第三章熱電探測器件

第三章熱電探測器件第1頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三與其它光電器件相比,熱電探測器件具有下列特性:1.響應(yīng)率與波長無關(guān)，光譜響應(yīng)范圍特別寬，屬無選擇性探測器；2.受熱時(shí)間常數(shù)的制約,響應(yīng)速度慢,為毫秒級；

熱電探測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器件的共同原理，然后再分別介紹以上各種具體器件。第2頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三各種不同類型的熱電探測器件的性能

第3頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三第4頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三3.1基本原理對熱電探測器件的分析，可分為兩步：第一步是按系統(tǒng)的熱力學(xué)特性來確定入射輻射所引起的溫升，這種分析對各種熱電探測器件都適用；第二步是根據(jù)溫升來確定具體探測器件輸出信號的性能。在相同的入射輻射下，希望得到大的溫升，就是說，探測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。第5頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三時(shí)間常數(shù)：——熱容，探測元每溫升1K所需的熱量，JK－1。G——熱導(dǎo)，單位時(shí)間下降單位溫度所散失的熱量，JK－1S-1。τ的數(shù)量級約為幾毫秒至幾秒，這比光電器件的時(shí)間常數(shù)大得多。因此，熱電探測器件在某些應(yīng)用領(lǐng)域中，所處的地位不如光電探測器件。但是，對系統(tǒng)中各種相互制約的因素進(jìn)行綜合考慮以后，這一缺點(diǎn)也許不那么嚴(yán)重。為使探測器的熱容小，應(yīng)盡量使探測器的結(jié)構(gòu)小、重量輕，同時(shí)要兼顧結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。后面提到的熱釋電器件就是一種靈敏度高和機(jī)械強(qiáng)度好的熱電探測器。熱導(dǎo)G對于探測器靈敏度和時(shí)間常數(shù)的影響正好相反，G小，靈敏度高，但響應(yīng)時(shí)間長。所以，在設(shè)計(jì)和選用熱電探測器件時(shí)須采取折衷方案。另外G對探測極限也有影響。第6頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三探測器與外界的熱耦合，主要有輻射交換和熱傳導(dǎo)兩種形式。其中，輻射交換的熱導(dǎo)率最小。如果只考慮輻射交換，不計(jì)因支架和引線等引起的熱傳導(dǎo)時(shí)，熱導(dǎo)率的極限值可根據(jù)斯忒藩-波耳茲曼定律來估算。設(shè)當(dāng)探測器與外界達(dá)到熱平衡時(shí)，它所輻射的總通量為其中σ為斯忒藩-波耳茲曼常數(shù)，T為溫度，探測器的靈敏面面積為A，發(fā)射率為η對上式兩邊進(jìn)行微分，由輻射交換所產(chǎn)生的熱導(dǎo)G為另外，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)；Δf為測試系統(tǒng)的頻帶寬度。

第7頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三實(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Δf＝1Hz，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η=1，則上式可變?yōu)榈?頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三式中，若假定A＝1；T＝290K；Δf＝1Hz，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能力的指標(biāo)D=1/NEP對于探測器，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Δf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Δf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第9頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三3.2溫差電偶

溫差電偶也叫熱電偶，是最早出現(xiàn)的一種熱電探測器件。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。這個(gè)電動(dòng)勢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)。

第10頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三

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溫，薄膜型的溫差電堆（由許多個(gè)溫差電偶串聯(lián)而成）多用于測量輻射，例如，用來標(biāo)定各類光源，測量各種輻射量，作為紅外分光光度計(jì)或紅外光譜儀的輻射接收元件等。溫差電偶原理熱電偶原理圖示于右圖。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。第11頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三由半導(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)，開路電壓為式中，M為比例系數(shù)，稱塞貝克常數(shù)，也稱溫差電勢率，單位為V/℃；ΔT為溫度增量。因G與材料性質(zhì)和環(huán)境有關(guān)，所以為了使G較小，提高靈敏度，并使工作穩(wěn)定，常把溫差電偶或溫差電堆放在真空的外殼里。溫差電勢形成的物理過程

第12頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三

真空溫差電偶的主要參量有：靈敏度（也叫響應(yīng)率）R、響應(yīng)時(shí)間常數(shù)τ、噪聲等效功率NEP或比探測率D*等。

溫差電偶的響應(yīng)率為：冷端負(fù)載上所產(chǎn)生的電壓降。Φ：入射于探測器的輻射通量。要使溫差電偶的響應(yīng)率高，應(yīng)選用溫差電勢大的材料，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ω和減小時(shí)間常數(shù)都有利于提高響應(yīng)率，可是ω與是矛盾的，所以，響應(yīng)率與帶寬之積為一常數(shù)的結(jié)論，對于溫差電偶也成立。溫差電偶的時(shí)間常數(shù)多為毫秒量級，帶寬較窄。多用于測量恒定的輻射或低頻輻射。只有少數(shù)時(shí)間常數(shù)小的器件才適用于測量中、高頻輻射。第13頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三熱電探測器件最小可探測功率的主要限制因素是溫度噪聲和約翰遜噪聲。理想的熱電探測器件，噪聲等效功率為W數(shù)量級。而溫差電堆，常溫、理想情況下噪聲等效功率可達(dá)W數(shù)量級。

由于薄膜技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)能夠制作出價(jià)格低廉的溫差電堆，可以制成各種復(fù)雜的陣列，而且性能可靠。例如，用銻、鉍材料薄膜制成的器件，不僅具有金屬絲溫差電堆的某些優(yōu)點(diǎn)，還有較高的響應(yīng)率。第14頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三曲線6表示銻鉍蒸發(fā)薄膜的溫差電堆，它的性能雖然比某些熱電探測器件低，但它堅(jiān)固，容易制作，既可以制成單個(gè)元件，也可以制成超過100個(gè)單元的探測器陣列。因此，它的應(yīng)用很廣泛，已成功地應(yīng)用于某些航天儀器，包括星際航行儀器。

由半導(dǎo)體材料制成的溫差電堆，一般都很脆弱，容易破碎，使用時(shí)應(yīng)避免振動(dòng)。其次是額定功率小，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。檢驗(yàn)時(shí)，不宜使用歐姆表測量，免得表內(nèi)電源燒毀元件中的金箔。再次是，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。另外，工作時(shí)環(huán)境溫度不宜超過60℃。第15頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三3.3熱敏電阻（測輻射熱計(jì)）

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，也稱它為測輻射熱計(jì)。1.熱敏電阻的分類及其區(qū)別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。

第16頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三而半導(dǎo)體的熱敏電阻，電阻溫度系數(shù)多為負(fù)的，絕對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，所以多用于輻射探測，例如，防盜報(bào)警、防火系統(tǒng)、熱輻射體搜索和跟蹤等。它們的主要區(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)，所以多用于溫度的模擬測量。第17頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三2.原理

熱敏電阻的物理過程是吸收輻射，產(chǎn)生溫升，從而引起材料電阻的變化，其機(jī)理很復(fù)雜。由半導(dǎo)體材料制成的熱敏電阻可定性地解釋為，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，而且其絕對值比半導(dǎo)體的小。第18頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三3.結(jié)構(gòu)熱敏電阻的靈敏面是一層由金屬或半導(dǎo)體熱敏材料制成的厚約0.01mm的薄片，粘在一個(gè)絕緣的襯底上，襯底又粘在一金屬散熱器上。熱敏電阻結(jié)構(gòu)示意圖

使用熱特性不同的襯底，可使探測器的時(shí)間常數(shù)由大約1ms變到50ms。因?yàn)闊崦舨牧媳旧聿皇呛芎玫奈阵w，為了提高吸收系數(shù)，靈敏面表面都要進(jìn)行黑化。早期的熱敏電阻是單個(gè)元件接在惠更斯電橋的一個(gè)臂上?，F(xiàn)在的熱敏電阻多為兩個(gè)相同規(guī)格的元件裝在一個(gè)管殼里，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。第19頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三工作時(shí)，或按上圖a接成橋式電路，或按上圖b以補(bǔ)償元件為負(fù)載接放大器。圖中為接收元件，為補(bǔ)償元件，、、為普通電阻。對于圖b，如果有入射輻射，則熱敏電阻的電阻將因溫升而產(chǎn)生一微量變化，于是所產(chǎn)生的信號電壓為i：電流如果入射輻射使元件產(chǎn)生的溫升為ΔT，則元件的電阻溫度系數(shù)為：熱敏電阻的接電電路

第20頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三則熱敏電阻的電壓響應(yīng)率為：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)α、熱敏電阻、吸收系數(shù)η都要大，熱導(dǎo)G、熱輻射的交變頻率ω、熱容都要小，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。

第21頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三1）由于要求放大器的輸入阻抗要遠(yuǎn)大于，這就限制了不能任意的大。另外，假如很大，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)。這時(shí)，將使頻率特性變壞。2）α決定于材料。對于大多數(shù)金屬，α≈l/T。對于大多數(shù)半導(dǎo)體，在某有限溫區(qū)內(nèi)α≈3000/。所以，通過致冷可提高α。3）為了提高η，要使靈敏面表面黑化。4）為了減小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（＝/G）要變大，頻率特性要變壞。所以，權(quán)衡利弊，有的為了提高頻率特性，寧可犧牲一些響應(yīng)率，而把熱敏電阻粘在一塊熱導(dǎo)率很大的襯底上以取得小的時(shí)間常數(shù)。第22頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三5）i不能很大，因i若較大，產(chǎn)生的焦耳熱會(huì)使元件溫度提高，如果α是負(fù)，還可能因?yàn)樽冃《a(chǎn)生破壞性的熱擊穿。另外，i大了噪聲也要隨之增大。所以，這就限制了i的取值。限制熱敏電阻最小可探測功率的主要因素是與元件電阻有關(guān)的約翰遜噪聲和與輻射吸收、發(fā)射有關(guān)的溫度噪聲。在室溫下，熱敏電阻的噪聲等效功率可達(dá)～W·，在致冷到液氦溫度（3K）時(shí)，可達(dá)～W·。

第23頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三4.其它類型測輻射熱計(jì)

除了熱敏電阻的測輻射熱計(jì)外，還有超導(dǎo)測輻射熱計(jì)、碳測輻射熱計(jì)和鍺測輻射熱計(jì)等。超導(dǎo)測輻射熱計(jì)是利用某些金屬或半導(dǎo)體，從正常態(tài)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)時(shí)，電阻發(fā)生巨大變化這一特性來工作的。超導(dǎo)材料多為鈮、鉭、鉛或錫的氮化物，在15～20K時(shí)變?yōu)槌瑢?dǎo)體。在轉(zhuǎn)變期內(nèi)的溫度僅為幾分之一開氏溫度，電阻溫度系數(shù)約每度5000%。但保持住轉(zhuǎn)變期溫度，所需的致冷量很大，控制復(fù)雜，目前這種探測器還不太可能在實(shí)驗(yàn)室外使用。碳測輻射熱計(jì)已用于極遠(yuǎn)的紅外波段的分光考察。靈敏元件是從碳電阻上切下來的一小塊，致冷到2.1K時(shí)，其要比熱敏電阻測輻射熱計(jì)高一個(gè)數(shù)量級。鍺測輻射熱計(jì)的靈敏元件是鍺摻鎵單晶。致冷到2.1K時(shí)，其比熱敏電阻測輻射熱計(jì)約高1～2個(gè)數(shù)量級，它的光譜響應(yīng)可延伸致1000μm以外。第24頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三

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探測變化的輻射。1.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。3.4熱釋電器件熱電晶體在溫度變化時(shí)所顯示的熱電效應(yīng)示意圖恒溫下

b)溫度變化時(shí)

c)溫度變化時(shí)的等效表現(xiàn)第25頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三

溫度恒定時(shí)，因晶體表面吸附有來自于周圍空氣中的異性電荷，而觀察不到它的自發(fā)極化現(xiàn)象。當(dāng)溫度變化時(shí)，晶體表面的極化電荷則隨之變化，而它周圍的吸附電荷因跟不上它的變化，失去電的平衡，這時(shí)即顯現(xiàn)出晶體的自發(fā)極化現(xiàn)象。這一過程的平均作用時(shí)間為τ＝ε/σ，式中，ε為晶體的介電系數(shù)，σ為晶體的電導(dǎo)率。所以，所探測的輻射必須是變化的，而且只有輻射的調(diào)制頻率f＞1/τ時(shí)才有輸出。

圖中晶體的自發(fā)極化矢量為

，即單位體積內(nèi)由自發(fā)極化產(chǎn)生的電矩，其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合部分面積為A。第26頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三輻射引起的晶體溫度變化為ΔT。由此，引起表面極化電荷的變化為ΔQ=AΔ

若使上式改變一下形式，則為ΔQ=A(Δ

/ΔT)ΔT=

AλΔT式中，λ=Δ

/ΔT稱熱釋電系數(shù)。

硫酸三甘酞（TGS）鈦酸鋇（BaTiO3）第27頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三制作熱釋電器件的常用材料有，硫酸三甘肽（TGS）晶體，摻α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),熱釋電系數(shù)變化平穩(wěn)的溫區(qū)。第28頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三按熱釋電器件的基本結(jié)構(gòu)，其等效電路可表示為恒流源Is其中

輸出電壓為

式中，為熱時(shí)間常數(shù)，=/G；為電路時(shí)間常數(shù)，=CR，R=∥，C=＋。、的數(shù)量級為0.1～10s左右。由上式得電壓響應(yīng)率為：熱釋電器件的等效電路

第29頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三該式表明：低頻段（ω＜1/、1/）時(shí)，Rv∝ω，ω→0時(shí)，Rv→0；≠時(shí)，設(shè)＜，在ω＝1/～1/范圍內(nèi)，Rv與ω?zé)o關(guān)，為一常數(shù)；高頻段（ω＞1/、1/）時(shí)，Rv則隨ω-1變化。所以，在許多應(yīng)用中，該式的高頻近似式為Rv=Aλη/ωC

第30頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三2.噪聲、信噪比和噪聲等效功率

因熱釋電器件的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)電容器，輸出阻抗特別高，所以它后面常接有場效應(yīng)管，構(gòu)成源極限隨器的形式，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，它的噪聲，主要有電阻的熱噪聲、溫度噪聲和放大器噪聲三個(gè)分量。

電阻的熱噪聲來自于晶體的介電損耗和與探測器相并聯(lián)的電阻。如果其等效電阻為R，則電阻熱嗓聲電流的均方值為式中，k為波耳茲曼常數(shù)，為靈敏元溫度，Δf為測試系統(tǒng)帶寬。第31頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三

放大器噪聲來自于放大器中的有源元件和無源元件，以及信號源的源阻抗和放大器輸入阻抗之間噪聲是否匹配等方面。如果放大器的噪聲系數(shù)為F，把放大器輸出喘的噪聲折合到輸入端，認(rèn)為放大器是無噪聲的，這時(shí)，放大器輸入端附加的噪聲電流均方值為式中，T為背景溫度。溫度噪聲來自于靈敏面與外界輻射交換的隨機(jī)性，其噪聲電流的均方值為式中，為溫度起伏的均方值。如果這三種噪聲是不相關(guān)的，則總噪聲為

式中，，稱放大器有效輸入噪聲溫度。第32頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三考慮統(tǒng)計(jì)平均值時(shí)信噪功率比