[发明专利]热电式红外探测仪及其制造方法

说明书

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。