红外辐射传感元件 本发明涉及一种红外辐射传感元件，尤其涉及这样的红外辐射传感元件，它包含热电元件、位于所述热电元件上的用于接收被测物体辐射红外线的光接收面，以及分别位于所述热电元件对置端面上的一对外部电极。
图7A示出了一种已知的热电红外传感元件1。该现有的传感元件包括一矩形板状热电体1a，其上下表面分别形成电极2a和3a，并且如箭头所示，在电极2a和3a之间进行极化处理。图7B示出了另一个现有技术中的热电红外传感元件1，它包括一热电体1b，热电体的两侧表面上形成电极2b和3b，并且如箭头所示，在电极2b和3b之间进行极化处理。如箭头所示，利用这些热电红外传感元件，可以在垂直于极化方向的方向上形成电极2a、3a和电极2b、3b。
在这些现有的热电红外传感元件1中，当被测物体辐射的红外线入射到每个热电红外传感元件1的光接收平面上时，热电体1a和1b中会产生微弱的温度变化。该温度变化将迫使热电体1a和1b(原先其载流子处于平衡状态)的面电荷载流子群发生移动，使电压相应上升。按这样的方式用该电压检测或感测被测目标，即用一个使用场效应晶体管(FET)的相关阻抗转换电路以电学的方式将电压放大，然后将转换成相应的电信号。
对于这样的现有热电红外传感元件1，为了提高表示热电器件特性的相对检测率(relative detection rate)或“检测灵敏度(detectivity)”，必需通过减小热电体本身的厚度并且形成用来接收入射红外光的凹陷形光接收部分，来达到绝热。这将减低热容量，并且尽可能地减低热时间常数(thermal time constant)，从而提高总的相对检测率。
不幸的是，上述现有热电红外传感元件1遇到了以下若干困难。因为严格要求在降低热电体厚度地同时实现绝热，所以该热电体本身的机械强度会减弱，并且还会缩短抗热冲击的寿命，从而很难操作这类热电红外传感元件。换句话说，如果减小热电体的厚度，就会出现某些危险：即当施加外部振动和冲击以及向传感元件辐射较强的红外光时，会产生明显的热变化，由此在热电红外传感元件中产生包括微裂(microclack)的机械损伤，并因破坏了热流平衡使其性能降低。另外，由于热电体本身易碎，所以很难用粘结剂将热电体可靠地支撑在衬底上，使又给支撑物的固定及其准确位置对准精度的获得带来较大的困难。由于所述困难，致使性能发生不良的下降。
现有技术遇到的另一个问题是，由于在大多数情况下，将热电体本身的厚度设计在70-100微米的范围内，所以产品生产量降低，给热电红外传感元件的生产或制造带来极大的困难。这导致了现有热电红外传感元件1的制造成本增高。
已经知道现有技术中用来避免上述问题的方法，该方法试图对热电红外传感元件的电极进行特殊的布置，以便其热电体仅在器件的光入射面(光接收平面)附近发生极化。图8示出了一例使用该方案的热电红外传感元件，用数字5表示。该结构的形成鉴于以下事实，即光接收平面上表面的贡献占热电红外传感元件输出的大部分。
具体地说，例如，图8所示的热电红外传感元件包括矩形板状热电体6，在其上表面形成两个相对的电极7和8，电极之间的距离定义为D。通过在两个电极7和8之间施加直流(DC)电压，在电极之间完成极化处理。在该情况下，主要在位置靠近红外光9之光入射面的地方产生极化，其极化方向平行于红外光9的光入射面；换句话说，极化方向与图8的x轴方向一致。
因此，该热电红外传感元件5比图7A和7B中传感元件优越的地方在于：可以迫使热电体6的极化仅局部发生在热电红外传感元件6的光入射面(光接收面)上或附近，从而提高了相对检测率。
但是，现有热电红外传感元件6的上述优点会伴随一个缺点：对相对检测率的控制能力下降。具体地说，在现有热电红外传感元件5中，为了改变相对检测率，应要求改变用于接收红外光的热电体6的光接收面积，这会增加复杂性，并且花费时间。为此，现有器件不适用于稳定的大批量生产，同时难以用较低的成本生产系统的器件。
因此，本发明的一个目的在于，提供一种热电红外传感元件，该元件能够提高相对检测率，并且容易使相对检测率产生变化，同时使其进行大批量生产更容易，更便宜。
本发明的一个发明提供了上述热电红外传感元件，其特点是，所述热电元件包括多个热电层，内电极分别位于所述多个热电层的相邻热电层之间，所述内电极的边缘交替地暴露于并接至位于所述热电元件每个对置端面上的每个所述外电极，所述热电元件在所述内电极之间电极化，并且所述内电极的侧端边缘暴露于所述光接收面。
在上述热电红外传感元件中，当在热电元件中交替安置和层叠内电极时，降低了各个热电层的厚度，所得到的多层层叠增加了热电元件内对置内电极的电极面积。因此，可以得到任何为获取热电电压所需的电容(静电电容)。
换句话说，利用本发明，由于使用了热电层和内电极的层叠结构，所以可以通过例如增加或减少内电极的层叠数目或者通过改变对置内电极的面积来改变电容数值，而不必改变其光接收面积。因此，热电红外传感元件的相对检测率或“检测灵敏度”为可变的。
在上述热电红外传感元件中，通过改变所述内电极的面积可以改变相对检测率(relative detection ratio)。
利用这类结构，特别是通过改变热电元件的厚度可以改变内电极的面积。在该情况下，只使内电极面积变化，不需要改变热电元件光接收面的面积。由此，可以变化热电元件内对置内电极之间的电容，从而改变热电红外传感元件的相对检测灵敏度。
在上述热电红外传感元件中，可以通过改变所述内电极的数目来改变相对检测率。
在该情况下，只使内电极面积的数目变化，不需要改变热电元件光接收面的面积。
本发明的另一发明提供了一种制造热电红外辐射传感元件的方法，该方法包括以下步骤：
1)制备由热电材料制成的多片热电片，
2)形成热电元件，通过交替层叠所述热电片和所述内电极使内电极交替暴露于它的每个对置端面，
3)烘焙所述热电元件，
4)在所述热电元件的每个对置端面上形成外电极，致使在所述热电元件的每个所述对置端面上，所述外电极与所述内电极相连，
5)通过所述外电极，使所述热电元件在所述内电极之间电极化，以及
6)沿垂直于所述内电极的方向切割所述热电元件和所述外电极，致使所述内电极暴露于切割面端面，其中所述切割面起光接收面的作用，用于接收被测目标辐射的红外光。
利用该方法，通过交替安置多个热电片和内电极来构造层叠的热电元件。并且，外露于热电元件两个端面的内电极端部与外电极相连。在外电极之间极化热电元件。另外，沿外电极之间垂直于内电极平面的方向切割热电元件。这时，内电极的端部边缘暴露于被切开的平面。暴露这些内电极的切面被制成入射红外光的光接收面，由此获得了热电红外传感元件。
在上述制造方法中，切割所述热电元件的步骤还包括通过改变所述被切割热电元件的厚度来改变所述内电极的步骤。
有利的是，在切割热电元件的步骤中，可以通过改变切割厚度来改变内电极的面积。由此可以改变对置内电极形成的电容(静电电容)，从而适当改变热电红外传感元件相对检测率的数值。
依照本发明的原理，可以提供一种热电红外传感元件，它能提高相对检测率，容易改变相对检测率，并且生产稳定，成本低，不会使电性能降低。
参照附图阅读以下对本发明较佳实施例的更为详细的描述，将清楚诸目的、特征和优点。
图1是本发明一个实施例的透视图。
图2A-2F是制造图1热电红外传感元件时一些主要步骤的透视图。
图3是一例使用图1和2中热电红外传感元件的传感元件结构的解剖透视图。
图4是图3所示热电红外传感元件的等效电路图。
图5是一电路图，示出了另一例使用图1和2中热电红外传感元件的热电红外传感元件。
图6是又一例利用图1和2中热电红外传感元件的传感元件结构的解剖透视图。
图7A-7B是现有热电红外传感元件的透视图。
图8是又一个现有热电红外传感元件的透视图。
现参照图1，热电红外传感元件10包括热电元件12，其形状呈平面矩形，并且具有预定厚度t。热电元件12包含多个热电层14，其中例如在热电层14之间形成板状矩形内电极16。换句话说，用某种方式将内电极16安置在热电元件12内，使得内电极在热电元件的宽度方向上以规定的距离隔开。
在该情况下，内电极16包含那些垂直于热电元件12的长度方向从其一端向另一端延伸的电极，而剩余的电极是从另一端向这一端延伸，前者和后者交替形成。如此形成这些内电极16，使得它们的某些端部边缘交替地暴露于垂直热电元件12长度方向的两个端面，即一个端面和另一个端面。
另外，分别在热电元件12垂直于其长度方向的一个端面和另一端面上形成外电极18，使外电极18与内电极16相连。另外，在图示的状态下，内电极16的侧缘暴露于热电元件12的上下表面。具体地说，对于热电元件12，内电极16垂直于厚度方向的侧缘暴露于热电元件12的上表面，而内电极16垂直于厚度方向的对置侧缘则暴露于其下表面。
在依照本实施例的热电红外传感元件10中，使暴露内电极16侧缘的热电元件12上表面形成所谓的入射红外光的“红外光接收面”。在该热电红外传感元件10中，通过对对置外电极18施加直流电压，可在内电极16之间完成极化处理。换句话说，在该热电红外传感元件10中，已在相对其红外线接收面的水平方向上实现了极化处理。
现将参照图2A至2F，说明一例制造图1热电红外传感元件10的方法。
为了制造图1所示的热电红外传感元件10，首先，例如制备一个厚度为50至100毫米的热电陶瓷，然后对其进行研磨处理，形成预定的形状。如图2A所示，当该步骤完成后，制造构成热电层14的热电陶瓷片14a，其形状呈平面矩形，并且具有预定的尺寸。同样，制备多个热电陶瓷片14a。陶瓷片的材料最好使用四方晶系钛酸铅陶瓷。
然后，利用诸如网板印刷法(screen print method)等印刷技术在多个热电陶瓷片14a的各个陶瓷片上形成由电极材料构成的导电图形16a，起内电极16的作用。在该实施例中，如图2B所示，除了热电层14的最上层和最下层，分别在对应于中间层的热电陶瓷片上形成电极图形16a。以这样的方式形成这些电极图形16a，使它们的边缘交替地暴露于热电陶瓷片14a垂直其长度方向的两端边缘。一般，最好将金(Au)、银(Ag)和铝(Al)之类的金属用作内电极16的电极材料；但是，也可以用镍(Ni)、铬(Cr)等制成的合金来制成内电极。
其次，将这些热电陶瓷14a层叠并用一种粘结剂将其粘结固化在一起，形成如图2C所示的热电陶瓷多层层叠结构20。注意，热电陶瓷层叠结构20还可以用以下方法形成，该方法包括层叠热电陶瓷片14a并且通过烘焙过程将其粘结在一起的步骤。
另外，将金属胶(未示出)涂在该热电陶瓷层叠结构20垂直其长度方向的对置端面上，所述胶由一种选定的电极材料制成以构成外电极18。然后，烘焙该层叠结构20，使其硬化。由此，如图2D所示，在热电陶瓷层叠结构20垂直其长度方向的两个端面上形成了外电极l8a。
随后，通过对置外电极18a，在内电极16a中间，对热电陶瓷层叠结构20进行极化处理。在该情况下，以100-150℃温度，在外电极18a之间施加一直流(DC)电压(例如，每毫米2.0-4.0千伏[KV/mm])并持续60分钟。
然后，如图2E中两点一划线所示，垂直于内电极16的平面以预定的厚度间隔t切割热电陶瓷层叠结构20，从而形成多片热电元件12，每个热电元件都与图1和图2F所示的相同。
必须指出，制造热电红外传感元件l0的方法不仅仅局限于上述实施例；热电红外传感元件10还可用下述制造方法形成。首先，制备一种由热电陶瓷生片制成的基体材料片。通过把热电材料变成浆状，将该基体材料片形成一薄膜片构件(薄板形)，其厚度例如为30-80毫米。基体材料片适于切成规定的形状，从而形成多个热电片。
接下来，例如利用印刷技术，以与上述相同的制造方法，在热电片上形成由所选电极材料制成的电极图形。通过无焊料接触将这些热电片相互连接成层叠，形成与上述制造方法形成的结构类似的排布；然后，将所得到的结构烘焙，提供一个整块的热电片层叠结构。另外，在热电片层叠结构的两个端面上形成由电极材料制成的外电极；接着，以与上述制造方法类似的方式，在外电极之间进行极化处理。再后，沿垂直于内电极主平面的方向，以规定的厚度切割热电片层叠结构，从而制造出热电元件12。
用上述制造方法制造的热电元件12是这样的，以一定的间隔层叠并安置的内电极16的端部边缘暴露于热电元件12垂直其长度方向的对置端面，同时使外电极18与内电极16相连。另外，该内电极16垂直其宽度方向的两侧端部边缘暴露于热电元件12的上下表面，呈图示状态；在本实施例中，上表面起红外光接收面的作用。用该方法制造的热电元件12适于与红外光传感元件模件联用。
现在参见图3，应用图1和2所示热电红外传感元件的一个可行的例子是热电红外传感元件模件30，它包括一个底座(stem)32。上述热电红外传感元件10被安装在底座32上。安装在底座32上的还有场效应晶体管(FET)34，它与热电红外传感元件10间相隔一定的距离。安装在底座32上的还有用于电气互连的端接管脚(terminal pin)36a、36b和36c。
例如，FET 34的栅极通过电极图形38与一个外电极18相连。FET 34的漏极通过导线40与端接管脚36a相连。FET 34的源极通过导线42与端接管脚36b相连。端接管脚36c用作接地端，它通过导线44与热电红外传感元件10的另一外电极18相连。
本领域的熟练技术人员从图4不难看出，将热电电流转换成相应电压的电阻器46是与热电红外传感元件10并联连接的。这里请注意，可将一芯片元件用作该电阻器46，或者另一种方法是，将该电阻器46制成被印制在底座32上具有电阻的图形。
辅助外壳50的截面成方括号(])形状。外壳50的顶板或“天花板”上有一穿孔50a，穿孔几乎呈矩形，位于顶板的中央。滤光器48与外壳50顶板的内表面呈刚性连接，以保证滤光器48位于热电红外传感元件10的上方尤如安装在衬底上，从而使传感元件10通过滤光器48接收由被测目标物体辐射的红外光输入光线。将外壳50与底座32粘结在一起。通过组装滤光器48、外壳50和底座32而形成的内部空间被密封起来，与周围环境隔离。
图3的热电红外传感器30具有如图4所示的等效电路。在该热电红外传感元件模件30中，当红外光射入热电红外传感元件10的上表面(光接收面)产生热能时，在热电红外传感元件10中产生热电电流。该热电电流通过电阻器46与传感元件10自身固有电阻的合成电阻，可获取某一电压。将该电压输入FET 34的栅极。这时，将一偏置电压加到FET 34的漏极上，同时使FET 34的源极接地。
由此，通过热电红外传感元件10、电阻器46和FET 34的联合作用，对热电红外传感元件10中所得到的热电电流进行阻抗转换，形成输出电压，从端接管脚36b中导出。
由于热电红外传感元件10是用图2所示的制造方法形成的，所以利用该热电红外传感器30，可将内电极16安置成能够在垂直于热电元件12宽度的方向上相互对置，并且沿相对热电元件12之红外光接收面的水平方向极化热电元件12。为此，可以获得不再依赖热电体厚度方向的热电红外传感元件10，它不同于包括图7和8所示热电体的现有技术。
另外，对热电红外传感元件10进行了特殊的布置，使具有热电层14和内电极16的交替层叠结构。在该情况下，降低了热电层14每一层的厚度，并且作为多层层叠的结果，使热电元件12中对置内电极16的电极面积增加。由此，可以得到为获取预期热电电压所需的电容(静电电容)。另外，由于热电层14和内电极16的层叠结构，还提高了该热电红外传感器30本身的极化强度，进而又提高了灵敏度。
再有，利用该热电红外传感元件10，可以通过增/减内电极16的层叠数和/或通过改变对置内电极16的面积，来改变电容的数值。由此，可以改变热电红外传感元件10的相对检测灵敏度。
在该实施例中，通过在制造热电红外传感元件10的过程中改变热电元件12的厚度，即通过在图2E所示的切割步骤中增加或减少切割宽度t，来改变内电极16的面积。
在该实施例中，可以通过使内电极16的电极面积正比于切割宽度t而增加，仅改变内电极16的面积，而不必改变热电红外传感元件10的光接收面的面积。因此，也改变了电容。在该情况下，热电红外传感元件10上表面(光接收面)产生的电荷载流子群正比于它的光接收面，并且使其输出电压反比于电容。从而，可以通过改变电容的数值来适当调节该热电红外传感元件10的输出电压。
在该情况下，白噪声分量将随某一频率变化，而所述频率是由层叠在热电元件12中相互对置内电极16所构成的电容以及热电红外传感元件10的输出阻抗所确定的。因此，还可以通过改变该电容使热电红外传感元件10的相对检测率发生变化。
另外，由于该热电红外传感元件10是通过上述与图2有关的制造方法制作的，所以不再需要如同图7和图8所示的现有传感元件1和5那样使热电体变薄。为此，图1和2所示的实施例传感元件10使得所得到的机械强度和热强度增大，避免了电学性能的降低。该器件10还可以用热电体自身形成漏电阻。
该热电红外传感元件10的另一个优点是，不再需要如图7和8中常规器件1和5使用的任何支撑方法或绝热方案，进而能简单地形成了红外光接收面。因此，使用该热电红外传感元件10可以提高产量，同时降低复杂性和生产成本。
本领域的熟练技术人员可以从上述描述中看到，利用依照该实施例的热电红外传感元件10可以提高相对检测灵敏度，同时容易使相对检测灵敏度改变。另外，还可以使生产稳定，并且降低生产成本，电性能不降低。
此外，对于热电红外传感元件10，由于热电元件12内被安置在或“夹层式的”夹在多个热电层14之间的多个内电极16是并联连接的，所以可进一步降低热电红外传感元件10的总介电电阻。在该情况下，介电电阻一般为1011欧姆；当层叠100层时，该介电电阻值下降至109欧姆左右。
结果，不再需要像图3所示的热电红外传感器30那样使用带有FET 34的阻抗转换电路。因此，如图5所示，可将其直接与包含运算放大器62的放大器电路60相连。在该情况下，运算放大器62的非逆转输入端接至热电红外传感元件10的一个外电极18，以便从低电阻状态下从热电红外传感元件10发出电信号，然后用放大器电路将该信号放大，从运算放大器62的输出端输出。
应该注意，尽管上述实施例热电红外传感元件10的布置能够适用于结构为图3例示的密封型热电红外传感器30，该传感元件10也能适用于结构为图6所示的平面安装元件型热电红外传感器70。
具体地说，，与图3的热电红外传感器30相比，在图6所示的热电红外传感器70中，热电红外传感元件10被特别支撑在如由铝制成的介电衬底72上，并且在介电衬底72垂直其宽度方向的一侧端面上以一定的间距形成隔开的电极图形74a和74b。另外，在介电衬底72的另一侧端面上形成电极图形74c，作为接地端。FET 34的漏极通过导线40接至电极图形74a。同样，FET 34的源极通过导线42接至电极图形74b。另外，热电红外传感元件10的另一个外电极18通过导电图形76接至电极图形74c。注意在图6中，与图3实施例相同的部件或元件用相同的标号表示，它们在结构上是相同或类似的。