2.6 测辐射热计及其使用

凡吸收入射辐射后引起温升而使电阻改变，导致负载电阻两端电压的变化，并给出电信号的器件叫做测辐射热计或热敏电阻。

2.6.1 测辐射热计概述

测辐射热计（Bolometer）是利用某些热敏材料的电阻率随温度发生变化的特性而制成的电阻性元件，因而也称为热敏电阻。一般，测辐射热计按热敏材料的不同可分为两类：一是金属（如镍、铋、铂）型，其电阻温度系数多为正的，且绝对值比半导体的小，但电阻与温度的关系基本上是线性的，并且耐高温的能力较强，因而多用于温度的模拟测量；二是半导体（如锰、钴等的氧化物混合烧结而成）型，其电阻温度系数多为负的，且绝对值比金属的大10多倍，但电阻与温度的关系是非线性的，并且耐高温的能力较差，因而多用于辐射的探测，如用于温度自动补偿、防盗报警、防火系统、热辐射体的搜索和跟踪等。实际上，测辐射热计除有正温度系数（PTC）与负温度系数（NTC）外，还有一种临界温度系数（CTC）的，这种除个别特殊用途外，很少见到。常见的是NTC型热敏电阻。

半导体材料和金属（白金）的温度特性曲线，如图2-53所示。白金的电阻温度系数为正值，大约为±0.37%；而半导体材料，常常用金属氧化物如铜的氧化物、锰-镍-钴的氧化物，它们是粉末状的，用黏合剂黏合后，涂敷在瓷管或玻璃上烘干即成半导体材料，电阻温度系数为负值，为-3%～-6%，约为白金的10倍以上，所以热敏电阻探测器常用半导体材料，而很少用金属。通常，在热敏元件表面用发黑材料进行表面黑化，以增强对辐射的吸收能力。热敏电阻的典型结构及其外形如图2-54（a）所示，图2-54（b）为其电路符号。

辐射热敏电阻装入金属壳内，通常把两个性能相似的热敏电阻一起装入，一个是工作元件，接收辐射；另一个是环境温度补偿元件，这两个元件有相同的导热参数，为了保证相同的环境条件，两个元件尽可能地靠近。否则补偿效果就差些，补偿元件不能接收辐射，通常用硅橡胶灌封把它掩盖起来。

热敏电阻同光敏电阻十分相似，为了提高输出信噪比，必须减小其长度。但为了不使接收辐射的能力下降，有时也用浸没技术，以提高探测度。

热敏电阻一般做成二端器件，其典型结构如图2-54（a）所示。热敏电阻也有构成三端或四端的，二端和三端器件为直热式，即直接由电路中获得功率。根据不同的要求，可以把热敏电阻做成不同的形状结构，图2-55为几种常用的热敏电阻的外形图。

2.6.2 测辐射热计的特点及参数选择

1. 测辐射热计的特点

相对于一般的金属电阻，热敏电阻的特点是：①电阻的温度系数大，灵敏度高，热敏电阻的温度系数一般为金属电阻的10～100倍。②结构简单，体积小，可以测量近似几何点的温度。③电阻率高，热惯性小，适宜做动态测量。④像电阻一样，使用方便。⑤常用的半导体热敏电阻的阻值与温度的变化成非线性。⑥稳定性和互换性较差。

2. 测辐射热计的参数选择

由以上分析可知，要使热敏电阻的电压灵敏度大，则电流I、电阻温度系数β、热敏电阻RT、吸收系数α都要大，而热导G、热辐射的交变频率ω和热容CF都要小。但是，这些参量常常彼此相互制约，只能在实际应用中折中地选取，而不能随意增减，选取这些参数值的大小通常考虑如下几点：①由于要求放大器的输入阻抗要远大于 RT，这就限制了 RT不能任意地大。另外，假如RT很大，那它和引线的杂散分布电容等参数和放大器输入电容等所构成的电路时间常数就有可能大于热时间常数。这将使器件的频率特性变坏，甚至难以工作。②热敏电阻的温度系数αT取决于材料。对于大多数金属，αT≈1/T。对于大多数半导体，在某有限温度区间内，αT≈3000/T2。所以，可通过致冷提高αT。③为了提高吸收系数α，常常要使热探测器灵敏面表面黑化，以保证在可见光区的充分吸收。④为了减小热导G，可使接收元件装在一个真空的外壳里。但G小会使热时间常数τT（=CF/G）变大，使得器件的频率特性变坏。有时为了提高频率特性，需要把热敏电阻粘在一块热导率很大的衬底上，以取得小的时间常数。⑤电流I不能很大，因I若较大，产生的热能会使元件的温度提高，如果αT是负值，还可能因为RT变小而产生破坏性的热击穿。另外，电流I大了，噪声也要随之增大。限制热敏电阻最小可探测功率的主要因素，是与元件电阻有关的约翰逊噪声（热噪声）和与辐射吸收、发射有关的温度噪声。在室温情况下，热敏电阻的噪声等效功率可达10-6～10-9W·Hz-1/2，在致冷到液氦温度（3K）时，可达到10-13～10-14W·Hz-1/2。

2.6.3 测辐射热计的应用电路及使用要点

1. 测辐射热计的应用

由前文可知，测辐射热计是通过探测入射辐射，使其电阻值变化，从而检测输出电压信号的变化，据此测量温度的。并且，它测温的响应率较高，因此广泛用于测量温度、恒温控制与红外探测等。

目前，主要发展硅基微测辐射热计焦平面阵列器件，如240×360像素双层微测辐射热计阵列，其比探测率D*已提高到109 cmHz1/2/W，并用于凝视型红外成像系统。

2. 测辐射热计的应用电路

在实际应用中，测辐射热计通常接成桥式电路或以补偿元件为负载再接放大器，如图2-56所示。在图中，RT1为接收元件，RT2为补偿元件，R1=R2为普通电阻，R3为普通电阻或放大器电路；Ubb为加在测辐射热计两端的偏置电压。在图2-56（a）中，当没有光辐射时， RT1=RT2，使电桥保持平衡；有光辐射时，接收元件RT1的电阻值改变，而补偿元件RT2的电阻值不变，因而电桥不平衡，O1点的电位发生变化，检测该点的电位，即可探知光辐射的情况。

在图2-56（b）中，当有光辐射时，接收元件RT1的电阻值改变，而补偿元件RT2的电阻值不变，因而负载RT2两端的电压发生变化。检测该电压信号，即可探知光辐射的情况。

3. 测辐射热计的使用要点

测辐射热计的响应灵敏度也很高，一般不需要致冷，如对灵敏面采取致冷措施后，灵敏度会进一步提高；它的机械强度也较差，容易破碎，使用时要小心；与它接近的放大器要有很高的输入阻抗；流过它的偏置电流不能大，以免电流产生的热能影响灵敏面的温度等。

2.6.4 几种新型的测辐射热计

1. 超导测辐射热计

所谓超导测辐射热计，是利用某些金属或半导体，从正常态变为超导态时，电阻发生巨大变化这一特性来工作的。超导材料多为铌、钽、铅或锡的氮化物，它们在15～20K 时，即变为超导体。“超导转变”发生在十分之几或百分之几度的温度范围，其转变期内的温度仅为几分之一开氏温度，因而其电阻-温度曲线非常陡峭。如氮化铌，可供利用的转变温度的范围为1～15K。

超导测辐射热计是用一个超导体材料制成薄片、细丝或薄膜，装在置于杜瓦瓶内的散热片上。当受到辐射时，加热使温度增加，从而引起电阻改变，并通过桥式电路检测出来。但要保持转变期温度不变，所需的致冷量很大，控制复杂，因此这种探测器目前还难以在实验室外使用。

由于超导测辐射热计在转变点工作的稳定性非常重要，因而工作温度必须精确控制。并且，低温工作也有噪声低、热容量小的优越性。与光电探测器件在某些光谱区对比，超导测辐射热计将在50 μm～1mm的光谱范围内有很大用途。

2. 碳测辐射热计

所谓碳测辐射热计，测辐射的灵敏元件主要是用的碳。实际上，碳测辐射热计的灵敏元件是从碳质电阻上切下来的一小块，一般是厚48 μm，面积为19mm2的薄片，装在一个双层杜瓦瓶内。即使液态空气瓶包着液态氦气瓶，在氦中用真空泵抽空，将温度降到氦的正常沸点。在杜瓦瓶的底部，有三个透红外的窗口，它们依次为最外层的室温下的石英片、液态空气中的石蜡和在液氦中的石英。用它们作为滤光片，以滤去小于40 μm的波长。

碳测辐射热计的响应率很高，约为104V/W，响应时间为10ms，比探测率D*为4.25×1010 cm·Hz1/2/W。当它致冷到2.1K时，其比探测率D*要比一般热敏电阻测辐射热计高一个数量级。目前，它已用于极远的红外波段的分光考察。

3. 锗测辐射热计

所谓锗测辐射热计，测辐射的灵敏元件主要是用的锗。实际上，锗测辐射热计的灵敏元件是锗掺镓单晶。当它致冷到2.1K 时，其比探测率 D*比一般热敏电阻测辐射热计高1～2个数量级，并且它的光谱响应宽，可延伸到1000 μm以外。

4. 微机电系统（MEMS）测辐射热计

为了尽可能地增加器件的热绝缘性，减小热导以提高器件的灵敏度，采用MEMS技术，制成了一种悬浮微桥结构的微测辐射热计。它用两臂支撑的微桥实现热绝缘，Si、N 作为支撑薄膜，微桥下方的硅衬底被掏空，微桥桥面上制作多晶锗硅Poly-Si0.7Geo.3，薄膜电阻作热敏探测源。为了提高对红外的吸收，表面有SiO/SiN复合膜作红外吸收层。

此外，一种完全与IC技术兼容的MEMS工艺制成的新型微测辐射热计，是通过硅的各向异性腐蚀，把CMOS结构的N阱掏空而形成的悬吊结构（利用TMAH溶液的电化学技术）。当像素单元为74 μm×74 μm时，这种新型微测辐射热计的直流响应率达到9250V/W，比探测率可达2×109cm·Hz1/2/W。由于这种方法在完成CMOS结构后，不再需要任何光刻或红外敏感材料的沉积，使得探测器的成本大大降低，几乎可以做到与 CMOS 芯片的成本等价，因而具有非常大的发展前途。目前，微测辐射热计阵列大小已达640×480，像素尺寸25 μm×25 μm，性能已达到非致冷型光子探测器的水平。