20年前，中國探月工程獲批準立項，正式進入實施階段。每當我看到“嫦娥”的名字，心里總會涌起一種特別的自豪感：去月球的TA，身上都有我們研制的小小“螺絲釘”呢！

并不是這樣的螺絲釘：

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而是這樣的：

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這種“螺絲釘”就是熱敏電阻溫度傳感器（以下簡稱“熱敏電阻器”）。

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，家里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(chǎn)生電信號。通過信號處理電路可以將電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)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(fā)揮著大作用：在天空中或者海洋里工作的科學研究設備（例如衛(wèi)星以及深海探測器）都需要正常的工作溫度，如果設備內(nèi)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(jiān)控溫度。

上天下海，都得帶著“溫度計”

我們?yōu)檫@些“上天下?！钡脑O備研制的是“負溫度系數(shù)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為主要材料，采用陶瓷工藝制造而成的。這些金屬氧化物材料都具有半導體性質(zhì)，因為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(shù)目少，所以其電阻值較高;隨著溫度的升高，載流子數(shù)目增加，所以電阻值降低。NTC熱敏電阻器在室溫下的變化范圍在100~1000000歐姆，溫度系數(shù)-2%~-6.5%。NTC熱敏電阻器可廣泛應用于溫度測量、溫度補償、抑制浪涌電流等場合。NTC熱敏電阻的阻值與溫度關系符合指數(shù)函數(shù)關系，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。

由于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(xiàn)遠程測量和控制、成本低廉等優(yōu)點，廣泛應用于航天、海洋、物聯(lián)網(wǎng)、家用電器等領域。

以航天器為例。熱敏電阻器常位于航天器的熱控系統(tǒng)。熱控分系統(tǒng)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范圍內(nèi)，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(shù)百只熱敏電阻器，其中航天員艙外服系統(tǒng)中配備了49個熱敏電阻器，用于監(jiān)測航天員出艙活動中的重要身體參數(shù)。

（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(huán)流等方面均有影響，通過實時監(jiān)測海水的溫度，海洋工作者就能直觀獲取和利用數(shù)據(jù)，對海洋氣候、生物遷徙及海洋環(huán)流進行相關研究。我國的 “海洋六號”科考船就是這樣采集到南極海底地熱流數(shù)據(jù)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后，探針上的幾十個溫度傳感器會被自帶電源瞬間加熱，并記錄降溫過程中每秒溫度值?；厥杖庸芎螅鶕?jù)傳感器獲得的海底沉積物原位溫度梯度和熱導系數(shù)，就可以推算出海底的地熱數(shù)據(jù)了。

小零件，高要求

但是，這個小零件，卻不那么容易制造出來。

根據(jù)工作溫區(qū)的不同，NTC熱敏電阻器可以分為低溫熱敏電阻（＜-60℃）、常溫熱敏電阻（-60℃~300℃）、和高溫熱敏電阻（＞300℃）。不同的工作溫區(qū)對元件有不同的要求：比如寬溫區(qū)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(huán)節(jié)，測溫敏感體的結(jié)構(gòu)及形狀可靠性設計及精密加工技術(shù)，直接影響器件的一致性及穩(wěn)定性；元器件的絕緣性直接與器件的封裝緊密關聯(lián)，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……

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

1965年，研究團隊接到第一個重要任務——為第一顆人造衛(wèi)星“東方紅一號”研發(fā)制造熱敏電阻。

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

為此，項目研制團隊設計出寬溫區(qū)、玻璃封裝的元件，以適應高真空環(huán)境的要求，同時確保外形為扁平形狀，以便于安裝在電子設備上。

當我國第一顆人造衛(wèi)星在1970年4月24日成功發(fā)射，從太空傳來了東方紅樂曲的時候，全體研制人員都激動了，回想起多少個艱苦奮斗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，團隊研制出了低溫、中溫、耐高溫高真空、寬溫區(qū)、快響應等系列熱敏電阻器產(chǎn)品。在溫度方面，經(jīng)過大量實驗，最終研制出滿足不同需求的材料體系，研究的低溫材料體系屬國內(nèi)首創(chuàng)。在器件加工環(huán)節(jié)，設計出引線模板嵌入及3D打印成型技術(shù)，實現(xiàn)測溫敏感體與鉑絲引線的高可靠性加工。在封裝環(huán)節(jié)，在無參考資料及樣品的情況下，成功研制出高溫玻璃封裝熱敏電阻器最高可以承受900℃的高溫，該產(chǎn)品為國際首創(chuàng)。

跟著“嫦娥”去月球

多年來，我們研制的熱敏電阻廣泛應用于天問一號、 空間站實驗艙、悟空、“北斗”導航系列衛(wèi)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(shù)與產(chǎn)品打破國際壟斷，實現(xiàn)自主可控。

下面就來看看，跟著嫦娥四號和嫦娥五號去月球的小零件都完成了什么任務吧！

月壤溫度測量：

嫦娥四號著陸器的月壤溫度原位測量采用了接觸式測量的方式。通過轉(zhuǎn)移機構(gòu)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制作的支架上，由于聚酰亞胺熱傳導系數(shù)很小，能夠?qū)崿F(xiàn)溫度傳感器與轉(zhuǎn)移機構(gòu)末端之間的熱隔離。每處測溫點采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范圍為?50℃~+250℃, 低溫型熱敏電阻器的測溫范圍為 ?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℃范圍測量。

CE-4接觸式測點位置（圖片來源：中國科學：技術(shù)科學，孫澤洲，2022年）

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

月表環(huán)境溫度測量：

下圖是嫦娥五號探測器的溫度數(shù)據(jù)是通過安裝在著陸器緩沖機構(gòu)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著陸后探測器外部月球表面環(huán)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著陸42分鐘后開始工作的，每3秒鐘采集一次溫度數(shù)據(jù)，連續(xù)工作了47.2小時，直至嫦娥五號返回艙準備點火返回。

根據(jù)月球的軌道參數(shù)和月球土壤的熱物理性質(zhì)計算的結(jié)果表明，在測溫時間段，嫦娥五號探測器著陸場月表的環(huán)境溫度由68 oC（341 K）升高到83 oC（356 K）。

CE-5探測器5個（1號~5號）B4型熱敏電阻溫度傳感器的安裝位置示意圖（圖片來源：中國科學雜志社）

結(jié)語

不止在航天、海洋等領域，熱敏電阻器未來的應用范圍是越來越寬，在電子電路、物聯(lián)網(wǎng)、汽車工業(yè)、醫(yī)療、家用電器等等涉及溫度測量的領域都能看到它的身影。

而對于熱敏電阻研制團隊的科研工作者來說，未來圍繞深空、深海、深藍、深低等領域的需求，將開展極低溫、超高溫、快響應、高精度、高互換、易集成的熱敏電阻及其溫度傳感器的研究，把溫度敏感材料與器件做到新高度、新水平，保障國家安全、科技發(fā)展及民生福祉。

參考文獻：

[1]馬東鋒,熊玉卿,何延春等.空間飛行器用薄膜溫度/應變傳感技術(shù)研究[J].真空與低溫,2023,1-17.

[2] 孫澤洲，張有為，陳向東等.基于嫦娥四號任務的月球背面淺層月壤溫度原位測量[J]. 中國科學:技術(shù)科學，2022,52,1447-1455.

[3]劉遠周,王彤,賈瑛卓等.嫦娥五號著陸區(qū)熱環(huán)境及其對探測器外部溫度的影響[J].中國科學:物理學 力學 天文學,2023,53(03):93-104.

[4]陳旭光,欒魯寶,張寧等.深海多金屬結(jié)核采礦車與底質(zhì)相互作用機制及其環(huán)境影響研究進展[J].中國礦業(yè)大學學報,2023,52(06):1173-1190.

[5]汪洋,汪雪婷.熱敏電阻行業(yè)發(fā)展與創(chuàng)新的思考[J].電子元件與材料,2016,35(11):95-97.

作者：張惠敏 吳兵 何東林 妥玉玲 周佳 劉暉

作者單位：中國科學院新疆理化技術(shù)研究所

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