熱輻射探測器件 ppt

1、第5章 熱輻射探測器件 第5章 熱輻射探測器件 5.1 熱輻射的一般規(guī)律 熱輻射探測器件(Thermal Detector)為基于光輻射與物質(zhì)相互作用的熱效應(yīng)而制成的器件。由于它具有工作時(shí)不需要制冷，光譜響應(yīng)無波長選擇性等突出特點(diǎn)，使它的應(yīng)用已進(jìn)入某些被光子探測器獨(dú)占的應(yīng)用領(lǐng)域和光子探測器無法實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用領(lǐng)域。 熱輻射定義：物體由于具有溫度而輻射電磁波的現(xiàn)象。熱輻射是連續(xù)譜，波長從0直至，一般熱輻射主要以波長較長的可見光和紅外線為主。熱輻射是在真空中唯一的傳熱方式。 熱電傳感器件是將入射到器件上的輻射能轉(zhuǎn)換成熱能，然后再把熱能轉(zhuǎn)換成電能的器件。 溫度較低時(shí),主要以不可見的紅外光進(jìn)行輻射,當(dāng)溫度為

2、300攝氏度時(shí)熱輻射中最強(qiáng)的波長在紅外區(qū)。500度以上至800度時(shí),熱輻射中最強(qiáng)的波長成分在可見光區(qū)。熱輻射探測器件：優(yōu)點(diǎn)：不需要制冷，光譜響應(yīng)與波長無關(guān)。缺點(diǎn)：探測效率低，時(shí)間響應(yīng)速度慢?？焖夙憫?yīng)熱釋電探測器件的出現(xiàn)彌補(bǔ)了它的缺點(diǎn)。5.1 熱輻射探測器通常分為哪兩個(gè)階段？哪個(gè)階段能夠產(chǎn)生熱電效應(yīng)？1. 溫度變化方程則單位時(shí)間器件的內(nèi)能增量：單位時(shí)間通過傳導(dǎo)損失的能量 式中C稱為熱容（物體每升一度內(nèi)能的增加）。 當(dāng)輻射功率為的熱輻射入射到器件表面時(shí)，令表面的吸收系數(shù)為，則器件吸收的熱輻射功率為e。式中G為器件與環(huán)境的熱傳導(dǎo)系數(shù)。 根據(jù)能量守恒原理：熱交換能量的方式:傳導(dǎo)輻射對(duì)流。5.1熱輻射一

3、般規(guī)律內(nèi)能的增加 與環(huán)境熱交換 吸收的能量 設(shè)入射輻射為正弦輻射通量稱為熱敏器件的熱時(shí)間常數(shù) 熱敏器件的熱時(shí)間常數(shù)一般為毫秒至秒的數(shù)量級(jí)，它與器件的大小、形狀和顏色等參數(shù)有關(guān)。 稱為熱阻初始時(shí)間： t = 0,T = 0則解微分方程得：令當(dāng)0，穩(wěn)定值式中TRC，其意義為當(dāng) tT時(shí)，熱電探測器的溫升上升為穩(wěn)定值的63。T的數(shù)量級(jí)約為幾毫秒至幾秒，比光子器件的時(shí)間常量大得多。 TRC與=RC區(qū)別：熱敏器件時(shí)間常數(shù)T熱時(shí)間常數(shù)表示物體升溫降溫的快慢RC時(shí)間常數(shù)表示RC電路中電流或電壓的變化快慢 為正弦變化的函數(shù)。其幅值為 可見，溫升與收系數(shù)成正比。因此，幾乎所有的熱敏器件都被涂黑。 增高，其溫升下降

4、。在低頻時(shí)（T 1）當(dāng)時(shí)間t T時(shí)溫升與熱導(dǎo)G成反比在高頻時(shí)（T 1）溫升與熱導(dǎo)無關(guān)，而與熱容成反比，且隨頻率的增高而衰減。 減小熱導(dǎo)是增高溫升、提高靈敏度的好方法，但是熱導(dǎo)與熱時(shí)間常數(shù)成反比，提高溫升將使器件的慣性增大，時(shí)間響應(yīng)變壞。 熱平衡僅剩交變分量即頻率很高或器件的慣性很大時(shí)T的考慮在相同的入射輻射下，對(duì)于熱電探測器總是希望T盡可能地大。T隨G和C的減小而增大。要減小H就必須減小探測器熱敏元件的體積和重量；要減小G，必須減小熱敏元件與周圍環(huán)境的熱交換。由熱時(shí)間常量T的定義可知，減小G又會(huì)使T增大（犧牲探測響應(yīng)時(shí)間）。所以在設(shè)計(jì)和選用熱電探測器時(shí)須采取折衷方案。另外G對(duì)探測極限也有影響。

5、若器件的溫度為T，并可以將探測器近似為黑體（吸收系數(shù)與發(fā)射系數(shù)相等），所輻射在接收面積A的功率為 由熱導(dǎo)的定義 2. 熱電器件的最小可探測功率根據(jù)斯忒番-玻耳茲曼定律另外，根據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，探測器與外界達(dá)到熱平衡時(shí)，探測器的功率起伏均方根值為 式中，k為波耳茲曼常數(shù)，G為熱導(dǎo)；f為測試系統(tǒng)的頻帶寬度。 實(shí)際上， 就是探測器因溫度起伏所產(chǎn)生的噪聲。若式中的G取最小值，即G ，并取f1Hz，則 將是可能取值中最小的，即 按最小可探測功率（NEP）的定義輸出端信噪比為1時(shí)，入射功率的有效值，有 則 此式表示了熱電探測器件可能達(dá)到的最佳性能。如果所有的入射輻射全為探測器所吸收，即=1，則上式可變?yōu)槭街?，?/p>

6、假定A1 ；T290K；f1Hz，則此值可作為衡量實(shí)際探測器性能的比較基準(zhǔn)。 為了與習(xí)慣保持一致，通常也使用NEP的倒數(shù)，即探測率D作為探測器探測最小光信號(hào)能力的指標(biāo) D=1/NEP對(duì)于探測器，D越大越好。由于探測器的NEP常與探測器的面積Ad和測量系統(tǒng)帶寬f乘積的平方根成正比，比較各種探測器的性能時(shí)，需除去Ad和f差別的影響，因此用歸一化參數(shù)表示，歸一化的等效噪聲功率和探測率如下5.2 熱敏電阻與熱電堆探測器熱敏電阻 (測輻射熱計(jì)Bolometer)吸收輻射后溫升而使電阻改變的器件。它多由金屬氧化物半導(dǎo)體材料制成。也有由單晶半導(dǎo)體、玻璃和塑料制成的。廣泛應(yīng)用于測溫、控溫、溫度補(bǔ)償、報(bào)警等領(lǐng)域

7、。符號(hào)5.2.1 熱敏電阻1. 熱敏電阻特點(diǎn)熱敏電阻的溫度系數(shù)大，靈敏度高，熱敏電阻的溫度系數(shù)常比一般金屬電阻大10100倍。結(jié)構(gòu)簡單，體積小，可以測量近似幾何點(diǎn)的溫度。電阻率高，熱慣性小，適宜做動(dòng)態(tài)測量。阻值與溫度的變化關(guān)系呈非線性。穩(wěn)定性較差。大部分半導(dǎo)體熱敏電阻由各種氧化物按一定比例混合，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成。多數(shù)熱敏電阻具有負(fù)的溫度系數(shù)，即當(dāng)溫度升高時(shí)，其電阻值下降，同時(shí)靈敏度也下降。由于這個(gè)原因，限制了它在高溫情況下的使用。熱敏電阻的光譜響應(yīng)基本上與入射輻射的波長無關(guān)。對(duì)任何能量的輻射都可以使晶格振動(dòng)加劇，器件溫度上升，引起即器件的電阻值發(fā)生變化。熱敏電阻無選擇性地吸收各種波長的輻射。只是

8、吸收不同波長的輻射，晶格振動(dòng)加劇的程度不同。 一般金屬吸收光以后，使晶格振動(dòng)加劇，妨礙了自由電子作定向運(yùn)動(dòng)。因此，當(dāng)光作用于金屬元件使其溫度升高，其電阻值還略有增加，也即由金屬材料組成的熱敏電阻具有正溫度系數(shù)，而由半導(dǎo)體材料組成的熱敏電阻具有負(fù)溫度特性。2. 熱敏電阻的原理Positive Temperature Coefficient (PTC) thermistors 適宜材料有鉑、銅、鎳、鐵等。金屬材料-正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTR)金屬材料測輻射熱計(jì)原理：一般金屬的能帶結(jié)構(gòu)外層無禁帶，自由電子密度很大，以致外界光作用引起的自由電子密度相對(duì)變化較半導(dǎo)體而言可忽略不計(jì)。吸收輻射產(chǎn)生溫升后，自

9、由電子濃度的增加是微不足道的。相反，因晶格振動(dòng)的加劇妨礙了自由電子作定向運(yùn)動(dòng)，從而電阻溫度系數(shù)是正的半導(dǎo)體材料測輻射熱計(jì)原理：半導(dǎo)體材料對(duì)光的吸收除了直接產(chǎn)生光生載流子的本征吸收和雜質(zhì)吸收外，還有不直接產(chǎn)生載流子的晶格吸收和自由電子吸收等，并且不同程度地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，引起晶格振?dòng)的加劇，器件溫度的上升，即器件的電阻值發(fā)生變化。其中部分電子能夠從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶成為自由電子，使電阻減小，電阻溫度系數(shù)是負(fù)的。又因?yàn)楦鞣N波長的輻射都能被材料吸收，只是吸收不同波長的輻射，晶格振動(dòng)加劇的程度不同而已,對(duì)溫升都有貢獻(xiàn)，所以它的光譜響應(yīng)特性基本上與波長無關(guān)。Negative Temperature Coeffi

10、cient (NTC) thermistors半導(dǎo)體類的多為金屬氧化物，例如氧化錳、氧化鎳、氧化鈷等。半導(dǎo)體材料-負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTR)金屬材料的特點(diǎn)半導(dǎo)體材料的特點(diǎn)電阻溫度系數(shù)多為正的電阻溫度系數(shù)絕對(duì)值小電阻變化與溫度變化的關(guān)系基本上是線性的耐高溫能力和穩(wěn)定性較強(qiáng)多用于溫度的模擬測量。電阻溫度系數(shù)多為負(fù)的電阻溫度系數(shù)絕對(duì)值大，比一般金屬電阻大10100倍電阻變化與溫度變化的關(guān)系基本上是非線性的耐高溫能力和穩(wěn)定性較差多用于輻射探測。例如防盜報(bào)警、防火系統(tǒng)、熱輻射體搜索和跟蹤等再把襯底同一個(gè)熱容很大、導(dǎo)熱性能良好的金屬相連構(gòu)成熱敏電阻。 （使用熱特性不同的襯底，可使探測器的時(shí)間常量由大約1

11、ms變?yōu)?0ms）紅外輻射通過探測窗口投射到熱敏元件上，引起元件的電阻變化。為了提高熱敏元件接收輻射的能力（提高吸收系數(shù)），常將熱敏元件的表面進(jìn)行黑化處理。熱敏元件結(jié)構(gòu)由熱敏材料制成的厚度為0.01mm左右的薄片電阻粘合在導(dǎo)熱能力高的絕緣襯底上，電阻體兩端蒸發(fā)金屬電極以便與外電路連接；熱敏電阻探測器的主要參數(shù)有：（1）電阻-溫度特性熱敏電阻器的實(shí)際阻值RT與其自身溫度T的關(guān)系有正溫度系數(shù)與負(fù)溫度系數(shù)兩種，分別表示為： 正溫度系數(shù)的熱敏電阻 負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻式中，RT為絕對(duì)溫度T時(shí)的實(shí)際電阻值；分別為背景環(huán)境溫度下的阻值，為與電阻的幾何尺寸和材料物理特性有關(guān)的常數(shù)；A、B為材料常數(shù)。 3.

12、熱敏電阻的參數(shù)（2）熱敏電阻阻值變化量 RT=RTaTT aT為熱敏電阻溫度系數(shù)（3）熱敏電阻的輸出特性RT測量電路有兩種： 1）利用單個(gè)探測器的電路，如下圖所示。 2）橋式電路，使用兩個(gè)相同規(guī)格的元件，一個(gè)作為接收元件，另一個(gè)作為補(bǔ)償元件，接到電橋的兩個(gè)臂上，可使溫度的緩慢變化不影響電橋平衡。具有較強(qiáng)的抗干擾性。如右圖所示。測輻射熱計(jì)吸收輻射產(chǎn)生溫升T，阻值相應(yīng)變化RT，在負(fù)載上產(chǎn)生的電壓變化為：RT1. 單個(gè)探測元件直流代入電阻溫度系數(shù) 2. 橋式電路熱敏電阻電路如圖5-5所示，圖中 ， 。若在熱敏電阻上加上偏壓Ubb之后，由于輻射的照射使熱敏電阻值改變，若又（5-23）（4）冷阻與熱阻熱

13、阻R冷阻RT熱敏電阻在某個(gè)溫度下的電阻值物體吸收單位輻射功率所引起的溫升則對(duì)電橋電路若入射輻射為交流正弦信號(hào)， ，則其中定義式熱阻與熱傳導(dǎo)系數(shù)的關(guān)系是吸收系數(shù)隨輻照頻率的增加，熱敏電阻傳遞給負(fù)載的電壓變化率減少。熱敏電阻的時(shí)間常數(shù)約為110ms，因此，使用頻率上限約為20200kHz左右。由可見，（5）靈敏度（響應(yīng)率）直流靈敏度交流靈敏度5.5 熱敏電阻靈敏度與哪些因素有關(guān)？可見，要增加熱敏電阻的靈敏度，需采取以下措施： 增加偏壓Ubb但受熱敏電阻的噪聲以及不損壞元件的限制； 把熱敏電阻的接收面涂黑增加吸收率a； 增加熱阻，其辦法是減少元件的接收面積及元件與外界對(duì)流所造成的熱量損失，常將元件裝

14、入真殼內(nèi)，但隨著熱阻的增大，響應(yīng)時(shí)間也增大。為了減小響應(yīng)時(shí)間，通常把熱敏電阻貼在具有高熱導(dǎo)的襯底上； 選用大的材料，也即選取B值大的材料。當(dāng)然還可使元件冷卻工作，以提高值。 （6）最小可探測功率熱敏電阻的最小可探測功率受噪聲的影響。熱敏電阻的噪聲主要有： 熱噪聲。熱敏電阻的熱噪聲與光敏電阻阻值的關(guān)系相似為； 溫度噪聲。因環(huán)境溫度的起伏而造成元件溫度起伏變化產(chǎn)生的噪聲稱為溫度噪聲。將元件裝入真空殼內(nèi)可降低這種噪聲。 電流噪聲。與光敏電阻的電流噪聲類似，當(dāng)工作頻率f 10kHz時(shí)，此噪聲完全可以忽略不計(jì)。 根據(jù)這些噪聲情況，熱敏電阻可探測的最小功率約為10-8 10-9W。 5.2.2 熱電偶和熱

15、電堆（thermocouples & thermopile）熱電偶即兩種相互接觸的材料構(gòu)成的器件作用：它能產(chǎn)生溫差電效應(yīng)： TU 熱電偶雖然是發(fā)明于1826年的古老紅外探測器件，然而至今仍在光譜、光度探測儀器中得到廣泛的應(yīng)用。 熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一。優(yōu)點(diǎn)： 測量精度高。因熱電偶直接與被測對(duì)象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。 測量范圍廣。常用的熱電偶從-50+1600均可連續(xù)測量，某些特殊熱電偶可測到-271 +2800，如：金鐵鎳鉻和鎢-錸。 構(gòu)造簡單，使用方便。1.熱電偶的工作原理塞貝克效應(yīng)（Seebeck Effect）:兩種不同材料或材料相同而逸出功不同的物體，當(dāng)它們構(gòu)成回路

16、時(shí)，如果兩個(gè)接觸點(diǎn)的溫度不同，回路中就會(huì)產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢。熱電偶測溫基本原理是將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體焊接起來，構(gòu)成一個(gè)閉合回路。當(dāng)兩個(gè)導(dǎo)體的二個(gè)執(zhí)著點(diǎn)之間存在溫差時(shí)，就會(huì)發(fā)生高電位向低電位放電現(xiàn)象，這種現(xiàn)象也叫熱電效應(yīng)。I 測量輻射能的熱電偶稱為輻射熱電偶，它與測溫?zé)犭娕嫉脑硐嗤?，結(jié)構(gòu)不同。如圖，輻射熱電偶的熱端接收入射輻射，因此在熱端裝有一塊涂黑的金箔，當(dāng)入射輻射通量e被金箔吸收后，金箔的溫度升高，形成熱端，產(chǎn)生溫差電勢，在回路中將有電流流過。用檢流計(jì)G可檢測出電流為I。由于入射輻射引起的溫升T很小，因此對(duì)熱電偶材料要求很高，結(jié)構(gòu)也非常嚴(yán)格和復(fù)雜。成本昂貴。 熱端冷端通常半導(dǎo)體材料構(gòu)成

17、的熱電偶比金屬材料的溫差電勢率高（鉍和銻溫差電勢率為100V/C，而半導(dǎo)體熱電偶可達(dá)500V/C ）用涂黑的金箔將N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體連在一起構(gòu)成熱結(jié)，熱端接收輻射產(chǎn)生溫升，半導(dǎo)體中載流子動(dòng)能增加，多子從熱端向冷端擴(kuò)散，使p型材料冷端帶正電，n型材料冷端帶負(fù)電，從而產(chǎn)生溫差電勢，在回路中產(chǎn)生電流。（a）半導(dǎo)體材料構(gòu)成的熱電偶（b）金屬材料構(gòu)成的熱電偶金屬A和B組成回路時(shí)，若兩金屬連接點(diǎn)的溫度存在著差異（一端高而另一端低），則產(chǎn)生電位差E，在回路中會(huì)有電流產(chǎn)生。回路電流I=E/R。其中R稱為回路電阻?；驹恚簻夭铍娦?yīng)： TU材 料： 金屬鉑、鐒溫差電動(dòng)勢： 100V/材 料： 半導(dǎo)體溫差電

18、動(dòng)勢： 500V/UOC=M12T塞貝克系數(shù)若入射輻射為交流輻射信號(hào) ，則產(chǎn)生的交流信號(hào)電壓為 輻射熱電偶在恒定輻射作用下，用負(fù)載電阻RL將其構(gòu)成回路，將有電流I流過負(fù)載電阻，并產(chǎn)生電壓降UL，則 熱電偶的結(jié)構(gòu)形式為了保證熱電偶可靠、穩(wěn)定地工作，對(duì)它的結(jié)構(gòu)要求如下： 組成熱電偶的兩個(gè)熱電極的焊接必須牢固； 兩個(gè)熱電極彼此之間應(yīng)很好地絕緣，以防短路； 補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶自由端的連接要方便可 靠； 保護(hù)套管應(yīng)能保證熱電極與有害介質(zhì)充分隔離。 真空熱電偶的基本特性參數(shù)為靈敏度S、比探測率D*、響應(yīng)時(shí)間和最小可探測功率NEP等參數(shù)。（1）靈敏度（響應(yīng)率）交流輻射 2. 熱電偶的基本特性參數(shù)直流輻射提高熱

19、電偶的響應(yīng)率最有效的辦法除選用塞貝克系數(shù)M12較大的材料外，增加輻射的吸收率，減小內(nèi)阻Ri，減小熱導(dǎo)GQ等措施都是有效的。對(duì)于交流響應(yīng)率，降低工作頻率，減小時(shí)間常數(shù)T，也會(huì)有明顯的提高。但是，熱電偶的響應(yīng)率與時(shí)間常數(shù)是一對(duì)矛盾，應(yīng)用時(shí)只能兼顧。M為塞貝克常量也稱溫差電勢率 熱電偶的響應(yīng)時(shí)間約為幾毫秒到幾十毫秒左右，在BeO襯底上制造Bi-Ag結(jié)結(jié)構(gòu)的熱電偶有望得到更快的時(shí)間響應(yīng)，響應(yīng)時(shí)間可達(dá)到或超過10-7s。 （3）最小可探測功率 熱電偶的最小可探測功率NEP取決于探測器的噪聲，它主要由熱噪聲和溫度起伏噪聲，電流噪聲幾乎被忽略。半導(dǎo)體熱電偶的最小可探測功率NEP一般為10-11W左右。熱電堆

20、在常溫理想情況下NEP可達(dá)10-9W數(shù)量級(jí)。 （2）響應(yīng)時(shí)間 5.2.3 熱電堆探測器 為了減小熱電偶的響應(yīng)時(shí)間，提高靈敏度，常把輻射接收面分為若干塊，每塊都接一個(gè)熱電偶，并把它們串聯(lián)起來構(gòu)成如圖5-8所示的熱電堆。 1. 熱電堆的靈敏度 熱電堆的靈敏度St為 為熱電堆中熱電偶對(duì)數(shù)熱電堆的響應(yīng)時(shí)間常數(shù)：熱阻熱容要想使高速化和提高靈敏度兩者并存，就要在不改變熱阻的情況下減小熱容。熱阻由導(dǎo)熱通路長和熱電堆數(shù)目以及膜片剖面面積比決定。則要減小多晶硅間隔，減小膜厚度。冷端熱端熱電堆的內(nèi)阻 熱電堆的溫差電動(dòng)勢 可達(dá)幾十千歐熱電堆實(shí)物照片由于薄膜技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)能夠制作出價(jià)格低廉的熱電堆，可以制成各種復(fù)雜

21、的陣列，而且性能可靠。例如用銻、鉍材料薄膜制成的器件，不僅具有金屬絲熱電堆的某些優(yōu)點(diǎn)，還有較高的響應(yīng)率。 缺點(diǎn): 容易損壞，時(shí)間常量大，輸出阻抗低，需要特殊設(shè)計(jì)的低噪聲放大器；為了使熱電堆和放大器達(dá)到噪聲匹配，需要變壓器耦合，從而使放大器變得笨重、昂貴。注意：熱電堆額定功率小，入射輻射不能很強(qiáng)，應(yīng)避免通過較大的電流，一般多為微安級(jí)。檢驗(yàn)時(shí)不宜使用歐姆表測量以免表內(nèi)電源燒毀元件中的金箔。熱電堆保存時(shí)不要使輸出端短路，以防因電火花等電磁干擾產(chǎn)生的感應(yīng)電流燒毀元件。電壓靈敏度熱響應(yīng)時(shí)間常數(shù)噪聲等效功率 內(nèi)阻 比探測率熱電偶主要參數(shù)5.3 熱釋電器件 熱釋電器件是一種利用熱釋電效應(yīng)制成的熱探測器件。優(yōu)

22、點(diǎn)：具有較寬的頻率響應(yīng)，工作頻率接近MHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其它熱探測器的工作頻率。一般熱探測器的時(shí)間常數(shù)典型值在10.01s范圍內(nèi)，而熱釋電器件的有效時(shí)間常數(shù)可低達(dá)10-4 310-5 s；熱釋電器件探測率高，只有氣動(dòng)探測器的D*才比熱釋電器件稍高，且這一差距正在不斷減??；熱釋電器件可以有大面積均勻的敏感面，而且工作時(shí)可以不外加接偏置電壓； 與熱敏電阻相比，它受環(huán)境溫度變化影響更??； 熱釋電器件的強(qiáng)度和可靠性比其它多數(shù)熱探測器都要好，且制造比較容易。 5.3 熱釋電器件 熱釋電器件：一種利用熱釋電效應(yīng)制成的熱探測器件熱釋電效應(yīng)：某些物質(zhì)吸收光輻射后將其轉(zhuǎn)換成熱能，這個(gè)熱能使晶體的溫度升高，引起表面電

23、荷發(fā)生變化的現(xiàn)象。溫度低溫度高如圖表面電荷變低1.相關(guān)概念1 ）極化在電場作用下,電介質(zhì)中束縛著的電荷發(fā)生位移或者極性按電場方向轉(zhuǎn)動(dòng)的現(xiàn)象2 ）自發(fā)極化在外加電場除去后鐵電體仍保持著極化狀態(tài)的現(xiàn)象鐵電體在沒有外電場作用時(shí), 存在著電偶極子的有序排列3）自發(fā)極化強(qiáng)度Ps在垂直于極化軸的單位面積上的自發(fā)極化電荷量。它是一個(gè)矢量, 其單位為C/m2。 5.3.1 熱釋電器件的基本工作原理鐵電體中存在固有的自發(fā)極化電矩；自發(fā)極化電矩可以在外電場作用下改變方向。鐵電體的這些性質(zhì)與鐵磁性十分相似，故稱鐵電性。 4）居里溫度Tc （居里點(diǎn)）指一種臨界溫度，當(dāng)大于Tc時(shí)，自發(fā)極化消失。居里溫度由于溫度的變化,

24、熱釋電晶體和壓電陶瓷等會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的電荷中心相對(duì)位移,使它們的自發(fā)極化強(qiáng)度發(fā)生變化,從而在它們的兩端產(chǎn)生異號(hào)的束縛電荷,這種現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)具有熱釋電效應(yīng)性質(zhì)的材料稱為熱釋電體。二級(jí)熱釋電效應(yīng)：由于溫度變化引起材料形變,再由壓電效應(yīng)產(chǎn)生電荷的二級(jí)效應(yīng)。熱釋電體一般具有一級(jí)和二級(jí)熱釋電效應(yīng)。2. 熱釋電效應(yīng)在居里點(diǎn)以下，極化強(qiáng)度PS是溫度T的函數(shù)。利用這一關(guān)系制造的熱敏探測器稱為熱釋電器件。當(dāng)紅外輻射照射到已經(jīng)極化的鐵電體薄片時(shí)，引起薄片溫度升高，表面電荷減少，相當(dāng)于熱“釋放”了部分電荷。釋放的電荷可用放大器轉(zhuǎn)變成電壓輸出。如果輻射持續(xù)作用，表面電荷將達(dá)到新的平衡，不再釋放電荷，也不再有電壓信

25、號(hào)輸出。因此，熱釋電器件不同于其他光電器件，在恒定輻射作用的情況下輸出的信號(hào)電壓為零。只有在交變輻射的作用下才會(huì)有信號(hào)輸出。 恒溫T1電荷中和時(shí)間：秒小時(shí)溫升到T2 束縛電荷減少 極化馳豫時(shí)間皮秒“釋放” 電荷（輸出電信號(hào)） 熱“釋電”的物理過程 設(shè)晶體的自發(fā)極化矢量為Ps，Ps的方向垂直于電容器的極板平面。接收輻射的極板和另一極板的重迭面積為Ad。面束縛電荷密度與自發(fā)極化強(qiáng)度Ps之間的關(guān)系可由下式確定 若輻射引起的晶體溫度變化為T，則 Q =Ad(Ps/T)T = AdT 式中， = Ps/T稱為熱釋電系數(shù)，其單位為c/cm2K，是與材料本身的特性有關(guān)的物理量，表示自發(fā)極化強(qiáng)度隨溫度的變化率

26、。 (5-37) 2. 熱釋電器件的工作原理由此引起表面上的束縛極化電荷為Q = Ad=AdPs 若在晶體的兩個(gè)相對(duì)的極板上敷上電極，在兩極間接上負(fù)載RL，則負(fù)載上就有電流通過。由于溫度變化在負(fù)載上產(chǎn)生的電流可以表示為 RL電壓可見，熱釋電器件的電壓與晶體和入射輻射達(dá)到平衡的時(shí)間無關(guān)。 面電極結(jié)構(gòu)： 電極面積較大，極間距離較小，極間電容較大，故其不適于高速應(yīng)用邊電極結(jié)構(gòu)：電極所在的平面與光敏面互相垂直，電極間距較大，電極面積較小，極間電容較小。因此，在高速運(yùn)用時(shí)以邊電極為宜。輸出電壓的幅值為 輸入到放大器的電壓為 如果將熱釋電器件跨接到放大器的輸入端，其等效電路為如圖5-17所示。由等效電路可

27、得熱釋電器件的等效負(fù)載電阻為 則可推出： (1) 當(dāng)入射為恒定輻射，即0時(shí)，Sv=0，說明熱釋電器件對(duì)恒定輻射不靈敏； (2) 在低頻段1/T或1/e時(shí)，靈敏度S v與成正比，為熱釋電器件交流靈敏的體現(xiàn)。 (3) 當(dāng)e T時(shí)，通常eT，在1/T 1/e范圍內(nèi)，Sv與無關(guān)； (4) 高頻段（1/T、 1/e）時(shí)， 電壓靈敏度5.3.2 熱釋電器件的靈敏度 即靈敏度與信號(hào)的調(diào)制頻率成反比。 圖5-18給出了不同負(fù)載電阻RL下的靈敏度頻率特性，由圖可見，增大RL可以提高靈敏度，但是，頻率響應(yīng)的帶寬變得很窄。應(yīng)用時(shí)必須考慮靈敏度與頻率響應(yīng)帶寬的矛盾，根據(jù)具體應(yīng)用條件，合理選用恰當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻。 熱釋電器

28、件的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)電容器，因此輸出阻抗很高，所以它后面常接有場效應(yīng)管，構(gòu)成源極跟隨器的形式，使輸出阻抗降低到適當(dāng)數(shù)值。因此在分析噪聲的時(shí)候，也要考慮放大器的噪聲。這樣，熱釋電器件的噪聲主要有電阻的熱噪聲、溫度噪聲和放大器噪聲等。 5.3.3 熱釋電器件的噪聲熱噪聲來自晶體的介電損耗和與探測器的并聯(lián)電阻。若等效電阻為Reff，則熱噪聲電流的方均值為1. 熱噪聲熱噪聲電壓為 當(dāng)22e 1時(shí)，上式可簡化為 表明熱噪聲電壓隨調(diào)制頻率的升高而下降。 放大器噪聲來自放大器中的有源元件和無源器件，及信號(hào)源的阻抗和放大器輸入阻抗之間噪聲的匹配等方面。設(shè)放大器的噪聲系數(shù)為F，把放大器輸出端的噪聲折到輸入端，認(rèn)為

29、放大器是無噪聲的，這時(shí)，放大器輸入端的噪聲電流方均值為Ik = 4k(F-1)Tf/R2. 放大器噪聲 溫度噪聲來自熱釋電器件的靈敏面與外界輻射交換能量的隨機(jī)性，噪聲電流的方均值為 (553) 式中，A為電極的面積，Ad為光敏區(qū)的面積，為溫度起伏的方均值。 如果這三種噪聲不相關(guān)，則總噪聲為 3. 溫度噪聲 考慮統(tǒng)計(jì)平均值時(shí)的信噪功率比為 如果溫度噪聲是主要噪聲源而忽略其它噪聲時(shí)，噪聲等效功率: (NEP)2(4kT 2G2f/2A222R) 1+(TN/T)2 由上式可以看出，熱釋電器件的噪聲等效功率NEP具有隨著調(diào)制頻率的增加而減小的性質(zhì)。 熱釋電探測器在低頻段的電壓響應(yīng)度與調(diào)制頻率成正比，

30、在高頻段則與調(diào)制頻率成反比，僅在1/T 1/e范圍內(nèi)，Rv與無關(guān)。響應(yīng)度高端半功率點(diǎn)取決于1/T 或 1/e中較大的一個(gè)，因而按通常的響應(yīng)時(shí)間定義，T 和e中較小的一個(gè)為熱釋電探測器的響應(yīng)時(shí)間。通常T較大，而 e與負(fù)載電阻有關(guān)，多在幾秒到幾個(gè)微秒之間。由圖5-18可見，隨著負(fù)載的減小，e變小，靈敏度也相應(yīng)減小。 響應(yīng)時(shí)間 如圖5-19所示為常用的電路。圖中用JFET構(gòu)成源極跟隨器，進(jìn)行阻抗變換。由于熱釋電材料具有壓電特性，因而對(duì)微震等應(yīng)變十分敏感，因此在使用時(shí)應(yīng)注意減震防震。 熱釋電探測器的阻抗特性 熱釋電探測器幾乎是一種純?nèi)菪云骷?，由于電容量很小，所以阻抗很高，常?09以上。因此，必須配高

31、阻抗的負(fù)載。常用JFET器件作熱釋電探測器的前置放大器。 1. 硫酸三甘肽（TGS）晶體熱釋電器件 它在室溫下的熱釋電系數(shù)較大，介電常數(shù)較小，比探測率D*值較高D*(500, 10 ,1) 15109cmHz1/2W1。在較寬的頻率范圍內(nèi)，這類探測器的靈敏度較高，因此，至今仍是廣泛應(yīng)用的熱輻射探測器件。 TGS可在室溫下工作，具有光譜響應(yīng)寬、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，是一種性能優(yōu)良的紅外探測器，廣泛應(yīng)用紅外光譜領(lǐng)域。 摻丙乙酸的TGS（LATGS）具有很好的鎖定極化特點(diǎn)。溫度由居里溫度以上降到室溫，仍無退極化現(xiàn)象。它的熱釋電系數(shù)也有所提高。摻雜后TGS晶體的介電損耗減小，介電常數(shù)下降。前者降低了噪聲，后

32、者改進(jìn)了高頻特性。在低頻情況下，這種熱釋電器件的NEP為41011 W/Hz-1/2，相應(yīng)的D*值為5109cmHz1/2W1。它不僅靈敏度高，而且響應(yīng)速度也很快。 5.3.4 熱釋電器件的類型 圖5-20所示為LATGS的等效噪聲功率NEP和比探測率D*隨工作頻率f的變化關(guān)系。 這種熱釋電器件由于材料中鋇含量的提高而使居里溫度相應(yīng)提高。例如，鋇含量從0.25增加到0.47，其居里溫度相應(yīng)從47C提高到115C。SBN探測器在大氣條件下性能穩(wěn)定，無需窗口材料，電阻率高，熱釋電系數(shù)大，機(jī)械強(qiáng)度高，在紅外波段吸收率高，可不必涂黑。工作在500MHz也不出現(xiàn)壓電諧振，可用于快速光輻射的探測。但SNB

33、晶體在鋇含量x0.6時(shí)，晶體在生長過程會(huì)開裂。 在SNB中摻少量La2O2可提高其熱釋電系數(shù)，摻雜的SBN熱釋電器件無退極化現(xiàn)象，D*(500, 10 ,1) 達(dá)8.0108cmHz1/2W1。摻鑭后其居里溫度有所降低，但極化仍很穩(wěn)定，損耗也有所改善。 2.鈮酸鍶鋇 (SBN)熱釋電器件 該器件的居里溫度Tc高達(dá)620C，室溫下的響應(yīng)率幾乎不隨溫度變化，可在很高的環(huán)境溫度下工作；且能夠承受較高的輻射能量，不退極化；它的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不需要保護(hù)窗口；機(jī)械強(qiáng)度高；響應(yīng)快（時(shí)間常數(shù)為1310-12s，極限為110-12s；）；適于探測高速光脈沖。已用于測量峰值功率為幾個(gè)千瓦，上升時(shí)間為100ps

34、的Nd:YAG激光脈沖。其D*（500, 30, 1）達(dá)8.5108cmHz1/2W1。 3. 鉭酸鋰（LiTaO3） 壓電陶瓷器件的特點(diǎn)是熱釋電系數(shù)較大，介電常數(shù)也較大，二者的比值并不高。其機(jī)械強(qiáng)度高、物理化學(xué)性能穩(wěn)定、電阻率可以控制；能承受的輻射功率超過LiTaO3熱釋電器件；居里溫度高，不易退極化。例如，鋯鈦酸鉛熱釋電器件的Tc高達(dá)365，D*（500，1，1）高達(dá)7108cmHz1/2W1。此外，這種熱釋電器件容易制造，成本低廉。 4. 壓電陶瓷熱釋電器件 有機(jī)聚合物熱釋電材料的導(dǎo)熱小，介電常數(shù)也?。灰子诩庸こ扇我庑螤畹谋∧?；其物理化學(xué)性能穩(wěn)定，造價(jià)低廉；雖然熱釋電系數(shù)不大，但介電系數(shù)

35、也小，所以比值并不小。在聚合物熱釋電材料中較好的有聚二氟乙烯（PVF2）、聚氟乙烯（PVF）及聚氟乙烯和聚四氟乙烯等共聚物。利用PVF2薄膜已得到D*（500，10，1）達(dá)108cmHz1/2W1。 5. 聚合物熱釋電器件 由于熱釋電器件的輸出阻抗高，因此需要配以高阻抗負(fù)載，因而其時(shí)間常數(shù)較大，即響應(yīng)時(shí)間較長。這樣的熱釋電器件不適于探測快速變化的光輻射。即使使用補(bǔ)償放大器，其高頻響應(yīng)也僅為103Hz量級(jí)。 近年來發(fā)展了快速熱釋電器件?？焖贌後岆娖骷话愣荚O(shè)計(jì)成同軸結(jié)構(gòu)，將光敏元置于阻抗為50的同軸線的一端，采用面電極結(jié)構(gòu)時(shí)，時(shí)間常數(shù)可達(dá)到1ns左右，采用邊電極結(jié)構(gòu)時(shí)，時(shí)間常數(shù)可降至幾個(gè)ps。圖5-21所示為一種快速熱釋電探測器的結(jié)構(gòu)原理圖。光敏元件是SBN晶體薄片，采用邊電極結(jié)構(gòu)，電極Au的厚度為0.1m，襯底采用Al2O3或BeO陶瓷等導(dǎo)熱良好的材料。輸出用SMA/BNC高頻接頭。這種結(jié)構(gòu)的熱釋電探測器的響應(yīng)時(shí)間為13ps，6. 快速熱釋電探測器