本文专注于探讨热释电传感器的发展历程、基本运作原理、分类以及一些特性方面的情况。

1.热释电传感器的发展状况

红外探测技术作为高新技术领域的一部分，目前在全球市场上，欧美等国家一直占据着主导地位。相较之下，我国在这一领域的技术发展相对滞后，许多设备如红外热成像仪、红外气体传感器等的自主生产能力仍然严重不足，主要依赖于进口原材料。

图1展示了全球主要红外探测器生产公司及其分布情况。在这些公司中，德国拥有5家公司，日本有6家，美国有4家，英国有3家，而中国只有2家。以下主要介绍了一些专注于红外探测器生产的公司，包括德国的InfraTec、DIAS，日本的Nicera，英国的Pyreos以及中国的ZBSensor。

图 1 红外传感器厂商分布图

德国 InfraTec 公司于 1991 年在德国德累斯顿成立，InfraTec 专业致力于性能先进、品质卓越的高性能红外传感与成像产品的研发与制造。InfraTec 具有丰富的单元、多元红外探测器产品线，是目前国际上 TO 系列红外探 测器产品最多的公司。其产品主要用于微电子产品研发、能源开发、航空航天、 建筑检测、冶金、工业制造过程优化、质量管控、新材料特性测试、医学研究、 无损检测、火焰探测、气体分析、设备预知维护、灾难搜救与目标监视等领域。

英国 Pyreos 公司总部位于英国爱丁堡，是一家提供高性能薄膜热释电探测器和中红外光谱仪的厂家。其产品主要是各种规格的热释电传感器，可以覆盖 1.3um-25um 的红外谱段，灵敏度高，频率响应特性好，拥有 14 项专利技术，性能优良。基于其独有的薄膜热释电探测技术（Thin-Film Pyroelectric Technology）， 这项技术由德国西门子公司于上世纪九十年代初开发出来，历经十余年的研发和 改进，2008 年被 Pyreos 公司收购，并开始大批量生产基于该技术的红外探测器。

德国 DIAS 公司于 1992 年在德国德累斯顿成立，一家研发和制造高质量的红外摄像机，红外摄像机，高温计，黑色的身体工业温度测量和红外探测器。还自主研发软件的显示和处理测量数据，确保一个有效的评估。

上海尼赛拉传感器有限公司，系中国科学院上海技术物理研究所德福光电技术公司与日本陶瓷株式会社于 1986 年创建的合资企业。总投资 1.48 亿人民币。上海尼赛拉传感器有限公司致力于智能传感器、安全防范，节能照明等领域产品 的研发和生产，为逐步兴起的物联网作贡献。公司主要研发、生产和销售热释电红外传感器，超声波传感器，霍尔器件，滤光片及各类传感器应用品。

淄博博山新颖传感器厂成立于 2001 年 5 月，是以电子器件、探测器研发生产销售为主的科技型企业。淄博博山新颖传感器厂的产品有多个系列，多种规格，能满足不同领域，不同仪器的需要。热释电红外探测器主要用于红外光谱测量、辐射功率和能量测量、辐射测温、火灾检测报警、有毒有害气体监测、气体分析等，涉及到物质热辐射研究、激光、汽车、钢铁、石油、电力、消防、安保、环保、工业生产过程监测等领域。

我国红外探测技术仍处于起步阶段，与国外仍有很大的差距。红外技术已经从过去的战术地位发展到今天的战略地位，已经成为国家安全依赖的主要探测技术手段，红外技术在民用领域也成了不可或缺的重要技术。因此，发展红外技术有助于提升我国的综合国力，对我国挤身于技术大国的行列具有重要的意义。

2.热释电传感器工作原理：

任何物质在 0K（-273.15℃）以上都会向外产生热辐射。

一、热释电敏感源感受热辐射内部材料温度上升；

二、温度上升导致热释电材料极化强度发生改变从而使材料表面产生电荷；

三、读出电路将热释电材料表面的电荷进行放大并转化为电压或电流信号；

具体说来：热释电探测器的关键部分一般是一个钽酸锂单晶(LiTaO3)，类似一个很薄的平板电容器。在受热时，晶体两端会产生符号相反的电荷。探测器的热释电薄片有一层均匀的黑化吸收涂层来增加红外辐射的吸收。吸收的辐射改变了灵敏元的温度，从而使表面电极充电。热释电芯片（一般是 50pF）上，根据运行模式的不同，可以产生电流或电压信号，继而转变成一个有用的电信号。此信号与温度变化成正比，而不是与绝对温度成正比。这也是为什么热释电探测器只对调制辐射有影响。晶体温度的微小增加所产生的极少量电荷会在密封的结晶管外壳内保持稳定，不会受外部影响。电流或电压模式下都封装有低漏导/低噪声前置放大器（（结型场效应管或运算放大器）和反馈/栅极电阻（一般为 50GΩ））。需要注意探测器外壳温度的变化（仅在温度骤变时！）会产生“假”信号，这时加一个不受红外辐射影响并且反向平行连接的补偿元芯片会抑制这一效应。

3.热释电传感器的分类

按照通道数量分类：单通道，双通道、四通道等

按照工作模式分类：电压型、电流型、电荷型

热释电转换来的电信号非常微小，因此传感器内置放大电路对其进行放大。放大电路主要有两种基本的模式：电压模式和电流模式。电压模式以场效应管为主，场效应管主要起阻抗变换的作用，通过跨导实现一定的放大作用，但放大倍数有限，且无法调节。而电流模式主要以运算放大器为主，可利用反馈电路放大功能实现不同倍数的放大。不管是场效应管还是运算放大器，都可等效为一 个输入电阻 Ra 和一个输入电容 Ca 的并联，以及一个电压噪声源 Ua 和一个电流噪声源 Ia。

下图 2 为红外探测器电压模式电路图，灵敏元与高阻Rg并联后接到场效应管的栅极。场效应管一般工作在饱和区，场效应管作为电压跟随器，具有一定的放大功能，放大倍数为 Av。电压模式探测器具有结构简单，成本低等特点。

图 2 红外探测器电压模式电路图

下图 3 为电流模式探测器放大电路，电流模式放大电路主要由运算放大器、 反馈电阻、反馈电容以及灵敏元构成。这里我们把运算放大器看成是理想元件，根据运放虚短原则，灵敏元产生的热释电电流通过反馈电阻和反馈电容直接在运放的输出端输出。根据虚断的原则，运放负极输入端与正极输入端电位相同，由于正极输入端接地，电位为零，因此负极输入端的电位也为零。反馈电阻和反馈电容并联构成电流模式探测器的输出阻抗，即电流模式探测器的放大倍数。电流模式探测器具有可调节内部放大电路的优势，无需后续进一步放大，满足应用的需求。

图 3 红外探测器电流模式电路图

4.热释电探测器的特性

电压模式响应率随频率的增加而减小，具有很好的线性度。电流模式探测器响应率随频率变化与电压模式探测器有所不同。电流模式探测器响应率随频率变化先基本保持不变，然后再线性降低。这主要是由于电流模式中引入反馈电阻和反馈电容后，降低了探测器的电时间常数，使响应率曲线向高频方向平移所引起的。

电压模式探测器的响应率与灵敏元热释电系数成正比，与介电常数成反比。灵敏元热释电系数越高，介电常数越低，电压模式响应率就越高。电流模式探测器响应率与灵敏元的热释电系数、反馈电阻成正比，与灵敏元的厚度成反比，而与灵敏元的介电常数无关。

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