第九章紅外探測(cè)器及其陣列光電效應(yīng)光熱效應(yīng)???????????íì?????íì?????íì高萊氣動(dòng)型熱探測(cè)器熱釋電探測(cè)器測(cè)輻射熱計(jì)熱電偶和熱電堆熱探測(cè)器光電子發(fā)射探測(cè)器光伏探測(cè)器光電導(dǎo)探測(cè)器光子探測(cè)器光電探測(cè)器光電效應(yīng)光熱效應(yīng)光電探測(cè)器包括所有將光輻射能（紅外、可見(jiàn)及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的一類(lèi)器件。

紅外光譜0.7到1000umSW1R（短波紅外，0.7-3um）MW1R（中波紅外，到6um）LW1R（長(zhǎng)波紅外，到16um）F1R（遠(yuǎn)紅外，大于16um）紅外探測(cè)器熱探測(cè)器光子探測(cè)器9.1熱探測(cè)器ThermalDetector利用光熱效應(yīng)（PhotothermalEffect）制作的器件稱(chēng)為熱探測(cè)器，也稱(chēng)熱電探測(cè)器。光熱效應(yīng)例：溫差電效應(yīng)

實(shí)驗(yàn)證明：A、B兩端均有電動(dòng)勢(shì)，若將A置于熱端，B置于冷端，則A端電動(dòng)勢(shì)高于B端，回路中會(huì)產(chǎn)生電流。光輻射溫升電動(dòng)勢(shì)變化利用光熱效應(yīng)（PhotothermalEffect）制作的器件稱(chēng)為熱探測(cè)器，也稱(chēng)熱電探測(cè)器。光熱效應(yīng)吸收輻射——光能轉(zhuǎn)換為熱能，溫升——某種參量變化（電動(dòng)勢(shì)、電阻、電容、容積）——探知輻射的存在和強(qiáng)弱利用光熱效應(yīng)（PhotothermalEffect）制作的器件稱(chēng)為熱探測(cè)器，也稱(chēng)熱電探測(cè)器。熱電偶和熱電堆測(cè)輻射熱計(jì)

*氣動(dòng)探測(cè)器熱釋電探測(cè)器光熱效應(yīng)吸收輻射——光能轉(zhuǎn)換為熱能，溫升——某種參量變化（電動(dòng)勢(shì)、電阻、電容、容積）——探知輻射的存在和強(qiáng)弱兩步分析1.確定溫升（共性）2.確定參量變化（個(gè)性）4、可在室溫下工作熱探測(cè)器特性：1、響應(yīng)率與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，屬無(wú)選擇性探測(cè)器2、受熱時(shí)間常數(shù)的限制，響應(yīng)速度慢3、其探測(cè)率比光子探測(cè)器的峰值探測(cè)率低熱探測(cè)器的探測(cè)元均質(zhì)材料或晶片涂上膜層（金黑、碳黑或Parson黑）探測(cè)元的電極和引線輸出電量1.熱流方程一、光輻射引起探測(cè)元的溫升內(nèi)能的增加與環(huán)境熱交換吸收的能量?jī)H考慮交變溫升2、調(diào)制頻率及熱學(xué)參量（1）適用于低頻（2）熱響應(yīng)時(shí)間－－毫秒～幾秒量級(jí)（3）熱導(dǎo)G的影響:靈敏度，響應(yīng)時(shí)間熱導(dǎo)G熱傳導(dǎo)--細(xì)導(dǎo)線熱對(duì)流--真空熱輻射熱導(dǎo)的極限－－探測(cè)極限二測(cè)輻射熱計(jì)和測(cè)輻射熱敏電阻Bolometer

－－又稱(chēng)為熱敏電阻吸收紅外輻射Φ—溫升ΔT

---電阻變化---輸出與Φ成比例的電信號(hào)熱敏電阻在電子電路中的符號(hào)熱敏電阻實(shí)物照片材料的電阻溫度系數(shù)熱敏電阻的溫度系數(shù)

正溫度系數(shù)——負(fù)溫度系數(shù)——材料：金屬或半導(dǎo)體

電阻溫度系數(shù)多為正的電阻溫度系數(shù)絕對(duì)值小電阻變化與溫度變化的關(guān)系基本上是線性的耐高溫能力和穩(wěn)定性較強(qiáng)多用于溫度的模擬測(cè)量。金屬材料的特點(diǎn)電阻溫度系數(shù)多為負(fù)的電阻溫度系數(shù)絕對(duì)值大，比一般金屬電阻大10～100倍電阻變化與溫度變化的關(guān)系基本上是非線性的耐高溫能力和穩(wěn)定性較差多用于輻射探測(cè)。例如防盜報(bào)警、防火系統(tǒng)、熱輻射體搜索和跟蹤等。半導(dǎo)體材料的特點(diǎn)熱敏電阻的結(jié)構(gòu)示意圖（1）利用單個(gè)探測(cè)器的電路測(cè)輻射熱計(jì)吸收輻射產(chǎn)生溫升?T，阻值相應(yīng)變化?RD，在負(fù)載上產(chǎn)生的電壓變化為：a、熱敏電阻的溫升在不受紅外輻射照時(shí)，由于偏壓電壓在熱敏電阻上產(chǎn)生熱功率I2RD，從而產(chǎn)生溫升ΔT0當(dāng)熱敏電阻吸收紅外輻射響應(yīng)率：（2）橋式電路三、熱電偶和熱電堆熱電偶（Thermocoup）

－－又稱(chēng)為溫差電偶熱探測(cè)器：吸收輻射Φ—ΔT—某個(gè)量變化—測(cè)量Φ熱電堆（Thermopile）

－－又稱(chēng)為溫差電堆基本原理：溫差電效應(yīng)熱電偶雖然是發(fā)明于1826年的古老紅外探測(cè)器件，然而至今仍在光譜、光度探測(cè)儀器中得到廣泛的應(yīng)用。尤其在高、低溫的溫度探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用是其他探測(cè)器件無(wú)法取代的。熱電偶的基本原理是基于溫差電第一效應(yīng)——塞貝克效應(yīng)。兩種不同材料或材料相同而逸出功不同的物體，當(dāng)它們構(gòu)成回路時(shí)，如果兩個(gè)接觸點(diǎn)的溫度不同，回路中就會(huì)產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)。只要兩觸點(diǎn)間的溫差不變，溫差電動(dòng)勢(shì)將得到保持。許多個(gè)熱電偶串聯(lián)起來(lái)即成為熱電堆。1821年，塞貝克將兩種不同的金屬導(dǎo)線連接在一起，構(gòu)成一個(gè)電流回路，他突然發(fā)現(xiàn)，如果把其中的一個(gè)結(jié)加熱到很高的溫度而另一個(gè)結(jié)保持低溫的話，電路周?chē)嬖诖艌?chǎng)。他實(shí)在不敢相信，熱量施加于兩種金屬構(gòu)成的一個(gè)結(jié)時(shí)會(huì)有電流產(chǎn)生，這只能用熱磁電流或熱磁現(xiàn)象來(lái)解釋他的發(fā)現(xiàn)。塞貝克發(fā)現(xiàn)了熱電效應(yīng)，卻做出了錯(cuò)誤的解釋?zhuān)簩?dǎo)線周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)的原因，是溫度梯度導(dǎo)致金屬在一定方向上被磁化，而非形成了電流。普魯士科學(xué)學(xué)會(huì)認(rèn)為，這種現(xiàn)象是因?yàn)闇囟忍荻葘?dǎo)致了電流，繼而在導(dǎo)線周?chē)a(chǎn)生了磁場(chǎng)。塞貝克十分惱火，他反駁說(shuō)，科學(xué)家們的眼睛讓奧斯特的經(jīng)驗(yàn)給蒙住了，所以他們只會(huì)用“磁場(chǎng)由電流產(chǎn)生”的理論去解釋?zhuān)氩坏竭€有別的解釋。但是，塞貝克自己卻難以解釋這樣一個(gè)事實(shí)：如果將電路切斷，溫度梯度并未在導(dǎo)線周?chē)a(chǎn)生磁場(chǎng)。所以，確立熱電效應(yīng)的觀點(diǎn)。

熱電堆實(shí)物照片（一）、溫差電效應(yīng)第一效應(yīng)：塞貝克效應(yīng)（seebeck

）：兩種不同導(dǎo)體組成的開(kāi)路中，如果導(dǎo)體的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)存在溫度差，這開(kāi)路中將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)E。這就是塞貝克效應(yīng)。由于塞貝克效應(yīng)而產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)作溫差電動(dòng)勢(shì)（1821年，德國(guó)物理學(xué)家塞貝克）。

第二效應(yīng)：帕爾貼效應(yīng)（peltire

，1834）：兩種不同的導(dǎo)體構(gòu)成閉合回路，當(dāng)回路中存在直流電流時(shí)，兩個(gè)接頭之間將產(chǎn)生溫差，兩個(gè)接頭處分別發(fā)生了吸放熱現(xiàn)象。帕爾帖效應(yīng)可以視為塞貝克效應(yīng)的反效應(yīng)。第三效應(yīng)：湯姆遜效應(yīng)（1856）：電流通過(guò)具有溫度梯度的均勻?qū)w時(shí)，導(dǎo)體將吸收或放出熱量。這就是湯姆遜效應(yīng)。將塞貝克效應(yīng)和帕爾貼效應(yīng)建立聯(lián)系。熱電偶分度正極負(fù)極使用溫度范圍（℃）S鉑銠合金（銠含量10%）純鉑0-1400R鉑銠合金（銠含量13%）純鉑0-1400B鉑銠合金（銠含量30%）鉑銠合金（銠含量6%）0-1400K鎳鉻鎳硅-200-+1000T純銅銅鎳-200-+300J鐵銅鎳-200-+600N鎳鉻硅鎳硅-200-+1200E鎳鉻銅鎳-200-+700（二）熱電偶結(jié)構(gòu)：－－輻射熱電偶：冷端熱端熱電堆結(jié)構(gòu)：在兩個(gè)輸出端產(chǎn)生開(kāi)路的溫差電勢(shì)塞貝克系數(shù)當(dāng)電流流過(guò)J1時(shí)，由于珀耳貼效應(yīng)將冷卻此結(jié)，單位時(shí)間帶走的熱量Πab稱(chēng)作珀耳貼系數(shù)，單位為W/A，負(fù)號(hào)表示帶走或釋放熱量當(dāng)有電流通過(guò)不同的導(dǎo)體組成的回路時(shí),除產(chǎn)生不可逆的焦耳熱外,在不同導(dǎo)體的接頭處隨著電流方向的不同會(huì)分別出現(xiàn)吸熱、放熱現(xiàn)象。

這樣，將因珀耳帖效應(yīng)使熱端降溫，其值為由于降溫使溫差電動(dòng)勢(shì)下降值為由于紅外輻射照射J1

產(chǎn)生的溫升和珀耳帖效應(yīng)產(chǎn)生的總電動(dòng)勢(shì)為電流I與Vt的關(guān)系為珀耳帖效應(yīng)等效于增加了電路中一個(gè)電阻Rdym，它被稱(chēng)為熱電偶的動(dòng)態(tài)電阻設(shè)其輻通量為Φ，通過(guò)回路的電流I，由于珀耳帖冷卻效應(yīng)，產(chǎn)生的溫升為在回路中產(chǎn)生電流在開(kāi)路情況下，由于沒(méi)有電流，也就沒(méi)有珀耳帖效應(yīng)，這時(shí)熱端的溫升應(yīng)為開(kāi)路電動(dòng)勢(shì)溫差熱電偶的響應(yīng)率為如果采用調(diào)制的紅外輻射入射，可用同樣方法求得其響應(yīng)率通常由于測(cè)輻射熱電偶響應(yīng)率太小，不實(shí)用，因此，常把數(shù)十個(gè)熱電偶串聯(lián)起來(lái)構(gòu)成測(cè)輻射熱電堆。根據(jù)制造廠提供的數(shù)據(jù)，測(cè)輻射熱電堆的主要噪聲是熱噪聲。典型應(yīng)用：

·非接觸溫度傳感器，手持式或者工業(yè)測(cè)溫儀

·軸承溫度測(cè)量，工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫

·電氣設(shè)備：電纜接頭、開(kāi)關(guān)柜、變壓器和電氣面板的故障監(jiān)測(cè)

·ＨＶＡＣ：監(jiān)視空氣分層、供／回記錄、爐體性能

·汽車(chē)工業(yè)：診斷汽缸和加熱／冷卻系統(tǒng)

·溫度傳感器模塊應(yīng)用于微波爐、空調(diào)、吹風(fēng)機(jī)、燃?xì)庠罹摺⑴胝{(diào)爐、烤面包爐、抽油煙機(jī)

·耳溫槍或者體溫表

·復(fù)印機(jī)、打印機(jī)的溫度控制

·溫度傳感器陣列應(yīng)用于空間溫度測(cè)量(圖像應(yīng)用)

·帶紅外帶通濾波器的傳感器應(yīng)用于紅外吸收氣體探測(cè)(CO2、CO、CH、NO等)1、單元熱電堆探測(cè)器TPSXXX系列：不同的芯片尺寸和封裝形式，靈活的硅棱鏡選擇，實(shí)現(xiàn)非接觸溫度測(cè)量和控制

型號(hào)：TPS333、TPS334、TPS434、TPS534、TPS535、TPS334L5.5、TPS334L10.6、各種濾波器資料,

2、雙元和四元熱電堆探測(cè)器TPS2XXX、TPS4XXX系列：每個(gè)單元可以裝配各種紅外光譜帶通濾波器，通過(guò)紅外吸收原理，能精確探測(cè)CO2、CO、CH氣體的濃度

型號(hào)：TPS2534、TPS4339

3、TPM系列熱電堆模塊(分離元件組合）：

為便于應(yīng)用，模塊帶一個(gè)單元熱電堆傳感器，PCB電路板，信號(hào)放大電路和環(huán)境溫度補(bǔ)償電路。這個(gè)模塊是完全校準(zhǔn)的，即插即用。多種溫度測(cè)量范圍和光學(xué)系統(tǒng)備選。多數(shù)模塊都是用戶定制的。

型號(hào)：TPM模塊資料、TPML1模塊資料

4、A2TPMI系列集成模塊（重點(diǎn)推廣產(chǎn)品）：

A2TPMI是一種集成了專(zhuān)用信號(hào)處理電路以及環(huán)境溫度補(bǔ)償電路的多用途紅外熱電堆傳感器，這種集成紅外傳感器模塊將目標(biāo)的熱輻射轉(zhuǎn)換成模擬電壓，而且具有溫度控制的功能。A2TPMI完全由工廠進(jìn)行校準(zhǔn)，適合用戶要求的規(guī)格，在預(yù)校準(zhǔn)版本中，只有三個(gè)管腳是必須的：目標(biāo)輸出電壓，電源和地。作為規(guī)格中的描述，由于A2TPMI具備偏置校準(zhǔn)放大器和工廠校準(zhǔn)環(huán)境溫度傳感器，與以前用分離元件做在一個(gè)印刷電路板上模塊TPM模塊相比，集成化的模塊更充分地調(diào)整好了輸出特性的溫度精度，這使它成為多用途，緊湊的，高精度器件。為了放大高靈敏熱電堆微伏到毫伏級(jí)的信號(hào)，用了一個(gè)高分辨率的可編程，低噪聲放大器。一個(gè)帶信號(hào)處理器的可調(diào)高精度環(huán)境溫度傳感器提供了與熱電堆輸出完美地匹配的精確環(huán)境溫度補(bǔ)償信號(hào)，在很寬的溫度范圍內(nèi)，它使目標(biāo)溫度信號(hào)獨(dú)立于環(huán)境溫度，適合用戶的測(cè)溫要求。由于傳感器和相關(guān)電路集成在一個(gè)TO-39封裝內(nèi)，A2TPMI是一種高效的，不受環(huán)境影響的器件，例如污染，潮濕以及電磁干擾環(huán)境等，建議新產(chǎn)品設(shè)計(jì)。5、熱電堆線陣和矩陣探測(cè)器TPL、TPA系列：新的TPA-(矩陣)和TPL-(線陣)系列的多元熱釋電陣列傳感器產(chǎn)品，具備一個(gè)光學(xué)棱鏡,放大電路，和接口電路(包括多路復(fù)用器,環(huán)境溫度傳感器)，而且很完美組合在TO-39封裝內(nèi)，不需要現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)，進(jìn)行不間斷溫度測(cè)量。通常情況下，這種陣列傳感器，是做成帶外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的PCB板模塊來(lái)提供給用戶的。這些TPA-和TPL-模塊是被存儲(chǔ)在EEPROM中的數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)先校準(zhǔn)的，在應(yīng)用時(shí)，相關(guān)的微處理器讀出這些校準(zhǔn)數(shù)據(jù)信息，然后將傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的目標(biāo)溫度。

型號(hào)：TPAM166L39、TPLM086L55、評(píng)估板套件

應(yīng)用舉例－－電磁爐非接觸式測(cè)溫方案基于A2TPMI的高精度紅外測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

四、熱釋電探測(cè)器

PyroelectricDetector幕簾式紅外探測(cè)器吸頂式紅外探測(cè)器熱釋電紅外探測(cè)器模塊菲涅爾透鏡熱釋電探測(cè)器

PyroelectricDetector

熱釋電器件是一種利用熱釋電效應(yīng)制成的熱探測(cè)器件。與其它熱探測(cè)器相比，熱釋電器件具有以下優(yōu)點(diǎn)：①

具有較寬的頻率響應(yīng)，工作頻率接近MHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其它熱探測(cè)器的工作頻率。一般熱探測(cè)器的時(shí)間常數(shù)典型值在1~0.01s范圍內(nèi)，而熱釋電器件的有效時(shí)間常數(shù)可低達(dá)10-4~3×10-5s；②

熱釋電器件的探測(cè)率高；③熱釋電器件可以有大面積均勻的敏感面，而且工作時(shí)可以不外加接偏置電壓；④與熱敏電阻相比，它受環(huán)境溫度變化的影響更小；⑤熱釋電器件的強(qiáng)度和可靠性比其它多數(shù)熱探測(cè)器都要好，且制造比較容易。（一）熱釋電探測(cè)器結(jié)構(gòu)原理1.熱釋電效應(yīng)熱電晶體材料因吸收光輻射能量、產(chǎn)生溫升，導(dǎo)致晶體表面電荷發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱(chēng)為熱釋電效應(yīng)。

熱電晶體：－－具有非中心對(duì)稱(chēng)的極性晶體1.熱釋電效應(yīng)熱“釋電”的物理過(guò)程熱電晶體－－極化強(qiáng)度與溫度關(guān)系

溫度低溫度高1.熱釋電效應(yīng)恒溫T1電荷中和時(shí)間：秒～小時(shí)熱“釋電”的物理過(guò)程熱電晶體溫升到T2

－－束縛電荷減少極化馳豫時(shí)間－－皮秒1.熱釋電效應(yīng)熱“釋電”的物理過(guò)程熱電晶體－－“釋放”電荷恒溫T1電荷中和時(shí)間：秒～小時(shí)溫升到T2

－－束縛電荷減少極化馳豫時(shí)間－－皮秒1.熱釋電效應(yīng)溫升－－等效結(jié)果晶體表面“釋放”了電荷－－熱釋電效應(yīng)－－輸出電信號(hào)恒溫T1電荷中和時(shí)間：秒～小時(shí)溫升到T2

－－束縛電荷減少極化馳豫時(shí)間－－皮秒2.熱釋電探測(cè)器的基本結(jié)構(gòu)熱釋電探測(cè)器幾乎是一種純?nèi)菪云骷?，阻抗高達(dá)1010Ω，必須配以高阻抗的負(fù)載－－結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）

2.熱釋電探測(cè)器的基本結(jié)構(gòu)熱釋電－JFET器件：阻抗變換，低阻抗輸出實(shí)際電路：熱釋電探測(cè)器幾乎是一種純?nèi)菪云骷杩垢哌_(dá)1010Ω，必須配以高阻抗的負(fù)載－－結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）

3.熱釋電探測(cè)器的工作原理等效電路：熱釋電探測(cè)器圖形符號(hào)3.熱釋電探測(cè)器的工作原理基本原理：

輻射通量－－信號(hào)電壓6.4熱釋電探測(cè)器熱響應(yīng)時(shí)間常數(shù)：

電路響應(yīng)時(shí)間常數(shù)：3.熱釋電探測(cè)器的工作原理基本原理：輻射通量－－信號(hào)電壓熱釋電器件的主要