2.5 熱電偶與熱電堆及其使用

熱電探測(cè)器件是將輻射能轉(zhuǎn)換為熱能，然后再把熱能轉(zhuǎn)換為電能的器件。它是一種無(wú)選擇性探測(cè)器，最大優(yōu)點(diǎn)是可在室溫下工作。

2.5.1 熱電偶

熱電偶是一種熱敏元件，在光譜、光度儀器以及器件測(cè)試定標(biāo)等方面應(yīng)用較普遍，在最新式的紅外光譜儀上也多用這種探測(cè)器進(jìn)行校準(zhǔn)。它在接收入射輻射以后引起溫度升高，隨之產(chǎn)生一種溫差電動(dòng)勢(shì)，因而使用時(shí)不需加外電源。

熱電偶的工作是基于溫差熱電效應(yīng)，即塞貝克熱電效應(yīng)（Seebeck Effect）。溫差電位差ΔU的大小和正負(fù)與材料的性質(zhì)有關(guān)，通常由鉍和銻所組成的一對(duì)金屬有最大的溫差電位差，約為100 μV/℃。通常用來(lái)接觸測(cè)量溫度，稱做測(cè)溫?zé)犭娕肌＠缬摄K（Pt）銠（Rh）合金組成的測(cè)溫?zé)犭娕迹錅y(cè)量范圍為-200℃～1000℃，測(cè)量準(zhǔn)確度可高達(dá)1/1000℃。

目前，輻射熱電偶大多采用半導(dǎo)體材料來(lái)組成。半導(dǎo)體材料具有較高的溫差電位差，可高達(dá)500 μV/℃。半導(dǎo)體熱電偶的結(jié)構(gòu)如圖2-49所示。將P型和N型兩種半導(dǎo)體材料用涂黑金箔連在一起，用以增加對(duì)輻射的吸收能力。在入射輻射的作用下，由于熱端溫度升高，半導(dǎo)體材料的載流子密度也增加，平均動(dòng)能也增大。這必然會(huì)引起熱端載流子向冷端擴(kuò)散，擴(kuò)散的結(jié)果使 N 型材料熱端帶正電，冷端帶負(fù)電；P 型材料則相反，在冷端產(chǎn)生與入射輻射有關(guān)的開(kāi)路電壓Uoc，它與溫升ΔT的關(guān)系為

式中，M12為塞貝克常數(shù)，又稱為溫差電勢(shì)率（V/℃）。

熱電偶在恒定入射輻射作用下，外接負(fù)載電阻為RL，則負(fù)載電阻RL上所產(chǎn)生的壓降為

式中，Ф0為入射輻射的功率（W）；α 為吸收系數(shù)；Ri為熱電偶電阻；M12為溫差電勢(shì)率（V/℃）；G為總的熱導(dǎo)（W/m·℃）。

如果入射輻射為交流輻射信號(hào)Ф=Ф0ejωt，則產(chǎn)生的交流信號(hào)電壓為

式中，ω=2πf，f為交流輻射調(diào)制頻率，τT為器件的時(shí)間常數(shù)，τT=RQCQ= CQ /G，其中RQ、CQ、G分別為器件的熱阻、熱容和熱導(dǎo)。熱導(dǎo)G與材料性質(zhì)和周圍環(huán)境有關(guān)，為了使熱導(dǎo)穩(wěn)定，常常抽成真空，所以熱電偶通常稱為真空熱電偶。但需要指出的是，雖然真空封裝的響應(yīng)度為非真空封裝的2倍以上，但真空封裝后與外界的熱交換變差，因而時(shí)間常數(shù)將會(huì)增大。

直流輻射的靈敏度為

交流輻射的靈敏度為

由式（2-30）和式（2-31）可見(jiàn)，要提高熱電偶的靈敏度（響應(yīng)率），除選用塞貝克系數(shù)M12大的材料外，增加對(duì)輻射的吸收率α，減小內(nèi)阻 Ri，減小熱導(dǎo) G 都是有效的。對(duì)交流靈敏度或響應(yīng)率的提高來(lái)說(shuō)，降低工作頻率，減少時(shí)間常數(shù)τT也是十分明顯的。但需要指出的是，熱電偶的靈敏度或響應(yīng)率同時(shí)間常數(shù)是一對(duì)矛盾，應(yīng)用時(shí)只能兼顧。

熱電偶的響應(yīng)時(shí)間比較長(zhǎng)，約為幾毫秒到幾十毫秒，因而它通常只能用于探測(cè)直流狀態(tài)或低頻狀態(tài)的輻射，一般不超過(guò)幾十赫。但有資料顯示，在BeO襯底上制作的Bi-Ag結(jié)結(jié)構(gòu)的熱電偶，測(cè)得響應(yīng)時(shí)間為10-7 s，而且可望達(dá)到10-9 s。

熱電偶的最小可探測(cè)功率NEP決定于噪聲，它的噪聲主要是熱噪聲和溫度起伏噪聲，而電流噪聲很小，也無(wú)暗電流，因?yàn)樗患悠珘骸ＭǔＧ闆r下，半導(dǎo)體熱電偶的最小可探測(cè)功率約為10-11 W。

2.5.2 熱電堆

為了減小熱電偶的響應(yīng)時(shí)間，提高靈敏度或響應(yīng)率，常把輻射接收面分為若干塊，每塊接上一個(gè)熱電偶，并把這些熱電偶串接起來(lái)，這樣就形成了熱電堆，如圖2-50所示。它在鍍金的銅基體上，蒸鍍一層絕緣層，再在絕緣層上蒸發(fā)工作結(jié)和參考結(jié)。參考結(jié)和銅基體之間電絕緣，但保持熱接觸，工作結(jié)和銅基體之間，既保持電絕緣又保持熱絕緣。把熱電材料敷在絕緣層上，將這種結(jié)構(gòu)的一些熱電偶串接起來(lái)或并接起來(lái)，即構(gòu)成為熱電堆。目前，熱電堆的商品指標(biāo)為

D*=5×108，τ=10ms。

通常，熱電堆的靈敏度為

式中，n為熱電堆中熱電偶的對(duì)數(shù)（或PN結(jié)的個(gè)數(shù)）；S為熱電偶的靈敏度。

熱電堆的響應(yīng)時(shí)間常數(shù)為

式中，Cth為熱電堆的熱容量，Rth為熱電堆的熱阻抗。

由式（2-32）和式（2-33）可以看出，要想使熱電堆高速化和提高靈敏度兩者并存，就要在不改變 Rth的情況下減小熱容量 Cth。熱阻抗 Rth由導(dǎo)熱通路長(zhǎng)度、熱電堆數(shù)目及膜片的剖面面積比決定。因而，要想使這種熱電傳感器實(shí)現(xiàn)高性能化，就要減小熱電堆的多晶硅間隔，減小構(gòu)成膜片的材料厚度，以便減小熱容量。

早先的紅外熱電堆探測(cè)器是利用掩膜真空鍍膜的方法，將熱電偶材料沉積到塑料或陶瓷襯底上獲得的，但器件的尺寸較大，且不易批量生產(chǎn)。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，發(fā)展了微機(jī)械紅外熱電堆探測(cè)器。金屬熱電偶的加工與IC集成工藝并不兼容，其吸收系數(shù)α的值總比硅熱電偶要小得多，現(xiàn)已基本上退出了微機(jī)械紅外熱電堆探測(cè)器的領(lǐng)域。雖然與化合物半導(dǎo)體相比，硅的M12較小，但是它的制造工藝與IC工藝的兼容性要好得多，可以進(jìn)行批量生產(chǎn)。因此，硅基的微機(jī)械紅外熱電堆探測(cè)器獲得了較大的發(fā)展。

微機(jī)械熱電堆探測(cè)器由熱電堆結(jié)構(gòu)、支撐膜及紅外吸收層組成。為實(shí)現(xiàn)有效的熱傳導(dǎo)，需要設(shè)計(jì)一定的隔熱結(jié)構(gòu)。微機(jī)械紅外熱電堆芯片的基本結(jié)構(gòu)如圖2-51所示，它利用薄膜熱導(dǎo)率較小的特點(diǎn)，采用封閉膜與懸臂膜兩種支撐膜隔熱的設(shè)計(jì)。在支撐膜上生長(zhǎng)紅外吸收層，可以大幅度、寬光譜地吸收紅外輻射，提高熱結(jié)區(qū)的溫度，改善熱電堆的性能。

為建立熱結(jié)區(qū)與冷結(jié)區(qū)的有效熱傳導(dǎo)，需要構(gòu)建一定的隔熱結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在主要通過(guò)薄膜來(lái)實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用的薄膜結(jié)構(gòu)有兩類：即圖2-51（a）所示的封閉膜結(jié)構(gòu)和圖2-51（b）所示的懸臂膜結(jié)構(gòu)，其中封閉膜是熱電堆的支撐膜為整層的復(fù)合介質(zhì)膜，一般為氮化硅與氧化硅的復(fù)合膜；懸臂膜則是指周圍為氣體介質(zhì)所包圍，一端固定，一端懸空的膜結(jié)構(gòu)，其中的膜亦為復(fù)合介質(zhì)膜。熱電堆、熱結(jié)區(qū)及紅外吸收區(qū)都在膜上。

從隔熱效果來(lái)說(shuō)，圖2-51（b）所示的懸臂膜結(jié)構(gòu)更具優(yōu)勢(shì)，因?yàn)檫@種膜結(jié)構(gòu)的周圍是導(dǎo)熱性能很差的氣體介質(zhì)（如空氣），因此熱耗散小、熱阻高、隔熱效果好，同時(shí)吸收的熱可沿著膜的方向，也就是熱電偶對(duì)的方向進(jìn)行有效傳導(dǎo)，故熱電轉(zhuǎn)換效率較高，靈敏度高；對(duì)圖2-51（a）所示的封閉膜結(jié)構(gòu)而言，吸收紅外輻射后，熱可以沿著介質(zhì)支撐傳播，并不完全沿著熱電偶對(duì)傳播，故熱耗散較大，熱電轉(zhuǎn)換效率低，靈敏度低。但是，從工藝制造過(guò)程及成品率角度來(lái)說(shuō)，封閉膜結(jié)構(gòu)又更具有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)檫@種膜結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。由于膜與基體處處相連，因此，所受應(yīng)力影響小，在制造過(guò)程中，膜本身不易破裂，成品率高，易制造；而懸臂膜與基體間只通過(guò)固定端相連，另一端懸空，因此所受應(yīng)力的影響顯著，制造過(guò)程中膜容易發(fā)生翹曲或破裂，成品率較低，不易制造。

圖2-52為一個(gè)典型的微機(jī)械熱電堆紅外傳感器，它包括一個(gè)基座和熱電堆。基座內(nèi)有一個(gè)薄膜區(qū)和一個(gè)圍在薄膜區(qū)外面的厚壁區(qū)，熱電堆則由許多個(gè)串聯(lián)的熱電偶組成。因此，冷結(jié)位于厚壁區(qū)上，而熱結(jié)則位于薄膜區(qū)上。由于熱敏區(qū)與厚壁區(qū)是相接觸的，因而它可用高精度的參考溫度來(lái)確定基于熱電偶輸出的溫度。此元件可以用來(lái)制作測(cè)量精度高、成本低、結(jié)構(gòu)緊湊的測(cè)溫元件。

與一般的紅外探測(cè)器件相比，微機(jī)械紅外熱電堆的優(yōu)點(diǎn)為：①具有較高的靈敏度；②有寬松的工作環(huán)境與非常寬的頻譜響應(yīng)；③與標(biāo)準(zhǔn)IC工藝兼容，成本低廉且適合批量生產(chǎn)。

2.5.3 熱電偶與熱電堆的應(yīng)用及使用要點(diǎn)

1. 熱電偶與熱電堆的應(yīng)用

熱電偶與熱電堆是一種熱敏元件，主要用于測(cè)溫、測(cè)輻射、高（低）溫空間探測(cè)、激光測(cè)量等；尤其在光譜、光度儀器以及器件測(cè)試定標(biāo)等方面的應(yīng)用較為普遍，在最新式的紅外光譜儀上也多用這種探測(cè)器進(jìn)行校準(zhǔn)。

新發(fā)展起來(lái)的更加實(shí)用的微機(jī)械紅外熱電堆探測(cè)器應(yīng)用更廣，目前在耳式體溫計(jì)、放射體溫計(jì)、電烤爐、食品溫度檢測(cè)等領(lǐng)域中已作為熱源發(fā)電（如工業(yè)余熱、地?zé)帷⑻?yáng)能發(fā)電等）的一個(gè)嶄新分支。隨著半導(dǎo)體熱電材料技術(shù)的飛速發(fā)展，半導(dǎo)體熱電發(fā)電技術(shù)以其體積小、重量輕、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、運(yùn)行壽命長(zhǎng)、可靠性高，以及無(wú)污染等諸多優(yōu)點(diǎn)，在軍事、醫(yī)療、科研、通信、航海、動(dòng)力，以及工業(yè)生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

顯然，在很寬的波段范圍內(nèi)，在所有的波長(zhǎng)上均具有相同靈敏度的各種溫差的熱電堆探測(cè)器，可用來(lái)進(jìn)行可見(jiàn)光和紅外輻射的測(cè)量。

值得提出的是，美國(guó)發(fā)明的一種用于預(yù)防犯罪行為的熱電堆遠(yuǎn)紅外探測(cè)儀，可以用來(lái)探測(cè)進(jìn)入監(jiān)視區(qū)的入侵者，其特點(diǎn)是無(wú)論監(jiān)視區(qū)的溫度有什么變化，或者入侵者以多快的速度進(jìn)入監(jiān)視區(qū)，它都能發(fā)現(xiàn)入侵者。這種紅外探測(cè)儀利用三個(gè)或更多個(gè)熱電堆來(lái)探測(cè)進(jìn)入監(jiān)視區(qū)的入侵者。它首先獲得一對(duì)熱電堆的輸出差值，然后將不同對(duì)的熱電堆的輸出差值進(jìn)行比較，通過(guò)這種比較便可發(fā)現(xiàn)入侵者。

2. 熱電偶與熱電堆的使用要點(diǎn)

熱電偶與熱電堆的使用要點(diǎn)如下：①熱電偶與熱電堆同光電倍增管一樣，不能受強(qiáng)輻射照射，它允許的最大輻射通量為幾十微瓦，所以通常都用來(lái)測(cè)量微瓦以下的輻射通量。②測(cè)量輻射時(shí)，應(yīng)對(duì)所測(cè)的輻射強(qiáng)度范圍有所估計(jì)，不要因電流過(guò)大而燒毀熱端的黑化金箔。因?yàn)榱鬟^(guò)熱電偶的電流一般在1 μA以下，決不能超過(guò)100 μA，所以千萬(wàn)不能用萬(wàn)用表來(lái)檢查熱電偶的好壞，否則萬(wàn)用表中電流就會(huì)燒毀金箔，而使熱電偶損壞。③由半導(dǎo)體材料制成的溫差熱電堆，靈敏度很高，但機(jī)械強(qiáng)度較差，使用時(shí)必須十分小心，避免強(qiáng)烈震動(dòng)。④熱電偶內(nèi)阻為幾十歐，信號(hào)放大時(shí)需接變壓器。⑤熱電偶與熱電堆在保存時(shí)，輸出端不能短路，要防止電磁感應(yīng)。⑥使用時(shí)，防止感應(yīng)電流，尤其是電火花。⑦使用時(shí)的環(huán)境溫度不應(yīng)超過(guò)60℃。