2.5 热电偶与热电堆及其使用

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。

2.5.1 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动势，因而使用时不需加外电源。

热电偶的工作是基于温差热电效应，即塞贝克热电效应（Seebeck Effect）。温差电位差ΔU的大小和正负与材料的性质有关，通常由铋和锑所组成的一对金属有最大的温差电位差，约为100 μV/℃。通常用来接触测量温度，称做测温热电偶。例如由铂（Pt）铑（Rh）合金组成的测温热电偶，其测量范围为-200℃～1000℃，测量准确度可高达1/1000℃。

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，可高达500 μV/℃。半导体热电偶的结构如图2-49所示。将P型和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。这必然会引起热端载流子向冷端扩散，扩散的结果使 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Uoc，它与温升ΔT的关系为

式中，M12为塞贝克常数，又称为温差电势率（V/℃）。

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，Ф0为入射辐射的功率（W）；α 为吸收系数；Ri为热电偶电阻；M12为温差电势率（V/℃）；G为总的热导（W/m·℃）。

如果入射辐射为交流辐射信号Ф=Ф0ejωt，则产生的交流信号电压为

式中，ω=2πf，f为交流辐射调制频率，τT为器件的时间常数，τT=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，所以热电偶通常称为真空热电偶。但需要指出的是，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（2-30）和式（2-31）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α，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τT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，约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。但有资料显示，在BeO衬底上制作的Bi-Ag结结构的热电偶，测得响应时间为10-7 s，而且可望达到10-9 s。

热电偶的最小可探测功率NEP决定于噪声，它的噪声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。通常情况下，半导体热电偶的最小可探测功率约为10-11 W。

2.5.2 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2-50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*=5×108，τ=10ms。

通常，热电堆的灵敏度为

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，Cth为热电堆的热容量，Rth为热电堆的热阻抗。

由式（2-32）和式（2-33）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。金属热电偶的加工与IC集成工艺并不兼容，其吸收系数α的值总比硅热电偶要小得多，现已基本上退出了微机械红外热电堆探测器的领域。虽然与化合物半导体相比，硅的M12较小，但是它的制造工艺与IC工艺的兼容性要好得多，可以进行批量生产。因此，硅基的微机械红外热电堆探测器获得了较大的发展。

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2-51所示，它利用薄膜热导率较小的特点，采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2-51（a）所示的封闭膜结构和图2-51（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，其中的膜亦为复合介质膜。热电堆、热结区及红外吸收区都在膜上。

从隔热效果来说，图2-51（b）所示的悬臂膜结构更具优势，因为这种膜结构的周围是导热性能很差的气体介质（如空气），因此热耗散小、热阻高、隔热效果好，同时吸收的热可沿着膜的方向，也就是热电偶对的方向进行有效传导，故热电转换效率较高，灵敏度高；对图2-51（a）所示的封闭膜结构而言，吸收红外辐射后，热可以沿着介质支撑传播，并不完全沿着热电偶对传播，故热耗散较大，热电转换效率低，灵敏度低。但是，从工艺制造过程及成品率角度来说，封闭膜结构又更具有优势，因为这种膜结构的优点在于结构稳定。由于膜与基体处处相连，因此，所受应力影响小，在制造过程中，膜本身不易破裂，成品率高，易制造；而悬臂膜与基体间只通过固定端相连，另一端悬空，因此所受应力的影响显著，制造过程中膜容易发生翘曲或破裂，成品率较低，不易制造。

图2-52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，因而它可用高精度的参考温度来确定基于热电偶输出的温度。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。

与一般的红外探测器件相比，微机械红外热电堆的优点为：①具有较高的灵敏度；②有宽松的工作环境与非常宽的频谱响应；③与标准IC工艺兼容，成本低廉且适合批量生产。

2.5.3 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为普遍，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、重量轻、无运动部件、运行寿命长、可靠性高，以及无污染等诸多优点，在军事、医疗、科研、通信、航海、动力，以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，美国发明的一种用于预防犯罪行为的热电堆远红外探测仪，可以用来探测进入监视区的入侵者，其特点是无论监视区的温度有什么变化，或者入侵者以多快的速度进入监视区，它都能发现入侵者。这种红外探测仪利用三个或更多个热电堆来探测进入监视区的入侵者。它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. 热电偶与热电堆的使用要点

热电偶与热电堆的使用要点如下：①热电偶与热电堆同光电倍增管一样，不能受强辐射照射，它允许的最大辐射通量为几十微瓦，所以通常都用来测量微瓦以下的辐射通量。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1 μA以下，决不能超过100 μA，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，避免强烈震动。④热电偶内阻为几十欧，信号放大时需接变压器。⑤热电偶与热电堆在保存时，输出端不能短路，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℃。