浅谈光电探测器和图像传感器(十一):热电探测器(1)

热电传感器件是将入射到器件上的辐射能转换为热能,然后将热能转换为电信号输出的器件。

帕尔贴效应:当电流流过两种不同导体的界面时,将从外界吸收热量,或向外界放出热量。

热敏电阻是一种热电探测器,其主要工作原理是利用材料的电阻值随着温度的变化而发生变化实现对光/热信号的探测。

它们通常由半导体或陶瓷材料制成,并具有很高的灵敏度,能够检测细微的温度变化。热敏电阻有两种主要类型:

负温度系数(NTC)热敏电阻的电阻值随着温度的升高而降低。

正温度系数(PTC)热敏电阻的电阻值随着温度的升高而升高。

热敏电阻因其灵敏度、响应速度快、体积小、价格低廉等优点,被广泛应用于各种领域,包括:

自加热:PTC热敏电阻可用于自加热应用,例如电热毯、咖啡机、恒温器等。

红外检测:热敏电阻可用于红外检测,例如PIR运动传感器、夜视仪等。

温度补偿:热敏电阻的温度补偿原理是利用热敏电阻的电阻值与温度之间的关系,通过负反馈机制抵消温度变化对电路性能的影响。

与热敏电阻类似原理,测辐射热计bolometer也是通过材料的电阻变化实现热电探测的。有别于上述热敏电阻,测辐射热计基于半导体材料和工艺,性能上可以实现高灵敏探测,形态上可以实现集成化设计,因此在红外探测领域应用更为广泛,尤其是微测辐射热计。

微测辐射热计具有灵敏度高、响应速度快、光谱范围宽、噪声水平低、尺寸小、重量轻等优点,近年来发展迅速,在红外成像、温度测量、气体分析等领域得到了广泛应用。

由于微测辐射惹急其具有尺寸小的特点,其容易实现高分辨率阵列小像素(1xum量级及其以下)的红外探测面阵,防疫筛查用的热像仪就是基于微测辐射热计像素的红外相机。

热电偶工作原理

热电偶在温度测量中应用极为广泛,其基本工作原理是赛贝克效应。当两种不同材质的金属导体A,B连接在一起形成闭合回路时,如果两端存在温差,则会在回路中产生电势,从而形成电流,这一电势称为热电势。

热电势的大小与两种导体的材料性质以及结点温度有关,组成闭合回路的A,B两个导体称为热电极,一个端口为工作端或者说热端,另一个端口为参考端,工作时参考端置于某一恒定温度。

热电偶主要分类

根据热电偶所使用的金属材料,可以将其分为以下几类:铂铑系热电偶、铬镍系热电偶、由铜-康铜热电偶、镍铬-镍硅热电偶、钨铼-钨镍热电偶,其主要特点和使用环境如下表所示。

热电偶和热敏电阻对比

热敏电阻和热电偶都是常用的温度传感器,其各有优缺点。

热电偶适用于测量宽范围内的温度,具有较好的稳定性,但精度和响应速度相对较低。因此常用于冶金、机械、化工等工业领域。

热敏电阻由于其元件化、小体积特性,其在电子电路中有一定的应用,比如温度补偿、限流限压等。而热电偶主要用于温度测量,温度检测,温度传感等领域。

除了热敏电阻和热电偶以外,还有一种基于导体的电阻值随温度变化而变化的特性进行温度测量的传感器,叫做RTD(ResistanceTemperatureDetector),电阻温度探测器。RTD的工作原理是基于导体的电阻值随温度变化而变化的特性。当电流流过RTD时,RTD会产生自发热效应,其电阻值会发生变化,该探测器具有比热敏电阻更高的温度精度。

一个典型的热电堆如图所示,其在金属衬底上制作一层绝缘层,在绝缘层上沉积热电材料并制作器件。

在实际应用中基于上图所示的热电堆探测器会有一些问题,比如衬底带来的热耗散。不期望的热耗散会导致器件热电转换效率低,灵敏度低,随着微电子工艺的发展,尤其是MEMS工艺的出现,微机械式的热电堆探测器被提出,并被用于红外探测中。为了建立热结区额冷结区的有效热传导,需要构建一定的隔热结构,现在主要通过薄膜来实现,常用的介质薄膜材料包括氮化硅和氧化硅。薄膜具有热导率小的特点,可以降低热耗散,常用的薄膜有封闭膜和悬臂膜两种结构。从隔热效果上说悬臂膜更具优势,但是其具有加工工艺复杂,成品率低,结构不稳定等问题。

在温度测量应用方面,热电堆传感器一般是非接触式测量,比如额温枪,而热敏电阻一般是在接触式测量的应用场景中。

这里先解释一下热释电材料。在32种点群晶体中,有21种点群不具备中心对称,其中20种具备压电性,被称为压电体。20种压电体中有10种点群具有唯一的单向极轴,存在自发极化,其自发极化会随着温度变化,即具有热释电性,被称为热释电体。在热释电体中,有一部分点群对应晶体不但在其温度范围内具有自发极化,还可以通过外电场重新定向,即具有铁电性。

热释电材料的自发极化强度随着温度变化关系的曲线如下图所示,随着温度升高,极化强度降低,当温度到达居里温度时,极化消失。

与其他热电探测器不同的是,热释电探测器只能探测变化的辐射信号。这是由于其原理是基于温度变化时,自发极化强度改变而导致表面电荷改变,比如温度升高,自发极化强度降低,表面电荷减少,相当于热“释放”了部分电荷,释放的电荷导致电信号的输出。但是如果持续的辐射作用,表面电荷将会重新达到平衡,也就不会有电荷释放和信号输出。

07用于红外探测的热电探测器(序)

当热信号是由于光辐射引起时,热电探测器的直接输入信号是光而不是热,基该效应叫做光热电效应。严格的说,光热电属于热电效应的子类。光热电效应的基本原理是:光照导致探测器探测区域的材料发生温升,温升导致器件某些物理性质变化,该物理性质的变化可以通过可检测量(电流、电压、电阻)体现出来。

光谱响应几乎与波长无关,而与接收到的光能量有关。

响应速度慢

无需制冷,可室温工作

成本低廉

光热电探测器按照原理可以分为热释电探测器,热电堆探测器,微测辐射热计探测器。

上面介绍热电探测器的时候介绍到过这三类探测器,其各具特点,在红外探测领域,其性能和特征对比如下。其中微测辐射热计可以实现更小尺寸,更高集成度,因此在高分辨率非制冷红外探测面阵中应用较广。热释电基于动态温差,主要用于动态检测场景,比如红外感应灯。

参考资料:

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