2.6 測輻射熱計及其使用

凡吸收入射輻射后引起溫升而使電阻改變，導致負載電阻兩端電壓的變化，并給出電信號的器件叫做測輻射熱計或熱敏電阻。

2.6.1 測輻射熱計概述

測輻射熱計（Bolometer）是利用某些熱敏材料的電阻率隨溫度發生變化的特性而制成的電阻性元件，因而也稱為熱敏電阻。一般，測輻射熱計按熱敏材料的不同可分為兩類：一是金屬（如鎳、鉍、鉑）型，其電阻溫度系數多為正的，且絕對值比半導體的小，但電阻與溫度的關系基本上是線性的，并且耐高溫的能力較強，因而多用于溫度的模擬測量；二是半導體（如錳、鈷等的氧化物混合燒結而成）型，其電阻溫度系數多為負的，且絕對值比金屬的大10多倍，但電阻與溫度的關系是非線性的，并且耐高溫的能力較差，因而多用于輻射的探測，如用于溫度自動補償、防盜報警、防火系統、熱輻射體的搜索和跟蹤等。實際上，測輻射熱計除有正溫度系數（PTC）與負溫度系數（NTC）外，還有一種臨界溫度系數（CTC）的，這種除個別特殊用途外，很少見到。常見的是NTC型熱敏電阻。

半導體材料和金屬（白金）的溫度特性曲線，如圖2-53所示。白金的電阻溫度系數為正值，大約為±0.37%；而半導體材料，常常用金屬氧化物如銅的氧化物、錳-鎳-鈷的氧化物，它們是粉末狀的，用黏合劑黏合后，涂敷在瓷管或玻璃上烘干即成半導體材料，電阻溫度系數為負值，為-3%～-6%，約為白金的10倍以上，所以熱敏電阻探測器常用半導體材料，而很少用金屬。通常，在熱敏元件表面用發黑材料進行表面黑化，以增強對輻射的吸收能力。熱敏電阻的典型結構及其外形如圖2-54（a）所示，圖2-54（b）為其電路符號。

輻射熱敏電阻裝入金屬殼內，通常把兩個性能相似的熱敏電阻一起裝入，一個是工作元件，接收輻射；另一個是環境溫度補償元件，這兩個元件有相同的導熱參數，為了保證相同的環境條件，兩個元件盡可能地靠近。否則補償效果就差些，補償元件不能接收輻射，通常用硅橡膠灌封把它掩蓋起來。

熱敏電阻同光敏電阻十分相似，為了提高輸出信噪比，必須減小其長度。但為了不使接收輻射的能力下降，有時也用浸沒技術，以提高探測度。

熱敏電阻一般做成二端器件，其典型結構如圖2-54（a）所示。熱敏電阻也有構成三端或四端的，二端和三端器件為直熱式，即直接由電路中獲得功率。根據不同的要求，可以把熱敏電阻做成不同的形狀結構，圖2-55為幾種常用的熱敏電阻的外形圖。

2.6.2 測輻射熱計的特點及參數選擇

1. 測輻射熱計的特點

相對于一般的金屬電阻，熱敏電阻的特點是：①電阻的溫度系數大，靈敏度高，熱敏電阻的溫度系數一般為金屬電阻的10～100倍。②結構簡單，體積小，可以測量近似幾何點的溫度。③電阻率高，熱慣性小，適宜做動態測量。④像電阻一樣，使用方便。⑤常用的半導體熱敏電阻的阻值與溫度的變化成非線性。⑥穩定性和互換性較差。

2. 測輻射熱計的參數選擇

由以上分析可知，要使熱敏電阻的電壓靈敏度大，則電流I、電阻溫度系數β、熱敏電阻RT、吸收系數α都要大，而熱導G、熱輻射的交變頻率ω和熱容CF都要小。但是，這些參量常常彼此相互制約，只能在實際應用中折中地選取，而不能隨意增減，選取這些參數值的大小通常考慮如下幾點：①由于要求放大器的輸入阻抗要遠大于 RT，這就限制了 RT不能任意地大。另外，假如RT很大，那它和引線的雜散分布電容等參數和放大器輸入電容等所構成的電路時間常數就有可能大于熱時間常數。這將使器件的頻率特性變壞，甚至難以工作。②熱敏電阻的溫度系數αT取決于材料。對于大多數金屬，αT≈1/T。對于大多數半導體，在某有限溫度區間內，αT≈3000/T2。所以，可通過致冷提高αT。③為了提高吸收系數α，常常要使熱探測器靈敏面表面黑化，以保證在可見光區的充分吸收。④為了減小熱導G，可使接收元件裝在一個真空的外殼里。但G小會使熱時間常數τT（=CF/G）變大，使得器件的頻率特性變壞。有時為了提高頻率特性，需要把熱敏電阻粘在一塊熱導率很大的襯底上，以取得小的時間常數。⑤電流I不能很大，因I若較大，產生的熱能會使元件的溫度提高，如果αT是負值，還可能因為RT變小而產生破壞性的熱擊穿。另外，電流I大了，噪聲也要隨之增大。限制熱敏電阻最小可探測功率的主要因素，是與元件電阻有關的約翰遜噪聲（熱噪聲）和與輻射吸收、發射有關的溫度噪聲。在室溫情況下，熱敏電阻的噪聲等效功率可達10-6～10-9W·Hz-1/2，在致冷到液氦溫度（3K）時，可達到10-13～10-14W·Hz-1/2。

2.6.3 測輻射熱計的應用電路及使用要點

1. 測輻射熱計的應用

由前文可知，測輻射熱計是通過探測入射輻射，使其電阻值變化，從而檢測輸出電壓信號的變化，據此測量溫度的。并且，它測溫的響應率較高，因此廣泛用于測量溫度、恒溫控制與紅外探測等。

目前，主要發展硅基微測輻射熱計焦平面陣列器件，如240×360像素雙層微測輻射熱計陣列，其比探測率D*已提高到109 cmHz1/2/W，并用于凝視型紅外成像系統。

2. 測輻射熱計的應用電路

在實際應用中，測輻射熱計通常接成橋式電路或以補償元件為負載再接放大器，如圖2-56所示。在圖中，RT1為接收元件，RT2為補償元件，R1=R2為普通電阻，R3為普通電阻或放大器電路；Ubb為加在測輻射熱計兩端的偏置電壓。在圖2-56（a）中，當沒有光輻射時， RT1=RT2，使電橋保持平衡；有光輻射時，接收元件RT1的電阻值改變，而補償元件RT2的電阻值不變，因而電橋不平衡，O1點的電位發生變化，檢測該點的電位，即可探知光輻射的情況。

在圖2-56（b）中，當有光輻射時，接收元件RT1的電阻值改變，而補償元件RT2的電阻值不變，因而負載RT2兩端的電壓發生變化。檢測該電壓信號，即可探知光輻射的情況。

3. 測輻射熱計的使用要點

測輻射熱計的響應靈敏度也很高，一般不需要致冷，如對靈敏面采取致冷措施后，靈敏度會進一步提高；它的機械強度也較差，容易破碎，使用時要小心；與它接近的放大器要有很高的輸入阻抗；流過它的偏置電流不能大，以免電流產生的熱能影響靈敏面的溫度等。

2.6.4 幾種新型的測輻射熱計

1. 超導測輻射熱計

所謂超導測輻射熱計，是利用某些金屬或半導體，從正常態變為超導態時，電阻發生巨大變化這一特性來工作的。超導材料多為鈮、鉭、鉛或錫的氮化物，它們在15～20K 時，即變為超導體。“超導轉變”發生在十分之幾或百分之幾度的溫度范圍，其轉變期內的溫度僅為幾分之一開氏溫度，因而其電阻-溫度曲線非常陡峭。如氮化鈮，可供利用的轉變溫度的范圍為1～15K。

超導測輻射熱計是用一個超導體材料制成薄片、細絲或薄膜，裝在置于杜瓦瓶內的散熱片上。當受到輻射時，加熱使溫度增加，從而引起電阻改變，并通過橋式電路檢測出來。但要保持轉變期溫度不變，所需的致冷量很大，控制復雜，因此這種探測器目前還難以在實驗室外使用。

由于超導測輻射熱計在轉變點工作的穩定性非常重要，因而工作溫度必須精確控制。并且，低溫工作也有噪聲低、熱容量小的優越性。與光電探測器件在某些光譜區對比，超導測輻射熱計將在50 μm～1mm的光譜范圍內有很大用途。

2. 碳測輻射熱計

所謂碳測輻射熱計，測輻射的靈敏元件主要是用的碳。實際上，碳測輻射熱計的靈敏元件是從碳質電阻上切下來的一小塊，一般是厚48 μm，面積為19mm2的薄片，裝在一個雙層杜瓦瓶內。即使液態空氣瓶包著液態氦氣瓶，在氦中用真空泵抽空，將溫度降到氦的正常沸點。在杜瓦瓶的底部，有三個透紅外的窗口，它們依次為最外層的室溫下的石英片、液態空氣中的石蠟和在液氦中的石英。用它們作為濾光片，以濾去小于40 μm的波長。

碳測輻射熱計的響應率很高，約為104V/W，響應時間為10ms，比探測率D*為4.25×1010 cm·Hz1/2/W。當它致冷到2.1K時，其比探測率D*要比一般熱敏電阻測輻射熱計高一個數量級。目前，它已用于極遠的紅外波段的分光考察。

3. 鍺測輻射熱計

所謂鍺測輻射熱計，測輻射的靈敏元件主要是用的鍺。實際上，鍺測輻射熱計的靈敏元件是鍺摻鎵單晶。當它致冷到2.1K 時，其比探測率 D*比一般熱敏電阻測輻射熱計高1～2個數量級，并且它的光譜響應寬，可延伸到1000 μm以外。

4. 微機電系統（MEMS）測輻射熱計

為了盡可能地增加器件的熱絕緣性，減小熱導以提高器件的靈敏度，采用MEMS技術，制成了一種懸浮微橋結構的微測輻射熱計。它用兩臂支撐的微橋實現熱絕緣，Si、N 作為支撐薄膜，微橋下方的硅襯底被掏空，微橋橋面上制作多晶鍺硅Poly-Si0.7Geo.3，薄膜電阻作熱敏探測源。為了提高對紅外的吸收，表面有SiO/SiN復合膜作紅外吸收層。

此外，一種完全與IC技術兼容的MEMS工藝制成的新型微測輻射熱計，是通過硅的各向異性腐蝕，把CMOS結構的N阱掏空而形成的懸吊結構（利用TMAH溶液的電化學技術）。當像素單元為74 μm×74 μm時，這種新型微測輻射熱計的直流響應率達到9250V/W，比探測率可達2×109cm·Hz1/2/W。由于這種方法在完成CMOS結構后，不再需要任何光刻或紅外敏感材料的沉積，使得探測器的成本大大降低，幾乎可以做到與 CMOS 芯片的成本等價，因而具有非常大的發展前途。目前，微測輻射熱計陣列大小已達640×480，像素尺寸25 μm×25 μm，性能已達到非致冷型光子探測器的水平。