Origin 作图的方法对数据进行处理。其结果如图6
pva抛光轮
所示。
图6 热敏电阻的升温、降温测量以及平均值拟合结果图
同样采用相同的拟合方法，对平均值温度曲线进行数据拟合，得到的结果是A=0.043[Ω]，B=3478.9[K]。此时得到的B 值与参考值B=3470[K]非常接近，其相对误差由1.3%降低到0.3%。该结论说明采用升降温各测量一次求平均值的方法，一定程度的减小了由于热敏电阻阻值随温度变化的滞
后性带来的系统误差。
空间种植塔5 结论
对于负温度系数的半导体热敏电阻，当温度变化时，其阻值会随温度呈指数衰减的形式。但是如果仅采用升温单次测量其阻值，发现由于材料的滞后效应，测量结果与参考理论值有很大的偏差。采用升降温各测量一次求平均值的方法，其测量结果与参考理论值吻合的很好，其材料参数B 值的相对误差由1.3%降低到0.3%，说明采用这种测量方法一定程度的消除了由于滞后性带来的系统误差。
基金项目：南方科技大学教改项目（XJJG201904）。作者简介：张蔡婕，女，汉族，河北石家庄人，大学本科，现就读于南方科技大学物理系。
通讯作者：张贤高（1976—），男，湖北巴东人，博士，高级工程师，研究方向：主要从事半导体电子学方面的研究。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议