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前面的浅谈光电探测器和图像传感器系列介绍了图像传感器的分类，常见光电探测器的原理、材料和器件结构、微光探测图像传感器、偏振探测图像传感器、X射线图像传感器、量子点图像传感器、新型图像传感器等内容。
今天这一部分主要是热电探测器的基本介绍。热电探测器主要分为热电偶、热敏电阻、热释电、热电堆。其中热敏电阻和热电偶在红外光电探测领域应用较少，主要用于温度测量场景。热电堆,热释电,微测辐射热计（属于热敏电阻大类）在红外探测领域的应用更多。这篇文章主要是对热电探测器的概述，热电探测器在红外探测部分的应用会在下次再进行专题介绍。
往期回顾如下：
浅谈光电探测器和图像传感器（十）:光谱探测器与片上光谱仪（1）
浅谈光电探测器和图像传感器（八）:新型传感器之柔性图像传感器和透明图像传感器
浅谈光电探测器和图像传感器（六）:从成像技术角度新型探测器之偏振探测
01 热探测器概述
热电传感器件是将入射到器件上的辐射能转换为热能，然后将热能转换为电信号输出的器件。
热电探测器主要可以分为热敏电阻，热电偶，测辐射热电堆，热释电探测器。热敏电阻基于材料温度系数实现温度传感，常用于温度测量，电路保护等场景。热电偶基于赛贝克效应实现温度探测，主要用于温度测量，温度控制等场景。热电堆也是基于赛贝克效应，但是其相当于使用了若干热电偶器件堆叠，从而具有更高的灵敏度。热释电有别于前面三者，主要是实现动态温差的探测。此外还有常用于红外探测的微测辐射热计，其原理也是基于热敏电阻。
热电效应的基本原理:热电效应是一种由温差产生电压的直接转换，反之亦然。热电效应的三大原理为赛贝克效应，帕尔贴效应，汤姆逊效应。赛贝克效应和帕尔贴效应是正好相反的两个效应，赛贝克效应可以概述为"温差生电"，帕尔贴效应可以概述为“加电制冷"。
赛贝克效应：当两种不同材质的导体（通常为金属）连接在一起并形成闭合回路时，如果两端存在温差，则高温端的自由电荷载流子会向低温端扩散，从而形成一个电流方向与温差方向相反的热电动势。
帕尔贴效应：当电流流过两种不同导体的界面时，将从外界吸收热量，或向外界放出热量。
汤姆逊效应：是指当电流流过导体时，如果导体存在温差，则会产生电热效应以外的热量吸收或释放现象。
02 热敏电阻
热敏电阻是一种热电探测器，其主要工作原理是利用材料的电阻值随着温度的变化而发生变化实现对光/热信号的探测。
凡是吸收入射辐射后引起温度变化而导致负载电阻值变化的器件都可以归为热敏电阻类。其中产品中应用最为广泛的是基于半导体陶瓷材料的热敏电阻。
它们通常由半导体或陶瓷材料制成，并具有很高的灵敏度，能够检测细微的温度变化。热敏电阻有两种主要类型：
负温度系数 (NTC) 热敏电阻的电阻值随着温度的升高而降低。
正温度系数 (PTC) 热敏电阻的电阻值随着温度的升高而升高。
其中大部分半导体陶瓷材料一般具有负温度系数，且测温范围更广，因此基于NTC的热敏电阻应用更广。适用于制作具有正温度系数（PTC）热敏电阻的材料中，主要有BaTiO3,系，V2O5系，以及NiO系等。BaTiO3系是一种铁电材料，为典型的ABO3型钙钛矿结构，常温电阻率一般大于1011Ω .cm,在其中加入微量的稀土元素后，可以使得其常温电阻率降低至10-2~104 cm。若温度超过材料的居里点，则电阻率可以在几十度的温度范围内增大3~10个数量级。相关研究表明，以BaTiO3系为代表的多晶半导体陶瓷材料，其PTC效应来自于其晶界势垒和居里温度下的铁电补偿效应，而不来自材料本身，单晶材料往往没有体现出PTC效应。 海望和焦克提出表面势垒模型，丹尼尔斯提出钡空位模型分别对BaTiO3中的PTC进行解释。
具有正温度系数的NTC热敏半导体材料通常是用一种或者几种过渡金属氧化物组成，常见的材料包括NiO，CoO,MnO等。NTC热敏半导瓷大多是尖晶石结构或其他结构的氧化物陶瓷，源于MgAl2O4这种矿石，其通式是AB2O4。NTC热敏半导体陶瓷通常以MnO为主材料，同时引入适量的CoO，NiO，CuO，FeO等，使得其在高温下形成半反或全反尖晶石结构、
对于尖晶石结构的NTC热敏半导体陶瓷的导电机理，一般可以用价键交换导电理论解释。对于全反尖晶石和半反尖晶石结构的氧化物半导体，其具有可变价的阳离子同时存在，且同时处于B位，其离子间距小，通过隧道效应可以发生电子交换，在电场作用下，这些电子交换引起载流子沿着电场方向产生漂移运动。
热敏电阻的应用
热敏电阻因其灵敏度、响应速度快、体积小、价格低廉等优点，被广泛应用于各种领域，包括：
温度测量: 热敏电阻是最常用的温度传感器之一，用于测量各种设备和环境中的温度，例如空调、冰箱、汽车、医疗器械等。
过流保护: NTC 热敏电阻常用于电路保护，当电流过大时，热敏电阻的电阻值会迅速降低，从而限制电流，保护电路免受损坏。
自加热: PTC 热敏电阻可用于自加热应用，例如电热毯、咖啡机、恒温器等。
红外检测: 热敏电阻可用于红外检测，例如PIR 运动传感器、夜视仪等。
温度补偿：热敏电阻的温度补偿原理是利用热敏电阻的电阻值与温度之间的关系，通过负反馈机制抵消温度变化对电路性能的影响。
抑制浪涌：在电源电路中串接一个功率型NTC热敏电阻，能有效的抑制开机时的浪涌电流
基于半导体陶瓷的热敏电阻用于光辐射探测的一个设计如下图所示，通过桥式电路连接两个性能相同的热敏电阻，其中一个外加光屏蔽作为参考电阻，另外一个电阻接受辐射作为探测电阻，两个电阻连接于桥式电路两端，类似差分输出思路，该电路可以实现实现高信噪比的信号输出，响应时间在几十毫秒量级。
03 微测辐射热计
与热敏电阻类似原理，测辐射热计bolometer也是通过材料的电阻变化实现热电探测的。有别于上述热敏电阻，测辐射热计基于半导体材料和工艺，性能上可以实现高灵敏探测，形态上可以实现集成化设计，因此在红外探测领域应用更为广泛，尤其是微测辐射热计。
微测辐射热计（Microbolometer，MB）是一种基于MEMS技术的非制冷红外焦平面探测器，其基于半导体和MEMS工艺，并能够与CMOS读出电路(readout integrated circuit, ROIC)单片集成。结构上由硅衬底、底部反射镜、互联电极、热绝缘桥墩、热敏电阻材料层和红外吸收桥面组成。
微测辐射热计具有灵敏度高、响应速度快、光谱范围宽、噪声水平低、尺寸小、重量轻等优点，近年来发展迅速，在红外成像、温度测量、气体分析等领域得到了广泛应用。
由于微测辐射惹急其具有尺寸小的特点，其容易实现高分辨率阵列小像素（1xum量级及其以下）的红外探测面阵，防疫筛查用的热像仪就是基于微测辐射热计像素的红外相机。
据报道，微测辐射热计探测器的产量比所有其他红外阵列技术的总和都要大，是非制冷红外探测器的主导技术。目前，商用测辐射热计主要由氧化钒、非晶硅或硅二极管制造。VOx的电阻温度系数较高（一般为2%～3%/K），即随着温度的变化电阻变动的幅度较大，是目前首选的热敏电阻型非制冷红外焦平面探测材料。
微测辐射热计的应用场景包括：红外成像、人体态势感知、大面积温度测量、夜视仪、无人机载荷等领域。
一款基于达1280 x 1024的12μm像素微测辐射热计非制冷长波红外热像仪，图片来源：https://www.spark-opt.com.cn/product-item-163.html
国内非制冷红外焦平面探测器（微测辐射热计）技术进展，图片来源：龚晓光, 王英, 等. 微测辐射热计型非制冷红外焦平面探测器技术新进展[J]. 光学仪器, 2023, 47(1): 013101.
04 热电偶
热电偶工作原理
热电偶在温度测量中应用极为广泛，其基本工作原理是赛贝克效应。当两种不同材质的金属导体A,B连接在一起形成闭合回路时，如果两端存在温差，则会在回路中产生电势，从而形成电流，这一电势称为热电势。
热电势的大小与两种导体的材料性质以及结点温度有关，组成闭合回路的A,B两个导体称为热电极，一个端口为工作端或者说热端，另一个端口为参考端，工作时参考端置于某一恒定温度。
热电偶主要分类
根据热电偶所使用的金属材料，可以将其分为以下几类：铂铑系热电偶、 铬镍系热电偶、由铜-康铜热电偶、镍铬-镍硅热电偶、钨铼-钨镍热电偶，其主要特点和使用环境如下表所示。
热电偶和热敏电阻对比
热敏电阻和热电偶都是常用的温度传感器，其各有优缺点。
热敏电阻适用于测量窄范围内的温度，具有较高的精度和响应速度，因此常用于精品电器、医疗设备、实验仪器等需要高精度测温的领域。热敏电阻的稳定性较差且易受自发热效应、时间、湿度等因素的影响。
热电偶适用于测量宽范围内的温度，具有较好的稳定性，但精度和响应速度相对较低。因此常用于冶金、机械、化工等工业领域。
热敏电阻由于其元件化、小体积特性，其在电子电路中有一定的应用，比如温度补偿、限流限压等。而热电偶主要用于温度测量，温度检测，温度传感等领域。
除了热敏电阻和热电偶以外，还有一种基于导体的电阻值随温度变化而变化的特性进行温度测量的传感器，叫做RTD（Resistance Temperature Detector）,电阻温度探测器。RTD的工作原理是基于导体的电阻值随温度变化而变化的特性。当电流流过RTD时，RTD会产生自发热效应，其电阻值会发生变化,该探测器具有比热敏电阻更高的温度精度。
05 热电堆
为了减少热电偶的响应时间，提高灵敏度，常常把辐射接受面分成若干块，每块接入一个热电偶，相当于把热电偶串联堆叠起来，即构成了热电堆。由于热电堆由多个热电偶串联而成，每个热电偶产生的热电动势会叠加，因此灵敏度更高，会形成更大的输出电压信号。
一个典型的热电堆如图所示，其在金属衬底上制作一层绝缘层，在绝缘层上沉积热电材料并制作器件。
在实际应用中基于上图所示的热电堆探测器会有一些问题，比如衬底带来的热耗散。不期望的热耗散会导致器件热电转换效率低，灵敏度低，随着微电子工艺的发展，尤其是MEMS工艺的出现，微机械式的热电堆探测器被提出，并被用于红外探测中。为了建立热结区额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，常用的介质薄膜材料包括氮化硅和氧化硅。薄膜具有热导率小的特点，可以降低热耗散，常用的薄膜有封闭膜和悬臂膜两种结构。从隔热效果上说悬臂膜更具优势，但是其具有加工工艺复杂，成品率低，结构不稳定等问题。
热电堆探测器在在额温枪、耳温枪、智能家电、灯具开关、食品温度检测等领域中获得了广泛的应用。其应用场景包括：火警报警、 夜视仪、红外成像、温度测量、智能家电、人体存在感知、气体分析等。
在温度测量应用方面，热电堆传感器一般是非接触式测量，比如额温枪，而热敏电阻一般是在接触式测量的应用场景中。
06 热释电探测器
热释电探测器的工作原理基于热释电效应，热释电材料随着温度变化其极化状态会发生变化，导致电荷分布变化，从而产生电信号的变化。
这里先解释一下热释电材料。在32种点群晶体中，有21种点群不具备中心对称，其中20种具备压电性，被称为压电体。20种压电体中有10种点群具有唯一的单向极轴，存在自发极化，其自发极化会随着温度变化，即具有热释电性，被称为热释电体。在热释电体中，有一部分点群对应晶体不但在其温度范围内具有自发极化，还可以通过外电场重新定向，即具有铁电性。
热释电材料的自发极化强度随着温度变化关系的曲线如下图所示，随着温度升高，极化强度降低，当温度到达居里温度时，极化消失。
与其他热电探测器不同的是，热释电探测器只能探测变化的辐射信号。这是由于其原理是基于温度变化时，自发极化强度改变而导致表面电荷改变，比如温度升高，自发极化强度降低，表面电荷减少，相当于热“释放”了部分电荷，释放的电荷导致电信号的输出。但是如果持续的辐射作用，表面电荷将会重新达到平衡，也就不会有电荷释放和信号输出。
热释电探测器常和菲涅尔透镜结合构成模组。菲尼尔透镜是一种孔径更大，其焦距更短的透镜，因此可以传递更多的光。热释电红外传感器配合菲涅尔透镜使用可以发挥最大作用。不加菲涅尔透镜时，该传感器的探测半径可能不足2米，配上菲涅尔透镜则可达10米，甚至更远。菲涅尔透镜是用普遍的聚乙烯制成的，安装在传感器的前面。一个典型的热释电传感器模组和实物图如下图所示。
由于其对温度变化敏感，热释电探测器常用于人体感应灯，智能家居，火焰检测、人体移动检测、气体检测等。
07 用于红外探测的热电探测器（序）
当热信号是由于光辐射引起时，热电探测器的直接输入信号是光而不是热，基该效应叫做光热电效应。严格的说，光热电属于热电效应的子类。光热电效应的基本原理是：光照导致探测器探测区域的材料发生温升，温升导致器件某些物理性质变化，该物理性质的变化可以通过可检测量（电流、电压、电阻）体现出来。
与光子探测器（光伏型、光电导型）相比，光热电探测器的主要特点是：
光谱响应几乎与波长无关，而与接收到的光能量有关。
响应速度慢
无需制冷，可室温工作
成本低廉
光热电探测器按照原理可以分为热释电探测器，热电堆探测器，微测辐射热计探测器。
上面介绍热电探测器的时候介绍到过这三类探测器，其各具特点，在红外探测领域，其性能和特征对比如下。其中微测辐射热计可以实现更小尺寸，更高集成度，因此在高分辨率非制冷红外探测面阵中应用较广。热释电基于动态温差，主要用于动态检测场景，比如红外感应灯。
（To Be Continued ：由于热电探测范围广，内容多热释电、测辐射热计部分和红外探测相关的热电探测器本次介绍较少，下次再专题总结一下）
参考资料：
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