實(shí)用的熱電堆可以根據(jù)用途的不同制成多種類(lèi)型，包括細(xì)絲型、薄膜型、多通道型和陣列型器件等。對(duì)于紅外探測(cè)器來(lái)說(shuō)，其響應(yīng)率是一個(gè)重要的參數(shù)，該參數(shù)受多種因素影響，如紅外吸收效率、探測(cè)器熱導(dǎo)率、熱電偶對(duì)數(shù)等。其中，紅外吸收效率由吸收面積決定，面積越大，轉(zhuǎn)化紅外輻射為熱能的效率越高，從而使探測(cè)器響應(yīng)率更高。
熱電堆的原理
紅外熱電堆探測(cè)器的工作原理為塞貝克效應(yīng)(Seebeckeffect)。早先的紅外熱電堆探測(cè)器是利用掩膜真空鍍膜的方法，將熱電偶材料沉積到塑料或陶瓷襯底上獲得的，但器件的尺寸較大，且不易批量生產(chǎn)。
隨著MEMS技術(shù)的應(yīng)用，出現(xiàn)了微機(jī)械紅外熱電堆探測(cè)器。K.D.Wise 等人，最先利用MEMS 技術(shù)于20世紀(jì)80年代初制造獲得了硅基紅外熱電堆探測(cè)器。
目前，常規(guī)的熱電堆紅外探測(cè)器采用單層MEMS(Micro electro mechanical Systems，微機(jī)電系統(tǒng))的懸空結(jié)構(gòu)，在襯底上包括含有多對(duì)n型硅和p型硅的熱電偶101懸空部件，熱電偶圍繞在吸熱區(qū)102外邊緣，熱電偶的冷端103與襯底相連，熱端104與吸熱區(qū)102相連。吸熱區(qū)吸收的紅外輻射傳導(dǎo)到熱電偶，轉(zhuǎn)化成熱電偶熱端與冷端的電勢(shì)。其中，吸熱區(qū)102采用金黑涂層、銀黑涂層以及其他的材料作為吸收材料，來(lái)提高器件的紅外吸收率。
從熱電堆紅外傳感器的俯視圖可以看出，有2對(duì)熱電偶的熱電堆探測(cè)器，被熱電偶包圍的吸熱區(qū)102占整個(gè)傳感器表面積的比例約1/4。
實(shí)際上，為了讓熱電堆探測(cè)器更敏銳地捕捉紅外信號(hào)，科研人員通常會(huì)使用包含多對(duì)熱電偶的熱電堆紅外探測(cè)器。不過(guò)，現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)在增加熱電偶對(duì)數(shù)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致吸熱區(qū)面積縮小。這樣一來(lái)，探測(cè)器的紅外吸收能力會(huì)降低，從而影響其吸收率提高。為了解決這一問(wèn)題，一些熱電堆探測(cè)器采用金黑涂層、銀黑涂層等材料作為吸收材料，以提高器件的紅外吸收率。這些措施有助于提高探測(cè)器的響應(yīng)率，從而更加精準(zhǔn)地捕獲紅外信號(hào)。但是，金黑涂層、銀黑涂層一般采用電阻加熱真空蒸鍍法制作，這種工藝與 IC(Integrated Circuit，集成電路)工藝不兼容。
熱電材料
目前用于熱電堆型非致冷紅外焦平面陣列的熱電偶有P型多晶硅和金(Au)熱電偶、Si外延層有P型擴(kuò)散區(qū)和鋁(Al)熱電偶、P型(Bi1~x~Sbx)2Te3"和N型Bi1~x~Sbx薄膜熱電偶、N型和P型多晶硅熱電偶。其中N型和P型多晶硅熱電偶是當(dāng)前研究得比較深也是最有前途的探測(cè)材料。
ETH的LENGGENHAGER和Baltea等人1993年報(bào)道了用N型和P型多晶硅(PS)為熱電偶的單個(gè)熱電堆紅外探測(cè)器。讀出電路由CMOS制作，獲得的靈敏度為150V/W。霍尼韋爾公司W(wǎng)ood等人1995年報(bào)道了120元的線陣熱電堆紅外攝像傳感器。ISI公司已將其用于成像輻射計(jì)中。日本防衛(wèi)廳和日本電氣公司Kanno等人1994年報(bào)道了128×128元的熱電堆非致冷紅外焦平面陣列。用N型和P型多晶硅作熱電偶，獲得的靈敏度為1550V/W。它是目前熱電堆型非致冷紅外焦平面陣列的代表。
熱電堆的發(fā)展方向
目前熱電堆的主流生產(chǎn)工藝 MEM 工藝，考慮到提高探測(cè)靈敏度及微型化的需要，已經(jīng)有越來(lái)越多的研究往堆疊式方向前進(jìn)。如：埃賽力達(dá)(原鉑金公司)加拿大有限公司的在申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利“垂直堆疊式熱電堆”，申請(qǐng)?zhí)?011800234244。
熱電堆的應(yīng)用分析
熱電堆為實(shí)現(xiàn)非接觸、定點(diǎn)、定向測(cè)溫的電子元器件，在各種測(cè)溫環(huán)境中得到廣泛應(yīng)用。
MEMS熱電堆的測(cè)溫范圍一般在-20℃-100℃之間，精度一般0.1℃-0.2℃。熱電堆技術(shù)被廣泛應(yīng)用于測(cè)量物體的相對(duì)溫度，即物體與其周?chē)h(huán)境溫度的差值。不過(guò)，要計(jì)算得出物體的實(shí)際溫度，熱電堆自身的溫度必須經(jīng)過(guò)熱敏電阻標(biāo)定或電路補(bǔ)償。目前，熱電堆技術(shù)在民用和工業(yè)兩個(gè)領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用價(jià)值。在民用領(lǐng)域，它被廣泛應(yīng)用于電子體溫計(jì)、家電(如照明、冰箱、微波爐和空調(diào))的節(jié)能控制。而在工業(yè)領(lǐng)域，熱電堆技術(shù)則被應(yīng)用于建筑、辦公場(chǎng)所的節(jié)能系統(tǒng)、安防設(shè)備、以及機(jī)械設(shè)備關(guān)鍵發(fā)熱部件的溫度監(jiān)測(cè)和控制等方面。
體溫計(jì)
傳統(tǒng)體溫計(jì)采用水銀材質(zhì)，價(jià)格便宜，測(cè)量準(zhǔn)確度高，被廣泛運(yùn)用于醫(yī)療和家庭領(lǐng)域。但是，水銀體溫計(jì)需要較長(zhǎng)的測(cè)試時(shí)間，通常需要連續(xù)測(cè)量至少5分鐘才能獲得可靠的結(jié)果，并且還需要確保體溫計(jì)端與身體緊密接觸，否則會(huì)影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。
另外，水銀溫度計(jì)常是玻璃制的，且容易損壞并釋放出“汞”，從而對(duì)人體健康構(gòu)成了巨大危害。因此，越來(lái)越多的國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始禁止使用水銀體溫計(jì)。但是，不用擔(dān)心，市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了替代性的電子體溫計(jì)，它們的價(jià)格從便宜的一元錢(qián)到高檔的幾十、上百元不等。
此外，根據(jù)測(cè)量方式的不同，電子體溫計(jì)可劃分為接觸式和非接觸式兩種。為了保障您和家人的健康，昌暉儀表制造有限公司建議使用電子體溫計(jì)。
①接觸式體溫計(jì)
使用熱電偶原理，外觀與傳統(tǒng)水銀溫度計(jì)類(lèi)似，結(jié)構(gòu)亦分為測(cè)溫端和顯示端兩部分，測(cè)溫時(shí)間大概30秒左右，精度較高，市場(chǎng)售價(jià)根據(jù)外觀、做工和品牌不同，一般為10-50元之間，統(tǒng)計(jì)淘寶平均售價(jià)為25元(統(tǒng)計(jì) 40個(gè)樣本)。
②非接觸式體溫計(jì)
使用熱電堆原理，測(cè)量時(shí)間僅需1-2秒，非常適合為多動(dòng)的嬰兒測(cè)溫，可分為額溫計(jì)和耳溫計(jì)兩類(lèi)。市場(chǎng)價(jià)格也較高，國(guó)外品牌(德國(guó)博朗 BRAUN)淘寶價(jià)格為310元左右(國(guó)外官方售價(jià)40美金)，國(guó)產(chǎn)品牌價(jià)格在 100-150元之間。通過(guò)對(duì)比產(chǎn)品描述，國(guó)產(chǎn)品牌此類(lèi)溫度計(jì)可能發(fā)生較大誤差，需要通過(guò)使用者對(duì)比水銀溫度計(jì)示數(shù)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整，國(guó)外品牌溫度計(jì)可靠性更高，不存在此類(lèi)現(xiàn)象。
另有醫(yī)用熱電堆溫度計(jì)，可靠性更高，德國(guó)博朗的兩個(gè)型號(hào)售價(jià)分別為 200和250美金。熱電堆測(cè)溫對(duì)方向性要求很高，方向發(fā)生偏差對(duì)結(jié)果會(huì)有較大影響。節(jié)能型家電、建筑、辦公場(chǎng)所的節(jié)能系統(tǒng)、安防設(shè)備此類(lèi)應(yīng)用主要是彌補(bǔ)傳統(tǒng)熱釋電紅外傳感器的不足。
傳統(tǒng)PIR能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)的人體檢測(cè)，無(wú)法檢測(cè)出靜止的人。使用熱電堆可通過(guò)溫度感應(yīng)檢測(cè)出靜止的人。另外，熱電堆做成陣列后，便可對(duì)整個(gè)空間溫度進(jìn)行全面監(jiān)控，便于打造最舒適的生活環(huán)境。
日本歐姆龍于2012年7月在日本東京國(guó)際展覽中心舉辦的“第23屆微機(jī)械/MEMS展”中推出了其制造的“熱電堆陣列感應(yīng)模塊”，分為4×4 和1×8兩款，在同一個(gè)探頭內(nèi)形成熱電堆陣列，配合球面透鏡，對(duì)一定區(qū)域的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。測(cè)溫范圍5-50℃，精度0.14℃，功耗約30毫瓦。
網(wǎng)上小批量(50pcs以上小批量)售價(jià)為340元/pcs(4×4)、305元/pcs(1*8)，2013年度目標(biāo)銷(xiāo)售20億日元(1.2 億人民幣)。該模塊可以直接應(yīng)用于各種測(cè)溫、溫控、人體感應(yīng)等電器或系統(tǒng)。
在工業(yè)中，機(jī)械設(shè)備的關(guān)鍵發(fā)熱部件的溫度監(jiān)測(cè)和控制至關(guān)重要。為了實(shí)現(xiàn)精確的溫度監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制，越來(lái)越多的企業(yè)開(kāi)始采用熱電堆技術(shù)。相比于普通的溫度傳感器，熱電堆不需要接觸到固定位置就可以測(cè)定一定區(qū)域內(nèi)的溫度，極大地提高了檢測(cè)效率和精度。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，熱電堆能夠迅速檢測(cè)到異常溫度并自動(dòng)停止生產(chǎn)線，避免災(zāi)害發(fā)生。因此，熱電堆正逐漸成為工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的重要工具。
如今，工業(yè)界對(duì)熱電堆的精度和測(cè)溫范圍有著更高的要求，而這些參數(shù)比民用熱電堆更加嚴(yán)格。由于熱電堆的測(cè)量方式是非接觸式的，只需要保持熱電堆周?chē)h(huán)境的溫度穩(wěn)定，就可以遙控監(jiān)測(cè)高溫對(duì)象，為工業(yè)生產(chǎn)提供一種準(zhǔn)確、可靠且高效的解決方案。
例如MEAS(精量電子(深圳)有限公司)TSEV01型號(hào)測(cè)溫范圍可達(dá)到0℃-300℃，精度0.1℃，甚至有能夠測(cè)量高達(dá)1700℃的熱電堆傳感器。
