热电探测器件是将辐射能转换为热能，然后再把热能转换为电能的器件，它是一种无选择性探测器，最大优点是可在室温下工作。
热电偶与热电堆
1.热电偶
热电偶是一种热敏元件，在光谱、光度仪器，以及器件测试定标等方面应用较普遍，在最新式的红外光谱仪上也多用这种探测器进行校准。它在接收入射辐射以后引起温度升高，随之产生一种温差电势，因而使用时不需加外电源。
目前，辐射热电偶大多采用半导体材料来组成。半导体材料具有较高的温差电位差，高的可达500μV/C。半导体热电偶的结构如图3-49所示。
将P和N型两种半导体材料用涂黑金箔连在一起，用以增加对辐射的吸收能力。在入射辐射的作用下，由于热端温度升高，半导体材料的载流子密度也增加，平均动能也增大。这必然引起热端载流子向冷端扩散，扩散的结果，N型材料热端带正电，冷端带负电；P型材料则相反。在冷端产生与入射辐射有关的开路电压U°c,它与温升△T的关系为
式中，M12为塞贝克(Seebeck)常数，又称为温差电势率(V/°C)。
热电偶在恒定入射辐射作用下，外接负载电阻为RL,则负载电阻RL上所产生的压降为
式中，Φ0为入射辐射的功率(W)；a为吸收系数：R1为热电偶电阻；M12为温差电势率(V/°C)；
G为总的热导[W/(m°C)]。
如果入射辐射为交流辐射信号
，则产生的交流信号电压为
，则产生的交流信号电压为
式中，w=2πf,f为交流辐射调制频率：tr为器件的时间常数，tr=RQCQ=CQ/G,其中RQ、CQ、G分别为器件的热阻、热容和热导。热导G与材料性质和周围环境有关，为了使热导稳定，常常抽成真空，所以热电偶通常称真空热电偶。但需指出的是，虽然真空封装的响应度为非真空封装的2倍以上，但真空封装后与外界的热交换变差，因而时间常数将会增大。
直流辐射的灵敏度为
交流辐射的灵敏度为
由式(3-57)和式(3-58)可见，要提高热电偶的灵敏度(响应率)，除选用塞贝克系数M12大的材料外，增加对辐射的吸收率a,减小内阻Ri,减小热导G都是有效的。对交流灵敏度或响应率的提高来说，降低工作频率，减少时间常数rr也是十分明显的。但需要指出的是，热电偶的灵敏度或响应率，同时间常数是一对矛盾，应用时只能兼顾。
热电偶的响应时间比较长，为几毫秒到几十毫秒，因而它通常只能用于探测直流状态或低频状态的辐射，一般不超过几十赫兹。但有资料报导，在BeO衬底上制作的Bi-Ag结结构的热电偶，测得响应时间为107s,而且可望达到109s。
热电偶的最小可探测功率决定于噪声，它主要是热噪声和温度起伏噪声，而电流噪声很小,也无暗电流，因为它不加偏压。一般，半导体热电偶的最小可探测功率约为10"W。
2.热电堆
为了减小热电偶的响应时间，提高灵敏度或响应率，常把辐射接收面分为若干块，每块接上一个热电偶，并把这些热电偶串接起来，这样就形成了热电堆，如图3-50所示。它在镀金的铜基体上，蒸镀一层绝缘层，再在绝缘层上蒸发工作结和参考结。参考结和铜基体之间电绝缘,但保持热接触，工作结和铜基体之间，既保持电绝缘又保持热绝缘。把热电材料敷在绝缘层上,将这种结构的一些热电偶串接起来或并接起来，即构成为热电堆。目前，热电堆的商品指标为D*=5x108,t=10ms.
图3-50热电堆
一般，热电堆的灵敏度为
St=nS (3-59)
式中，n为热电堆中热电偶的对数(或PN结的个数)；S为热电偶的灵敏度。
热电堆的响应时间常数为
式中，Gth为热电堆的热容量，Rth为热电堆的热阻抗。
由式(3-59)和式(3-60)可以看出，要想使热电堆高速化和提高灵敏度两者并存，就要在不改变Rth的情况下减小热容量Cth。热阻抗Rth由导热通路长度、热电堆数目及膜片的剖面面积比决定。因而，要想使这种热电传感器实现高性能化，就要减小热电堆的多晶硅间隔，减小构成膜片的材料厚度，以便减小热容量。
早先的红外热电堆探测器是利用掩膜真空镀膜的方法，将热电偶材料沉积到塑料或陶瓷衬底上获得的，但器件的尺寸较大，且不易批量生产。随着微电子技术的发展，发展了微机械红外热电堆探测器，目前已有硅基的微机械红外热电堆探测器。
微机械热电堆探测器由热电堆结构、支撑膜及红外吸收层组成。为实现有效的热传导，需要设计一定的隔热结构。微机械红外热电堆芯片的基本结构如图3-51所示，它利用薄膜热导率较小的特点，釆用封闭膜与悬臂膜两种支撑膜隔热的设计。在支撑膜上生长红外吸收层，可以大幅度、宽光谱地吸收红外辐射，提高热结区的温度，改善热电堆的性能。
为建立热结区与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。应用的薄膜结构有两类，即图3-51(a)所示的封闭膜结构和图3-51(b)所示的悬臂膜结构。其中封闭膜是热电堆的支撑膜为整层的复合介质膜，一般为氮化硅与氧化硅的复合膜。悬臂膜则是指周围为气体介质所包围，一端固定，一端悬空的膜结构，其中的膜也为复合介质膜。热电堆、热结区及红外吸收区都在膜上。
图3-52所示为一个典型的微机械热电堆红外传感器，它包括一个基座和热电堆。基座内有一个薄膜区和一个围在薄膜区外面的厚壁区，热电堆则由许多个串联的热电偶组成。因此，冷结位于厚壁区上，而热结则位于薄膜区上。由于热敏区与厚壁区是相接触的，因而可用高精度的参考温度来确定基于热电偶输岀的温度。此元件可以用来制作测量精度高、成本低、结构紧凑的测温元件。
图3-51 微机械红外热电堆芯片的基本结构 图 3-52 热电堆红外传感器
与一般的红外探测器件相比，微机械红外热电堆探测器的优点是：
- 具有较高的灵敏度。
- 有宽松的工作环境与非常宽的频谱响应。
- 与标准IC工艺兼容，成本低廉且适合批量生产。
3.热电偶与热电堆的应用及使用要点
（1）热电偶与热电堆的应用。热电偶与热电堆是一种热敏元件，主要用于测温、测辐射，高、低温空间探测，激光测量等；尤其在光谱、光度仪器以及器件测试定标等方面的应用较普遍，在最新式的红外光谱仪上也多用这种探测器进行校准。
新发展起来的更加实用的微机械红外热电堆探测器应用更广，目前在耳式体温计、放射体温计、电烤炉、食品温度检测等领域中已作为热源发电（如工业余热、地热、太阳能发电等）的一个崭新分支。随着半导体热电材料技术的飞速发展，半导体热电发电技术以其体积小、质量轻、无运动部件、运行寿命长、可靠性高及无污染等诸多优点，在军事、医疗、科研、通信、航海、动力及工业生产等各个领域得到了广泛的应用。
显然，在很宽的波段范围内，在所有的波长上均具有相同灵敏度的各种温差的热电堆探测器，可用来进行可见光和红外辐射的测量。
值得提出的是，美国发明的热电堆远红外探测仪，可用来探测进入监视区的入侵者。它利用三个或更多个热电堆来探测进入监视区的入侵者。首先，获得一对热电堆的输出差值，然后将不同对的热电堆的输出差值进行比较，通过这种比较便可发现入侵者。
（2）使用要点。辐射热电偶与热电堆使用时要注意以下要点：
①同光电倍增管一样，不能受强辐射照射，它允许的最大辐射通量为几十μW,所以通常都用来测量μW以下的辐射通量。
②测量辐射时，应对所测的辐射强度范围有所估计，不要因电流过大而烧毁热端的黑化金箔。因为流过热电偶的电流一般在1μA以下，决不能超过100μA,所以千万不能用万用表来检查热电偶的好坏，否则万用表中电流就会烧毁金箔，而使热电偶损坏。
③由半导体材料制成的温差热电堆，灵敏度很高，但机械强度较差，使用时必须十分小心，避免强烈振动。
④热电偶内阻为几十欧姆，信号放大时需接变压器。
⑤热电偶与热电堆，在保存时，输岀端不能短路，要防止电磁感应。
⑥使用时，防止感应电流，尤其是电火花。
⑦使用时的环境温度，不应超过60°C.
热敏电阻
凡吸收入射辐射后引起温升而使电阻改变，导致负载电阻两端电压的变化，并给出电信号的器件叫作热敏电阻或测辐射热计。
1.热敏电阻的类型、结构及原理
热敏电阻是基于热阻效应，即利用某些热敏材料的电阻率随温度发生变化的特性而制成的电阻性元件。按热敏材料的不同可分两类：一是金属(如镣、锡、伯)型，其电阻温度系数多为正的，且绝对值比半导体的小，但电阻与温度的关系基本上是线性的，并且耐高温的能力较强，因而多用于温度的模拟测量；二是半导体(如镐、钻等的氧化物混合烧结而成)型，其电阻温度系数多为负的，且绝对值比金属的大十多倍，但电阻与温度的关系是非线性的，并且耐高温的能力较差，因而多用于辐射的探测，如用于温度自动补偿、防盗报警、防火系统、热辐射体的搜索和跟踪等。
热敏电阻的典型结构及其外形如图3-53(a)所示，图3-53(b)为其电路符号。辐射热敏电阻装入金属壳内，通常把二个性能相似的热敏电阻一起装入，一个是工作元件，接收辐射；另一个是环境温度补偿用元件，这两个元件有相同的导热参数，为了保证相同的环境条件，两个元件尽可能地靠近。否则补偿效果就差些，补偿元件不能接受辐射，通常用硅橡胶灌封把它掩盖起来。
图3-53 热敏电阻外形结构与电路符号图
热敏电阻同光敏电阻十分相似，为了提高输出信噪比，必须减小其长度。但为了不使接收辐射的能力下降，有时也用浸没技术，以提高探测度。
热敏电阻一般做成二端器件，其典型结构如图3-53(a)所示。热敏电阻也有构成三端或四端的，二端和三端器件为直热式，即直接由电路中获得功率。根据不同的要求，可以把热敏电阻做成不同的形状结构，图3-54所示为几种常用的热敏电阻的外形图。
图3-54几种热敏电阻的外形图
2,热敏电阻的特性参数
(1)电阻-温度特性。热敏电阻器的实际阻值RT与其自身温度有如下关系。
正温度系数的热敏电阻
负温度系数的热敏电阻
式中，RT为热力学温度T时的实际电阻值；Ro、R∞为与电阻的几何尺寸和材料物理特性有关的常数；A.B为材料常数。由式(3-61)和式(3-62)可分别求出正、负温度系数热敏电阻的温度系数ar。系数ar表示温度变化1°C时，热敏电阻器实际值的相对变化，即
式中，at和RT为对应于温度T(K)时的电阻温度系数和电阻值。
正温度系数热敏电阻的温度系数为
at=A (3-64)
负温度系数热敏电阻的温度系数为
由式(3-64)与式(3-65)可见，在工作温度范围内，正温度系数热敏电阻的at在数值上等于常数A;负温度系数热敏电阻的ar随温度T的变化有很大变化，并与材料常数B成正比。因此，通常在给岀电阻温度系数的同时，必须指出测量时的温度。
材料常数B是用来描述热敏电阻材料的物理特性的一个参数，又称为热灵敏指标。在工作温度范围内，B值并不是一个严格的常数，它随温度的升高而略有增大。一般，B值大的电阻率也高，对于负温度系数的热敏电阻器，B值可皆下式计算。
对于正温度系数的热敏电阻器，其刀值可按下式计算。
在式(3-66)与式(3-67)中，R1、R2分别为温度T1、T2时的电阻值。
(2)热敏电阻的阻值变化量。己知热敏电阻温度系数ar后，当热敏电阻接收入射辐射后温度变化△T,则阻值变化量△RT为
△RT=Rtat.△T (3-68)
式中，RT为温度『时的电阻值。式(3-68)只有在△T不大的条件下才能成立。
(3)热敏电阻的输出特性。热敏电阻的输出电路如图3-55所示。在图中，RT=R'T，T,RLI=RL2。若在热敏电阻上加上偏压仇之后，由于辐射的照射使热敏电阻阻值改变，因而负载电阻RL两端的电压发生变化的增量为
式(3-69)是在假定R1=Rt和△RT<<RT+RL1条件下得到的。
(4)冷阻和热阻。AT为热敏电阻在某个温度下的电阻值，常称为冷阻，如果功率为赫辐射入射于热敏电阻，若吸收系数为a.则热敏电阻的热阻RF定义为吸收单位功率所引起的温升，即
因此，式(3-69)可写成
若入射辐射为交流正弦信号
,则负载上输出的电压增量为
,则负载上输出的电压增量为
式中，TF=RFCF为热敏电阻的时间常数，而RF与CF分别为热敏电阻的热阻和热容。
由式(3-72)可见，随着辐照频率的增加，热敏电阻传递给负载的电压变化率(即增量)减小。热敏电阻的时间常数约为1〜I0μS。因此，热敏电阻使用频率的上限约为20〜200kHz。
(5)电压灵敏度(或响应率)。直流灵敏度的表达式为
交流灵敏度的表达式为
由式(3-73)与式(3-74)可见，要增加热敏电阻的响应率或灵敏度，需釆取的措施有
①增加偏压Ub,但会受热敏电阻的噪声以及不损坏元件的限制。
②把热敏电阻的灵敏接收面涂黑，以增加吸收率a。
③增加热阻RF,其办法是减少元件的接收面积及元件与外界对流所造成的热量损失。常将元件装入真空壳内，但随着热阻RF的增大，响应时间TF也增大。为了减小响应时间，通常把热敏电阻贴在具有髙热导的衬底上。
④选用ar大的材料，即选取B值大的材料。当然，还可使元件冷却工作，以提高ar值。
(6)最小可探测功率。最小可探测功率受其噪声的影响。若工作频率f>10Hz时，电流噪声可忽略不计；但环境温度起伏造成器件温度起伏变化所产生的噪声为
，如果将元件装入真空壳内，即可降低这种噪声。根据噪声情况，热敏电阻可探测的最小功率为10一8〜109W。
，如果将元件装入真空壳内，即可降低这种噪声。根据噪声情况，热敏电阻可探测的最小功率为10一8〜109W。3.热敏电阻的特点及参数选择
(1)热敏电阻的特点。
- 电阻的温度系数大，灵敏度高，热敏电阻的温度系数一般为金属电阻的10〜100倍；
- 结构简单，体积小，可以测量近似几何点的温度；
- 电阻率高，热惯性小，适宜做动态测量：
- 像电阻一样，使用方便；
- 常用的半导体热敏电阻的阻值与温度的变化成非线性；
- 稳定性和互换性较差。
(2)热敏电阻的参数选择。由特性参数分析可知，要使热敏电阻的电压灵敏度大，则电流 /、电阻温度系数小热敏电阻RT、吸收系数a都要大，而热导G、热辐射的交变频率湖热容G都要小。但是，这些参量常常彼此相互制约，只能在实际应用中折中地选取，而不能随意增减。选取这些参数值的大小通常考虑如下几点。
①由于要求放大器的输入阻抗要远大于RT，这就限制了RT不能任意的大。另外，假如RT很大，那它和引线的杂散分布电容等参数和放大器输入电容等所构成的电路时间常数就有可能大于热时间常数，这将使器件的频率特性变坏，甚至难以工作。
②热敏电阻的温度系数aT取决于材料。对于大多数金属，a1≈1/T,对于大多数半导体，在某有限温度区间内，at≈3000/t²,所以，通过制冷可提高at。
③为了提高吸收系数a,常常要使热探测器灵敏面表面黑化，以保证在可见光区的充分吸收。
④为了减小热导G,可使接收元件装在一个真空的外壳里。但G小会使热时间常数rr(=CF/G)变大，使得器件的频率特性变坏。有时为了提高频率特性，需要把热敏电阻粘在一块热导率很大的衬底上，以取得小的时间常数。
⑤电流/不能很大，因/若较大，产生的焦耳热会使元件的温度提高，如果at是负值，还可能因为RT变小而产生破坏性的热击穿。另外，电流/大了，噪声也要随之增大。限制热敏电阻最小可探测功率的主要因素，是与元件电阻有关的热噪声和与辐射吸收、发射有关的温度噪声。在室温情况下，热敏电阻的噪声等效功率可达106〜l09w.Hz"2,在制冷到液氮温度(3K)时，可达到1013~1014WHz1/2。
4.几种新型热敏电阻
(1)超导热敏电阻。所谓超导热敏电阻，是利用某些金属或半导体，从正常态变为超导态时，其电阻值发生巨大变化这一特性来工作的。超导材料多为锯、钮、铅或锡的氮化物，它们在15-20K时，即变为超导体。超导转变发生在十分之几度或百分之几度的温度范围，其转变期内的温度仅为几分之一开氏温度，因而其电阻-温度曲线非常陡峭。例如，氮化锯，可供利用的转变温度范围为1〜15K。超导热敏电阻用一个超导体材料制成薄片、细丝或薄膜，装在置于杜瓦瓶内的散热片上，当受到辐射时，加热使温度增加，从而引起电阻改变，并通过桥式电路检测出来。但要保持住转变期温度，所需的制冷量很大，控制复杂，因此这种探测器目前还难以在实验室外使用。由于超导热敏电阻在转变点工作的稳定性非常重要，因而工作温度必须精确控制，并且低温工作也有噪声低、热容量小的优越性。与光电探测器件在某些光谱区对比，超导热敏电阻将在50μm-lmm的光谱范围内有很大用途。
(2)碳热敏电阻。碳热敏电阻的灵敏元件是从碳质电阻上切下来的一小块，一般是厚48μm,面积为19mm2的薄片，装在一个双层杜瓦瓶内。即使液态空气瓶包着液态氮气瓶，在氮中用真空泵抽空，将温度降到氮的正常沸点。在杜瓦瓶的底部，有三个透红外的窗口，它们依次为最外层的室温下的石英片、液态空气中的石蜡和在液氮中的石英。用它们作为滤光片，以滤去小于40μm的波长。碳热敏电阻的响应率很高，约为104V/W,响应时间为10ms,比探测率D*为4.25x1010cmHz¹²/Wo当它制冷到2.1K时，其比探测率D*要比一般热敏电阻高一个数量级。目前，它己用于极远的红外波段的分光考察。
(3)错热敏电阻。所谓緒热敏电阻，其测辐射的灵敏元件主要是用的铐。实际上，信热敏电阻的灵敏元件是错掺镣单晶。当它制冷到2.1K时，比探测率D*比一般热敏电阻高1〜2个数量级，并且它的光谱响应宽，可延伸到1000μm以外。
(4)微机电系统(MEMS)热敏电阻。为了尽可能增加器件的热绝缘性，减小热导以提高器件的灵敏度，釆用MEMS技术，制成了一种悬浮微桥结构的微热敏电阻。它用两臂支撑的微桥实现热绝缘，Si、N作为支撑薄膜，微桥下方的硅衬底被掏空，微桥桥面上制作多晶铐硅Poly-SimGeg,薄膜电阻作热敏探测源。为提高对红外的吸收，表面有SiO/SiN复合膜作为红外吸收层。
此外，一种完全与IC技术兼容的MEMS工艺制成的新型微热敏电阻，是通过硅的各向异性腐蚀，把CMOS结构的n阱掏空而形成的悬吊结构(利用TMAH溶液的电化学技术)。当像素单元为74μmx74μm时，这种新型微热敏电阻的直流响应率达到9250VAV,比探测率可达2xl09cmHzI/2/Wo由于这种方法在完成CMOS结构后，不再需要任何光刻或红外敏感材料的沉积，使得探测器的成本大大降低，几乎可以做到与CMOS芯片的成本等价，因而具有非常大的发展前途。目前，微热敏电阻阵列大小已达640x480,像素尺寸25μmx25μm,性能已达到制冷型光子探测器的水平。
5.热敏电阻的应用及使用要点
(1)热敏电阻的应用。由上可知，热敏电阻是通过探测入射辐射，使其电阻值变化，从而检测输出电压信号的变化，据此可测量到温度。并且，它测温的响应率较高，因此广泛用于测量温度、恒温控制与红外探测等。
在实际应用中，热敏电阻通常接成桥式电路或以补偿元件为负载再接放大器，如图3-56所示，图中，Rt1为接收元件，RT2为补偿元件，R1=R2为普通电阻，R3为普通电阻或放大器电路:Ubb为加在热敏电阻两端的偏置电压。在图3-56(a)中，当没有光辐射时，RTI=RT2,使电桥保持平衡；有光辐射时，接收元件RTI的电阻值改变，而补偿元件RT2的电阻值不变，因而电桥不平衡，0点的电位发生变化，检测该点的电位，即可探知光辐射的情况。在图3-56(b)中，当有光辐射时，接收元件的电阻值改变，而补偿元件RT2的电阻值不变，因而负载RT2两端的电压发生变化。检测该电压信号，即可探知光辐射的情况。
图3-56热敏电阻的典型应用电路
目前，主要发展硅基微测辐射热计焦平面阵列器件，如240x360像素双层微测辐射热计阵列，其比探测率D*己提高到109cmHz1/2/W,并用于凝视型红外成像系统。
(2)热敏电阻的使用要点。
- 热敏电阻的响应灵敏度很高，一般不需要制冷，如对灵敏面采取制冷措施后，灵敏度会进一步提高。
- 热敏电阻的机械强度也较差，容易破碎，使用时要小心。
- 与热敏电阻接近的放大器要有很高的输入阻抗。
- 流过热敏电阻的偏置电流不能大，以免电流产生的焦耳热影响灵敏面的温度等。
热释电探测器件
与其他类型热探测器件相比，热释电探测器件具有很多优点。
(1)在速度方面，其工作频率可达几百千赫以上，接近兆赫兹，远远超过其他所有热电探测器件，一般的热电探测器件的时间常数典型值在1〜0.01s,而热释电探测器件的有效时间常数可低至104〜3x105s。
(2)热释电探测器件的探测率高，仅实验室的气动探测器的低频Q*比热释电探测器件稍高(约1.5倍)，但这一差距正在逐步缩小。
(3)热释电探测器件工作不需外加偏置电压，且有均匀的大面积的灵敏面。
(4)与热敏电阻相比，它受环境温度变化的影响较小。
(5)热释电探测器件的强度和可靠性比其他热电探测器件好，且制作较容易。
由于热释电探测器件具有上述特点，使它受到特别的重视，因而发展异常迅速，并获得广泛应用。
1.热释电探测器件的结构与原理
根据性能的不同要求，通常将热释电探测器件的电极结构做成如图3-57所示的面电极和边电极两种结构。在图3-57(a)所示的面电极结构中，电极置于热释电晶体材料的前、后表面上，其中一个电极位于辐射灵敏面内。这种电极结构的电极面积较大，电极间距离较短，因而极间电容较大，故不适宜于高速应用。此外，由于辐射要通过电极层才能到达晶体，所以电极对于待测的辐射波段必须透明。
在图3-57(b)所示的边电极结构中，电极所在的平面与辐射灵敏面互相垂直，电极间距离较大，因而电极面积较小，故其极间电容较小，适宜于高速应用。所以，在高速运用时宜釆用边电极结构的器件。
热释电探测器件的工作原理，如图3-58所示。用调制频率为f的红外辐射照射热释电晶体，就会使得晶体的温度、晶体的自发极化以及由此而引起的面束缚电荷均随频率，而发生变化。如果频率较低，即f<l/r(r为自由电荷起中和作用的平均时间)，热释电晶体的面束缚电荷将始终被体内自由电荷所中和，因此显不出变化来。但若f>l/r,体内自由电荷就来不及中和面束缚电荷的变化，结果就使晶体在垂直于Ps的两端面间出现开路交流电压。如果通过两端面的电极，连接上负载RL,就会有电流流过负载，从而在负载上有电压输出。总之，当有f>1/*勺调制辐射照射到晶体时，负载RL的两端就会产生交流信号电压，这就是热释电探测器件的工作原理。
若温度对时间的变化率为dTdt,Ps对时间的变化率为dPs/dt.它相当于外电路上流动的电流。设电极面积为A,则信号电压的大小为
式中，A为电极面积；dPs/dT实际上就是热释电系数P,当比较小时，dPs/dT可以看成常数。因此式（3-75）可表示为
式（3-76）说明，输出信号AU正比于温度的变化率，而不取决于晶体与入射辐射是否达到热平衡。显然，如果温度不变化（即入射辐射不变化），则无电信号输出。
图 3-57 热释电的电极结构 图3-58 热释电探测器工作原理
2.热释电探测器件的类型
由上述可知，对热释电晶体，要求因温度变化而产生的电压变化大，即希望有大的热释电系数尸。要热释电系数大，就要求R随温度变化大。图3-59为硫酸三甘钛（TGS）和钛酸根（BaTiCh）的RW关系曲线，对于TGS的情况，R是连续变化的，到居里点处为零，这是属于二级相变的情况。BaTiCh的R则是在居里温度处突然下降到零，这是属于一级相变的情况。曲线的斜率的绝对值就是热释电系数户。由图3-59可以看出，当工作温度比居里温度低很多时，P值虽大，但起伏太大，且晶体容易退极化。当温度离居里温度不太远时，户较大，同时比较恒定，即温度波动变化小。所以选择热释电晶体要找室温时P值足够大，同时居里点要比室温显著地高的材料。另外，若工作温度靠近居里点，则最好选用二级相变的材料，因为这时一级相变材料噪声大。
图3-59自发极化随温度变化的两种典型
现在已知的铁电材料达1000种以上，对其中10%的热释电性能进行了研究。但现在真正符合实用的材料不过10余种，其中最主要的有下列几种材料做成的热释电器件。
(1)单晶类热释电器件。
①硫酸三甘酞[(NH2CH2COOH)3H2SO4],简称TGS。最早制成，工艺成熟，但居里温度低(49°C),耐受激光的能力差，器件怕潮易碎，有退极化现象。因此，目前多不用纯TGS,而使用经掺杂、辐射等处理的改进材料。例如，对TGS进行重氢化处理，得到DTGS,居里温度达到56°C；如果对DTGS用硒(Se)或有机杂质氨基丙酸掺杂处理，居里温度可到62.3°C,并达到锁定极化的作用。此外，掺杂丙乙酸的TGS(LATGS)具有很好的锁定极化特点，温度由居里温度以上降到室温时，仍无退极化现象，其热释电系数也有所提高。掺杂后TGS晶体的介电损耗减小，降低了噪声，介电常数下降改进了高频特性。在低频时，这种器件的NEP=4xl011W/Hz1/2,D*=5xl09cm-Hz1/2-W它不仅灵敏度高，且响应速度也很快。
②铌酸锶钡(BavSri,vNb2O6),简称SBN。当钡含量x从0.25增加到0.52时，可使居里温度从47°C增加到115°C。这种材料有适于制作红外探测器的许多优点：它在大气条件下性能稳定，无须窗口材料保护，电导率δ低(即电阻率高)，热释电系数P大，机械强度好，容易制成薄片。并且，对10μm以上的红外波段吸收率很高，不必涂黑。由于在高达50MHz的频率下也没有发现明显的压电谐振，可方便用于快速探测，现有商品的时间常数低于3ns,更宜于低频、小面积工作。SBN的退极化很慢，配合场效应管前置放大器使用时，可以用晶体管的电源给探测器加偏置，以保持经常极化。缺点是晶体生长较困难，小于10μm的波段吸收率较小，必须涂黑；用在高频大面积情况不利。如果掺入1%的La2O2,可提高其热释电系数尸。掺杂SBN的热释电器件无退极化现象，其比探测率D*(500K,10Hz,IHz)达到SxlO^cm-Hz^/W,掺镧后，虽然居里温度有所降低，但极化仍很稳定，损耗也得到改善。
③钽酸锂(LiTaCh),简称LT。在室温下，热释电响应约为TGS的一半，但在低于零度或高于45°C时都比TGS好。器件的居里温度髙(Tc=620°C),在室温下其响应率几乎不随温度变化：可以工作在很高的环境温度下，能承受高能量入射辐射，且不退极化：机械强度高，物理化学性能稳定，不需保护窗口；响应速度快，其时间常数极限为1x1012s,仅受晶格振动频率限制，适于探测高速光脉冲，现已用于测量峰值功率为几个千瓦，上升时间为lOOps的Nd：YAG激光脉冲。比探测率D*(500K,30Hz,1Hz)可达8.5xl08cm-Hz1/2/W»也已经用于CO2激光脉冲的探测，是一种极有前途的探测激光脉冲的热释电探测器件。
④铌酸锂(LiNbCh)。有相当高的居里温度(Tc=1200°C)；其介电常数也很小，£=30〜40；电阻率相当高，p=9.8xl010Ω.cm。只是热释电系数略小，p=0.4〜0.7。对某些特殊应用，如环境温度很高的情况，它将是一种有前途的器件。例如，日本已经把LiNbCh热释电探测器件用在卫星红外地平仪上，属低频使用，其比探测率D*达108cm-Hz1/2ZWo实际上，这种材料最宜于用在高频、大能量输入的情况。
(2)陶瓷类热释电器件。
特点是热释电系数F与介电常数瀕较大，因而两者的比值并不高，并且机械强度大，物理化学性能稳定，电阻率可用掺杂来控制；其承受的辐射功率可超过LiTaCh热释电探测器件，居里温度高，不易退极化；容易制造，成本低。
①钛酸铅(PT)。其居里温度为470°C；介电常数sh200；热释电系数接近于6*106。从全部性能看，它优于SBN,较适宜于低频使用。重要的是它在室温下离居里温度很远，不会产生退极化现象，只要极化一次就行了，而且它是热压陶瓷，加工方便，宜于批量生产。现在D*(500K,20Hz,1Hz)=1.7xio9cmHz'/2ZW,从-20°C到+60°C性能不变。日本已用于科学卫星上，现在用这种材料已制成商品工业红外辐射计。
②锆钛酸铅(PZT)。其居里温度为365°C,用于激光探测时不易因功率过大而退极化，具有快响应、高探测率的特点。D*（500K,1kHz,1Hz）=7xl08cmHz1/2/W,使用50Ω分流电阻可得到纳秒响应时间，且容易制造，成本低等，能取得大面积的均匀灵敏面。
（3）薄膜类聚合物热释电器件。这类有机聚合物的特点是，热释电材料的导热小，介电常数也小；易于加工成任意形状的薄膜，富有弹性；物理化学性能稳定；易于制造，价格低廉。尽管它的热释电系数P不大，但介电常数ε也小，所以比值p/ε并不小。
在这种聚合物热释电材料中，性能比较好的有下列几种，如聚二氟乙烯（PVF2）、聚氟乙烯（PVF）、聚氟乙烯和聚四氟乙烯的共聚物等。目前，利用薄膜类有机聚合物热释电材料PVF2,已得到比探测率D"（500K,10Hz,1Hz）已达108cm-Hz1/2W
（4）快速热释电探测器件。由于热释电探测器件的输出阻抗高，需配以高阻抗负载，其时间常数较大，因而不适于探测快速变化的光辐射。当用于测量很窄的激光峰值功率和观测波形时，要求其响应时间要小于光脉冲的持续时间。为此，近年来发展了快速热释电探测器件。这种器件一般都设计成同轴结构，即将热敏元件置于阻抗为50Ω的同轴线的一端，采用面电极结构时，时间常数可达到Ins左右，釆用边电极结构时，时间常数可降至几个皮秒。如利用热敏元件SBN晶体薄片，釆用边电极结构，电极Au厚0.1μm,衬底选用导电良好的AL2O3或BEO陶瓷材料，输出用SMA/BNC高频接头，响应时间为13ps。其最低极限值受晶格振动弛豫时间限制，约为Ips。不釆用同轴结构而采用一般的引脚引线封装结构，频响带宽己展宽到数十兆赫。快速热释电器件一般用于探测大功率脉冲激光，因而应能承受大的辐射功率而不被损伤。所以，它是选用损伤阈值高的热释电材料和高热导衬底材料来制成的热释电器件。
3.热释电器件的特性参数
（1）电压灵敏度。按照光电器件灵敏度的定义，热释电器件的电压灵敏度Sv为热释电器件输出的电压的幅值∣U∣与入射光功率P1之比，即
式中，
为热释电器件的热时间常数；tc=RC为热释电器件的电路时间常数，其中R=Rd〃Rg,C=Cd+Cg,Rd与Cd为热释电器件的等效电阻和电容，傀与Cg为外接放大器的等效输入电阻和电容；a、ω、P、A即为前面所述的吸收系数、入射的调制频率、热释电系数、热敏面积。
为热释电器件的热时间常数；tc=RC为热释电器件的电路时间常数，其中R=Rd〃Rg,C=Cd+Cg,Rd与Cd为热释电器件的等效电阻和电容，傀与Cg为外接放大器的等效输入电阻和电容；a、ω、P、A即为前面所述的吸收系数、入射的调制频率、热释电系数、热敏面积。
由式（3-77）可以得出以下几点结论。
①当入射辐射为恒定辐射（即ω=0）时，Sv=0时，说明热释电器件对恒定辐射不灵敏。
②在低频段，ω<1/Te时，灵敏度Sv与ω成正比，这正是热释电器件交流灵敏的体现。
③但te≠tt时，通常tc＜tt在ω=1/tr〜1/te范围内，Sv为一个与也无关的常数。这只是在假定P、G、C、CQ和R等物理量均与频率无关的条件下才成立。从式（3-77）知，Sv与択成正比。一般，Rg,此时，Sv随&的减小而降低，因而在对带宽无特别要求的情况下，用应尽量取得大些（如10¹º〜10¹¹Ω）,以便得到高的灵敏度。另一方面，随着R的减小，响应的平坦区域却愈来愈宽，这说明，可通过改变放大器的输入电阻催来展宽工作频带。
④在高频段（ω>1/tr或1/te）时，5v则随ω变化。所以在许多应用中，式（3-77）可近似为该式表明，减小热释电器件的有效电容和热容有利于提高高频段的灵敏度。
（2）不同负载下的S-f特性。根据上述分析，我们可得出不同负载下的R-f特性。图3-60给出了不同负载电阻RL下灵敏度与频率的关系曲线。
图 3-60 不同负载电阻热释电器件灵敏度与工作频率的关系
由图3-60可见，增大RL可以提高灵敏度，但是频率响应的带宽变得很窄。如大的负载电阻Ru比小的负载电阻RL3的灵敏度高很多，但带宽却比负载电阻RL3的窄很多，因此，在具体应用时，必须考虑灵敏度与频率响应带宽的矛盾，根据具体应用要求与条件，来合理选用恰当的负载电阻。
（3）热释电器件的噪声。热释电器件的基本结构是一个电容器，其输出阻抗很高，所以它后面常接有场效应管，构成源极跟随器的形式，使输出阻抗降低到适当数值。因此，热释电器件的噪声主要有电阻的热噪声、温度噪声和放大器噪声三种。
值得指出的是，温度无规则起伏的噪声，是一种始终存在着的、不可避免的噪声源，而其他噪声源，还可以通过改进器件的材料、电子电路、制作工艺等来减小甚至消除。通常，当热辐射为主要的热交换方式时，则温度起伏噪声的表现形式为背景起伏噪声。对非制冷红外热电探测器，理想的情况下只受到温度起伏噪声的限制。假定除了温度起伏噪声外，其他所有的像素以及系统的噪声均忽略不计，且吸收比与波长无关，则温度起伏的均方值为
式中，k为波耳兹曼常量；T为系统的温度；H为系统的谐波均值。
如果忽略其他噪声，主要考虑温度噪声时，则噪声等效功率为
由式（3-80）可看出，热释电器件的NEP具有随着调制频率的增高而减小的性质。
（4）响应时间。热释电探测器件在低频段的电压灵敏度与调制频率成正比，在高频段则与调制频率成反比，仅在1/tr ~1/t范围内，Sv与ω无关。电压灵敏度高端半功率点取决于1/tr或1/te中较大的一个，因而按通常的响应时间定义,tt和te中较小的一个，即热释电探测器件的响应时间。通常，tt较大，而te与负载电阻大小有关，多在几秒到几个微秒之间。随着负载的减小，te变小，灵敏度也相应减小。
图3-61 带前置放大器的热释电器件
（5）热释电探测器的阻抗特性。热释电探测器件几乎是一种纯电容性器件，由于其电容量很小，所以热释电探测器件的阻抗很高，因此要求必须配以高阻抗的负载（热释电探测器件的负载阻抗通常在109Q以上）。由于空气潮湿，表面沾污等原因，普通电阻不易达到这样高的阻值。而结型场效应管（JFET）的输入阻抗高，噪声又小，所以常用JFET器件作为热释电探测器件的前置放大器。图3-61表示岀了一种常用的电路，用JFET构成一种源极跟随器，以进行阻抗变换。
4.热释电探测器对前置放大器的要求
由热释电探测器件的阻抗特性知道，为了提高灵敏度和信噪比，常把热释电探测器件同前置放大器做在一个管壳内。图3-62为热释电器件带有场效应管放大器组合件的结构图。由于热释电器件本身阻抗很高，达10¹º〜I0¹²Ω，因此要求具有高输入阻抗（Rg=10¹ºΩ以上）、低噪声、高跨导（gm>2000）的场效应管作为前置放大器，并且引线要尽可能短，最好将场效应管的栅极直接焊到器件的一只引脚上，并同时装入铜屏蔽壳内。
带有场效应管放大器的热释电器件的等效电路如图3-63所示。显然，其等效输出阻抗、电压和电流灵敏度等参数与工作频率等参数有关。对一定调制频率的光源，应选用窄带选频放大器，以降低噪声。低频使用时，应选用栅漏电流小的场效应管作前置放大；高频使用时，应选用电压噪声低的场效应管作前置放大。当热释电器件用于高频激光脉冲测量时。应接入低负载电阻RL（RL《Rg）。此时，探测器的响应时间常数为RL和C的乘积，即t=RLC。其中C=Cd+CL,Cd为器件电容，CL为场效应管的输入电容。
图3-62带场效应管放大器的热释电器件 图3-63热释电器件的等效电路
5.热释电探测器件的使用要点
热释电探测器件除具有一般热电探测器件的优点外，还具有机械强度、灵敏度、响应速度都很高的优点。根据它的工作原理，它只能测量变化的辐射，入射辐射脉冲宽度必须小于自发矢量的平均作用时间；辐射恒定时无输出；利用它来测量辐射体温度时，它的直接输岀是背景与热辐射体的温差，而不是热辐射体的实际温度，因此要确定热辐射体实际温度时，必须另设一个辅助探测器，先测岀背景温度，然后将背景温度与热辐射体的温差相加，即可得被测物的实际温度;此外，因各种热释电材料都存在一个居里温度，所以它只能在低于居里温度的范围内使用。
需特别指出的是，由于热释电晶体同时又是压电晶体，容易产生压电谐振，这就意味着在热释电效应上叠加了压电效应，而给出假信号，从而使得探测器件在高频下使用受到了限制，因此它对微震等应变十分敏感，所以在使用时必须注意减震防震。
热电探测器件在安防中的应用
1.用热释电探测器件作被动红外探测报警
任何高于绝对零度的物体都会释放红外线，温度越高，红外辐射的峰值波长就越短。由于热释电探测器的波长灵敏度在0.2-20μm范围内几乎是不变的，而人体可辐射出中心波长为9~10μm的红外线，因而就在芯片表面贴上截止波长为7〜10μm的滤光片，正好适合于人体红外辐射的探测，于是就可得到专门只对人体敏感的热释电红外探测器。
热释电探测器用于防盗报警系统的电路构成方框图如图3-64所示，由菲涅尔透镜、热释电红外传感器、放大器、滤波器、电平比较器、驱动电路、继电器和报警电路等组成。
图3-64热释电防盗报警器电路构成框图
菲涅尔透镜的构造如图3-65所示，它是由聚乙烯材料注压而成的薄片，在薄片上压制有三种不同宽度的分格竖条，单个竖条平面实际上是一些同心的螺旋线，其作用是聚集红外线能量，当人体在菲涅尔透镜前面通过时，它具有将连续的红外辐射分割成断续红外辐射的能力，从而形成红外脉冲。用这种菲涅尔透镜与放大电路相配合，可将信号放大70dB以上，这样就可以测出10-20m范围内人的活动情况。
图3-65菲涅尔透镜构造
由前述可知，热释电效应所产生的电荷，会被空气中的离子中和而消失，即当环境温度稳定不变时，△T=0,则热释电探测器无输岀。当人体进入检测区时，由于人体温度与环境温度有差别，再加上人体是运动的，此时△T≠0,则热释电探测器有电压输出；若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，热释电探测器也就没有输出了。因此，这种热释电探测器是一种专门探测人体或能辐射7〜10μm范围内活动动物等的探测器。
2.作测温仪
用热敏器件作测量温度的仪器比较实用，如过去某公司在一传染病期间用来监测人的发烧体温非常有效，从而可决定该人是否隔离，避免了传染事故的发生。
此外，武汉大学何民才教授曾利用热电堆作出用于炼钢高炉测高温的仪器产品，已被多个炼钢厂采用。
3.作感温防火探测器
在火灾初始阶段，一方面有大量烟雾产生，另一方面物质在燃烧过程中释放出大量的热量，使周围环境温度急剧上升，感温探测器就是通过热电探测器件检测警戒范围中的某一点或某一线路周围温度变化时响应的火灾探测器。这种探测器将温度的变化转换为电信号而送到报警控制器处理，以达到报警的目的。根据监测温度参数的不同，根据其感热效果和结构形式可分为定温式、差温式及差定温组合式三种。
（1）定温式防火探测器。即温度上升到预定值时而响应的火灾探测器，它是在规定时间内，由火灾引起的温度上升超过某个定值时而启动报警的火灾探测器。它有线型和点型两种结构形式，其中线型结构的温度敏感元件呈线状分布，它所监视的区域是一条线带，当监测区域中某局部环境温度上升达到规定值时，可熔的绝缘物熔化使感温电缆中两导线短路，或采用特殊的具有负温度系数的绝缘物质制成的可复用感温电缆产生明显的阻值变化，从而产生火灾报警信号：点型结构定温式探测器是利用双金属片、易熔金属、热电偶或半导体热敏电阻等元件，在规定的温度值上，而产生火灾报警信号。
（2）差温式防火探测器。即环境温度的温升速度超过一定值时而响应的火灾探测器，它是在规定时间内，由火灾引起的温度上升速率超过某个规定值时而启动报警的火灾探测器。它也有线型和点型两种结构形式：线型结构差温式火灾探测器是根据广泛的热效应而动作的，主要的感温元件有按面积大小蛇形连续布置的空气管，分布式连接的热电偶以及分布式连接的热敏电阻等；点型结构差温式火灾探测器是根据局部的热效应而动作的，主要感温元件有空气膜盒，半导体热敏电阻器件等。
在消防工程中，常用的差温式火灾探测器多是点型结构，差温元件多采用空气膜盒和热敏电阻。当火灾发生时，建筑物室内局部温度将以超过常温数倍的异常速率升高，膜盒型差温火，灾探测器就是利用这种异常速率产生感应并输出火灾报警信号。其感热外罩与底座形成密闭的气室，只有一个很小的泄露孔能与大气相通，当环境温度缓慢变化时，气室内外的空气可通过泄露孔进行调节，使内外压力保持平衡。如遇火灾发生，环境温升速率很快，气室内空气由于急剧受热膨胀来不及从泄露孔外逸，致使气室内空气压力增高，将波纹片鼓起与中心接线柱相碰，于是接通了电触点，便发出火灾报警信号。这种探测器具有灵敏度高，可靠性好，不受气候变化影响的特性，因而应用十分广泛。
（3）差定温组合式防火探测器。即兼有定温、差温两种功能的火灾探测器，它是结合了定温和差温两种作用原理并将两种探测器结构组合在一起的一种感温探测器。一般，它多是用半导体热敏电阻式感温器件等构成的一种点型组合式探测器。
在消防工程中，常见的差定温组合式火灾探测器是将差温式、定温式两种感温火灾探测器组装结合在一起，兼有两者的功能，若其中某一功能失效，则另一种功能仍然起作用。因此，大大提高了火灾监测的可靠性。差定温组合式火灾探测器一般多是膜盒式或半导体热敏电阻式等点型结构的组合式火灾探测器。
感温探测器对火灾发生时温度参数的敏感，其关键是由组成探测器的核心部件——热电探测器件决定。热电探测器件是利用某些物体的物理性质随温度变化而发生电信号变化的热敏感材料制成的，如易熔合金或热敏绝缘材料、双金属片、热电偶、热敏电阻、半导体材料等。定温、差定温探头各级灵敏度探头的动作温度分别不大于 1 级 62℃、2 级 70℃、3 级 78℃。
感温式火灾探测器适宜安装于起火后产生烟雾较小的场所。平时温度较高的场所不宜安装感温式火灾探测器。
4.作室外防护罩的温度控制
如 Sunspo 的室外全天候防护罩的控制电路原理如图 3-66 所示。
当防护罩内部温度低于-5 ℃时，热电探测器件测温的温控开关 Si 接通，开始加热：高于5 ℃时，温控开关 Si断开，停止加热。当防护罩内部温度高于 40 ℃时，温控开关 S2接通，开始降温，低于 35 ℃时，温控开关 S2 断开，停止降温。雨刷由 AC 220 V 继电器控制，使用AC 24 V 产品时，由 AC 24 V 继电器控制，但解码箱输出电流要大于 2.8 A。
图3-66 室外防护罩控制电路
有的室外全天候防护罩还有喷淋器，其主要功能是向防护罩的前脸玻璃上喷水，用于清扫防护罩前脸玻璃上的灰尘，以配合刮水器完成对前脸玻璃的清洁。当控制器或解码器输出控制电压，即可开启喷淋器的电磁阀，控制微型泵将水喷向防护罩的前脸玻璃。需要指出的是，配有喷淋器的防护罩应同时具有供水储水装置。
由于室外使用环境恶劣，室外防护罩的强度一般比室内型高，用料也大，且抗锈蚀的要求也比室内型的高，因此，室外防护罩的重量要比室内防护罩重得多。
5.作非制冷型红外焦平面阵列热像仪
热敏电阻或热释电探测器件不仅可用于测温，还可用作红外焦平面阵列探测器。例如，室温工作的非制冷型红外焦平面阵列热释电探测器，易于制成平面形状，具有与半导体硅集成电路工艺技术兼容等优点，在市场中的推广前景很好，尤其在其结构设计工作中，通过适当调整热探测源、热绝缘结构，以及IC热电转换电路，能够很好地改善红外焦平面阵列探测器的综合性能。
