第三章熱電探測(cè)器件1

光電檢測(cè)技術(shù),第一章 光電檢測(cè)技術(shù)基礎(chǔ),第二章 光電檢測(cè)器件,第三章 熱電檢測(cè)器件,光輻射檢測(cè)器件一覽表,（光子檢測(cè)器件）,（光電發(fā)射檢測(cè)器件）,2,物理過(guò)程是: 器件吸收入射輻射功率產(chǎn)生溫升，溫升引起材料各種有賴于溫度的參量的變化，監(jiān)測(cè)其中一種性能的變化，來(lái)探知輻射的存在和強(qiáng)弱。 這一過(guò)程比較慢，一般的響應(yīng)時(shí)間多為毫秒級(jí)。 另外，熱電探測(cè)器件是利用熱敏材料吸收入射輻射的總功率產(chǎn)生溫升來(lái)工作的，而不是利用某一部分光子的能量，所以各種波長(zhǎng)的輻射對(duì)于響應(yīng)都有貢獻(xiàn)。因此，熱電探測(cè)器件的突出特點(diǎn)是，光譜響應(yīng)范圍特別寬，從紫外到紅外幾乎都有相同的響應(yīng)，光譜特性曲線近似為一條平線。,第三章 熱電探測(cè)器件,熱電探測(cè)器件大致分為溫差電型、熱敏電阻型、氣動(dòng)型和熱釋電型四類。 本章首先討論熱電探測(cè)器件的共同原理，然后再分別介紹以上各種具體器件。,對(duì)熱電探測(cè)器件的分析，可分為兩步。 第一步是按系統(tǒng)的熱力學(xué)特性來(lái)確定入射輻射所引起的溫升，這種分析對(duì)各種熱電探測(cè)器件都適用； 第二步是根據(jù)溫升來(lái)確定具體探測(cè)器件輸出信號(hào)的性能。,3-1 熱電探測(cè)器件的基本原理,在相同的入射輻射下，希望得到大的溫升，就是說(shuō)，探測(cè)器與外界的熱耦合和熱容以及調(diào)制頻率等要小，這點(diǎn)是熱電探測(cè)器件與普通的溫度計(jì)的重要區(qū)別。 二者雖然都有隨溫度變化的性能，但熱電探測(cè)器件所需要的，不是要與外界有盡量好的熱接觸，必須達(dá)到熱平衡，而是要與入射輻射有最佳的相互作用，同時(shí)又要盡量少的與外界發(fā)生熱接觸。,熱電探測(cè)器件的時(shí)間常數(shù)定義為：=CQRQ CQ：熱容，RQ：熱阻。 的數(shù)量級(jí)約為幾毫秒至幾秒，這比光電器件的時(shí)間常數(shù)大得多。因此，熱電探測(cè)器件在頻率響應(yīng)等方面，不如光電探測(cè)器件。 為使探測(cè)器的熱容小，應(yīng)盡量使探測(cè)器的結(jié)構(gòu)小、重量輕，同時(shí)要兼顧結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。 熱阻RQ對(duì)于探測(cè)器靈敏度和時(shí)間常數(shù)的影響： RQ大，靈敏度高，但響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。所以，在設(shè)計(jì)和選用熱電探測(cè)器件時(shí)須采取折衷方案。,探測(cè)器與外界的熱耦合，主要有輻射交換和熱傳導(dǎo)兩種形式。其中，輻射交換的熱阻最大。 根據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，探測(cè)器與外界達(dá)到熱平衡時(shí)，探測(cè)器的功率起伏均方根值為： WT(4kT2Gf）1/2 式中，k為波耳茲曼常數(shù)，G為熱導(dǎo)；f為測(cè)試系統(tǒng)的頻帶寬度。 實(shí)際上，WT就是探測(cè)器因溫度起伏所產(chǎn)生的噪聲。若式中的G取最小值，即GGQ=1/RQ, 則WT將是可能取值中最小的，即為NEP： NEP(4kT2GQ f ）1/2 （一般為l0-11W量級(jí)）,3-2 熱電偶與熱電堆,熱電偶也叫溫差電偶，是最早出現(xiàn)的一種熱電探測(cè)器件。 其工作原理是溫差電效應(yīng)。例如，由兩種不同的導(dǎo)體材料構(gòu)成的接點(diǎn)，在接點(diǎn)處可產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。這個(gè)電動(dòng)勢(shì)的大小和方向與該接點(diǎn)處兩種不同的導(dǎo)體材料的性質(zhì)和兩接點(diǎn)處的溫差有關(guān)。如果把這兩種不同的導(dǎo)體材料接成回路，當(dāng)兩個(gè)接頭處溫度不同時(shí)，回路中即產(chǎn)生電流。這種現(xiàn)象稱為溫差電效應(yīng)或塞貝克效應(yīng)。,構(gòu)成溫差電偶的材料，既可以是金屬，也可以是半導(dǎo)體。 在結(jié)構(gòu)上既可以是線、條狀的實(shí)體，也可以是利用真空沉積技術(shù)或光刻技術(shù)制成的薄膜。 實(shí)體型的溫差電偶多用于測(cè)溫，薄膜型的熱電堆（由許多個(gè)溫差電偶串聯(lián)而成）多用于測(cè)量輻射，例如，用來(lái)標(biāo)定各類光源，測(cè)量各種輻射量，作為紅外分光光度計(jì)或紅外光譜儀的輻射接收元件等。,溫差電偶的原理性結(jié)構(gòu)圖,溫差電偶接收輻射一端稱為熱瑞，另一端稱為冷端。為了提高吸收系數(shù)，在熱端都裝有涂黑的金箔。由半導(dǎo)體材料構(gòu)成的溫差電偶，熱端接收輻射產(chǎn)生溫升，半導(dǎo)體中載流子動(dòng)能增加。從而多數(shù)載流子要從熱端向冷端擴(kuò)散，結(jié)果P型材料熱端帶負(fù)電，冷端帶正電；而N型材料情況正好相反。當(dāng)冷端開路時(shí)，開路電壓為：,溫差電偶的組成,Uoc=MT,式中，M為比例系數(shù)，稱塞貝克常數(shù)，也稱溫差電勢(shì)率，單位為V/；T為溫度增量。,溫差電偶的響應(yīng)率為 ： RUL/ UL：冷端負(fù)載上所產(chǎn)生的電壓降。 ：入射于探測(cè)器的輻射通量,溫差電偶的靈敏度（響應(yīng)率）,要使溫差電偶的響應(yīng)率高，應(yīng)選用溫差電勢(shì)大的材料，并增大吸收系數(shù)。同時(shí)，內(nèi)阻要小，熱導(dǎo)也要小。在交變情況下，調(diào)制頻率低時(shí)比調(diào)制頻率高時(shí)的響應(yīng)率高。減小調(diào)制頻率和減小時(shí)間常數(shù)T都有利于提高響應(yīng)率，可是與T是矛盾的，所以響應(yīng)率與帶寬之積為一常數(shù)的結(jié)論，對(duì)于溫差電偶也成立。時(shí)間常數(shù)多為毫秒量級(jí)，帶寬較窄。多用于測(cè)量恒定的輻射或低頻輻射。,3-3 熱敏電阻,主要區(qū)別是，金屬的熱敏電阻，電阻溫度系數(shù)多為正的，絕對(duì)值比半導(dǎo)體的小，它的電阻與溫度的關(guān)系基本上是線性的，耐高溫能力較強(qiáng)。而半導(dǎo)體的熱敏電阻，電阻溫度系數(shù)多為負(fù)的，絕對(duì)值比金屬的大十多倍，它的電阻與溫度的關(guān)系是非線性的，耐高溫能力較差。,熱敏電阻是由電阻溫度系數(shù)大的導(dǎo)體材料制成的電阻元件，也稱它為測(cè)輻射熱計(jì)。,熱敏電阻有金屬的和半導(dǎo)體的兩種。制作熱敏電阻靈敏面的材料，金屬的多為金、鎳、鉍等薄膜；半導(dǎo)體的多為金屬氧化物，例如氧化錳、氧化鎳、氧化鈷等。,熱敏電阻的結(jié)構(gòu),熱敏電阻的原理,定性地解釋：吸收輻射后，材料中電子的動(dòng)能和晶格的振動(dòng)能都有增加。因此，其中部分電子能夠從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶成為自由電子，從而使電阻減小，電阻溫度系數(shù)是負(fù)的。對(duì)于由金屬材料制成的熱敏電阻，因其內(nèi)部有大量的自由電子，在能帶結(jié)構(gòu)上無(wú)禁帶，吸收輻射產(chǎn)生溫升后，自由電子濃度的增加是微不足道的。相反，因晶格振動(dòng)的加劇，卻妨礙了電子的自由運(yùn)動(dòng)，從而電阻溫度系數(shù)是正的，而且其絕對(duì)值比半導(dǎo)體的小。,熱敏電阻的物理過(guò)程是吸收輻射，產(chǎn)生溫升，從而引起材料電阻的變化。,熱敏電阻的電壓響應(yīng)率,熱敏電阻的電壓響應(yīng)率為： Rv= iRT/(G2+2CH2)1/2 由上式可知，要使熱敏電阻的電壓響應(yīng)率大，電流 i、電阻溫度系數(shù)、熱敏電阻RT、吸收系數(shù)都要大，熱導(dǎo)G、熱輻射的交變頻率、熱容CH都要小，但這些量是受諸因素制約的，只能折中選取，而不能任意增減。,熱敏電阻的電壓響應(yīng)率,1）熱敏電阻RT不能任意大。另外，假如RT很大，那它和引線的雜散電容和放大器輸入電容等所構(gòu)成的電路時(shí)間常數(shù)就有可能大于熱時(shí)間常數(shù)，將使頻率特性變壞。 2）電阻溫度系數(shù)決定于材料。對(duì)于大多數(shù)金屬，l/T。對(duì)于大多數(shù)半導(dǎo)體，在某有限溫區(qū)內(nèi)3000/T2。所以，通過(guò)致冷可提高。 3）為了提高吸收系數(shù)，要使靈敏面表面黑化。 4）為了減小熱導(dǎo)G，可使接收元件裝在一個(gè)真空的外殼里。但G小，熱時(shí)間常救T（CH/G）要變大，頻率特性要變壞。 5)電流i不能很大，否則產(chǎn)生的焦耳熱會(huì)使元件溫度提高.,Rv= iRT/(G2+2CH2)1/2,3-4 熱釋電器件,熱釋電器件是一個(gè)以熱電晶體為電介質(zhì)的平板電容器。因熱電晶體具有自發(fā)極化性質(zhì)，自發(fā)極化矢量能夠隨著溫度變化，所以入射輻射可引起電容器電容的變化，從而可利用這一特性來(lái)探測(cè)變化的輻射。,熱釋電器件的結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)原理： 熱電晶體是壓電晶體中的一種，具有非中心對(duì)稱的晶體結(jié)構(gòu)。 自然狀態(tài)下，在某個(gè)方向上正負(fù)電荷中心不重合，從而晶體表面存在著一定量的極化電荷，稱為自發(fā)極化。 晶體溫度變化時(shí)，可引起晶體的正負(fù)電荷中心發(fā)生位移，因此表面上的極化電荷即隨之變化。,a) 恒溫下 b) 溫度變化時(shí) c) 溫度變化時(shí)的等效表現(xiàn),熱釋電器件的材料,制作熱釋電器件的常用材料有，硫酸三甘肽（TGS）晶體，摻丙胺酸改性后的硫酸三甘肽（LATGS）晶體，鉭酸鋰（LiTaO3）晶體，鋯鈦酸鉛（PZT）類陶瓷，聚氟乙烯（PVF）和聚二氟乙烯（PVF2）聚合物薄膜等。但不論那種材料，都有一個(gè)特定溫度，稱居里溫度。當(dāng)溫度高于居里溫度時(shí)，自發(fā)極化矢量為零，只有低于居里溫度時(shí)，材料才有自發(fā)極化性質(zhì)。正常使用時(shí)，都是使器件工作于離居里溫度稍遠(yuǎn)一點(diǎn)的溫區(qū)。,小結(jié)：熱電器件使用要點(diǎn),1）由半導(dǎo)體材料制成的溫差電堆，響應(yīng)率很高，但機(jī)械強(qiáng)度較差，使用時(shí)必須十分當(dāng)心。它的功耗很小，測(cè)量輻射時(shí)，應(yīng)對(duì)所測(cè)的輻射強(qiáng)度范圍有所估計(jì)，不要因電流過(guò)大燒毀熱端的黑化金箔。保存時(shí)，輸出端不能短路，要防止電磁感應(yīng)。,小結(jié)：熱電器件使用要點(diǎn),2）熱敏電阻(測(cè)輻射熱計(jì))，響應(yīng)率也很高，對(duì)靈敏面采取致冷措施后，響應(yīng)率會(huì)進(jìn)一步提高。但它的機(jī)械強(qiáng)度也較差，容易破碎，所以使用時(shí)要當(dāng)心。它要求跟它相接的放大器要有很高的輸入阻抗。流過(guò)它的偏置電流不能大，免得電流產(chǎn)生的焦耳熱影響靈敏面的溫度。,小結(jié)：熱電器件使用要點(diǎn),3）熱釋電器件是一種比較理想的熱探測(cè)器，機(jī)械強(qiáng)度、響應(yīng)率、響應(yīng)速度都很高。但根據(jù)它的工作原理，它只能