热电偶和热电堆

热电偶发明于1826年，但至今仍在光谱、光度探测仪器中有广泛的应用，尤其是在高、低温探测领域中的应用，是其他探测器件所无法取代的。

5.3.1 热电偶的工作原理

热电偶是一种热敏元件，它在接收入射辐射以后将出现温升现象，随之产生一种温差电动势，因而使用时不需加外电源。热电偶正是利用物质温差产生电动势的效应来检测入射辐射的。

图5－5（a）所示为温差热电偶的原理图。当两种材料的金属A和B组成一个回路时，若两金属连接点的温度存在差异，则在回路中会有电流产生，即由于温度差而产生电位差ΔU。回路电流I＝ΔU／R，式中R为回路电阻。这一现象称为温差电效应（也称塞贝克效应）。

温差电位差ΔU的大小与A、B的材料有关，通常由铋（Bi）和锑（Sb）所构成的回路有最大的温差电位差，其值约为100μV／℃。用来接触测温度的测温热电偶，常用由铂（Pt）、铹（Rh）等合金构成的测温热电偶，它具有较宽的测量范围，一般为－200℃～1 000℃，测量准确度高达1／1 000℃。

测量辐射能的热电偶称为辐射热电偶，它与温差热电偶的原理相同，但结构不同。如图5－5（b）所示，辐射热电偶的热端接收入射辐射，因此在热端装有一块涂黑的金箔，当入射辐射通量Φe被金箔吸收后，金箔的温度升高，形成热端，产生温差电动势，在回路中将有电流流过。用检流计G可检测出电流I。图中J1为热端，J2为冷端。

图5－5 热电偶

图5－6 半导体辐射热电偶

由于入射辐射引起的温升ΔT很小，因此对热电偶材料和结构要求很高，热电偶结构也非常复杂，成本较高。目前，辐射热电偶大多用半导体材料组成。采用半导体材料构成的辐射热电偶不但成本低，而且有更高的温差电位差。半导体辐射热电偶的温差电位差可高达500 μV／℃。图5－6所示为半导体辐射热电偶的结构示意图。图中用涂黑的金箔将N型半导体材料和P型半导体材料连在一起，构成热结，N型半导体及P型半导体的另一端（冷端）将产生温差电动势，P型半导体的冷端带正电，N型半导体的冷端带负电。两端的开路电压Uoc与入射辐射使金箔产生的温升ΔT的关系为

Uoc＝M12ΔT 　（5－32）

式中：M12为塞贝克系数，又称温差电动势率（V／℃）。

辐射热电偶在恒定辐射作用下，用负载电阻RL与其构成回路，将有电流I流过负载电阻，并产生电压降UL，则

式中：Φ0为入射辐射通量；α为金箔的吸收系数；Ri为热电偶的内阻；GQ为总热导。

若入射辐射为交变辐射信号，Φ＝Φ0ejωt，则产生的交流信号电压为

式中：ω＝2πf，f为交变辐射的调制频率；τT为热电偶的时间常数，τT＝RQCQ＝CQ／GQ，其中RQ、CQ、GQ分别为热电偶的热阻、热容和热导。热导GQ与材料的性质及周围环境有关，为使热导稳定，常将热电偶封装在真空管中，因此，通常称其为真空热电偶。虽然真空封装的响应度为非真空封装热电偶的2倍以上，但真空封装后热电偶与外界的热交换变差，因而时间常数将会增大。

5.3.2 热电偶的基本特性参数

真空热电偶的基本特性参数有灵敏度、响应时间和最小可探测功率等。

1.灵敏度

在直流辐射作用下，热电偶的灵敏度为

在交变辐射信号作用下，热电偶的灵敏度为

由式（5－35）、式（5－36）可见，要提高热电偶的灵敏度，除选用塞贝克系数较大的材料外，增加辐射的吸收率α、减小内阻Ri和热导GQ等措施都是有效的。对于交变辐射作用下的灵敏度，降低工作频率，减小时间常数τT，也会使热电偶的灵敏度有明显的提高。但是，热电偶的灵敏度与时间常数是一对矛盾，应用时只能兼顾。

2.响应时间

热电偶的响应时间为几毫秒到几十毫秒，比较长，因此，它常被用来探测直流状态或低频率的辐射，一般不超过几十赫兹。但是，在氧化铍（BeO）衬底上制造铋－银（Bi－Ag）结结构的热电偶有望得到更快的时间响应，采用这种工艺的热电偶，其响应时间可达到或小于10－7s。

3.最小可探测功率

热电偶的最小可探测功率取决于探测器的噪声，主要包括热噪声和温度起伏噪声，电流噪声可忽略。半导体热电偶的最小可探测功率一般为10－11W左右。

5.3.3 热电堆

1.热电堆的结构

为了减小热电偶的响应时间，提高灵敏度，常把辐射接收面分为若干块，每块都接一个热电偶，并把它们串联起来构成热电堆。如图5－7所示，在镀金的铜基体上蒸镀一层绝缘层，在绝缘层的上面蒸镀制造工作结和参考结。参考结与铜基之间要保证电气绝缘及热接触，而工作结与铜基间对电气和热都要保证绝缘。热电材料涂敷在绝缘层上，把这些热电偶串接或并接起来，就构成了热电堆。

图5－7 热电堆

2.热电堆的参数

1）热电堆的灵敏度

热电堆的灵敏度为

Sth＝nS 　（5－37）

式中：n为热电堆中热电偶的对数（或PN结的个数），S为热电偶的灵敏度。

2）热电堆的响应时间

热电堆的响应时间常数为

τth∝CthRth 　（5－38）

式中：Cth为热电堆的热容量，Rth为热电堆的热阻抗。

由式（5－37）、式（5－38）可以看出，要想同时实现高速化和提高灵敏度，就要在不改变热阻抗Rth的情况下减小热容量Cth。Rth由导热通路长度、热电堆的数目及膜片的剖面面积比决定。因而，要想实现传感器的高性能化，就要减小热电堆的多晶硅间隔，减小构成膜片的材料厚度，以减小热容量。

3.热电堆探测器的使用注意事项

热电堆探测器在使用时，应注意以下几点：

①辐射热电偶与光电倍增管一样，不能受强辐射照射，它允许的最大辐射通量为几十微瓦，所以通常都用来测量微瓦以下的辐射通量；

②流过热电偶的电流一般在1μA以下，绝不能超过100μA，因而千万不能用万用表来检查热电偶的好坏，否则会烧坏金箔，损坏热电偶；

③在保存时，应注意热电偶的两个输出端不能短路，并避免强烈振动；

④防止产生感应电流，尤其是电火花；

⑤使用环境温度不应超过60℃。