MF5602型低温热敏电阻温度计的特性研究

　　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:

　　R = Aexp( B / T) ( 1)

　　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: R ₁是温度为 T ₁时的电阻值，R ₂是温度为T ₂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:

　　其中: c ₀ 、c ₁、c ₂、c ₃、…、c _n是常数。

　　国外成熟的低温 NTC 热敏电阻温度计有 Cer-nox、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。

　　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。