第六章光熱紅外傳感器

第六章光熱紅外傳感器第1頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.溫度變化方程熱電器件在沒有受到輻射作用的情況下，器件與環(huán)境溫度處于平衡狀態(tài)，其溫度為T0。當(dāng)輻射功率為的熱輻射入射到器件表面時(shí)，令表面的吸收系數(shù)為α，則器件吸收的熱輻射功率為αφe；其中一部分使器件的溫度升高，另一部分補(bǔ)償器件與環(huán)境的熱交換所損失的能量。設(shè)單位時(shí)間器件的內(nèi)能增量為Δφe，則有（6-1）式中c稱為熱容，表明內(nèi)能的增量為溫度變化的函數(shù)。

熱交換能量的方式有三種；傳導(dǎo)、輻射和對(duì)流。設(shè)單位時(shí)間通過(guò)傳導(dǎo)損失的能量

（6-2）第2頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三式中G為器件與環(huán)境的熱傳導(dǎo)系數(shù)。根據(jù)能量守恒原理，器件吸收的輻射功率應(yīng)等于器件內(nèi)能的增量與熱交換能量之和。即

（6-3）

設(shè)入射輻射為正弦輻射通量，則式（6-3）變?yōu)?/p>

（6-4）

若選取剛開始輻射器件的時(shí)間為初始時(shí)間，則，此時(shí)器件與環(huán)境處于熱平衡狀態(tài)，即t=0,ΔT=0。將初始條件代入微分方程（6-4），解此方程，得到熱傳導(dǎo)的方程為

（6-5）

設(shè)稱為熱敏器件的熱時(shí)間常數(shù)，稱為熱阻。

第3頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三熱敏器件的熱時(shí)間常數(shù)一般為毫秒至秒的數(shù)量級(jí)，它與器件的大小、形狀和顏色等參數(shù)有關(guān)。

當(dāng)時(shí)間t

>>τT時(shí)，式（6-5）中的第一項(xiàng)衰減到可以忽略的程度，溫度的變化

（6-6）

為正弦變化的函數(shù)。其幅值為

（6-7）

可見，熱敏器件吸收交變輻射能所引起的溫升與吸收系數(shù)成正比。因此，幾乎所有的熱敏器件都被涂黑。另外，它又與工作頻率ω有關(guān)，ω增高，其溫升下降，在低頻時(shí)（ωτT＜＜1），它與熱導(dǎo)G成反比，式（6-7）可寫為

（6-8）

第4頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三可見，減小熱導(dǎo)是增高溫升、提高靈敏度的好方法，但是熱導(dǎo)與熱時(shí)間常數(shù)成反比，提高溫升將使器件的慣性增大，時(shí)間響應(yīng)變壞。

式（6-6）中，當(dāng)很高（或器件的慣性很大）時(shí)，ωτT>>1，式（6-7）可近似為

（6-9）

結(jié)果，溫升與熱導(dǎo)無(wú)關(guān)，而與熱容成反比，且隨頻率的增高而衰減。

當(dāng)ω=0時(shí)，由（6-5）式得

（6-10）

由初始零值開始隨時(shí)間t增加，當(dāng)t∝∞時(shí)，ΔT達(dá)到穩(wěn)定值。等于τT時(shí)，上升到穩(wěn)定值的63%。故τT被稱為器件的熱時(shí)間常數(shù)。

第5頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1半導(dǎo)體熱敏電阻的工作原理

按溫度特性熱敏電阻可分為兩類，隨溫度上升電阻增加的為正溫度系數(shù)熱敏電阻，反之為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻。

⑴正溫度系數(shù)熱敏電阻的工作原理

此種熱敏電阻以鈦酸鋇（BaTio3）為基本材料，再摻入適量的稀土元素，利用陶瓷工藝高溫?zé)Y(jié)爾成。純鈦酸鋇是一種絕緣材料，但摻入適量的稀土元素如鑭（La）和鈮（Nb）等以后，變成了半導(dǎo)體材料，被稱半導(dǎo)體化鈦酸鋇。它是一種多晶體材料，晶粒之間存在著晶粒界面，對(duì)于導(dǎo)電電子而言，晶粒間界面相當(dāng)于一個(gè)位壘。6.2熱敏電阻與熱電堆探測(cè)器6.2.1熱敏電阻

第6頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三當(dāng)溫度低時(shí)，由于半導(dǎo)體化鈦酸鋇內(nèi)電場(chǎng)的作用，導(dǎo)電電子可以很容易越過(guò)位壘，所以電阻值較?。划?dāng)溫度升高到居里點(diǎn)溫度（即臨界溫度，此元件的‘溫度控制點(diǎn)’一般鈦酸鋇的居里點(diǎn)為120℃）時(shí)，內(nèi)電場(chǎng)受到破壞，不能幫助導(dǎo)電電子越過(guò)位壘，所以表現(xiàn)為電阻值的急劇增加。因?yàn)檫@種元件具有未達(dá)居里點(diǎn)前電阻隨溫度變化非常緩慢，具有恒溫、調(diào)溫和自動(dòng)控溫的功能，只發(fā)熱，不發(fā)紅，無(wú)明火，不易燃燒，電壓交、直流3～440V均可，使用壽命長(zhǎng)，非常適用于電動(dòng)機(jī)等電器裝置的過(guò)熱探測(cè)。

第7頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三⑵負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的工作原理

負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻是以氧化錳、氧化鈷、氧化鎳、氧化銅和氧化鋁等金屬氧化物為主要原料，采用陶瓷工藝制造而成。這些金屬氧化物材料都具有半導(dǎo)體性質(zhì)，完全類似于鍺、硅晶體材料，體內(nèi)的載流子（電子和空穴）數(shù)目少，電阻較高；溫度升高，體內(nèi)載流子數(shù)目增加，自然電阻值降低。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻類型很多，使用區(qū)分低溫（-60～300℃）、中溫（300～600℃）、高溫（>600℃）三種，有靈敏度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)快、壽命長(zhǎng)、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于需要定點(diǎn)測(cè)溫的溫度自動(dòng)控制電路，如冰箱、空調(diào)、溫室等的溫控系統(tǒng)。

熱敏電阻與簡(jiǎn)單的放大電路結(jié)合，就可檢測(cè)千分之一度的溫度變化，所以和電子儀表組成測(cè)溫計(jì)，能完成高精度的溫度測(cè)量。普通用途熱敏電阻工作溫度為-55℃～+315℃，特殊低溫?zé)崦綦娮璧墓ぷ鳒囟鹊陀?55℃，可達(dá)-273℃。第8頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2熱敏電阻的型號(hào)

我國(guó)產(chǎn)熱敏電阻是按部頒標(biāo)準(zhǔn)SJ1155-82來(lái)制定型號(hào)，由四部分組成。

第一部分：主稱，用字母‘M’表示敏感元件。

第二部分：類別，用字母‘Z’表示正溫度系數(shù)熱敏電阻器，或者用字母‘F’表示負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器。

第三部分：用途或特征，用一位數(shù)字（0-9）表示。一般數(shù)字‘1’表示普通用途，‘2’表示穩(wěn)壓用途（負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器），‘3’表示微波測(cè)量用途（負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器），‘4’表示旁熱式（負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器），‘5’表示測(cè)溫用途，‘6’表示控溫用途，‘7’表示消磁用途（正溫度系數(shù)熱敏電阻器），‘8’表示線性型（負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器），‘9’表示恒溫型（正溫度系數(shù)熱敏電阻器），‘0’表示特殊型（負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器）

第四部分：序號(hào)，也由數(shù)字表示，代表規(guī)格、性能。

往往廠家出于區(qū)別本系列產(chǎn)品的特殊需要，在序號(hào)后加‘派生序號(hào)’，由字母、數(shù)字和‘-’號(hào)組合而成。

第9頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三例：MZ11

序號(hào)

普通用途

正溫度系數(shù)熱敏電阻器

敏感元件

3熱敏電阻的結(jié)構(gòu)熱敏電阻無(wú)選擇性地吸收各種波長(zhǎng)的輻射，可以說(shuō)它是一種無(wú)選擇性的光敏電阻第10頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三較大的溫升）粘合在導(dǎo)熱能力高的絕緣襯底上，電阻體兩端蒸發(fā)金屬電極以便與外電路連接，再把襯底同一個(gè)熱容很大、導(dǎo)熱性能良好的金屬相連構(gòu)成熱敏電阻。紅外輻射通過(guò)探測(cè)窗口投射到熱敏元件上，引起元件的電阻變化。為了提高熱敏元件接收輻射的能力，常將熱敏元件的表面進(jìn)行黑化處理。

由熱敏材料制成的厚度為0.01mm左右的薄片電阻（因?yàn)樵谙嗤娜肷漭椛湎碌玫降?1頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第12頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4.熱敏電阻的參數(shù)

熱敏電阻探測(cè)器的主要參數(shù)有：（1）電阻-溫度特性熱敏電阻的阻溫特性是指實(shí)際阻值與電阻體溫度之間的依賴關(guān)系，這是它的基本特性之一。電阻溫度特性曲線如圖6-1所示。熱敏電阻器的實(shí)際阻值RT與其自身溫度T的關(guān)系有正溫度系數(shù)與負(fù)溫度系數(shù)兩種，分別表示為：①

正溫度系數(shù)的熱敏電阻

（6-16）②

負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻

（6-17）式中，RT為絕對(duì)溫度T時(shí)的實(shí)際電阻值；R0R分別為背景環(huán)境溫度下的阻值，為與電阻的幾何尺寸和材料物理特性有關(guān)的常數(shù)；A、B為材料常數(shù)。

第13頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三由式（6-16）和（6-17）可分別求出正、負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻的溫度系數(shù)aT

。

aT表示溫度變化1℃時(shí)，熱電阻實(shí)際阻值的相對(duì)變化為

式中，aT和RT為對(duì)應(yīng)于溫度T（K）時(shí)的熱電阻的溫度系數(shù)和阻值。

對(duì)于正溫度系數(shù)的熱敏電阻溫度系數(shù)為

aT

=A （6-19）

對(duì)于負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻溫度系數(shù)為

（6-20）

第14頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三可見，在工作溫度范圍內(nèi)，正溫度系數(shù)熱敏電阻的aT在數(shù)值上等于常數(shù)A，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的aT隨溫度T的變化很大，并與材料常數(shù)B成正比。因此，通常在給出熱敏電阻溫度系數(shù)的同時(shí)，必須指出測(cè)量時(shí)的濕度。

材料常數(shù)B是用來(lái)描述熱敏電阻材料物理特性的一個(gè)參數(shù)，又稱為熱靈敏指標(biāo)。在工作溫度范圍內(nèi)，B值并不是一個(gè)嚴(yán)格的常數(shù),而是隨溫度的升高而略有增大，一般說(shuō)來(lái)，B值大電阻率也高，對(duì)于負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻器，B值可按下式計(jì)算：

（6-21）

第15頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第16頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（2）熱敏電阻阻值變化量

已知熱敏電阻溫度系數(shù)aT后，當(dāng)熱敏電阻接收入射輻射后溫度變化△T，則阻值變化量為

ΔRT=RTaTΔT

式中，RT為溫度T時(shí)的電阻值，上式只有在△T不大的條件下才能成立。

（3）熱敏電阻的輸出特性熱敏電阻電路如圖5-5所示，圖中

，。若在熱敏電阻上加上偏壓Ubb之后，由于輻射的照射使熱敏電阻值改變，因而負(fù)載電阻電壓發(fā)生增量。

第17頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第18頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（4）冷阻與熱阻

RT為熱敏電阻在某個(gè)溫度下的電阻值，常稱為冷阻，如果功率為φ的輻射入射到熱敏電阻上，設(shè)其吸收系數(shù)為a，則熱敏電阻的熱阻定義為吸收單位輻射功率所引起的溫升，即

第19頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（5）靈敏度（響應(yīng)率）

單位入射輻射功率下熱敏電阻變換電路的輸出信號(hào)電壓稱為靈敏度或響應(yīng)率，它常分為直流靈敏度S0與交流靈敏度SS。直流靈敏度S0為

交流靈敏度SS為

第20頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三可見，要增加熱敏電阻的靈敏度，需采取以下措施：①增加偏壓Ubb但受熱敏電阻的噪聲以及不損壞元件的限制；②把熱敏電阻的接收面涂黑增加吸收率a；③增加熱阻，其辦法是減少元件的接收面積及元件與外界對(duì)流所造成的熱量損失，常將元件裝入真殼內(nèi)，但隨著熱阻的增大，響應(yīng)時(shí)間也增大。為了減小響應(yīng)時(shí)間，通常把熱敏電阻貼在具有高熱導(dǎo)的襯底上；④選用大的材料，也即選取B值大的材料。當(dāng)然還可使元件冷卻工作，以提高值。

為熱敏電阻的熱時(shí)間常數(shù)；分別為熱敏電阻和熱容。隨輻照頻率的增加，熱敏電阻傳遞給負(fù)載的電壓變化率減少。熱敏電阻的時(shí)間常數(shù)約為1~10ms，因此，使用頻率上限約為20~200kHz左右。

第21頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（6）最小可探測(cè)功率

熱敏電阻的最小可探測(cè)功率受噪聲的影響。熱敏電阻的噪聲主要有：①

熱噪聲。熱敏電阻的熱噪聲與光敏電阻阻值的關(guān)系相似為；②

溫度噪聲。因環(huán)境溫度的起伏而造成元件溫度起伏變化產(chǎn)生的噪聲稱為溫度噪聲。將元件裝入真空殼內(nèi)可降低這種噪聲。③

電流噪聲。與光敏電阻的電流噪聲類似，當(dāng)工作頻率f<10KHz時(shí)，應(yīng)該考慮此噪聲。若f>10kHz時(shí)，此噪聲完全可以忽略不計(jì)。根據(jù)這些噪聲情況，熱敏電阻可探測(cè)的最小功率約為PNE=4kT2GΔf/a2

第22頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（7）熱敏電阻器的其他主要參數(shù)

熱敏電阻器的主要參數(shù)：1）標(biāo)稱阻值（額定零功率電阻值R25（Ω））

根據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)定，額定零功率電阻值是NTC熱敏電阻在基準(zhǔn)溫度25℃時(shí)測(cè)得的電阻值R25，這個(gè)電阻值就是NTC熱敏電阻的標(biāo)稱電阻值。通常所說(shuō)NTC熱敏電阻多少阻值，亦指該值。2）額定功率額定功率Pn在規(guī)定的技術(shù)條件下，熱敏電阻器長(zhǎng)期連續(xù)工作所允許消耗的功率。在此功率下，電阻體自身溫度不超過(guò)其最高工作溫度。和允許偏差等基本指標(biāo)外，還有如下指標(biāo)：

3）測(cè)量功率：指在規(guī)定的環(huán)境溫度下，電阻體受測(cè)量電源加熱而引起阻值變化不超過(guò)0.1％時(shí)所消耗的功率。

4）材料常數(shù)：是反應(yīng)熱敏電阻器熱靈敏度的指標(biāo)。通常，該值越大，熱敏電阻器的靈敏度和電阻率越高。

5）電阻溫度系數(shù)：表示熱敏電阻器在零功率條件下，其溫度每變化1℃所引起電阻值的相對(duì)變化量。

6）開關(guān)溫度：指熱敏電阻器的零功率電阻值為最低電阻值兩倍時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度。

第23頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三7）耗散系數(shù)（δ）在規(guī)定環(huán)境溫度下，NTC熱敏電阻耗散系數(shù)是電阻中耗散的功率變化與電阻體相應(yīng)的溫度變化之比值。

δ：NTC熱敏電阻耗散系數(shù)，（mW/K）。

△P：NTC熱敏電阻消耗的功率（mW）。

△T：NTC熱敏電阻消耗功率△P時(shí)，電阻體相應(yīng)的溫度變化（K）。8）熱時(shí)間常數(shù)(τ)在零功率條件下，當(dāng)溫度突變時(shí)，熱敏電阻的溫度變化了始未兩個(gè)溫度差的63.2%時(shí)所需的時(shí)間，熱時(shí)間常數(shù)與NTC熱敏電阻的熱容量成正比，與其耗散系數(shù)成反比。τ：熱時(shí)間常數(shù)（S）。

C：NTC熱敏電阻的熱容量。

δ：NTC熱敏電阻的耗散系數(shù)。第24頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

9）最高工作溫度：指熱敏電阻器在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)條件下，長(zhǎng)期連續(xù)工作時(shí)所允許承受的最高溫度。

10）工作電流：指穩(wěn)壓用熱敏電阻器在在正常工作狀態(tài)下的規(guī)定電流值。

11）穩(wěn)壓范圍：指穩(wěn)壓用熱敏電阻器在規(guī)定的環(huán)境溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定電壓的范圍值。

12）最大電壓：指在規(guī)定的環(huán)境溫度下，熱敏電阻器正常工作時(shí)所允許連續(xù)施加的最高電壓值。

13）絕緣電阻：指在規(guī)定的環(huán)境條件下，熱敏電阻器的電阻體與絕緣外殼之間的電阻值。第25頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三應(yīng)用設(shè)計(jì)

生產(chǎn)中需要連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的車床，電熱烘箱，球蘑機(jī)等機(jī)電設(shè)備以及其它無(wú)人值守的設(shè)備，因電機(jī)過(guò)熱或溫控失靈造成的事故比較常見，使用電機(jī)過(guò)熱保護(hù)用PTC熱敏電阻可以有效預(yù)防事故發(fā)生。

對(duì)電機(jī)過(guò)熱保護(hù)常用的方法是在電機(jī)定子的繞組里埋設(shè)體積極小的傳感器用PTC熱敏電阻感溫頭，在正常情況下電機(jī)過(guò)熱保護(hù)用PTC熱敏電阻處于低阻態(tài)，不影響電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)內(nèi)部因故障過(guò)熱時(shí)，電機(jī)過(guò)熱保護(hù)用PTC熱敏電阻受熱阻值躍變，與之配合的繼電器失電釋放，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，等候排除故障后重新運(yùn)轉(zhuǎn)。這種保護(hù)方法的優(yōu)點(diǎn)在于直接監(jiān)測(cè)繞組內(nèi)部的溫度變化，在過(guò)熱溫度突破電機(jī)的絕緣等級(jí)之前使電機(jī)得到保護(hù)，同時(shí)由于TC熱敏電阻的可恢復(fù)性，不必象溫度保險(xiǎn)絲一樣必需更換新的。第26頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三背景資料溫差電一門古老而又年輕的學(xué)科

溫差電是研究溫差和電之間關(guān)系的科學(xué)，它是一門古老而又年輕的學(xué)科。構(gòu)成溫差電技術(shù)的基礎(chǔ)有三個(gè)基本效應(yīng)。1821年德國(guó)科學(xué)家塞貝克首先發(fā)現(xiàn)了溫差電的第一個(gè)效應(yīng)，人們稱之為塞貝克效應(yīng)，即兩種不同的金屬構(gòu)成閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接頭存在溫差時(shí)，回路中將產(chǎn)生電流，這一效應(yīng)成為了溫差發(fā)電的技術(shù)基礎(chǔ)。今天我們經(jīng)常提到的電子致冷所依賴的珀?duì)柼?yīng)是法國(guó)科學(xué)家珀?duì)柼?834年發(fā)現(xiàn)的，它是塞貝克效應(yīng)的逆效應(yīng)。兩種不同的金屬構(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。1845年湯姆遜發(fā)現(xiàn)了溫差電的第三個(gè)效應(yīng)，后來(lái)人們稱它為湯姆遜效應(yīng)。溫差電現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)后將近一個(gè)世紀(jì)，并未得到實(shí)際應(yīng)用，原因是金屬的溫差電效應(yīng)非常微弱。溫差電技術(shù)的真正復(fù)興可以認(rèn)為從二十世紀(jì)30年代開始，杰出的蘇聯(lián)物理學(xué)家約飛最早提出采用半導(dǎo)體材料作為溫差電換能材料，特別是首先提出的固熔體合金的概念，為溫差電技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用奠定了理論與技術(shù)基礎(chǔ)。6.2.2熱電偶探測(cè)器

第27頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三背景資料很顯然，溫差電技術(shù)分為溫差發(fā)電和溫差致冷兩大分支。1942年前蘇聯(lián)最早制成了用火焰加熱的溫差發(fā)電器，效率為1.5～2％。之后，一些特殊領(lǐng)域?qū)﹄娫吹男枨蟠蟠蟠碳ち藴夭畎l(fā)電器的研制工作，二十世紀(jì)60年代初就有一批溫差發(fā)電器成功地用于空間、地面和海洋。溫差發(fā)電器效率較低，一般不大于8％，因此其應(yīng)用范圍受到一定限制。但近年來(lái)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，溫差發(fā)電器已逐漸得到廣泛應(yīng)用，不僅在軍事、航天領(lǐng)域，而且在民用方面也表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。上世紀(jì)50年代初期，利用PbTe和Sb2Te3材料分別作N、P臂的單級(jí)溫差電致冷器的最大溫差約40℃，以后人們發(fā)現(xiàn)Bi2Te3及其固熔體合金是最有希望的溫差電致冷材料。上世紀(jì)70年代以后，由于陶瓷工藝、半導(dǎo)體材料制備方法、切割工藝及焊接技術(shù)等的進(jìn)步使溫差電致冷得到飛速發(fā)展。迄今為止，已實(shí)用化的性能最佳的溫差電致冷材料為Bi2Te3—Sb2Te3—Sb2Se3贗三元合金，最大優(yōu)值達(dá)3.5×10－3/℃，用這種材料制作的單級(jí)致冷組件的最大溫差可達(dá)到70℃以上。

第28頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三背景資料前蘇聯(lián)的俄羅斯、烏克蘭等國(guó)家在溫差發(fā)電和溫差致冷方面進(jìn)行了最廣泛的研究。隨著這些國(guó)家政治、經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的變革，他們的科研成果正從航天、軍事領(lǐng)域逐漸轉(zhuǎn)化到市場(chǎng)需求方面。美國(guó)也是溫差電技術(shù)的強(qiáng)國(guó)，而且該技術(shù)領(lǐng)域得到美國(guó)政府和軍方的支持。

目前，我國(guó)已經(jīng)成為世界上溫差電產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模最大的國(guó)家之一，產(chǎn)品的技術(shù)性能也接近國(guó)際先進(jìn)水平。以電子致冷飲水機(jī)為代表的溫差電致冷產(chǎn)品廣泛進(jìn)入了普通家庭，可以相信，溫差電技術(shù)必將得到更加廣泛的應(yīng)用。溫差電技術(shù)發(fā)展新動(dòng)向微型溫差電器件是當(dāng)今溫差電技術(shù)的另一前沿。電子器件微型化和軍事應(yīng)用的迫切需要研制高熱流密度、高功率密度、快速響應(yīng)時(shí)間、低溫差時(shí)能產(chǎn)生高電壓的微型溫差發(fā)電組件。隨著計(jì)算機(jī)芯片越來(lái)越小，運(yùn)行速度越來(lái)越快，熱設(shè)計(jì)問題也越來(lái)越重要，迫切需要一種能集成在芯片上的微型致冷組件。

按用途分，微型組件可分為微型溫差發(fā)電器、微型溫差電傳感器和微型溫差電致冷器。其工藝大致分3類，一是塊狀材料為基礎(chǔ)的工藝，二是薄膜和微電子機(jī)械工藝（MEMS），三是厚膜工藝。第一類以精工手表電池為代表，第二類以EG＆G公司熱電傳感器為代表，第三類以美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的微型組件為代表。可以預(yù)見，微型溫差電器件將有美好的應(yīng)用前景。第29頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三實(shí)驗(yàn)原理因此，熱電偶回路中溫差電動(dòng)勢(shì)的大小除了和組成電偶的材料有關(guān)，還決定于兩接觸點(diǎn)的溫度差，當(dāng)制作電偶的材料確定后，溫差電動(dòng)勢(shì)的大小就只決定于兩個(gè)接觸點(diǎn)的溫度差，一般說(shuō)，電動(dòng)勢(shì)和溫差的關(guān)系非常復(fù)雜，若取二級(jí)近似，可表為如下形式式中，為熱端溫度；是冷端溫度；而、是電偶常數(shù)，它們的大小僅決定于組成電偶的材料。粗略測(cè)量時(shí)，可取一級(jí)近似稱為溫差電系數(shù)（或電偶常數(shù)），它只與兩種金屬的性質(zhì)有關(guān)，在數(shù)值上等于兩接觸點(diǎn)溫度差為1℃時(shí)所產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì)，單位為毫伏/度。

第30頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1．熱電偶測(cè)溫原理和定標(biāo)溫差電偶與測(cè)量?jī)x器有兩種連接方式如圖2所示。MAB工作端自由端（a）圖2MAABB工作端自由端（b）參考溫度可以是水的三相點(diǎn)（273.16K），液氮（LN）的沸點(diǎn)（77.35K），或液氦（LHe）的沸點(diǎn)（4.2K）等。如果熱電偶工作端與參考端的溫度不等，則有溫差電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。溫差電勢(shì)的大小只與工作端與參考端的溫差及電極材料有關(guān)，與電極的長(zhǎng)度，直徑無(wú)關(guān)。用電位差計(jì)測(cè)出電偶回路的電動(dòng)勢(shì)，如果該電偶的電動(dòng)勢(shì)與溫差之間的關(guān)系事先已標(biāo)定好，根據(jù)已知的曲線，就可以得出待測(cè)溫度。第31頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三為了測(cè)定溫差電動(dòng)勢(shì)，需在閉合回路中接入測(cè)量?jī)x表，如圖3所示，這相當(dāng)于把第三種金屬（如電位差計(jì)的電阻絲）串入回路。理論上可以證明，在A、B兩種金屬之間插入任何一種金屬C，只要維持它和A、B的聯(lián)接點(diǎn)在同一個(gè)溫度，這個(gè)閉合電路中的溫差電動(dòng)勢(shì)總是和由A、B兩種金屬組成的溫差熱電偶中的溫差電動(dòng)勢(shì)一樣。這一性質(zhì)在實(shí)際應(yīng)用中是很重要的，圖3所示為常用的測(cè)溫線路，即用銅絲C將溫差電動(dòng)勢(shì)接送電位差計(jì)是常見的用法。ABCC電位差計(jì)圖3第32頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三溫差電偶測(cè)量溫度的優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量范圍廣：可以從4.2K(－268.950C)的深低溫直至28000C的高溫。如液態(tài)空氣的低溫或煉鋼爐溫(～2000℃)。測(cè)量精度高：因熱電偶直接與被測(cè)對(duì)象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。靈敏度和準(zhǔn)確度高(可達(dá)10－3度)，特別是鉑姥—鉑熱電偶。受熱面積和熱容量可做得很小，如研究金相變化、小生物體溫變化，水銀溫度計(jì)則難于可比。構(gòu)造簡(jiǎn)單，使用方便：熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來(lái)非常方便。由于熱電偶測(cè)溫是將溫度測(cè)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的測(cè)量，因而非常適用于自動(dòng)調(diào)溫和控溫系統(tǒng)。第33頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三定標(biāo)：

所謂定標(biāo)就是設(shè)法確定溫差電勢(shì)的大小與溫度差的對(duì)應(yīng)關(guān)系。定標(biāo)方法有二種：一種是固定點(diǎn)法，即利用純物質(zhì)在一定的氣壓下，把它們的熔點(diǎn)或沸點(diǎn)作為已知溫度(例如，水的沸點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下為100℃；錫的熔點(diǎn)為231．8℃；鋅的熔點(diǎn)為419．8℃)，測(cè)出溫差電偶在這些溫度下對(duì)應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)，從而得出關(guān)系曲線。固定點(diǎn)法的優(yōu)點(diǎn)是標(biāo)準(zhǔn)的溫度準(zhǔn)確、穩(wěn)定，但合適的純物質(zhì)為數(shù)不多，可校準(zhǔn)的溫度點(diǎn)數(shù)較少。另一種是比較法，即利用—標(biāo)準(zhǔn)電偶與未知電偶測(cè)量同一溫度，標(biāo)準(zhǔn)電偶的數(shù)據(jù)既然已知，未知電偶即被校準(zhǔn)。此法簡(jiǎn)單、迅速，但準(zhǔn)確度受標(biāo)準(zhǔn)溫差熱電偶或溫度計(jì)準(zhǔn)確度的限制。第34頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三加熱系統(tǒng)

銅－康銅溫差電偶

測(cè)量系統(tǒng)

第35頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1.熱電偶的工作原理

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。

熱電偶是利用物質(zhì)溫差產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)探測(cè)入射輻射的。如圖6-6所示為輻射式溫差熱電偶的原理圖。兩種材料的金屬A和B組成的一個(gè)回路時(shí)，若兩金屬連接點(diǎn)的溫度存在著差異（一端高而另一端低），則在回路中會(huì)有如圖6-6（a）所示的電流產(chǎn)生。即由于溫度差而產(chǎn)生的電位差ΔE?；芈冯娏鱅=ΔE/R。其中R稱為回路電阻。這一現(xiàn)象稱為溫差熱電效應(yīng)（也稱為塞貝克熱電效應(yīng)）(SeebeckEffect)。

第36頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三測(cè)量輻射能的熱電偶稱為輻射熱電偶，它與測(cè)溫?zé)犭娕嫉脑硐嗤Y(jié)構(gòu)不同。如圖6-6（b）所示，輻射熱電偶的熱端接收入射輻射，因此在熱端裝有一塊涂黑的金箔，當(dāng)入射輻射通量Φe被金箔吸收后，金箔的溫度升高，形成熱端，產(chǎn)生溫差電勢(shì)，在回路中將有電流流過(guò)。圖6-6（b）用檢流計(jì)G可檢測(cè)出電流為I。顯然，圖中結(jié)J1為熱端，J2為冷端。由于入射輻射引起的溫升ΔT很小，因此對(duì)熱電偶材料要求很高，結(jié)構(gòu)也非常嚴(yán)格和復(fù)雜。成本昂貴。

第37頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三圖5-7所示為半導(dǎo)體輻射熱電偶的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中用涂黑的金箔將N型半導(dǎo)體材料和P型半導(dǎo)體材料連在一起構(gòu)成熱結(jié)，另一端（冷端）將產(chǎn)生溫差電勢(shì)，P型半導(dǎo)體的冷端帶正電，N型半導(dǎo)體的冷端帶負(fù)電。開路電壓UOC與入射輻射使金箔產(chǎn)生的溫升ΔT的關(guān)系為

UOC=M12ΔT（6-27）式中，M12為塞貝克常數(shù)，又稱溫差電勢(shì)率（V/℃）。輻射熱電偶在恒定輻射作用下，用負(fù)載電阻RL將其構(gòu)成回路，將有電流I流過(guò)負(fù)載電阻，并產(chǎn)生電壓降UL，則

（6-28）

式中，Φ0為入射輻射通量（W）；α為金箔的吸收系數(shù)；Ri為熱電偶的內(nèi)阻；M12為熱電偶的溫差電勢(shì)率；GQ為總熱導(dǎo)（W/m℃）。

第38頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.熱電偶的基本特性參數(shù)

真空熱電偶的基本特性參數(shù)為靈敏度S、探測(cè)率D*、響應(yīng)時(shí)間τ和最小可探測(cè)功率NEP等參數(shù)。（1）靈敏度（響應(yīng)率）在直流輻射作用下，熱電偶的靈敏度S0為

在交流輻射信號(hào)的作用下，熱電偶的靈敏度S為

（6-30）

（6-31）

第39頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（2）響應(yīng)時(shí)間

由式（6-30）和式（6-31）可見，提高熱電偶的響應(yīng)率最有效的辦法除選用塞貝克系數(shù)較大的材料外，增加輻射的吸收率α，減小內(nèi)阻Ri，減小熱導(dǎo)GQ等措施都是有效的。對(duì)于交流響應(yīng)率，降低工作頻率，減小時(shí)間常數(shù)τT，也會(huì)有明顯的提高。但是，熱電偶的響應(yīng)率與時(shí)間常數(shù)是一對(duì)矛盾，應(yīng)用時(shí)只能兼顧。

熱電偶的響應(yīng)時(shí)間約為幾毫秒到幾十毫秒左右，在BeO襯底上制造Bi-Ag結(jié)結(jié)構(gòu)的熱電偶有望得到更快的時(shí)間響應(yīng)，響應(yīng)時(shí)間可達(dá)到或超過(guò)10-7s。

第40頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三6.2.3熱電堆探測(cè)器

（3）最小可探測(cè)功率

熱電偶的最小可探測(cè)功率NEP取決于探測(cè)器的噪聲，它主要由熱噪聲和溫度起伏噪聲，電流噪聲幾乎被忽略。半導(dǎo)體熱電偶的最小可探測(cè)功率NEP一般為10-11W左右。

為了減小熱電偶的響應(yīng)時(shí)間，提高靈敏度，常把輻射接收面分為若干塊，每塊都接一個(gè)熱電偶，并把它們串聯(lián)起來(lái)構(gòu)成如圖5-8所示的熱電堆。

1.熱電堆的靈敏度

熱電堆的靈敏度St為

(6-32)第41頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三式中，為熱電堆中熱電偶的對(duì)數(shù)（或PN結(jié)的個(gè)數(shù)）。S為熱電偶的靈敏度。熱電堆的響應(yīng)時(shí)間常數(shù)為

（6-33）

式中，為熱電堆的熱容量，為熱電堆的熱阻抗。從式(6-32)和式（6-33）可以看出，要想使高速化和提高靈敏度兩者并存，就要在不改變的情況下減小熱容。熱阻抗由導(dǎo)熱通路長(zhǎng)和熱電堆以及膜片的剖面面積比決定。

第42頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

6.3熱釋電器件

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)，工作頻率接近兆赫茲，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，在熱探測(cè)器中只有氣動(dòng)探測(cè)器的D*才比熱釋電器件稍高，且這一差距正在不斷減?。虎蹮後岆娖骷梢杂写竺娣e均勻的敏感面，而且工作時(shí)可以不外加接偏置電壓；

第43頁(yè)，共49頁(yè)，2023年，2月20日，星期三6.3.1熱釋電器件的基本工作原理