MF5602型低温热敏电阻温度计的特性研究

兰玉岐 姜迎春 陈光明 骆明强 朱晓彤

1 引言

负温度系数(negative temperature coefficient，简称NTC)热敏电阻温度温度计相对于其它温度计而言，具有价格低廉、灵敏度高、响应快、受磁场和辐射影响小等优点，已被广泛用于医疗、家电、汽车、办公自动化、电信、军事、航空航天等领域的温度测量和控制等方面［1-3］。

NTC氧化物热敏陶瓷的电阻值和温度之间的关系一般可用Arrhenius方程来表示:

其中:A为常数，由热敏电阻的形状和尺寸等决定;B为热敏材料常数，由材料的物理特性决定;T为热力学温度。根据式(1)可知热敏电阻材料使用温度越低，其B值应越小。准确地测量2个温度点的电阻值便可以求出常数A、B。即:

其中:R1是温度为T1时的电阻值，R2是温度为T2时的电阻值［1-2］。

Steinhart and Hart方程和Hoge方程是通过电阻值计算温度值更为准确的曲线拟合方程［3-4］，分别如下:

Steinhart and Hart方程:

其中:a、b、c是常数。

Hoge方程:

其中:c0、c1、c2、c3、…、cn是常数。

国外成熟的低温NTC热敏电阻温度计有Cernox、锗电阻、碳电阻、氧化钌电阻，中国主要产品为采用传统工艺生产的氧化物复合陶瓷珠粒电阻，型号有MF5602和MF5604两种，主要用于航天领域低温介质的温度测量和液位测量。尽管关于低温氧化物热敏电阻的研究工作早已开始并有成熟产品，但新工艺、新材料、新结构和相关产品的应用模拟模仍是重点的研究方向。本文就采用切片、划片等先进的半导体陶瓷工艺生产的MF5602型、在20—50 K温度范围内应用的低温NTC热敏电阻温度计开展实验研究。

2 实验与结果

2.1 MF5602型NTC热敏电阻温度计的电学特性

对采用新工艺生产的MF5602型NTC热敏电阻温度计用低温恒温器(使用液氢作为冷源介质)、标准套管铂电阻温度计、测温电桥在20—50 K之间进行分度，4线制测量方法，激励电流为1μA。根据测量结果计算热敏常数B值并分别采用3、4阶Hoge方程进行拟合。

两支低温NTC热敏电阻温度计测量结果的电阻-温度曲线如图1所示。从图中可以得出结论采用新工艺生产的MF5602型低温NTC热敏电阻温度计在20—50 K之间有典型的负温度系数热敏特性。

图1 MF5602型热敏电阻温度计阻值与温度的关系曲线Fig.1 Plot between resistance and temperature of MF5602

温度、电阻值测量数据拟合结果残差曲线如图2所示，拟合残差分布在-15 mK到15 mK之间，证明新工艺生产的MF5602型NTC热敏电阻温度在实际使用过程中可采用Hoge方程进行分度拟合和校准。

图2 Hoge方程拟合MF5602热敏电阻温度计的残差曲线Fig.2 Residual plots of Hoge equations for MF5602 thermistors

运用式(2)计算NTC热敏材料的B20K/45K常数为190 K左右，符合低温NTC热敏陶瓷材料的特性要求。相对灵敏度αT(αT=(d R/d T)/R)值如图3所示，MF5602型NTC热敏电阻温度计的相对灵敏度绝对值远大于铂电阻温度计(电阻灵敏度3.9×10-3/K)。

MF5602型NTC热敏电阻温度计与美国Lake Shore公司的Cernox产品(电阻灵敏度最高)在典型温度点的电阻值、电阻灵敏度如表1所示，得出MF5602型NTC电阻温度计在典型点的电阻值和电阻灵敏度值均高于美国Lake Shore公司相关产品。

图3 MF5602型NTC热敏电阻温度计的相对灵敏度系数与温度关系曲线Fig.3 Relative sensitivity coefficient of MF5602 NTC thermistors(αT)vs.temperature curve

表1 MF5602与CX-1080在典型温度点的电阻值和电阻灵敏度值Table 1 Values of resistance，sensitivity between MF5602 and different CX-1080 at typical temperatures

2.2 MF5602型NTC热敏电阻温度计的稳定性

新工艺生产的MF5602型NTC热敏电阻温度计在100℃进行1 200 h的高温贮存、液氢中(20 K)进行48 h的低温贮存和从室温到液氢温度(20 K)的100次热循环老化试验。

老化后的NTC热敏电阻温度计产品使用标准套管铂电阻、测温电桥采用四线制在液氢中(20 K)进行电学测量，测试激励电流为1μA，记录电阻值。然后在室温到液氢中(温度20 K)进行50次热循环温度冲击试验，冷却和复温时间为30 min。最后在液氢中采用同样的测量方法进行电阻测量，计算其电阻漂移。电阻漂移引起对应的温度误差小于10 mK。所以新工艺生产的MF5602型NTC热敏电阻温度计具有较好的稳定性。

2.3 磁场对MF5602型NTC热敏电阻温度计的影响

有时低温工程和低温物理领域要求在高磁场条件下进行温度测量，能在磁场存在的条件下进行准确的温度测量对低温温度计至关重要，是低温温度计的一个重要特性，磁场存在条件下不同的温度传感器具有不同的性能［5-6］。

新工艺生产的MF5602型热敏电阻温度计在变化的磁场存在条件下的电阻值被测量，磁场变化引起的温度测量偏差被计算。磁场存在引起的相对温度偏差:

其中:TB是磁场强度为B时的温度测量值，T是磁场强度为0时的温度测量值。变化的磁场条件下温度测量曲线如图4所示，磁场诱发的相对偏差很小能够满足在磁场存在条件下进行低温测量。

图4 MF5602热敏电阻温度计的磁场-温度关系曲线Fig.4 Temperature errors，d T/T(%)vs.magnetic field curves for MF5602 NTC thermistors

MF5602型热敏电阻温度计与美国Lake Shore公司的相关产品在典型温度点因磁场引起的相对温度偏差如表2所示，MF5602型热敏电阻温度计受磁场影响最小。

表2 不同温度传感器在典型温度点因磁场引起的温度偏差Table 2 Typical magnetic field-dependent temperature errors d T/T(%)of different sensors at B(magnetic induction)

3 结论

采用新工艺生产的MF5602型NTC热敏电阻温度计具有典型的NTC热敏陶瓷特性，材料的B20K/45K常数为190 K左右，可在20—50 K之间进行温度测量，校准拟合残差分布在-15 mK到15 mK之间，相同温度测点的电阻值和电阻灵敏度值均优于美国Lake Shore公司相关产品。

高、低温贮存、热循环温度冲击老化后进行稳定性测量，结果表明在室温到液氢中(温度20 K)进行50次热循环温度冲击试验，电阻漂移引起对应的温度误差小于10 mK，MF5602型NTC热敏电阻温度计具有较好的稳定性。

在典型温度点磁场对MF5602型热敏电阻温度计的测量偏差影响被测量，磁场引起的相对温度偏差小于美国Lake Shore公司的相关产品，受磁场影响最小。

1 王忠兵，吴 蕾，赵肃莹，等.掺杂对Ni-Mn-O系NTC热敏陶瓷及其电学性能的影响［J］.硅酸盐学报，2009(6):927-931.

2 兰玉岐，妥万禄，常爱民，等.SrCoO3-δ陶瓷材料的导电机理和低温热敏特性［J］.电子元件与材料，2006(10):44-46.

3 Hoge H J.Useful procedure in least squaresm，and tests of some equations for thermistors［J］.Review of Scientific Instrument，1988，59:975-979.

4 Boltovets N S，Kholevchuk V V.Ge-film resistance and si-based diode temperature microsensors for cryogenic applications［J］.Sensors and Actuators A，2001，92:191-196.

5 A PRijpma，H JM ter Brake.Cryogenic thermometry weith a common diode:Type BAS16［J］.Cryogenics，2006，46:68-69.

6 Ilic D，Butorac J，ferkovic L.Temperature measurements by mean of NTC resistors and a two-parameter approximation curve［J］.Measurement，2008，41:294-299.

7 Alexander M D，Mac Quarre K T B.Toward standard thermistor calibration method and data correction spreadsheets［J］.Ground，water，Monitoring＆Remediation，2005，25:75-81.

8 Shweta Jagtap，Sunit Rane，Suresh Gosavi，et al.Preparation，characterization and electrical properties of spinel-type environment friendly thick film NTC thermistors［J］.J Eur Ceram Soc，2008，28:2501-2507.

9 Park K.Struct.Structural and electrical properties of FeMg0.7Cr0.6Co0.7-xAlxO4(0≤x≤0.3)thick film NTC thermistors［J］.J Eur Ceram Soc，2006，26:909-914.

10 Park K，Lee JK.Mn-Ni-Co-Cu-Zn-O NTC thermistors with high thermal stability for low resistance applications［J］.Scripta Mater.，2007，57:329-332.

11 梁 森，高积强，杨建锋，等.Cr0.8Fe1.2O3NTC热敏电阻制备及性能研究［J］.稀有金属材料与工程，2008，37(增刊1):311-313.

12 袁秀玲，陈 岗.测量极低温度的新型温度计［J］.制冷学报，1990，44(2):2-54.

13 李建军.镍铬-镍硅热电偶特性分析与应用研究［J］.火箭推进，2010(5):63-66.

14 何志勇，赵瑞国，袁军社.传感器数据库管理系统设计［J］.火箭推进，2010(6):66-71.