一、热电堆的概念

一种温度测量元件。热电堆是由多个热电偶串联而成的，每个热电偶都会输出热电势，并且这些热电势会互相叠加。因此，热电堆可以用于测量微小的温差或者求出平均温度。其结构是将辐射接收面分成若干块，并且每块接一个热电偶，在将它们串联起来。这样，热电偶就构成了一个热电堆。

实用的热电堆可以根据用途的不同制成多种类型，包括细丝型、薄膜型、多通道型和阵列型器件等。对于红外探测器来说，其响应率是一个重要的参数，该参数受多种因素影响，如红外吸收效率、探测器热导率、热电偶对数等。其中，红外吸收效率由吸收面积决定，面积越大，转化红外辐射为热能的效率越高，从而使探测器响应率更高。

二、热电堆的原理

红外热电堆探测器的工作原理为塞贝克效应（Seebeckeffect）。早先的红外热电堆探测器是利用掩膜真空镀膜的方法，将热电偶材料沉积到塑料或陶瓷衬底上获得的，但器件的尺寸较大，且不易批量生产。

随着 MEMS 技术的应用，出现了微机械红外热电堆探测器。K．D．Wise 等人，最先利用 MEMS 技术于 20 世纪80 年代初制造获得了硅基红外热电堆探测器。

目前，常规的热电堆红外探测器采用单层 MEMS(Micro—electromechanicalSystems，微机电系统)的悬空结构，在衬底上包括含有多对 n 型硅和 p 型硅的热电偶 101 悬空部件，热电偶围绕在吸热区 102外边缘，热电偶的冷端 103 与衬底相连，热端 104 与吸热区 102 相连。吸热区吸收的红外辐射传导到热电偶，转化成热电偶热端与冷端的电势。其中，吸热区102 采用金黑涂层、银黑涂层以及其他的材料作为吸收材料，来提高器件的红外吸收率。

从热电堆红外传感器的俯视图可以看出，有 2 对热电偶的热电堆探测器，被热电偶包围的吸热区 102 占整个传感器表面积的比例约 1/4。

实际上，为了让热电堆探测器更敏锐地捕捉红外信号，科研人员通常会使用包含多对热电偶的热电堆红外探测器。不过，现有的结构在增加热电偶对数时，会导致吸热区面积缩小。这样一来，探测器的红外吸收能力会降低，从而影响其吸收率提高。为了解决这一问题，一些热电堆探测器采用金黑涂层、银黑涂层等材料作为吸收材料，以提高器件的红外吸收率。这些措施有助于提高探测器的响应率，从而更加精准地捕获红外信号。但是，金黑涂层、银黑涂层一般采用电阻加热真空蒸镀法制作，这种工艺与 IC(IntegratedCircuit，集成电路)工艺不兼容。

热电材料：

目前用于热电堆型非致冷红外焦平面阵列的热电偶有 P 型多晶硅和金（Au）热电偶、Si 外延层有 P 型扩散区和铝（Al）热电偶、P 型（Bi1~x~Sbx）2Te3"和 N 型 Bi1~x~Sbx 薄膜热电偶、N 型和 P 型多晶硅热电偶。其中 N 型和 P型多晶硅热电偶是当前研究得比较深也是最有前途的探测材料。

ETH 的LENGGENHAGER 和 Baltea 等人 1993 年报道了用 N 型和 P 型多晶硅（PS）为热电偶的单个热电堆红外探测器。读出电路由 CMOS 制作，获得的灵敏度为 150V/W。霍尼韦尔公司 Wood 等人 1995 年报道了 120 元的线阵热电堆红外摄像传感器。ISI公司已将其用于成像辐射计中。日本防卫厅和日本电气公司 Kanno 等人1994 年报道了 128*128 元的热电堆非致冷红外焦平面阵列。用 N 型和 P 型多晶硅作热电偶，获得的灵敏度为 1550V/W。它是目前热电堆型非致冷红外焦平面阵列的代表。

三、热电堆的发展方向

目前热电堆的主流生产工艺是 MEMS 工艺，考虑到提高探测灵敏度及微型化的需要，已经有越来越多的研究往堆叠式方向前进。如：埃赛力达（原铂金公司）加拿大有限公司的在申请发明专利“垂直堆叠式热电堆”，申请号 2011800234244。

四、热电堆的应用分析

热电堆为实现非接触、定点、定向测温的电子元器件，在各种测温环境中得到广泛应用。

MEMS 热电堆的测温范围一般在-20℃-100℃之间，精度一般0.1℃-0.2℃。热电堆技术被广泛应用于测量物体的相对温度，即物体与其周围环境温度的差值。不过，要计算得出物体的实际温度，热电堆自身的温度必须经过热敏电阻标定或电路补偿。目前，热电堆技术在民用和工业两个领域都有重要的应用价值。在民用领域，它被广泛应用于电子体温计、家电（如照明、冰箱、微波炉和空调）的节能控制。而在工业领域，热电堆技术则被应用于建筑、办公场所的节能系统、安防设备、以及机械设备关键发热部件的温度监测和控制等方面。

体温计

传统体温计采用水银材质，价格便宜，测量准确度高，被广泛运用于医疗和家庭领域。但是，水银体温计需要较长的测试时间，通常需要连续测量至少5分钟才能获得可靠的结果，并且还需要确保体温计端与身体紧密接触，否则会影响测量结果的准确性。

另外，水银温度计常是玻璃制的，且容易损坏并释放出“汞”，从而对人体健康构成了巨大危害。因此，越来越多的国家已经开始禁止使用水银体温计。但是，不用担心，市场上已经出现了替代性的电子体温计，它们的价格从便宜的一元钱到高档的几十、上百元不等。

此外，根据测量方式的不同，电子体温计可划分为接触式和非接触式两种。为了保障您和家人的健康，我们强烈建议使用电子体温计。

· 接触式体温计

使用热电偶原理，外观与传统水银温度计类似，结构亦分为测温端和显示端两部分，测温时间大概 30 秒左右，精度较高，市场售价根据外观、做工和品牌不同，一般为 10-50 元之间，统计淘宝平均售价为 25 元（统计 40 个样本）。

· 非接触式体温计

使用热电堆原理，测量时间仅需 1-2 秒，非常适合为多动的婴儿测温，可分为额温计和耳温计两类。市场价格也较高，国外品牌（德国博朗 BRAUN）淘宝价格为310 元左右（国外官方售价 40 美金），国产品牌价格在 100-150元之间。通过对比产品描述，国产品牌此类温度计可能发生较大误差，需要通过使用者对比水银温度计示数进行手动调整，国外品牌温度计可靠性更高，不存在此类现象。

另有医用热电堆温度计，可靠性更高，德国博朗的两个型号售价分别为 200 和 250美金。热电堆测温对方向性要求很高，方向发生偏差对结果会有较大影响。节能型家电、建筑、办公场所的节能系统、安防设备此类应用主要是弥补传统热释电红外传感器的不足。

传统 PIR 能够实现动态的人体检测，无法检测出静止的人。使用热电堆可通过温度感应检测出静止的人。另外，热电堆做成阵列后，便可对整个空间温度进行全面监控，便于打造最舒适的生活环境。

日本欧姆龙于 2012 年 7 月在日本东京国际展览中心举办的“第 23 届微机械/MEMS 展”中推出了其制造的“热电堆阵列感应模块”，分为 4*4 和 1*8 两款，在同一个探头内形成热电堆阵列，配合球面透镜，对一定区域的温度进行监测。测温范围 5-50℃，精度 0.14℃，功耗约 30 毫瓦。

网上小批量（50pcs 以上小批量)售价为 340 元/pcs（4*4）、305 元/pcs（1*8），2013 年度目标销售 20 亿日元（1.2 亿人民币）。该模块可以直接应用于各种测温、温控、人体感应等电器或系统。

在工业中，机械设备的关键发热部件的温度监测和控制至关重要。为了实现精确的温度监测和自动控制，越来越多的企业开始采用热电堆技术。相比于普通的温度传感器，热电堆不需要接触到固定位置就可以测定一定区域内的温度，极大地提高了检测效率和精度。当设备出现故障时，热电堆能够迅速检测到异常温度并自动停止生产线，避免灾害发生。因此，热电堆正逐渐成为工业生产中不可或缺的重要工具。

如今，工业界对热电堆的精度和测温范围有着更高的要求，而这些参数比民用热电堆更加严格。由于热电堆的测量方式是非接触式的，只需要保持热电堆周围环境的温度稳定，就可以遥控监测高温对象，为工业生产提供一种准确、可靠且高效的解决方案。

例如 MEAS（精量电子（深圳）有限公司）TSEV01 型号测温范围可达到 0℃-300℃，精度 0.1℃，甚至有能够测量高达 1700℃的热电堆传感器。