CN1035892A - 热电式红外探测仪及其制造方法 - Google Patents

Abstract

红外线探测仪有一热电元件，该元件由例如三甘硫酸氨酸盐材料组成，与散热体间隔一段距离支撑在散热体上方，为了稳定元件工作时的温度，元件与散热体的相对表面之间的空间充有例如硅介电凝胶的导热不硬化的非气态凝胶般介质将元件与热导体热耦合。可用少量低温焊料或环氧树脂等材料将元件连接到散热体上并使其间的间距固定，或者也可以借助于介质本身将导热元件支撑并粘接在散热体上方。可以方便地利用毛细作用将介质引入元件与散热体之间的空间。

Description

本发明涉及一种热电式红外探测仪，该探测仪有一个基本是平面的热电元件，待探测的红外线即照射到该热电元件上，热电元件支撑在一散热体的表面上方，与该散热体表面平行并间隔一段距离，且与散热体热耦合。本发明还涉及这种探测仪的制造方法。

热电式探测仪可用于各种不同的用途，例如用于遥控开关和用于象飞机入侵警报器之类的运动探测系统。将待探测的红外线照射到热电元件上会导致元件的温度发生变化。这种温度变化使对置的电极上产生电荷，这些电荷可作为电流流经相对较低的外阻抗，或当外阻抗相对来说较高时在元件的两端产生电压。若热电元件系作为电容器配置在放大电路中，则可以检测出由此所产生的电流或电压。鉴于热电电荷是只有当热电元件的温度放生变化时才产生的，因而要获得连续的电信号就必须使温度连续变化。这可以恒定的频率中断入射射线来进行，在有关射线中断时，热电元处于某一参考温度的辐射之下。

热电式探测仪的一个用途是用在红外光谱测定法中。用于这种用途时，探测仪的热电元件通常是以三甘氨酸硫酸盐（TGS）作为热电材料，因为这种物质的敏感性极其合适。这类热电式探测仪由于其在10至5千赫的赫频率范围（也就是红外光谱仪的工作范围）内优异的工作性能以及其响应各种各样的波长而无需强迫冷却的能力而比其它类型的热探测器更受欢迎。要使热电元件具有最佳的热性能就需要将其制造得非常薄，它通常是安装在密封的外壳中，外壳上开有一个窗口正好在元件的上方，有关波长范围的射线即通过这个窗口照射到元件上。

红外光谱仪可以是扩散式的或傅立叶变换式的。两者的区别在于后者入射红外线源在整个波范围都照射到探测仪上，而前者只应用很窄的一些波长范围。因此在傅立叶变换式光谱仪中，探测仪所接收的能量（可达100毫瓦或以上）可以在一段时间内逐步使热电元件的温度上升，这是因为元件极薄的缘故。这反过来又使输出发生变化，因为热电元件，特别是（但不是独一无二的）TGS元件，其响应能力与工作温度无关。将热电元件热耦合到散热体上的目的就是要使上述问题减到最小程度。热电元件与散热体连接在一起时其热时间常数比不接有散热体的热电元件小。装元件的密封外壳中通常都充有干燥的氮气之类的气体，因而热电元件与周围气氛之间的热阻较高。与热元件连接在一起的散热体，其热质量较大，因而热惯性也大，它用作温度调节器，在其大致最佳的工作温度下起稳定热电元件温度的作用。因此散热体的作用是使热电元件的温度在探测仪工作期间大致上保持恒定，从而使其响应能力即使在所收到的射线是高能射线时也能在一段时间内大致上保持不变。

在公知的一种采用薄型平面TGS元件的红外探测仪中，热电元件是用中心配置的导热环氧树脂或低温焊料之类的导热连接材料滴间隔一定距离连接到散热体表面的。将一滴连接材料滴到散热体表面上，然后将元件放在散热体上方，将其推向散热体，使连接材料受压，直到元件与散热体的相对表面彼此达到预定的间距为止。在受压状态下，粘接材料只占据热电元件表面很小一部分的部位，其余的表面部位由于实质上与对面的散热体相隔一段距离，因而在热电元件与散热体之间围绕连接材料延伸而形成一个间隙。这个间隙最后是要充以密封气体的，例如氮气，使热电元件与散热体之间形成一定程度的热耦合。这些部分之间有些热耦合也是由连接材料形成的。

为减少因热电元件物理性能所引起的问题，应尽量使连接材料所占据的部位最小。象TGS之类的某些热电材料，其热膨胀特性是各向异性的，如果用连接材料将这些材料组成的热电元件粘接到一个衬底上而其敷设面占其表面积的比例过大（这对TGS探测仪的热电元件来说一般约为7平方毫米），则它们在热循环的过程中会裂开。

要达到所要求的精密的热耦合，热电元件与散热体表面之间取决于连接材料滴受压状态的间距，要求非常小。当采用氮气时，这个间距使探测仪能很好工作的大小通常应小于5微米。

尽管这类探测仪的工作情况相当好，但在制造和应用中却有一些问题。由于连接材料系安置在热电元件中央相当小的一个部位上，因此要使热电元件与散热体表面之间达到相当平行的程度有困难。这在使用的过程中会导致元件在其整个部位上（例如在相对的边缘上）温度的变化，从而使响应程度不一致。此外热电元件与散热体之间所必需的极小间距使制造过程中产品的报废率增加，因为间隙中只要有任何尘粒或诸如此类的杂质存在，就会在粘接散热体进行施压时使热电元件裂开。

本发明的一个目的是提供一种经过改进的热电式红外探测仪。

根据本发明的第一个方面，本说明书开头一段所述的那种热电式红外探测仪具有这样的特征，即在在热电元件与散热体的相对表面之间有一种不凝固、导热的非气体介质。

于是热电元件与散热体之间的热耦合就通过该非气体介质进行。这种热耦合方式比起公知的主要依靠象氮之类的气体介质在元件与散热体之间形成热通路的配置方式在效果上是大大提高。

介质最好是大致上充满热电元件与散热体之间的空间，并扩散到散热体与至少热电元件接收射来的射线的部位之间的至少大部分重叠区。若介质只接触元件与散热体的其中一个相对表面，则由于另一个表面与介质之间的间隙较小，而且，举例说，假设热电元件表面与散热体表面之间的间距相当，该间隙的厚度小于该公知配置方式中的间隙，则可提高热耦合的效果。但在介质大致上充满该空间且与两个表面接触时效果最佳。同样，当介质是处在元件与散热体的相对表面之间重叠着的部位时，也有助于提高热耦合的效果。设在探测仪中的元件只有一个部分是真正用以检测射线的情况下，该部位最好至少包括元件的作用区，即接收和响应入射来的红外线的区域，但在至少大部分可利用的重叠部位为介质所覆盖时，也还是可以取得最佳效果的。

介质可以是具有象凝胶一样的粘稠性的粘性流体。这类物质具有这样的一些优点，即它具有不流动的性能，具有保护元件免受机械振动的缓冲作用，而且能适应元件因温度变化而引起的热涨冷缩，同时保持热电元件与散热体之间的热通路畅通无阻。特别是采用所谓硅介电凝胶，例如可从Dow    Corning公司购得的产品编号为527的硅介电凝胶时，可取得良好的效果。这种凝胶状弹性材料表现出与液体类似但具有与固态弹性体关系更密切的尺寸稳定性和不流动特性的良好的缓冲和自行复原的性能。首先这种材料的各种组分混合，材料呈液状，但经过几小时之后，它就地凝固成凝胶般的粘稠状。

本发明在热耦合所作的改进不难达到优于上述公知探测仪的性能。但更重要的是，人们发现，根据本发明，令热元件与散热体之间的间距比公知那种形式的探测仪在最佳性能下工作所需的对应间距大得多，就不难达到与该公知探测仪不相上下的性能。因此通过采用较大的间距可以避免在公知的探测仪中因间距小而引起的产品报废率问题，而不致降低探测仪的工作特性。例如发现在本发明采用硅介电凝胶作为导热介质以及热电元件和散热体之间大约为20至30微米间距的一个实施例中，探测仪的性能至少可与热电元件与散热体之间间距小于5微米的那种公知形式的探测仪相同。

此外还发现，采用较大的间距时，因热元件与散热体的相对表面不完全平行所引起的对元件响应均匀性的影响变得不那么显著，因而容许平行度有小小的偏差。

本发明的另一个优点是，由于热电元件与散热体之间的热耦合得到了改进，本发明探测仪能处理能级比公知探测仪的高得多的入射射线。

通过选择热电元件与散热体之间的间距，不难控制所得到的热耦合量并使其满足个别探测仪的需要。

散热体最好由氧化铝组成，但其它合适材料，例如硅，也可以采用。

在本发明的一个实施例中，热元件是按周知结构所采用的类似方式借助于配置在热电元件与散热体的相对表面之间且占据热电元件表面较小部位的固体连接材料而连接到散热体上，并使其与散热体保持一段距离。连接材料可以是环氧树脂或低温焊料。在这种情况下，导热介质是处在热电元件与散热体之间重叠的其余可利用的部位，且热电元件主要借助于连接材料与散热体保持预定的空间关系。

在另一实施例中，热电元件是借助于导热介质本身而粘接到散热体上，并以预定的空间关系由散热体支撑着。这样，这里并没有采用单独连接材料，而对热电元件的支撑以及热电元件和散热体之间的粘接和间隔则依赖于介质的物理性能。这种配置方式使结构简化了。此外由于不采用固体粘接剂，提高了对元件的缓冲作用程度。

尽管本发明对采用TGS热电元件的探测仪特别有效，但它也适用于采用其它类型热电元件的探测仪，例如钽酸锂、铌酸锶钡和能产生压电跃变的元素。

根据本发明的另一个方面，提供了一种制造本发明第一个方面所述的那种热电式红外探测仪的方法，该方法包括按预定的空间关系将热电元件安置在散热体上方的步骤，该方法的特征在于，导热介质在这之后系借助于毛细作用引入到热电元件与散热体之间的空间。在如此利用毛细作用的情况下，探测仪的制造就大大地简化了，只需要将介质供到热电元件与散热体之间的间隙边缘即可。

现在参看附用以举例的方式说明本发明热电式红外探测仪的一些实施方案以及它们的制造方法。附图中：

图1是本发明热电式红外探测仪一个实施例的部分简略部视图;

图2是本发明热电式红外探测仪另一个实施例类似的部分简略剖视图。

为清楚起见，各附图都不按比例画出。

图1中所示的热电式红外测试仪的实施例包括一热电元件10，热电元件10的本体由TGS（三甘氨酸硫酸盐）热电晶体材料制成。更详细地说，热电材料包含掺有氘化的L丙氨酸杂质的三甘氨酸硫酸盐（DLATGS），如参考英国专利说明书GB    1297198所述的那样，元件10由这种材料制成的直径约3毫米、厚15至20微米的平面盘形片组成。元件10具有蒸发金属层的主表面上设有电极。给待测的红外线照射的上电极12可以有一层NiCr层，NiCr层上淀积有一层金黑层（gold    black    layer），以提高其辐射吸收性能。下电极14由一层金属组成。电极12和14可以分别只覆盖热电材料制成的上表面和下表面的其中一部分，从而界定了待检测的射线在元件有效激活区的照射范围。但如图1所示的那样，同样如图2中所示的实施例，该实施例中的电极12和14覆盖着整个热电材料部位，待检测射线则照射到此整个部位上，从而使元件的整个部位都处于激活状态。其它适当的电极材料也可以采用，这些材料是本领域的技术人员都知道的。

热电元件系连接到较大的导热体16上，并由导热体16加以支撑。导热体16呈圆柱形，上部表面平整，元件10基本上平行于导热体16且与导热体16同轴并间隔一段距离而配置。中心配置且占据元件10与导热体16之间重叠部位较小部分的一小滴凝固的连接材料18预定和固定了元件10与导热体16相对平整表面之间的间距。这种连接材料包括导电和导热材料，例如低温焊料或适当的环氧树脂。

导热体16由氧化铝组成，且其在上表面上形成一条导电通路20，该导电通路从其周边附近径向延伸到其在中心扩大了的终端部分且位于连接材料18下面，从而使导电通路20与热电元件10的下电极14之间经由连接材料18形成电气连接。

热电元件10和导热体16装在密封外壳25中，密封外壳的外形可以是，例如通常惯用的T05型的。外壳25有一个圆柱形金属筒26固定在金属底座27设有若干电气引线插脚28的边缘上。筒26顶壁中心开有圆孔，圆孔上固定有适宜让有关的红外波长范围的射线通过其中并撞击元件10的上电极12的材料制成的窗口。举例说，可能需要探测仪检测出大约2至50微米或以上波长的射线，在这种情况下，窗口就由碘化铯组成。波长还要长时，窗口可采用聚乙烯。外壳25可以抽成真空或充以干燥氮气之类对内部零部件较不易起反应的气体。

导热体16借助于多个柱体30与底座27保持平行并间隔一段距离。从图1中可以看到其中的两个柱体30，这些柱体可以用，例如，金属或氧化铝制成。柱体30两端分别用粘接剂固定到导热体16底侧和底座27上。各柱体除将元件10定位在靠近窗口29的地方及使导热体16与底座27之间形成热耦合之外，还起界定导热体16底下一个空间的作用，探测器线路即敷设在该空间内。该线路在31处示意表示出来，它可取一般的线路形式，例如由场效应晶体管、高值电阻器和/或非线性元件组成的那种线路，这是熟悉本技术领域的人士所熟知的。从上电极12和导电通路20至电路31的电气连接系按一般方式借助于导线进行的。

导热体16的热惯性高，其目的是用作散热体以减小热电元件10与导热体16组成的组合体热时间常数，并使元件温度在探测仪正常工作期间大致上保持恒定从而对响应能力起稳定作用。为达到此目的，将热电元件10热耦合到导热体16上。有些热耦合是通过连接材料18形成的。但还可以按本发明进行热耦合，即在元件10与导热体16的相对表面之间的空间内设不硬化的导热非气态介质，如图1的22所示。在此实施例中，介质22由硅介电凝胶组成，例如可由Dow    Corning公司购得编号为527的一种两组分混合物，且如图1所示，介质22实质上完全充满了元件10与导热件16之间连接材料18周围可利用的气隙。若只想使元件10的一部分受到照射因而将各电极制成能限定激活区的形状，则介质就只需覆盖着该激活区与导热体16之间重叠部位的有效部分。元件10与导热体16的相对表面之间的间距大致在20至30微米之间。

借助于介质22的提供和由此形成的热耦合，与上述公知探测器配置方式中形成足够的热耦合所需要的间隙大小相比（其中元件与导热体之间的空间保持畅通且充以氮气之类的气态介质），元件10与导热体16的相对表面之间的间距则因此大大地增大了。在这方面，元件与散热体之间的间距约为20微米并充以硅介电凝胶的探测仪，其性能表明与间距小于5微米并充以干燥氮气的公知形式的探测仪至少相当。本发明由于容许间距增大因而简化了制造过程，而且导致了产量的提高，因为元件10装到导热体16上时因掉入两者之间的空间中的尘粒而引起的断裂的风险消除了。此外由于间距增大了，因而为确保响应的均匀性而对元件与导热体表面之间要求的平行度也就不那么苛刻了。

制造图1所示实施例的探测仪时，元件10与导热体16是这样装配的：将小量连接材料18以小焊锡珠的形式滴到导热体16上，然后将元件10放到该材料上;往元件10上施加压力，将它推向导热体16，同时使它们大致上保持平行，并将连接材料挤压成普通盘形的形状以进行压力粘接，并使元件10与导热体16之间达到所要求的间距。连接材料在这个最后挤压的形式下，其平均直径一般约为300微米，因而只占据元件表面积的一小部分。不然也可以采用一滴导热的环氧树脂作为连接材料。这也是通过往元件上施加压力使其挤压成类似的大小，然后使其凝固，从而使间距固定下来。

这之后将硅凝胶介质22引入元件10与导热体16之间的连接材料周围的间隙。这是以方便而简单的方式进行的，即按制造厂家的指示将组成介质的成份混合成粘性液体后，将介质以原来粘性液态的形式涂到间隙的边缘，使介质在毛细作用下被吸入和充满间隙中。然后将该装配件搁置着，使介质凝固成凝胶般的粘稠状态，这通常要经过几小时的时间。凝固了的介质22具有类似液体的缓冲、自行复原和弹性的性能，同时还表现出类似固体弹性体那种尺寸稳定和不流动的性能。介质22的这种性能有助于进元件10与导热体16的粘接。

现在参看图2。图中所示的探测仪的实施例在许多方面与先前所述的完全一样，因而其相应的各元件也取同样的编号。此实施例与前一个实施例的区别在于，没有连接材料18，且热电元件10系采用介质22作为唯一的粘接剂和支撑件被支撑并固定在导热体16上。在这种情况下，元件10与热导体16的相对表面之间的间距只取决于介质22。因此介质22在探测仪受到机械振动和诸如此类的作用时起缓冲作用，且在元件10与导热体16之间形成唯一的热耦合装置。附在上电极12的连接导线也可以对元件10起一定的支撑作用，虽然这种支撑作用通常是不大的。

这里介质22还是采用硅介电凝胶，这种材料提供按相对于导热体16大体预定的空间关系支撑元件和将元件粘接到导热体上所需要的性能。

鉴于元件与导热体之间不采用导热桥接材料，因此与下电极14的电气连接不得采取不同的方式。这可通过取消通路20并将一根导线直接连接在下电极14与线路31之间，或者也可以直接连接到导热体16上形成的导电垫片，再如上面谈过的那样用另一导线连接到线路31。

应该理解的是，本探测议的工作情况和特性通常与前面谈到的那一种极为相似。

这个探测仪实施例的制造过程有一点不同的地方在于，热电元件10与导热体16的装配是将元件10固定在导热体16的上方，大体上平行于导热体16，且采用任何适当的临时支撑件使元件10与导热体16之间达到所要求的间距，例如大约20至30微米。然后将各组分事先混合后得到的介质22在处于粘性液体形式的情况下敷到元件10与导热体16之间的间隙边缘，使其在毛细作用下被吸入间隙中将间隙充满。让介质凝固到凝胶般的粘稠状，然后除去元件的临时支撑件，元件就通过介质22附到导热体16上。

硅凝胶具有这样的性能，即它容易将元件10以其与导热体16的预定空间关系而加以支撑。这种硅凝胶还显示出半永久性的、可改良的特性，凝固后可保证热电元件仍然与导热体相粘接。

尽管在上述诸实施例中着重介绍了采用硅介电凝胶作为介质22的情况，但预计可以不用硅介电凝胶而采用具有所要求性能的其它导热、不凝固的非气态介质。

此外应该理解的是，本发明也适用于元件采用TGS以外的热电材料的探测仪。

Claims (10)

1、一种热电式红外探测仪，该探测仪有一个基本上是平面的热电元件，待探测的红外线即照射到该热电元件上，该热电元件支撑在一散热体的表面上方，与该散热体表面平行并间隔一段距离，该热电元件与该散热体热耦合，该探测仪的特征在于，在该热电元件与散热体的相对表面之间有一种不硬化、导热的非气体介质。

2、根据权利要求1的热电式红外探测仪，其特征在于，所述介质大致上充满元件与散热体之间的空间，并扩展到散热体与至少热电元件接收射来的射线的部位之间至少大部分重叠区。

3、根据权利要求1的热电式红外探测仪，其特征在于，所述介质由具有凝胶般粘稠性的粘性流体组成。

4、根据权利要求3的热电式红外探测仪，其特征在于，所述介质由硅介电凝胶组成。

5、根据以上任一权利要求的热电式红外探测仪，其特征在于，所述散热体由氧化铝组成。

6、根据1至5任一权利要求的热电式红外探测仪，其特征在于，该热电元件是借助于配置在该热电元件与该散热体的相对表面之间且占据该热电元件表面较小部位的固体连接材料连接到该散热体上，且与该散热体保持一段距离。

7、根据1至5任一权利要求的热电式红外探测仪，其特征在于，该热电元件是借助于导热介质连接到该散热体上，并以预定的空间关系由散热体支撑着。

8、根据权利要求1至7任一项的热电式红外探测仪，其特征在于，该热电元件与该散热体之间的间距约在20和30微米之间。

9、一种制造根据权利要求1至8任一项的热电式红外探测仪的方法，该方法包括将热电元件按预定的间距安置在散热体上方的步骤，该方法的特征在于，其后将导热介质通过毛细作用引入到热电元件与散热体之间的空间。

10、一种大体上如以上参照附图并显示在附图中加以介绍的热电式红外探测仪。