芯耀
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前面的淺談光電探測(cè)器和圖像傳感器系列介紹了圖像傳感器的分類，常見(jiàn)光電探測(cè)器的原理、材料和器件結(jié)構(gòu)、微光探測(cè)圖像傳感器、偏振探測(cè)圖像傳感器、X射線圖像傳感器、量子點(diǎn)圖像傳感器、新型圖像傳感器等內(nèi)容。
今天這一部分主要是熱電探測(cè)器的基本介紹。熱電探測(cè)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(cè)領(lǐng)域應(yīng)用較少，主要用于溫度測(cè)量場(chǎng)景。熱電堆,熱釋電,微測(cè)輻射熱計(jì)（屬于熱敏電阻大類）在紅外探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用更多。這篇文章主要是對(duì)熱電探測(cè)器的概述，熱電探測(cè)器在紅外探測(cè)部分的應(yīng)用會(huì)在下次再進(jìn)行專題介紹。
往期回顧如下：
淺談光電探測(cè)器和圖像傳感器（十）:光譜探測(cè)器與片上光譜儀（1）
淺談光電探測(cè)器和圖像傳感器（九）:量子點(diǎn)圖像傳感器（1）
淺談光電探測(cè)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(cè)器和圖像傳感器（七）：X射線探測(cè)器（1）
淺談光電探測(cè)器和圖像傳感器（六）:從成像技術(shù)角度新型探測(cè)器之偏振探測(cè)
淺談光電探測(cè)器和圖像傳感器（五）-原理、材料、器件結(jié)構(gòu)
淺談圖像傳感器和光電探測(cè)器(三)-微光探測(cè)上
01 熱探測(cè)器概述
熱電傳感器件是將入射到器件上的輻射能轉(zhuǎn)換為熱能，然后將熱能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出的器件。
熱電探測(cè)器主要可以分為熱敏電阻，熱電偶，測(cè)輻射熱電堆，熱釋電探測(cè)器。熱敏電阻基于材料溫度系數(shù)實(shí)現(xiàn)溫度傳感，常用于溫度測(cè)量，電路保護(hù)等場(chǎng)景。熱電偶基于賽貝克效應(yīng)實(shí)現(xiàn)溫度探測(cè)，主要用于溫度測(cè)量，溫度控制等場(chǎng)景。熱電堆也是基于賽貝克效應(yīng)，但是其相當(dāng)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(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)溫差的探測(cè)。此外還有常用于紅外探測(cè)的微測(cè)輻射熱計(jì)，其原理也是基于熱敏電阻。
熱電效應(yīng)的基本原理:熱電效應(yīng)是一種由溫差產(chǎn)生電壓的直接轉(zhuǎn)換，反之亦然。熱電效應(yīng)的三大原理為賽貝克效應(yīng)，帕爾貼效應(yīng)，湯姆遜效應(yīng)。賽貝克效應(yīng)和帕爾貼效應(yīng)是正好相反的兩個(gè)效應(yīng)，賽貝克效應(yīng)可以概述為"溫差生電"，帕爾貼效應(yīng)可以概述為“加電制冷"。
賽貝克效應(yīng)：當(dāng)兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體（通常為金屬）連接在一起并形成閉合回路時(shí)，如果兩端存在溫差，則高溫端的自由電荷載流子會(huì)向低溫端擴(kuò)散，從而形成一個(gè)電流方向與溫差方向相反的熱電動(dòng)勢(shì)。
帕爾貼效應(yīng)：當(dāng)電流流過(guò)兩種不同導(dǎo)體的界面時(shí)，將從外界吸收熱量，或向外界放出熱量。
湯姆遜效應(yīng)：是指當(dāng)電流流過(guò)導(dǎo)體時(shí)，如果導(dǎo)體存在溫差，則會(huì)產(chǎn)生電熱效應(yīng)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(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)光/熱信號(hào)的探測(cè)。
凡是吸收入射輻射后引起溫度變化而導(dǎo)致負(fù)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(yīng)用最為廣泛的是基于半導(dǎo)體陶瓷材料的熱敏電阻。
它們通常由半導(dǎo)體或陶瓷材料制成，并具有很高的靈敏度，能夠檢測(cè)細(xì)微的溫度變化。熱敏電阻有兩種主要類型：
負(fù)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。
其中大部分半導(dǎo)體陶瓷材料一般具有負(fù)溫度系數(shù)，且測(cè)溫范圍更廣，因此基于NTC的熱敏電阻應(yīng)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(jié)構(gòu)，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(guò)材料的居里點(diǎn)，則電阻率可以在幾十度的溫度范圍內(nèi)增大3~10個(gè)數(shù)量級(jí)。相關(guān)研究表明，以BaTiO3系為代表的多晶半導(dǎo)體陶瓷材料，其PTC效應(yīng)來(lái)自于其晶界勢(shì)壘和居里溫度下的鐵電補(bǔ)償效應(yīng)，而不來(lái)自材料本身，單晶材料往往沒(méi)有體現(xiàn)出PTC效應(yīng)。?海望和焦克提出表面勢(shì)壘模型，丹尼爾斯提出鋇空位模型分別對(duì)BaTiO3中的PTC進(jìn)行解釋。
具有正溫度系數(shù)的NTC熱敏半導(dǎo)體材料通常是用一種或者幾種過(guò)渡金屬氧化物組成，常見(jiàn)的材料包括NiO，CoO,MnO等。NTC熱敏半導(dǎo)瓷大多是尖晶石結(jié)構(gòu)或其他結(jié)構(gòu)的氧化物陶瓷，源于MgAl2O4這種礦石，其通式是AB2O4。NTC熱敏半導(dǎo)體陶瓷通常以MnO為主材料，同時(shí)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(jié)構(gòu)、
對(duì)于尖晶石結(jié)構(gòu)的NTC熱敏半導(dǎo)體陶瓷的導(dǎo)電機(jī)理，一般可以用價(jià)鍵交換導(dǎo)電理論解釋。對(duì)于全反尖晶石和半反尖晶石結(jié)構(gòu)的氧化物半導(dǎo)體，其具有可變價(jià)的陽(yáng)離子同時(shí)存在，且同時(shí)處于B位，其離子間距小，通過(guò)隧道效應(yīng)可以發(fā)生電子交換，在電場(chǎng)作用下，這些電子交換引起載流子沿著電場(chǎng)方向產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)。
熱敏電阻的應(yīng)用
熱敏電阻因其靈敏度、響應(yīng)速度快、體積小、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，包括：
溫度測(cè)量: ?熱敏電阻是最常用的溫度傳感器之一，用于測(cè)量各種設(shè)備和環(huán)境中的溫度，例如空調(diào)、冰箱、汽車、醫(yī)療器械等。
過(guò)流保護(hù): ?NTC 熱敏電阻常用于電路保護(hù)，當(dāng)電流過(guò)大時(shí)，熱敏電阻的電阻值會(huì)迅速降低，從而限制電流，保護(hù)電路免受損壞。
自加熱: ?PTC 熱敏電阻可用于自加熱應(yīng)用，例如電熱毯、咖啡機(jī)、恒溫器等。
紅外檢測(cè): ?熱敏電阻可用于紅外檢測(cè)，例如PIR 運(yùn)動(dòng)傳感器、夜視儀等。
溫度補(bǔ)償：熱敏電阻的溫度補(bǔ)償原理是利用熱敏電阻的電阻值與溫度之間的關(guān)系，通過(guò)負(fù)反饋機(jī)制抵消溫度變化對(duì)電路性能的影響。
抑制浪涌：在電源電路中串接一個(gè)功率型NTC熱敏電阻，能有效的抑制開機(jī)時(shí)的浪涌電流
基于半導(dǎo)體陶瓷的熱敏電阻用于光輻射探測(cè)的一個(gè)設(shè)計(jì)如下圖所示，通過(guò)橋式電路連接兩個(gè)性能相同的熱敏電阻，其中一個(gè)外加光屏蔽作為參考電阻，另外一個(gè)電阻接受輻射作為探測(cè)電阻，兩個(gè)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(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)高信噪比的信號(hào)輸出，響應(yīng)時(shí)間在幾十毫秒量級(jí)。
03 微測(cè)輻射熱計(jì)
與熱敏電阻類似原理，測(cè)輻射熱計(jì)bolometer也是通過(guò)材料的電阻變化實(shí)現(xiàn)熱電探測(cè)的。有別于上述熱敏電阻，測(cè)輻射熱計(jì)基于半導(dǎo)體材料和工藝，性能上可以實(shí)現(xiàn)高靈敏探測(cè)，形態(tài)上可以實(shí)現(xiàn)集成化設(shè)計(jì)，因此在紅外探測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用更為廣泛，尤其是微測(cè)輻射熱計(jì)。
微測(cè)輻射熱計(jì)（Microbolometer，MB）是一種基于MEMS技術(shù)的非制冷紅外焦平面探測(cè)器，其基于半導(dǎo)體和MEMS工藝，并能夠與CMOS讀出電路(readout integrated circuit, ROIC)單片集成。結(jié)構(gòu)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(cè)輻射熱計(jì)具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、光譜范圍寬、噪聲水平低、尺寸小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)發(fā)展迅速，在紅外成像、溫度測(cè)量、氣體分析等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
由于微測(cè)輻射惹急其具有尺寸小的特點(diǎn)，其容易實(shí)現(xiàn)高分辨率陣列小像素（1xum量級(jí)及其以下）的紅外探測(cè)面陣，防疫篩查用的熱像儀就是基于微測(cè)輻射熱計(jì)像素的紅外相機(jī)。
據(jù)報(bào)道，微測(cè)輻射熱計(jì)探測(cè)器的產(chǎn)量比所有其他紅外陣列技術(shù)的總和都要大，是非制冷紅外探測(cè)器的主導(dǎo)技術(shù)。目前，商用測(cè)輻射熱計(jì)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(dòng)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(cè)材料。
微測(cè)輻射熱計(jì)的應(yīng)用場(chǎng)景包括：紅外成像、人體態(tài)勢(shì)感知、大面積溫度測(cè)量、夜視儀、無(wú)人機(jī)載荷等領(lǐng)域。
一款基于達(dá)1280 x 1024的12μm像素微測(cè)輻射熱計(jì)非制冷長(zhǎng)波紅外熱像儀，圖片來(lái)源：https://www.spark-opt.com.cn/product-item-163.html
國(guó)內(nèi)非制冷紅外焦平面探測(cè)器（微測(cè)輻射熱計(jì)）技術(shù)進(jìn)展，圖片來(lái)源：龔曉光, 王英, 等. 微測(cè)輻射熱計(jì)型非制冷紅外焦平面探測(cè)器技術(shù)新進(jìn)展[J]. 光學(xué)儀器, 2023, 47(1): 013101.
04 熱電偶
熱電偶工作原理
熱電偶在溫度測(cè)量中應(yīng)用極為廣泛，其基本工作原理是賽貝克效應(yīng)。當(dāng)兩種不同材質(zhì)的金屬導(dǎo)體A,B連接在一起形成閉合回路時(shí)，如果兩端存在溫差，則會(huì)在回路中產(chǎn)生電勢(shì)，從而形成電流，這一電勢(shì)稱為熱電勢(shì)。
熱電勢(shì)的大小與兩種導(dǎo)體的材料性質(zhì)以及結(jié)點(diǎn)溫度有關(guān)，組成閉合回路的A,B兩個(gè)導(dǎo)體稱為熱電極，一個(gè)端口為工作端或者說(shuō)熱端，另一個(gè)端口為參考端，工作時(shí)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(diǎn)和使用環(huán)境如下表所示。
?熱電偶和熱敏電阻對(duì)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(diǎn)。
熱敏電阻適用于測(cè)量窄范圍內(nèi)的溫度，具有較高的精度和響應(yīng)速度，因此常用于精品電器、醫(yī)療設(shè)備、實(shí)驗(yàn)儀器等需要高精度測(cè)溫的領(lǐng)域。熱敏電阻的穩(wěn)定性較差且易受自發(fā)熱效應(yīng)、時(shí)間、濕度等因素的影響。
熱電偶適用于測(cè)量寬范圍內(nèi)的溫度，具有較好的穩(wěn)定性，但精度和響應(yīng)速度相對(duì)較低。因此常用于冶金、機(jī)械、化工等工業(yè)領(lǐng)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(yīng)用，比如溫度補(bǔ)償、限流限壓等。而熱電偶主要用于溫度測(cè)量，溫度檢測(cè)，溫度傳感等領(lǐng)域。
除了熱敏電阻和熱電偶以外，還有一種基于導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的特性進(jìn)行溫度測(cè)量的傳感器，叫做RTD（Resistance Temperature Detector）,電阻溫度探測(cè)器。RTD的工作原理是基于導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的特性。當(dāng)電流流過(guò)RTD時(shí)，RTD會(huì)產(chǎn)生自發(fā)熱效應(yīng)，其電阻值會(huì)發(fā)生變化,該探測(cè)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(yīng)時(shí)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(gè)熱電偶，相當(dāng)于把熱電偶串聯(lián)堆疊起來(lái)，即構(gòu)成了熱電堆。由于熱電堆由多個(gè)熱電偶串聯(lián)而成，每個(gè)熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)會(huì)疊加，因此靈敏度更高，會(huì)形成更大的輸出電壓信號(hào)。
一個(gè)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(shí)際應(yīng)用中基于上圖所示的熱電堆探測(cè)器會(huì)有一些問(wèn)題，比如襯底帶來(lái)的熱耗散。不期望的熱耗散會(huì)導(dǎo)致器件熱電轉(zhuǎn)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(jī)械式的熱電堆探測(cè)器被提出，并被用于紅外探測(cè)中。為了建立熱結(jié)區(qū)額冷結(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)，常用的介質(zhì)薄膜材料包括氮化硅和氧化硅。薄膜具有熱導(dǎo)率小的特點(diǎn)，可以降低熱耗散，常用的薄膜有封閉膜和懸臂膜兩種結(jié)構(gòu)。從隔熱效果上說(shuō)懸臂膜更具優(yōu)勢(shì)，但是其具有加工工藝復(fù)雜，成品率低，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定等問(wèn)題。
熱電堆探測(cè)器在在額溫槍、耳溫槍、智能家電、燈具開關(guān)、食品溫度檢測(cè)等領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。其應(yīng)用場(chǎng)景包括：火警報(bào)警、?夜視儀、紅外成像、溫度測(cè)量、智能家電、人體存在感知、氣體分析等。
在溫度測(cè)量應(yīng)用方面，熱電堆傳感器一般是非接觸式測(cè)量，比如額溫槍，而熱敏電阻一般是在接觸式測(cè)量的應(yīng)用場(chǎng)景中。
06 熱釋電探測(cè)器
熱釋電探測(cè)器的工作原理基于熱釋電效應(yīng)，熱釋電材料隨著溫度變化其極化狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致電荷分布變化，從而產(chǎn)生電信號(hào)的變化。
這里先解釋一下熱釋電材料。在32種點(diǎn)群晶體中，有21種點(diǎn)群不具備中心對(duì)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(diǎn)群具有唯一的單向極軸，存在自發(fā)極化，其自發(fā)極化會(huì)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(diǎn)群對(duì)應(yīng)晶體不但在其溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化，還可以通過(guò)外電場(chǎng)重新定向，即具有鐵電性。
熱釋電材料的自發(fā)極化強(qiáng)度隨著溫度變化關(guān)系的曲線如下圖所示，隨著溫度升高，極化強(qiáng)度降低，當(dāng)溫度到達(dá)居里溫度時(shí)，極化消失。
與其他熱電探測(cè)器不同的是，熱釋電探測(cè)器只能探測(cè)變化的輻射信號(hào)。這是由于其原理是基于溫度變化時(shí)，自發(fā)極化強(qiáng)度改變而導(dǎo)致表面電荷改變，比如溫度升高，自發(fā)極化強(qiáng)度降低，表面電荷減少，相當(dāng)于熱“釋放”了部分電荷，釋放的電荷導(dǎo)致電信號(hào)的輸出。但是如果持續(xù)的輻射作用，表面電荷將會(huì)重新達(dá)到平衡，也就不會(huì)有電荷釋放和信號(hào)輸出。
熱釋電探測(cè)器常和菲涅爾透鏡結(jié)合構(gòu)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(shí)，該傳感器的探測(cè)半徑可能不足2米，配上菲涅爾透鏡則可達(dá)10米，甚至更遠(yuǎn)。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(gè)典型的熱釋電傳感器模組和實(shí)物圖如下圖所示。
由于其對(duì)溫度變化敏感，熱釋電探測(cè)器常用于人體感應(yīng)燈，智能家居，火焰檢測(cè)、人體移動(dòng)檢測(cè)、氣體檢測(cè)等。
07 用于紅外探測(cè)的熱電探測(cè)器（序）
當(dāng)熱信號(hào)是由于光輻射引起時(shí)，熱電探測(cè)器的直接輸入信號(hào)是光而不是熱，基該效應(yīng)叫做光熱電效應(yīng)。嚴(yán)格的說(shuō)，光熱電屬于熱電效應(yīng)的子類。光熱電效應(yīng)的基本原理是：光照導(dǎo)致探測(cè)器探測(cè)區(qū)域的材料發(fā)生溫升，溫升導(dǎo)致器件某些物理性質(zhì)變化，該物理性質(zhì)的變化可以通過(guò)可檢測(cè)量（電流、電壓、電阻）體現(xiàn)出來(lái)。
與光子探測(cè)器（光伏型、光電導(dǎo)型）相比，光熱電探測(cè)器的主要特點(diǎn)是：
光譜響應(yīng)幾乎與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，而與接收到的光能量有關(guān)。
響應(yīng)速度慢
無(wú)需制冷，可室溫工作
成本低廉
光熱電探測(cè)器按照原理可以分為熱釋電探測(cè)器，熱電堆探測(cè)器，微測(cè)輻射熱計(jì)探測(cè)器。
上面介紹熱電探測(cè)器的時(shí)候介紹到過(guò)這三類探測(cè)器，其各具特點(diǎn)，在紅外探測(cè)領(lǐng)域，其性能和特征對(duì)比如下。其中微測(cè)輻射熱計(jì)可以實(shí)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(cè)面陣中應(yīng)用較廣。熱釋電基于動(dòng)態(tài)溫差，主要用于動(dòng)態(tài)檢測(cè)場(chǎng)景，比如紅外感應(yīng)燈。
（To Be Continued ：由于熱電探測(cè)范圍廣，內(nèi)容多熱釋電、測(cè)輻射熱計(jì)部分和紅外探測(cè)相關(guān)的熱電探測(cè)器本次介紹較少，下次再專題總結(jié)一下）
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