去月球的“嫦娥”，帶著我們研制的小小 “螺絲釘”

20年前，中國(guó)探月工程獲批準(zhǔn)立項(xiàng)，正式進(jìn)入實(shí)施階段。每當(dāng)我看到“嫦娥”的名字，心里總會(huì)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(jiǎn)稱“熱敏電阻器”）。

不知道啥是熱敏電阻器？其實(shí)你早就用過

你覺得“熱敏電阻器”這個(gè)名詞聽起來很陌生？其實(shí)，家里的電子體溫計(jì)上就有這個(gè)小部件。

圖片來源：中國(guó)科普博覽

熱敏電阻器的電阻會(huì)因溫度的變化而變化，由此產(chǎn)生電信號(hào)。通過信號(hào)處理電路可以將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。電子體溫計(jì)、測(cè)溫槍都是類似的原理。

這個(gè)小零件雖然不起眼，在深空深海探測(cè)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(xué)研究設(shè)備（例如衛(wèi)星以及深海探測(cè)器）都需要正常的工作溫度，如果設(shè)備內(nèi)部的溫度過高，很可能就會(huì)燒壞。這時(shí)，就需要熱敏電阻器來實(shí)時(shí)監(jiān)控溫度。

上天下海，都得帶著“溫度計(jì)”

我們?yōu)檫@些“上天下?！钡脑O(shè)備研制的是“負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器”（簡(jiǎn)稱NTC熱敏電阻器），它的電阻值會(huì)伴隨溫度升高而減小，熱敏電阻通過電阻值的變化進(jìn)行溫度檢測(cè)。

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(dǎo)體性質(zhì)，因?yàn)樵趯?dǎo)電方式上完全類似鍺、硅等半導(dǎo)體材料。溫度低時(shí)，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(yīng)用于溫度測(cè)量、溫度補(bǔ)償、抑制浪涌電流等場(chǎng)合。NTC熱敏電阻的阻值與溫度關(guān)系符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系，可對(duì)不同的熱敏電阻器做出電阻-溫度曲線，通過測(cè)量電阻值就可以推算出溫度。

由于NTC熱敏電阻器具有響應(yīng)時(shí)間快、靈敏性好、體積小、測(cè)溫精度及可靠性高、互換性好、易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測(cè)量和控制、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航天、海洋、物聯(lián)網(wǎng)、家用電器等領(lǐng)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(wù)是在航天器飛行過程中，獲取航天器上儀器設(shè)備的溫度，保證航天器在軌運(yùn)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(guó)神舟十六號(hào)載人飛船進(jìn)入太空時(shí)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(gè)熱敏電阻器，用于監(jiān)測(cè)航天員出艙活動(dòng)中的重要身體參數(shù)。

（圖片來源：新華社）

在海洋領(lǐng)域，海洋的溫度對(duì)海洋生物、氣候、海洋環(huán)流等方面均有影響，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)海水的溫度，海洋工作者就能直觀獲取和利用數(shù)據(jù)，對(duì)海洋氣候、生物遷徙及海洋環(huán)流進(jìn)行相關(guān)研究。我國(guó)的 “海洋六號(hào)”科考船就是這樣采集到南極海底地?zé)崃鲾?shù)據(jù)的：船上的重力取樣管上安裝了一系列熱流探針，當(dāng)取樣管插入海底沉積物后，探針上的幾十個(gè)溫度傳感器會(huì)被自帶電源瞬間加熱，并記錄降溫過程中每秒溫度值。回收取樣管后，根據(jù)傳感器獲得的海底沉積物原位溫度梯度和熱導(dǎo)系數(shù)，就可以推算出海底的地?zé)釘?shù)據(jù)了。

小零件，高要求

但是，這個(gè)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?zé)崦綦娮瑁ǎ?60℃）、常溫?zé)崦綦娮瑁?60℃~300℃）、和高溫?zé)崦綦娮瑁ǎ?00℃）。不同的工作溫區(qū)對(duì)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(cè)溫敏感體的結(jié)構(gòu)及形狀可靠性設(shè)計(jì)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(guān)聯(lián)，如高溫?zé)崦綦娮杵饕鉀Q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(tuán)隊(duì)（溫敏材料及器件研制團(tuán)隊(duì)）就一直在探索。

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

由于人造衛(wèi)星在太空中的運(yùn)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(shí)監(jiān)測(cè)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(yán)格控制在要求范圍內(nèi)。對(duì)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(xiàng)目研制團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出寬溫區(qū)、玻璃封裝的元件，以適應(yīng)高真空環(huán)境的要求，同時(shí)確保外形為扁平形狀，以便于安裝在電子設(shè)備上。

當(dāng)我國(guó)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(shí)候，全體研制人員都激動(dòng)了，回想起多少個(gè)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(guān)，團(tuán)隊(duì)研制出了低溫、中溫、耐高溫高真空、寬溫區(qū)、快響應(yīng)等系列熱敏電阻器產(chǎn)品。在溫度方面，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)，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(guó)內(nèi)首創(chuàng)。在器件加工環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)出引線模板嵌入及3D打印成型技術(shù)，實(shí)現(xiàn)測(cè)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(guó)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(yīng)用于天問一號(hào)、 空間站實(shí)驗(yàn)艙、悟空、“北斗”導(dǎo)航系列衛(wèi)星、“長(zhǎng)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(xiàng)技術(shù)與產(chǎn)品打破國(guó)際壟斷，實(shí)現(xiàn)自主可控。

下面就來看看，跟著嫦娥四號(hào)和嫦娥五號(hào)去月球的小零件都完成了什么任務(wù)吧！

月壤溫度測(cè)量：

嫦娥四號(hào)著陸器的月壤溫度原位測(cè)量采用了接觸式測(cè)量的方式。通過轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，使測(cè)溫點(diǎn)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(dǎo)系數(shù)很小，能夠?qū)崿F(xiàn)溫度傳感器與轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)末端之間的熱隔離。每處測(cè)溫點(diǎn)采用高溫型和低溫型兩種熱敏電阻器配對(duì)使用, 高溫型熱敏電阻器的測(cè)溫范圍為?50℃~+250℃, 低溫型熱敏電阻器的測(cè)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(cè)量。

CE-4接觸式測(cè)點(diǎn)位置（圖片來源：中國(guó)科學(xué)：技術(shù)科學(xué)，孫澤洲，2022年）

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

月表環(huán)境溫度測(cè)量：

下圖是嫦娥五號(hào)探測(cè)器的溫度數(shù)據(jù)是通過安裝在著陸器緩沖機(jī)構(gòu)上的9個(gè)溫度傳感器獲得的，其中4個(gè)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(gè)B4型熱敏電阻傳感器記錄的是著陸后探測(cè)器外部月球表面環(huán)境的溫度。這5個(gè)溫度傳感器的安裝位置如下圖所示，它們是在嫦娥五號(hào)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(shí)，直至嫦娥五號(hào)返回艙準(zhǔn)備點(diǎn)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(jì)算的結(jié)果表明，在測(cè)溫時(shí)間段，嫦娥五號(hào)探測(cè)器著陸場(chǎng)月表的環(huán)境溫度由68 oC（341 K）升高到83 oC（356 K）。

CE-5探測(cè)器5個(gè)（1號(hào)~5號(hào)）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(guó)科學(xué)雜志社）

結(jié)語

不止在航天、海洋等領(lǐng)域，熱敏電阻器未來的應(yīng)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(cè)量的領(lǐng)域都能看到它的身影。

而對(duì)于熱敏電阻研制團(tuán)隊(duì)的科研工作者來說，未來圍繞深空、深海、深藍(lán)、深低等領(lǐng)域的需求，將開展極低溫、超高溫、快響應(yīng)、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(guó)家安全、科技發(fā)展及民生福祉。

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作者：張惠敏 吳兵 何東林 妥玉玲 周佳 劉暉

作者單位：中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所

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