淺談光電探測器和圖像傳感器(十一)：熱電探測器（1）

前面的淺談光電探測器和圖像傳感器系列介紹了圖像傳感器的分類，常見光電探測器的原理、材料和器件結構、微光探測圖像傳感器、偏振探測圖像傳感器、X射線圖像傳感器、量子點圖像傳感器、新型圖像傳感器等內容。

今天這一部分主要是熱電探測器的基本介紹。熱電探測器主要分為熱電偶、熱敏電阻、熱釋電、熱電堆。其中熱敏電阻和熱電偶在紅外光電探測領域應用較少，主要用于溫度測量場景。熱電堆,熱釋電,微測輻射熱計（屬于熱敏電阻大類）在紅外探測領域的應用更多。這篇文章主要是對熱電探測器的概述，熱電探測器在紅外探測部分的應用會在下次再進行專題介紹。

往期回顧如下：

二維材料熱載流子光電器件

淺談光電探測器和圖像傳感器（十）:光譜探測器與片上光譜儀（1）

淺談光電探測器和圖像傳感器（九）:量子點圖像傳感器（1）

淺談光電探測器和圖像傳感器（八）:新型傳感器之柔性圖像傳感器和透明圖像傳感器

淺談光電探測器和圖像傳感器（七）：X射線探測器（1）

淺談光電探測器和圖像傳感器（六）:從成像技術角度新型探測器之偏振探測

淺談光電探測器和圖像傳感器（五）-原理、材料、器件結構

淺談光電探測器與圖像傳感器（四）

淺談圖像傳感器和光電探測器(三)-微光探測上

淺談圖像傳感器（二）--讀者回復

淺談光電探測器與圖像傳感器（一）

01 熱探測器概述

熱電傳感器件是將入射到器件上的輻射能轉換為熱能，然后將熱能轉換為電信號輸出的器件。

熱電探測器主要可以分為熱敏電阻，熱電偶，測輻射熱電堆，熱釋電探測器。熱敏電阻基于材料溫度系數(shù)實現(xiàn)溫度傳感，常用于溫度測量，電路保護等場景。熱電偶基于賽貝克效應實現(xiàn)溫度探測，主要用于溫度測量，溫度控制等場景。熱電堆也是基于賽貝克效應，但是其相當于使用了若干熱電偶器件堆疊，從而具有更高的靈敏度。熱釋電有別于前面三者，主要是實現(xiàn)動態(tài)溫差的探測。此外還有常用于紅外探測的微測輻射熱計，其原理也是基于熱敏電阻。

熱電效應的基本原理:熱電效應是一種由溫差產(chǎn)生電壓的直接轉換，反之亦然。熱電效應的三大原理為賽貝克效應，帕爾貼效應，湯姆遜效應。賽貝克效應和帕爾貼效應是正好相反的兩個效應，賽貝克效應可以概述為"溫差生電"，帕爾貼效應可以概述為“加電制冷"。

賽貝克效應：當兩種不同材質的導體（通常為金屬）連接在一起并形成閉合回路時，如果兩端存在溫差，則高溫端的自由電荷載流子會向低溫端擴散，從而形成一個電流方向與溫差方向相反的熱電動勢。

帕爾貼效應：當電流流過兩種不同導體的界面時，將從外界吸收熱量，或向外界放出熱量。

湯姆遜效應：是指當電流流過導體時，如果導體存在溫差，則會產(chǎn)生電熱效應以外的熱量吸收或釋放現(xiàn)象。

02 熱敏電阻

熱敏電阻是一種熱電探測器，其主要工作原理是利用材料的電阻值隨著溫度的變化而發(fā)生變化實現(xiàn)對光/熱信號的探測。

凡是吸收入射輻射后引起溫度變化而導致負載電阻值變化的器件都可以歸為熱敏電阻類。其中產(chǎn)品中應用最為廣泛的是基于半導體陶瓷材料的熱敏電阻。

它們通常由半導體或陶瓷材料制成，并具有很高的靈敏度，能夠檢測細微的溫度變化。熱敏電阻有兩種主要類型：

負溫度系數(shù) (NTC) 熱敏電阻的電阻值隨著溫度的升高而降低。

正溫度系數(shù) (PTC) 熱敏電阻的電阻值隨著溫度的升高而升高。

PTC熱敏電阻

其中大部分半導體陶瓷材料一般具有負溫度系數(shù)，且測溫范圍更廣，因此基于NTC的熱敏電阻應用更廣。適用于制作具有正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻的材料中，主要有BaTiO3,系，V2O5系，以及NiO系等。BaTiO3系是一種鐵電材料，為典型的ABO3型鈣鈦礦結構，常溫電阻率一般大于1011Ω .cm,在其中加入微量的稀土元素后，可以使得其常溫電阻率降低至10-2~104 cm。若溫度超過材料的居里點，則電阻率可以在幾十度的溫度范圍內增大3~10個數(shù)量級。相關研究表明，以BaTiO3系為代表的多晶半導體陶瓷材料，其PTC效應來自于其晶界勢壘和居里溫度下的鐵電補償效應，而不來自材料本身，單晶材料往往沒有體現(xiàn)出PTC效應。?海望和焦克提出表面勢壘模型，丹尼爾斯提出鋇空位模型分別對BaTiO3中的PTC進行解釋。

NTC熱敏電阻

具有正溫度系數(shù)的NTC熱敏半導體材料通常是用一種或者幾種過渡金屬氧化物組成，常見的材料包括NiO，CoO,MnO等。NTC熱敏半導瓷大多是尖晶石結構或其他結構的氧化物陶瓷，源于MgAl2O4這種礦石，其通式是AB2O4。NTC熱敏半導體陶瓷通常以MnO為主材料，同時引入適量的CoO，NiO，CuO，F(xiàn)eO等，使得其在高溫下形成半反或全反尖晶石結構、

對于尖晶石結構的NTC熱敏半導體陶瓷的導電機理，一般可以用價鍵交換導電理論解釋。對于全反尖晶石和半反尖晶石結構的氧化物半導體，其具有可變價的陽離子同時存在，且同時處于B位，其離子間距小，通過隧道效應可以發(fā)生電子交換，在電場作用下，這些電子交換引起載流子沿著電場方向產(chǎn)生漂移運動。

熱敏電阻的應用

熱敏電阻因其靈敏度、響應速度快、體積小、價格低廉等優(yōu)點，被廣泛應用于各種領域，包括：

溫度測量: ?熱敏電阻是最常用的溫度傳感器之一，用于測量各種設備和環(huán)境中的溫度，例如空調、冰箱、汽車、醫(yī)療器械等。

過流保護: ?NTC 熱敏電阻常用于電路保護，當電流過大時，熱敏電阻的電阻值會迅速降低，從而限制電流，保護電路免受損壞。

自加熱: ?PTC 熱敏電阻可用于自加熱應用，例如電熱毯、咖啡機、恒溫器等。

紅外檢測: ?熱敏電阻可用于紅外檢測，例如PIR 運動傳感器、夜視儀等。

溫度補償：熱敏電阻的溫度補償原理是利用熱敏電阻的電阻值與溫度之間的關系，通過負反饋機制抵消溫度變化對電路性能的影響。

抑制浪涌：在電源電路中串接一個功率型NTC熱敏電阻，能有效的抑制開機時的浪涌電流

基于半導體陶瓷的熱敏電阻用于光輻射探測的一個設計如下圖所示，通過橋式電路連接兩個性能相同的熱敏電阻，其中一個外加光屏蔽作為參考電阻，另外一個電阻接受輻射作為探測電阻，兩個電阻連接于橋式電路兩端，類似差分輸出思路，該電路可以實現(xiàn)實現(xiàn)高信噪比的信號輸出，響應時間在幾十毫秒量級。

03 微測輻射熱計

與熱敏電阻類似原理，測輻射熱計bolometer也是通過材料的電阻變化實現(xiàn)熱電探測的。有別于上述熱敏電阻，測輻射熱計基于半導體材料和工藝，性能上可以實現(xiàn)高靈敏探測，形態(tài)上可以實現(xiàn)集成化設計，因此在紅外探測領域應用更為廣泛，尤其是微測輻射熱計。

微測輻射熱計（Microbolometer，MB）是一種基于MEMS技術的非制冷紅外焦平面探測器，其基于半導體和MEMS工藝，并能夠與CMOS讀出電路(readout integrated circuit, ROIC)單片集成。結構上由硅襯底、底部反射鏡、互聯(lián)電極、熱絕緣橋墩、熱敏電阻材料層和紅外吸收橋面組成。

微測輻射熱計具有靈敏度高、響應速度快、光譜范圍寬、噪聲水平低、尺寸小、重量輕等優(yōu)點，近年來發(fā)展迅速，在紅外成像、溫度測量、氣體分析等領域得到了廣泛應用。

由于微測輻射惹急其具有尺寸小的特點，其容易實現(xiàn)高分辨率陣列小像素（1xum量級及其以下）的紅外探測面陣，防疫篩查用的熱像儀就是基于微測輻射熱計像素的紅外相機。

據(jù)報道，微測輻射熱計探測器的產(chǎn)量比所有其他紅外陣列技術的總和都要大，是非制冷紅外探測器的主導技術。目前，商用測輻射熱計主要由氧化釩、非晶硅或硅二極管制造。VOx的電阻溫度系數(shù)較高（一般為2%～3%/K），即隨著溫度的變化電阻變動的幅度較大，是目前首選的熱敏電阻型非制冷紅外焦平面探測材料。

微測輻射熱計的應用場景包括：紅外成像、人體態(tài)勢感知、大面積溫度測量、夜視儀、無人機載荷等領域。

一款基于達1280 x 1024的12μm像素微測輻射熱計非制冷長波紅外熱像儀，圖片來源：https://www.spark-opt.com.cn/product-item-163.html

國內非制冷紅外焦平面探測器（微測輻射熱計）技術進展，圖片來源：龔曉光, 王英, 等. 微測輻射熱計型非制冷紅外焦平面探測器技術新進展[J]. 光學儀器, 2023, 47(1): 013101.

04 熱電偶

熱電偶工作原理

熱電偶在溫度測量中應用極為廣泛，其基本工作原理是賽貝克效應。當兩種不同材質的金屬導體A,B連接在一起形成閉合回路時，如果兩端存在溫差，則會在回路中產(chǎn)生電勢，從而形成電流，這一電勢稱為熱電勢。

熱電勢的大小與兩種導體的材料性質以及結點溫度有關，組成閉合回路的A,B兩個導體稱為熱電極，一個端口為工作端或者說熱端，另一個端口為參考端，工作時參考端置于某一恒定溫度。

熱電偶主要分類

根據(jù)熱電偶所使用的金屬材料，可以將其分為以下幾類：鉑銠系熱電偶、?鉻鎳系熱電偶、由銅-康銅熱電偶、鎳鉻-鎳硅熱電偶、鎢錸-鎢鎳熱電偶，其主要特點和使用環(huán)境如下表所示。

?熱電偶和熱敏電阻對比

熱敏電阻和熱電偶都是常用的溫度傳感器，其各有優(yōu)缺點。

熱敏電阻適用于測量窄范圍內的溫度，具有較高的精度和響應速度，因此常用于精品電器、醫(yī)療設備、實驗儀器等需要高精度測溫的領域。熱敏電阻的穩(wěn)定性較差且易受自發(fā)熱效應、時間、濕度等因素的影響。

熱電偶適用于測量寬范圍內的溫度，具有較好的穩(wěn)定性，但精度和響應速度相對較低。因此常用于冶金、機械、化工等工業(yè)領域。

熱敏電阻由于其元件化、小體積特性，其在電子電路中有一定的應用，比如溫度補償、限流限壓等。而熱電偶主要用于溫度測量，溫度檢測，溫度傳感等領域。

除了熱敏電阻和熱電偶以外，還有一種基于導體的電阻值隨溫度變化而變化的特性進行溫度測量的傳感器，叫做RTD（Resistance Temperature Detector）,電阻溫度探測器。RTD的工作原理是基于導體的電阻值隨溫度變化而變化的特性。當電流流過RTD時，RTD會產(chǎn)生自發(fā)熱效應，其電阻值會發(fā)生變化,該探測器具有比熱敏電阻更高的溫度精度。

05?熱電堆

為了減少熱電偶的響應時間，提高靈敏度，常常把輻射接受面分成若干塊，每塊接入一個熱電偶，相當于把熱電偶串聯(lián)堆疊起來，即構成了熱電堆。由于熱電堆由多個熱電偶串聯(lián)而成，每個熱電偶產(chǎn)生的熱電動勢會疊加，因此靈敏度更高，會形成更大的輸出電壓信號。

一個典型的熱電堆如圖所示，其在金屬襯底上制作一層絕緣層，在絕緣層上沉積熱電材料并制作器件。

在實際應用中基于上圖所示的熱電堆探測器會有一些問題，比如襯底帶來的熱耗散。不期望的熱耗散會導致器件熱電轉換效率低，靈敏度低，隨著微電子工藝的發(fā)展，尤其是MEMS工藝的出現(xiàn)，微機械式的熱電堆探測器被提出，并被用于紅外探測中。為了建立熱結區(qū)額冷結區(qū)的有效熱傳導，需要構建一定的隔熱結構，現(xiàn)在主要通過薄膜來實現(xiàn)，常用的介質薄膜材料包括氮化硅和氧化硅。薄膜具有熱導率小的特點，可以降低熱耗散，常用的薄膜有封閉膜和懸臂膜兩種結構。從隔熱效果上說懸臂膜更具優(yōu)勢，但是其具有加工工藝復雜，成品率低，結構不穩(wěn)定等問題。

熱電堆探測器在在額溫槍、耳溫槍、智能家電、燈具開關、食品溫度檢測等領域中獲得了廣泛的應用。其應用場景包括：火警報警、?夜視儀、紅外成像、溫度測量、智能家電、人體存在感知、氣體分析等。

在溫度測量應用方面，熱電堆傳感器一般是非接觸式測量，比如額溫槍，而熱敏電阻一般是在接觸式測量的應用場景中。

06 熱釋電探測器

熱釋電探測器的工作原理基于熱釋電效應，熱釋電材料隨著溫度變化其極化狀態(tài)會發(fā)生變化，導致電荷分布變化，從而產(chǎn)生電信號的變化。

這里先解釋一下熱釋電材料。在32種點群晶體中，有21種點群不具備中心對稱，其中20種具備壓電性，被稱為壓電體。20種壓電體中有10種點群具有唯一的單向極軸，存在自發(fā)極化，其自發(fā)極化會隨著溫度變化，即具有熱釋電性，被稱為熱釋電體。在熱釋電體中，有一部分點群對應晶體不但在其溫度范圍內具有自發(fā)極化，還可以通過外電場重新定向，即具有鐵電性。

熱釋電材料的自發(fā)極化強度隨著溫度變化關系的曲線如下圖所示，隨著溫度升高，極化強度降低，當溫度到達居里溫度時，極化消失。

與其他熱電探測器不同的是，熱釋電探測器只能探測變化的輻射信號。這是由于其原理是基于溫度變化時，自發(fā)極化強度改變而導致表面電荷改變，比如溫度升高，自發(fā)極化強度降低，表面電荷減少，相當于熱“釋放”了部分電荷，釋放的電荷導致電信號的輸出。但是如果持續(xù)的輻射作用，表面電荷將會重新達到平衡，也就不會有電荷釋放和信號輸出。

熱釋電探測器常和菲涅爾透鏡結合構成模組。菲尼爾透鏡是一種孔徑更大，其焦距更短的透鏡，因此可以傳遞更多的光。熱釋電紅外傳感器配合菲涅爾透鏡使用可以發(fā)揮最大作用。不加菲涅爾透鏡時，該傳感器的探測半徑可能不足2米，配上菲涅爾透鏡則可達10米，甚至更遠。菲涅爾透鏡是用普遍的聚乙烯制成的，安裝在傳感器的前面。一個典型的熱釋電傳感器模組和實物圖如下圖所示。

由于其對溫度變化敏感，熱釋電探測器常用于人體感應燈，智能家居，火焰檢測、人體移動檢測、氣體檢測等。

07 用于紅外探測的熱電探測器（序）

當熱信號是由于光輻射引起時，熱電探測器的直接輸入信號是光而不是熱，基該效應叫做光熱電效應。嚴格的說，光熱電屬于熱電效應的子類。光熱電效應的基本原理是：光照導致探測器探測區(qū)域的材料發(fā)生溫升，溫升導致器件某些物理性質變化，該物理性質的變化可以通過可檢測量（電流、電壓、電阻）體現(xiàn)出來。

與光子探測器（光伏型、光電導型）相比，光熱電探測器的主要特點是：

光譜響應幾乎與波長無關，而與接收到的光能量有關。

響應速度慢

無需制冷，可室溫工作

成本低廉

光熱電探測器按照原理可以分為熱釋電探測器，熱電堆探測器，微測輻射熱計探測器。

上面介紹熱電探測器的時候介紹到過這三類探測器，其各具特點，在紅外探測領域，其性能和特征對比如下。其中微測輻射熱計可以實現(xiàn)更小尺寸，更高集成度，因此在高分辨率非制冷紅外探測面陣中應用較廣。熱釋電基于動態(tài)溫差，主要用于動態(tài)檢測場景，比如紅外感應燈。

（To Be Continued ：由于熱電探測范圍廣，內容多熱釋電、測輻射熱計部分和紅外探測相關的熱電探測器本次介紹較少，下次再專題總結一下）

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