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1、 第 6章 紅 外 與 熱 輻 射 傳 感 技 術(shù) v6.1 熱 輻 射 的 一 般 規(guī) 律 本 章 主 要 介 紹 紅 外 熱 輻 射 探 測(cè) 器 件 的 工 作 原 理 、 基 本 特 性 、熱 輻 射 探 測(cè) 器 件 的 工 作 電 路 和 典 型 應(yīng) 用 。 它 為 基 于 光 輻 射 與 物 質(zhì)相 互 作 用 的 熱 效 應(yīng) 而 制 成 的 器 件 。 由 于 它 具 有 工 作 時(shí) 不 需 要 制 冷 ，光 譜 響 應(yīng) 無 波 長(zhǎng) 選 擇 性 等 突 出 特 點(diǎn) ， 使 它 的 應(yīng) 用 已 進(jìn) 入 某 些 被 光子 探 測(cè) 器 獨(dú) 占 的 應(yīng) 用 領(lǐng) 域 和 光 子 探 測(cè) 器 無

2、 法 實(shí) 現(xiàn) 的 應(yīng) 用 領(lǐng) 域 。 熱 電 傳 感 器 件 是 將 入 射 到 器 件 上 的 輻 射 能 轉(zhuǎn) 換 成 熱 能 ， 然 后再 把 熱 能 轉(zhuǎn) 換 成 電 能 的 器 件 。 顯 然 ， 輸 出 信 號(hào) 的 形 成 過 程 包 括 兩個(gè) 階 段 ； 第 一 階 段 為 將 輻 射 能 轉(zhuǎn) 換 成 熱 能 的 階 段 （ 入 射 輻 射 引 起溫 升 的 階 段 ） ， 是 共 性 的 ， 具 有 普 遍 的 意 義 。 第 二 階 段 是 將 熱 能 轉(zhuǎn) 換 成 各 種 形 式 的 電 能 （ 各 種 電 信 號(hào) 的 輸 出 ） 階 段 。 v1. 溫 度 變 化 方 程 熱

3、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 ， 則 器 件 吸 收 的 熱 輻 射 功 率 為 e ； 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 e ， 則 有 dtTdC i （ 6-1）式 中 c 稱 為 熱 容 ， 表 明 內(nèi) 能

4、的 增 量 為 溫 度 變 化 的 函 數(shù) 。 TG 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 傳導(dǎo) 損 失 的 能 量 （ 6-2） TGdtTdC e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 為 tje 0e tjeTGdtTdC 0 （ 6-4） 若 選 取 剛

5、 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,T = 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 CjG eCjG etT tjtCG 00 （ 6-5） 設(shè) 稱 為 熱 敏 器 件 的 熱 時(shí) 間 常 數(shù) ， 稱 為 熱 阻 。 CRGCT GR 1 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)

6、間 t T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 TtjTjC etT 10 （ 6-6） 為 正 弦 變 化 的 函 數(shù) 。 其 幅 值 為 212201 TTC T （ 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 有關(guān) ， 增 高 ， 其 溫 升 下 降 ， 在 低 頻 時(shí) （ T 1） ， 它 與 熱 導(dǎo) G成 反 比 ， 式 （ 6-

7、7） 可 寫 為 GT 0 （ 6-8） CjG eCjG etT tjtCG 00 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) ， T 1， 式（ 6-7） 可 近 似 為 CT 0 （ 6-9） 結(jié) 果 ， 溫 升 與 熱 導(dǎo) 無 關(guān) ， 而 與 熱 容 成 反 比 ， 且 隨 頻 率 的 增 高 而 衰 減 。 當(dāng) = 0時(shí)

8、， 由 （ 6-5） 式 得 )1(0 TteGtT （ 6-10） 由 初 始 零 值 開 始 隨 時(shí) 間 t增 加 ， 當(dāng) t 時(shí) ， T達(dá) 到 穩(wěn) 定 值 。 等 于 T時(shí) ， 上 升 到 穩(wěn) 定 值 的 63%。 故 T被 稱 為 器 件 的 熱 時(shí) 間 常 數(shù) 。 CjG eCjG etT tjtCG 00 v1 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 。v 正 溫 度 系 數(shù) 熱 敏 電

9、 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 燒 結(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

10、 敏 電 阻 與 熱 電 堆 探 測(cè) 器v6.2.1 熱 敏 電 阻 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 位 壘 ， 所 以 電 阻 值 較 小 ； 當(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 位 壘 ， 所 以 表 現(xiàn) 為 電 阻 值 的 急 劇 增 加 。 因 為 這種 元 件 具 有 未 達(dá) 居 里 點(diǎn) 前

11、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 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 熱 探 測(cè) 。 v 負(fù) 溫 度 系 數(shù) 熱 敏 電 阻 的 工 作 原 理 v 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

12、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 （ -60300 ） 、 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

13、 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 熱 敏 電 阻 的 工 作 溫 度 低 于 -55 ， 可 達(dá) -273 。 v 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) SJ11

14、55-82來 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

15、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)

16、 后 加 派 生 序 號(hào) ， 由 字 母 、 數(shù) 字 和 -號(hào) 組 合 而 成 。 v 例 ： M Z 1 1 序 號(hào) 普 通 用 途 正 溫 度 系 數(shù) 熱 敏 電 阻 器 敏 感 元 件v v3熱 敏 電 阻 的 結(jié) 構(gòu)v熱 敏 電 阻 無 選 擇 性 地 吸 收 各 種 波 長(zhǎng) 的 輻 射 ，可 以 說 它 是 一 種 無 選 擇 性 的 光 敏 電 阻 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

17、 構(gòu) 成 熱 敏 電 阻 。 紅 外 輻 射 通 過 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 為 在 相 同 的 入射 輻 射 下 得 到 v4. 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

18、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 ： 正 溫 度 系 數(shù) 的 熱 敏 電 阻 （ 6-16） 負(fù) 溫 度 系 數(shù) 的 熱 敏 電 阻 （ 6-17） ATT eRR 0 TBT eRR 式 中 ， RT為 絕 對(duì) 溫 度 T時(shí) 的 實(shí) 際 電 阻 值 ； R0 R分 別 為 背 景 環(huán) 境 溫 度下 的 阻 值 ， 為 與 電

19、 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) 。 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 )C/1(1 dTdRRa TT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 a T = A （ 6-19） 對(duì) 于 負(fù)

20、溫 度 系 數(shù) 的 熱 敏 電 阻 溫 度 系 數(shù) 為 （ 6-20） 21 TBdTdRRa TTT 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 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

21、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 來 ， 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 ： 2112 21 lg303.2 RRTT TTB （ 6-21） v （ 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 RT=RTaT T 式 中 ， RT為

22、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 U bb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 。 1TT RR 21 LL RR v （ 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 的 輻 射 入 射 到 熱 敏 電 阻

23、 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 a TR v （ 5） 靈 敏 度 （ 響 應(yīng) 率 ） aRaUS T4bb0 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 22bb 14 aRaUS Ts 可 見 ， 要 增 加 熱 敏 電 阻 的 靈 敏 度 ， 需 采 取 以 下

24、 措 施 ： 增 加 偏 壓 Ubb但 受 熱 敏 電 阻 的 噪 聲 以 及 不 損 壞 元 件 的 限 制 ； 把 熱 敏 電 阻 的 接 收 面 涂 黑 增 加 吸 收 率 a； 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 ； 選 用 大 的 材 料 ， 也 即 選 取 B值 大 的 材

25、 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 110ms， 因 此 ， 使 用 頻 率 上 限 約為 20200kHz左 右 。 CR R C v（ 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 ： 熱 噪 聲 。 熱 敏 電

26、 阻 的 熱 噪 聲 與 光 敏 電 阻 阻 值 的 關(guān) 系 相 似 為 ； 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 。 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) ， 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=4kT2G f/a2 v （ 7） 熱 敏 電 阻

27、器 的 其 他 主 要 參 數(shù) v 熱 敏 電 阻 器 的 主 要 參 數(shù) ：v 1） 標(biāo) 稱 阻 值 （ 額 定 零 功 率 電 阻 值 R25 （ ） ）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 NTC 熱敏 電 阻 多 少 阻 值 ， 亦 指 該 值 。 v 2） 額 定 功 率 額 定 功 率 Pnv 在 規(guī) 定 的 技 術(shù) 條 件 下 ， 熱 敏 電 阻 器 長(zhǎng) 期 連 續(xù) 工 作

28、所 允 許 消 耗 的 功 率 。 在 此 功 率 下 ，電 阻 體 自 身 溫 度 不 超 過 其 最 高 工 作 溫 度 。v 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 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

29、 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 。 v 7） 耗 散 系 數(shù) （ ）v 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 。v ： NTC 熱 敏 電 阻 耗 散 系 數(shù) ， （ mW/ K ） 。 P ： NTC 熱

30、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 ） 。v 8） 熱 時(shí) 間 常 數(shù) () v 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 。v ： 熱 時(shí) 間 常 數(shù) （ S ） 。C： NTC 熱 敏 電 阻 的 熱 容 量 。： NTC 熱 敏

31、 電 阻 的 耗 散 系 數(shù) 。 v 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

32、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 。 應(yīng) 用 設(shè) 計(jì) v 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 人 值 守 的 設(shè) 備 ， 因 電 機(jī) 過 熱 或 溫 控 失 靈 造 成的 事 故 比 較 常 見 ， 使 用 電 機(jī) 過 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 熱 保 護(hù) 常 用 的 方 法 是 在 電

33、 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 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 熱 時(shí) ， 電 機(jī) 過 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

34、過 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 。 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

35、 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 爾帖 效 應(yīng) 是 法 國(guó) 科 學(xué) 家 珀 爾 帖 于 1834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

36、三 個(gè) 效 應(yīng) ， 后 來 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

37、礎(chǔ) 。 6.2.2 熱 電 偶 探 測(cè) 器 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 對(duì) 電 源 的 需 求 大 大 刺 激 了 溫 差 發(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

38、受 到 一 定 限 制 。 但 近 年 來 ， 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

39、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 Bi 2Te3Sb2Te3Sb2Se3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 。 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 。

40、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

41、， 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 越 小 ， 運(yùn) 行 速 度 越 來 越 快 ， 熱 設(shè) 計(jì)問 題 也 越 來 越 重 要 ， 迫 切 需 要 一 種 能 集 成 在 芯 片

42、 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 ?？?以 預(yù) 見 ，

43、微 型 溫 差 電 器 件 將 有 美 好 的 應(yīng) 用 前 景 。 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 ， 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 21212 ttdttCEAB 2t式 中 ， 為 熱 端 溫 度 ； 是 冷 端 溫 度 ； 而

44、 、 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1t C d 12 ttCEAB 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 。 C 1 熱 電 偶 測(cè) 溫 原 理 和 定 標(biāo)溫 差 電 偶 與 測(cè) 量 儀 器 有 兩 種 連 接 方 式 如 圖 2所 示 。 MA B工 作 端 自 由 端1t2t （ a）

45、圖 2 MA AB B工 作 端 自 由 端（ b） 1t2t 參 考 溫 度 可 以 是 水 的 三 相 點(diǎn) （ 273.16 K） ， 液 氮 （ LN） 的 沸 點(diǎn)（ 77.35 K） ， 或 液 氦 （ LHe） 的 沸 點(diǎn) （ 4.2 K） 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 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

46、 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 。 為 了 測(cè) 定 溫 差 電 動(dòng) 勢(shì) ， 需 在 閉 合 回 路 中 接 入 測(cè) 量 儀 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)

47、 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 。 AB CC 電 位 差 計(jì)圖 31t1t2t 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 ：

48、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 非 常 方 便 。 由 于 熱 電 偶 測(cè)

49、 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) 。 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

50、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 。 tE v1.熱 電 偶 的 工 作 原

51、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 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

52、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 E。 回 路 電 流 I= E/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) ）( Seebeck Effect)。 測(cè) 量 輻 射 能 的 熱 電 偶 稱 為 輻 射 熱 電 偶 ， 它 與 測(cè) 溫 熱 電 偶 的 原 理 相同 ， 結(jié) 構(gòu) 不 同 。 如 圖 6-6（ b） 所 示 ， 輻 射 熱 電 偶 的 熱

53、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 e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 。 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 T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 。 圖 5-7所 示 為 半 導(dǎo)

54、 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 T的 關(guān)系 為 UOC=M12 T （ 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 ，

55、用 負(fù) 載 電 阻 R L將 其 構(gòu) 成 回 路 ， 將有 電 流 I流 過 負(fù) 載 電 阻 ， 并 產(chǎn) 生 電 壓 降 UL， 則 QGRR RMTRRRMU )()( Li 0L12LLi 12L （ 6-28） 式 中 ， 0為 入 射 輻 射 通 量 （ W） ； 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 ） 。 v 2. 熱 電 偶 的 基 本 特 性 參 數(shù) QLi L120L0 )( GRR RMUS 真 空 熱 電 偶 的 基 本 特 性 參 數(shù) 為 靈 敏 度 S、

56、探 測(cè) 率 D*、 響 應(yīng) 時(shí) 間 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 2T2QLi L12L 1)( GRR RMUS （ 6-30） （ 6-31） v （ 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

57、率 ， 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) T， 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 10-7s。 6.2.3 熱 電 堆 探

58、 測(cè) 器 v （ 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 構(gòu) 成 如 圖 5-8所 示 的熱 電 堆 。 l 1. 熱 電 堆

59、的 靈 敏 度 熱 電 堆 的 靈 敏 度 St為 nSS t (6-32) 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 ththth RC （ 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

60、 堆 以 及 膜 片 的 剖 面 面 積 比 決 定 。 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) ： 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 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 10.01s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 10-5 s； 熱 釋

61、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 小 ； 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 ； v6.3.1 熱 釋 電 器 件 的 基 本 工 作 原 理 與 6.2節(jié) 討 論 的 熱 敏 電 阻 相 比 ， 它 受 環(huán) 境 溫 度 變 化 的 影 響 更小 ； 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

62、 較 容 易 。 1. 熱釋電效應(yīng) 電 介 質(zhì) 內(nèi) 部 沒 有 自 由 載 流 子 ， 沒 有 導(dǎo) 電 能 力 。 但 是 ， 它 也 是 由帶 電 的 粒 子 （ 價(jià) 電 子 和 原 子 核 ） 構(gòu) 成 的 ， 在 外 加 電 場(chǎng) 的 情 況 下 ， 帶電 粒 子 也 要 受 到 電 場(chǎng) 力 的 作 用 ， 使 其 運(yùn) 動(dòng) 發(fā) 生 變 化 。 例 如 ， 在 如 圖6-11所 示 的 電 介 質(zhì) 的 上 下 兩 側(cè) 加 上 如 圖 所 示 的 電 場(chǎng) 后 ， 電 介 質(zhì) 產(chǎn) 生極 化 現(xiàn) 象 ， 從 電 場(chǎng) 的 加 入 到 電 極 化 狀 態(tài) 的 建 立 起 來 這 段 時(shí) 間 內(nèi) 電 介質(zhì)

63、 內(nèi) 部 的 電 荷 適 應(yīng) 電 場(chǎng) 的 運(yùn) 動(dòng) 相 當(dāng) 于 電 荷 沿 電 力 線 方 向 的 運(yùn) 動(dòng) ， 也是 一 種 電 流 稱 為 “ 位 移 電 流 ” ， 該 電 流 在 電 極 化 完 成 即 告 停 止 。 對(duì) 于 一 般 的 電 介 質(zhì) ， 在 電 場(chǎng) 除 去 后 極 化 狀 態(tài) 隨 即 消 失 ， 帶 電 粒子 又 恢 復(fù) 原 來 狀 態(tài) 。 而 有 一 類 稱 作 為 “ 鐵 電 體 ” 的 電 介 質(zhì) 在 外 加 電場(chǎng) 除 去 后 仍 保 持 著 極 化 狀 態(tài) ， 稱 其 為 “ 自 發(fā) 極 化 ” 。 圖 5-12所 示 為一 般 的 電 介 質(zhì) 與 鐵 電 體 電

64、 介 質(zhì) 的 極 化 曲 線 。 一 般 的 電 介 質(zhì) 的 極 化 曲線 通 過 中 心 ， 而 圖 6-12（ b） 所 示 的 極 化 曲 線 在 電 場(chǎng) 去 除 后 仍 保 持 一定 的 極 化 強(qiáng) 度 。 鐵 電 體 的 自 發(fā) 極化 強(qiáng) 度 PS（ 單 位面 積 上 的 電 荷 量 ）與 溫 度 的 關(guān) 系 如圖 6-13所 示 ， 隨著 溫 度 的 升 高 ， 極 化 強(qiáng) 度 減 低 ， 當(dāng) 溫 度 升 高 到 一 定 值 ， 自 發(fā) 極 化 突 然 消 失 ， 這 個(gè) 溫度 常 被 稱 為 “ 居 里 溫 度 ” 或 “ 居 里 點(diǎn) ” 。 在 居 里 點(diǎn) 以 下 ， 極 化

65、強(qiáng) 度 PS是 溫 度 T的 函 數(shù) 。 利 用 這 一 關(guān) 系 制 造 的熱 敏 探 測(cè) 器 稱 為 熱 釋 電 器 件 。 當(dāng) 紅 外 輻 射 照 射 到 已 經(jīng) 極 化 的 鐵 電 體 薄 片 時(shí) ， 引 起 薄 片 溫 度升 高 ， 表 面 電 荷 減 少 ， 相 當(dāng) 于 熱 “ 釋 放 ” 了 部 分 電 荷 。 釋 放 的 電荷 可 用 放 大 器 轉(zhuǎn) 變 成 電 壓 輸 出 。 如 果 輻 射 持 續(xù) 作 用 ， 表 面 電 荷 將達(dá) 到 新 的 平 衡 ， 不 再 釋 放 電 荷 ， 也 不 再 有 電 壓 信 號(hào) 輸 出 。 因 此 ，熱 釋 電 器 件 不 同 于 其 他

66、光 電 器 件 ， 在 恒 定 輻 射 作 用 的 情 況 下 輸 出的 信 號(hào) 電 壓 為 零 。 只 有 在 交 變 輻 射 的 作 用 下 才 會(huì) 有 信 號(hào) 輸 出 。 對(duì) 于 經(jīng) 過 單 疇 化 的 熱 釋 電 晶 體 ， 在 垂 直 于 極 化 方 向 的 表面 上 ， 將 由 表 面 層 的 電 偶 極 子 構(gòu) 成 相 應(yīng) 的 靜 電 束 縛 電 荷 。 面束 縛 電 荷 密 度 與 自 發(fā) 極 化 強(qiáng) 度 P s之 間 的 關(guān) 系 可 由 下 式 確 定 。 因 為 自 發(fā) 極 化 強(qiáng) 度 是 單 位 體 積 內(nèi) 的 電 矩 矢 量 之 和 ， 所 以 有 Sd dsPs (6-34) 式 中 ， S和 d分 別 是 晶 體 的 表 面 積 和 厚 度 。 如 6-14(a)所 示 。 由 內(nèi) 部 自 由 電 荷 中 和 表 面 束 縛 電 荷 的 時(shí) 間 常 數(shù)為 ， 和 分 別 為 晶 體 的 介 電 常 數(shù) 和 電 阻 率 。 只 要 使 熱 釋 電 晶 體 的 溫 度 在 面 束 縛 電 荷 被 中 和 掉 之 前 因 吸 收 輻 射 而發(fā) 生 變 化 ， 晶