不知道啥是熱敏電阻器？其實你早就用過

你覺得“熱敏電阻器”這個名詞聽起來很陌生？其實，家裏的電子體溫計上就有這個小部件。

圖片來源：中國科普博覽

熱敏電阻器的電阻會因溫度的變化而變化，由此產生電信號。通過信號處理電路可以將電信號轉換成數字信號。電子體溫計、測溫槍都是類似的原理。

這個小零件雖然不起眼，在深空深海探測中卻不可缺少，甚至還發揮着大作用：在天空中或者海洋裏工作的科學研究設備（例如衛星以及深海探測器）都需要正常的工作溫度，如果設備內部的溫度過高，很可能就會燒壞。這時，就需要熱敏電阻器來實時監控溫度。

上天下海，都得帶着“溫度計”

我們爲這些“上天下海”的設備研製的是“負溫度係數熱敏電阻器”（簡稱NTC熱敏電阻器），它的電阻值會伴隨溫度升高而減小，熱敏電阻通過電阻值的變化進行溫度檢測。

工作原理
NTC熱敏電阻器是電阻值隨溫度變化而變化的電阻器件，它是以錳、鈷、鎳和銅等金屬氧化物爲主要材料，採用陶瓷工藝製造而成的。這些金屬氧化物材料都具有半導體性質，因爲在導電方式上完全類似鍺、硅等半導體材料。溫度低時，這些氧化物材料的載流子(電子和孔穴)數目少，所以其電阻值較高;隨着溫度的升高，載流子數目增加，所以電阻值降低。NTC熱敏電阻器在室溫下的變化範圍在100~1000000歐姆，溫度係數-2%~-6.5%。NTC熱敏電阻器可廣泛應用於溫度測量、溫度補償、抑制浪湧電流等場合。NTC熱敏電阻的阻值與溫度關係符合指數函數關係，可對不同的熱敏電阻器做出電阻-溫度曲線，通過測量電阻值就可以推算出溫度。

由於NTC熱敏電阻器具有響應時間快、靈敏性好、體積小、測溫精度及可靠性高、互換性好、易實現遠程測量和控制、成本低廉等優點，廣泛應用於航天、海洋、物聯網、家用電器等領域。

以航天器爲例。熱敏電阻器常位於航天器的熱控系統。熱控分系統的任務是在航天器飛行過程中，獲取航天器上儀器設備的溫度，保證航天器在軌運行各階段的工作溫度都處在要求的範圍內，從而確保航天器在軌正常工作。我國神舟十六號載人飛船進入太空時就搭載了數百隻熱敏電阻器，其中航天員艙外服系統中配備了49個熱敏電阻器，用於監測航天員出艙活動中的重要身體參數。

（圖片來源：新華社）

在海洋領域，海洋的溫度對海洋生物、氣候、海洋環流等方面均有影響，通過實時監測海水的溫度，海洋工作者就能直觀獲取和利用數據，對海洋氣候、生物遷徙及海洋環流進行相關研究。我國的 “海洋六號”科考船就是這樣採集到南極海底地熱流數據的：船上的重力取樣管上安裝了一系列熱流探針，當取樣管插入海底沉積物後，探針上的幾十個溫度傳感器會被自帶電源瞬間加熱，並記錄降溫過程中每秒溫度值。回收取樣管後，根據傳感器獲得的海底沉積物原位溫度梯度和熱導係數，就可以推算出海底的地熱數據了。

小零件，高要求

但是，這個小零件，卻不那麼容易製造出來。

根據工作溫區的不同，NTC熱敏電阻器可以分爲低溫熱敏電阻（＜-60℃）、常溫熱敏電阻（-60℃~300℃）、和高溫熱敏電阻（＞300℃）。不同的工作溫區對元件有不同的要求：比如寬溫區使用的元件特性要求低B值、高阻值；高靈敏度的又要求原件是高B值、低阻值；而低溫的材料需要低B值、低電阻。

另外，在器件加工環節，測溫敏感體的結構及形狀可靠性設計及精密加工技術，直接影響器件的一致性及穩定性；元器件的絕緣性直接與器件的封裝緊密關聯，如高溫熱敏電阻器要解決熱敏電阻材料和封裝材料的耐高溫耐真空難題……

這些都是小零件研製過程中遇到的大難題。幾十年來，我們的研究團隊（溫敏材料及器件研製團隊）就一直在探索。

1965年，研究團隊接到第一個重要任務——爲第一顆人造衛星“東方紅一號”研發製造熱敏電阻。

由於人造衛星在太空中的運行環境是高真空、高輻射環境,要承受宇宙射線（電子、r射線）的輻照，需要隨時監測和控制衛星的溫度變化。爲保證星載電子儀器的可靠工作，星倉內部溫度和儀器表面溫度必須嚴格控制在要求範圍內。對熱敏電阻的要求是尺寸小、功耗低、抗輻射、穩定性好、可靠性高、易安裝。

爲此，項目研製團隊設計出寬溫區、玻璃封裝的元件，以適應高真空環境的要求，同時確保外形爲扁平形狀，以便於安裝在電子設備上。

當我國第一顆人造衛星在1970年4月24日成功發射，從太空傳來了東方紅樂曲的時候，全體研製人員都激動了，回想起多少個艱苦奮鬥的日日夜夜不禁潸然淚下。

六十年來，通過科研人員的科技攻關，團隊研製出了低溫、中溫、耐高溫高真空、寬溫區、快響應等系列熱敏電阻器產品。在溫度方面，經過大量實驗，最終研製出滿足不同需求的材料體系，研究的低溫材料體系屬國內首創。在器件加工環節，設計出引線模板嵌入及3D打印成型技術，實現測溫敏感體與鉑絲引線的高可靠性加工。在封裝環節，在無參考資料及樣品的情況下，成功研製出高溫玻璃封裝熱敏電阻器最高可以承受900℃的高溫，該產品爲國際首創。

跟着“嫦娥”去月球

多年來，我們研製的熱敏電阻廣泛應用於天問一號、空間站實驗艙、悟空、“北斗”導航系列衛星、“長征”系列火箭、“神舟”系列飛船、“嫦娥”探月工程等星、箭、船和核心器件中，多項技術與產品打破國際壟斷，實現自主可控。

下面就來看看，跟着嫦娥四號和嫦娥五號去月球的小零件都完成了什麼任務吧！

月壤溫度測量：

嫦娥四號着陸器的月壤溫度原位測量採用了接觸式測量的方式。通過轉移機構的運動，使測溫點接觸月壤表面，將溫度傳感器粘貼在聚酰亞胺材料製作的支架上，由於聚酰亞胺熱傳導係數很小，能夠實現溫度傳感器與轉移機構末端之間的熱隔離。每處測溫點採用高溫型和低溫型兩種熱敏電阻器配對使用, 高溫型熱敏電阻器的測溫範圍爲−50℃~+250℃, 低溫型熱敏電阻器的測溫範圍爲 −196℃~−50℃。一支高溫型熱敏電阻器和一支低溫型熱敏電阻器搭配使用，最終覆蓋-196℃~+250℃範圍測量。

CE-4接觸式測點位置（圖片來源：中國科學：技術科學，孫澤洲，2022年）

CE-4接觸式溫度測量部件安裝在轉移機構懸梯末端（圖片來源：中國科學：技術科學，孫澤洲，2022年）

月表環境溫度測量：

下圖是嫦娥五號探測器的溫度數據是通過安裝在着陸器緩衝機構上的9個溫度傳感器獲得的，其中4個MF51 (18K)型熱敏電阻傳感器記錄了航天器飛行過程中的溫度，其他5個B4型熱敏電阻傳感器記錄的是着陸後探測器外部月球表面環境的溫度。這5個溫度傳感器的安裝位置如下圖所示，它們是在嫦娥五號成功着陸42分鐘後開始工作的，每3秒鐘採集一次溫度數據，連續工作了47.2小時，直至嫦娥五號返回艙準備點火返回。

根據月球的軌道參數和月球土壤的熱物理性質計算的結果表明，在測溫時間段，嫦娥五號探測器着陸場月表的環境溫度由68 ºC（341 K）升高到83 ºC（356 K）。