溫度感測器測量熱量以確保某個流程或設備保持在特定的溫度範圍內，進而保證在安全環境中持續運行，或者滿足強制性的安全規範。而且這類感測器在溫度極高、存在危險情況以及測量點無法觸及的條件下工作。在溫度感測器市場中，有三種產品占據主要的市場份額，分別是熱電偶、NTC熱敏電阻及電阻溫度檢測器(RTD)，每種產品對於特定應用都具有自身的優劣勢(表1)。
熱電偶成本低/易受雜訊干擾
熱電偶是這類感測器中最簡單的一種，從義大利科學家亞歷山德羅伏特的初次發現以及德國物理學家湯瑪斯澤貝克的重新發現以來，自19世紀末就已經開始使用。他們的研究共同表明，當兩條不同金屬製成的電線在末端連接到一起，而且接頭處存在溫差時，就會產生磁場。隨著溫度的變化，電壓會有所起落(稱為塞貝克效應)。在熱電偶中，電壓和溫度之間的這種關係可以使用參照表來計算得知。
熱電偶的主要優點在於成本極低、溫度範圍廣、耐久性高，並且能夠在不使用電源的情況下發揮功能。缺點則是待測量的物件和熱電偶之間不得存在熱流動，並且會老化，其精度也會受到影響，當電線接觸到水分、化學品或者發生機械干涉時，這一情況尤其明顯。熱電偶也會產生很低的輸出電壓，必須進行放大，而且在長導線上易於受到外部雜訊的影響，當熱電偶的電線遇到訊號電路上的銅線路時，就會產生冷連接(Cold Junction)。
熱敏電阻多用於精密溫控
熱敏電阻—特別是NTC熱敏電阻，由邁克爾 法拉第在1833年命名而來，他發現隨著溫度的升高，硫化銀的電阻會逐步降低。然而，由於熱敏電阻的生產較為困難，應用也比較少。隨著發現後世紀，撒母耳 魯本在1930年取得熱敏電阻的專利時，才開始商品化生產。
熱敏電阻一直受到歡迎，因為它的電阻隨著溫度上升而變化，其解析度也就更大，具有高度的可重複性與穩定性，同時還具備出色的可互換性。其熱品質較低，因而對溫度變化的回應也迅速。NTC熱敏電阻採用經過壓制的盤狀、棒狀、板狀、珠狀或片狀壓鑄半導體材料製成，如燒結金屬氧化物。由於製成品可以符合嚴格的電阻公差和溫度精度要求，NTC熱敏電阻主要用於精密的溫度控制。
NTC熱敏電阻還可以在電源中用作湧流限流器，在此類應用中可提供較高的初始電阻，在主機裝置打開時防止高強度的電流發生流動。升溫後，這種電阻有所降低，允許更多的電流發生流動，使主機裝置正常發揮功能而不會損壞。該應用中的NTC熱敏電阻尺寸要大於溫度測量時使用的熱敏電阻，專為該應用設計而成。相比之下，正溫度係數(PTC)熱敏電阻可作為自恢復的保險絲和加熱器使用。由於此處的討論只與溫度的測量和控制有關，因此關注點在於NTC熱敏電阻。然而，重要的一點在於要認識到PTC與其他裝置的區別在哪裡，以及為什麼在特定應用中會如此有效。
在施加極小的功率或者根本不施加功率的情況下，PTC會處於低電阻狀態，陶瓷的原子會按特定的模式排列，允許一些電子自由流動。在施加了足夠的電壓後，PTC幾乎就可以在瞬間達到180℃左右的轉移溫度(Transition Temperature)，電阻則增加了大約1,000倍，使其成為一種簡單而又有效的自恢復保險絲。去掉電壓後，熱敏電阻會回到低電阻狀態。由於一旦超出轉移溫度，PTC就可以自我調節到一個恆溫，因而可作為加熱器。這種屬性使得無論電壓和環境溫度如何變化，PTC皆可在近乎相同的溫度執行。
熱敏電阻屬於非線性裝置，代表圖中電阻和溫度關係的各個點不會形成一條直線。因此，需要修正資料，例如將熱敏電阻和定值電阻器組合在一起，形成一個可透過ADC達到資料數位化的分壓器。藉由此裝置為電阻器選取了合適的數值後，便可以改變曲線的溫度範圍，讓電阻與溫度的關係圖接近直線，進而滿足應用的需求。
儘管其溫度可以是零功率電阻下熱敏電阻本身的溫度，NTC熱敏電阻通常根據室溫(一般為25℃)下的電阻來指定。零功率電阻指熱敏電阻的功耗較低時，特定溫度下測得的熱敏電阻的電阻值。額外降低的功率將會相當於不超過0.1%的電阻變化數值(或者公差的1/10，取其中較小值)。相對較低溫度下，如-55到70℃的應用，通常會使用電阻較低一些、即200到10,000歐姆的熱敏電阻，而溫度更高的應用則通常使用電阻高於10,000歐姆的熱敏電阻，達到最佳化所需溫度下每度電阻的變化的目的。
熱敏電阻具有許許多多的形狀，比如說盤狀、片狀、珠狀或棒狀，可以採取表面安裝、內嵌到系統中、封裝到環氧樹脂、玻璃或焙乾的酚醛樹脂中，或者還可以塗漆。最佳的形狀往往取決於要監測的材料，例如固體、液體或者氣體。當待測設備不易接近或者難以觸及時，熱敏電阻還可以連接到電纜上。在這種情況下，NTC熱敏電阻收納在一個連接到裝置上的環形端子中，另一端則有一個連接器，用於附著到控制器。這些元件使用的電纜專為該應用而設計。電纜長度可指定為100到9,999毫米，並且還可以指定從1,000歐姆到10萬歐姆的各種Beta值和電阻值。
熱敏電阻的成本各不相同，部分與精度有關。成本極低的熱敏電阻僅可保證在單一溫度下工作，在幾度的實際值範圍內(保證的溫度下)提供基本的指示功能。昂貴一些的熱敏電阻則可在範圍極廣的溫度下保證達到幾分之一度的精度。在典型應用中，控制器可監控熱敏電阻的溫度。流過該裝置的微小偏置電流會送到控制器，控制器則使用電源來將偏置電流施加到整個熱敏電阻上，獲得控制電壓。當測得的溫度低於或高於一個指定的範圍時(設定點)，控制器將執行指定功能，如開關風扇或者其他的裝置。
RTD穩定性高/可重複作業
RTD採用的是電阻值隨溫度發生變化的電阻器。RTD具有非常高的精度、可重複使用且高度穩定，薄膜型可用於範圍從-50到500℃的溫度，繞線型則可用於-200到850℃的溫度範圍。薄膜型RTD的元件包括基板上形成的一薄層的鉑，建立起的形狀可形成一個電路，該電路經微調後產生特定的電阻。該元件採用了塗層處理，可保護薄膜和連接位置。相比之下，繞線元件是封裝在陶瓷管或玻璃管中的線卷，或者是繞著玻璃或陶瓷材料的線卷。
RTD元件具有較高的熱品質，因而與熱電耦和熱敏電阻相比，檢測溫度變化的速度較慢。儘管只需兩根銅線即可將RTD連接到電路，但是根據周圍的溫度，銅線的電阻會產生微小的變化，因此大多數的RTD中都整合了第三根線，以使控制器修正這類變化。最精確的RTD使用了鉑材料，提供的電阻從100到1,000歐姆，稱為PT100和PT1000型。鉑材料的RTD對於溫度變化具有近乎線性的回應，穩定性很高且極為精確，可重複作業，並且溫度範圍極廣。由於價格較為昂貴，所以僅在需要最高精度的情況下使用。
以方程式計算電阻與溫度關係
用於指定熱敏電阻的基本值稱為Beta(β)，表示隨熱敏電阻中電阻和溫度間的關係而發生變化的曲線形狀，在指定具體類型時是關鍵係數。度量單位是克爾文(K)，遵循以下方程中定義的規則：
其中：
ΔR=電阻變化
ΔT=溫度變化
k=電阻的一階溫度係數
如果k值為正，則電阻隨著溫度的上升而增大，因而熱敏電阻可稱為正溫度係數熱敏電阻；如果k值為負，則電阻隨著溫度的上升而減小，並且裝置稱為負溫度係數熱敏電阻。只要指定Beta值，就可以根據應用所需的電阻，在給定溫度下實現相應的熱敏電阻特性。也就是說，可以決定特定溫度下熱敏電阻的電阻必須是多少。
可以利用兩種方式來確定NTC熱敏電阻的Beta值。第一種方式是使用以下四個分量進行計算：
其中：
RT1=溫度1下的電阻(歐姆)
RT2=溫度2下的電阻(歐姆)
T1=溫度1(K)
T2=溫度2(K)
使用該方法，可以利用兩個溫度(RT1和RT2)來計算出NTC熱敏電阻的Beta值，但是僅可在一個很窄的溫度範圍內確保準確性。另一種更準確的方法就是使用斯坦哈特-哈特(Steinhart–Hart)方程式，得到的值會更接近實際溫度，在熱敏電阻的整個工作溫度範圍內都很有效。如果熱敏電阻製造商的資料表上未提供斯坦哈特-哈特係數，則可以測量具體溫度下的三個電阻，然後透過三個聯立方程式運算，進而得出這些係數。該過程如下所示：
其中：
T=溫度(K)
LnR=熱敏電阻測得電阻的對數
A、B和C=隨著熱敏電阻的類型和型號以及所需溫度範圍而變化的斯坦哈特-哈特係數。
如上所述，係數A、B和C是利用取熱敏電阻在三個溫度下的電阻並且求解三個聯立方程式而得到的。例如：
T1=0℃，10,000歐姆熱敏電阻的電阻R1為32,803歐姆時。
T2=50℃，10,000歐姆熱敏電阻的電阻R2為3,603歐姆時。
T3=100℃，10,000歐姆熱敏電阻的電阻R3為685.7歐姆時。
1/T1=A+B(LnR)+C(LnR)
1/T2=A+B(LnR)+C(LnR)
1/T3=A+B(LnR)+C(LnR)
常數A、B和C的值為：
A=0.001100669397
B=0.000238957307
C=0.00000006722278769
表2所示為對於10,000歐姆熱敏電阻在25℃下進行該計算時的誤差。
另一個Beta公差的因數描述了某一零件的實際曲線，在貼近按Beta值定義的標定曲線時距離有多近，用於描述點符合的零件。點符合的熱敏電阻，用於要求特定的電阻值與特定的溫度相符合的應用。決定Beta值的其中一個因素，是裝置中使用的各種金屬氧化物的成分和結構以及製造工藝中的變數。這樣一來，在生產批次當中以及在生產批次之間，每個單元之間都會存在變化。對於珠式的熱敏電阻來說，Beta公差通常為±1%到±3%的階數(某些材料可以達到±5%)。對於金屬化表面觸點類型的熱敏電阻來說，Beta公差的範圍將從±0.5%一直到±3%。
NTC熱敏電阻的製造商會為他們的每種產品提供電阻或者電阻比與溫度的對照表格。目前有大量形形色色的材料系統正在使用，每個系統對於可以製造的熱敏電阻的類型、熱敏電阻的尺寸、作業和儲存的溫度範圍以及可用標稱電阻值的範圍來說，都提出了特定的限制。
熱敏電阻的可互換性是一個重要的考慮事項，定義為熱敏電阻在一定溫度範圍內貼近已公布的電阻曲線時的接近程度如何。公布的電阻曲線可視為絕對精度，因此可互換性就是與該點的偏差。在效能不發生降級、並且每次更換後毋需對電路中的每個感測器元件進行校準的情況下，熱敏電阻有多麼符合這一點的要求，可決定零件的互換效能如何。然而必須注意，可互換的熱敏電阻包含了其規格範圍內的Beta公差，因此根據可互換性確定了相對於絕對標稱曲線的精度後，所以可互換的零件上就不再存在Beta公差。
評估熱敏電阻安全
為最終使用者選取適宜的溫度監控與溫度控制裝置看起來似乎非常簡單，在選用並安裝到系統之前並不需要多少知識。然而，正如本文所示，指定使用熱敏電阻的實際要求要多得多，如果未能根據預計用途來對裝置進行評估，則會造成故障、設計為其服務的系統發生破壞，甚至還可能起火以及/或者對產品或系統周圍的人員構成危險。事實上，熟悉這類重要的溫度管理裝置並不需要很多的時間，並且可帶來重大回報，十分值得投入。
(本文作者Debashis Sarkar為Molex進階工程經理；Rahul Bbhaskar則為Molex產品設計進階工程師)
