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(jié)構(gòu)、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(nèi)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(lǐng)域應(yīng)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(lǐng)域的應(yīng)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(yīng)用會在下次再進(jìn)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(shù)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(jié)構(gòu)

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(fù)

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(zhuǎn)換為熱能，然后將熱能轉(zhuǎn)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(hù)等場景。熱電偶基于賽貝克效應(yīng)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(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(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，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(kuò)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(yīng)：當(dāng)電流流過兩種不同導(dǎo)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(yīng)：是指當(dāng)電流流過導(dǎo)體時，如果導(dǎo)體存在溫差，則會產(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(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。

PTC熱敏電阻

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。若溫度超過材料的居里點，則電阻率可以在幾十度的溫度范圍內(nèi)增大3~10個數(shù)量級。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)來自于其晶界勢壘和居里溫度下的鐵電補償效應(yīng)，而不來自材料本身，單晶材料往往沒有體現(xiàn)出PTC效應(yīng)。?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(jìn)行解釋。

NTC熱敏電阻

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渡金屬氧化物組成，常見的材料包括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，一般可以用價鍵交換導(dǎo)電理論解釋。對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(yīng)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(yīng)用

熱敏電阻因其靈敏度、響應(yīng)速度快、體積小、價格低廉等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)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(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。

過流保護(hù): ?NTC 熱敏電阻常用于電路保護(hù)，當(dāng)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(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: ?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(guān)系，通過負(fù)反饋機(jī)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(jī)時的浪涌電流

基于半導(dǎo)體陶瓷的熱敏電阻用于光輻射探測的一個設(shè)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(yīng)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(dǎo)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(shè)計，因此在紅外探測領(lǐng)域應(yīng)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(shù)的非制冷紅外焦平面探測器，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。

微測輻射熱計具有靈敏度高、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，近年來發(fā)展迅速，在紅外成像、溫度測量、氣體分析等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)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(jī)。

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(shù)的總和都要大，是非制冷紅外探測器的主導(dǎo)技術(shù)。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(yīng)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(jī)載荷等領(lǐng)域。

一款基于達(dá)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(nèi)非制冷紅外焦平面探測器（微測輻射熱計）技術(shù)進(jìn)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(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，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(dǎo)體的材料性質(zhì)以及結(jié)點溫度有關(guān)，組成閉合回路的A,B兩個導(dǎo)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(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、實驗儀器等需要高精度測溫的領(lǐng)域。熱敏電阻的穩(wěn)定性較差且易受自發(fā)熱效應(yīng)、時間、濕度等因素的影響。

熱電偶適用于測量寬范圍內(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(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(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的特性。當(dāng)電流流過RTD時，RTD會產(chǎn)生自發(fā)熱效應(yīng)，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(yīng)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(dāng)于把熱電偶串聯(lián)堆疊起來，即構(gòu)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(yīng)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(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)械式的熱電堆探測器被提出，并被用于紅外探測中。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)在主要通過薄膜來實現(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，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)。從隔熱效果上說懸臂膜更具優(yōu)勢，但是其具有加工工藝復(fù)雜，成品率低，結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定等問題。

熱電堆探測器在在額溫槍、耳溫槍、智能家電、燈具開關(guān)、食品溫度檢測等領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。其應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)，熱釋電材料隨著溫度變化其極化狀態(tài)會發(fā)生變化，導(dǎo)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(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(guān)系的曲線如下圖所示，隨著溫度升高，極化強度降低，當(dāng)溫度到達(dá)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(dǎo)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(dāng)于熱“釋放”了部分電荷，釋放的電荷導(dǎo)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(dá)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(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，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(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(yīng)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(dāng)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(yīng)叫做光熱電效應(yīng)。嚴(yán)格的說，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)致探測器探測區(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(dǎo)型）相比，光熱電探測器的主要特點是：

光譜響應(yīng)幾乎與波長無關(guān)，而與接收到的光能量有關(guān)。

響應(yīng)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(lǐng)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(yīng)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(yīng)燈。

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

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