光熱探測器教材

3.2

光熱探測器(ThermalDetector)1

基本原理

熱敏電阻

熱釋電探測器

2光吸收溫度上升電學特性變化

——電參數(shù)輸出光熱轉(zhuǎn)換熱電轉(zhuǎn)換

基本原理對熱電探測器的分析可分為兩步：第一步是確定溫升：按系統(tǒng)的熱力學特性來確定入射輻射所引起的溫度升高ΔT（共性）；第二步是確定參量變化：根據(jù)溫升來確定具體探測器輸出信號的性能（個性）。3兩種主要的熱電效應：溫差電效應：當兩種不同的材料兩端并聯(lián)熔接時，如果兩個接頭的溫度不同，并聯(lián)回路中就會產(chǎn)生電動勢，稱為溫差電動勢，回路中就有電流流通。熱端接收輻射后升溫，載流子濃度增加，電子從熱端向冷端擴散，從而使P型材料熱端帶負電，冷端帶正電。N型相反。熱端冷端光4當紅外輻射照射到熱端時，該端溫度升高，而冷端溫度保持不變，此時，在回路中將產(chǎn)生熱電勢，熱電勢的大小反映了熱端吸收紅外輻射的強弱。特點：響應時間較長，動態(tài)特性較差，被測輻射變化頻率一般應在10Hz以下。5熱釋電效應壓電晶體：是一種十分有趣的晶體，當你對它擠壓或拉伸時，它的兩端就會產(chǎn)生不同的電荷，這種效應叫做壓電效應，能產(chǎn)生壓電效應的晶體，稱為壓電晶體，最常見的是水晶。極化：指事物在一定條件下發(fā)生兩極分化，使其性質(zhì)相對于原來狀態(tài)有所偏離的現(xiàn)象。電偶極矩：連接+Q和–Q兩個點電荷的直線稱為電偶極子的軸線，從–Q指向+Q的矢徑l和電量Q的乘積定義為電偶極子的電矩，也稱電偶極矩

。電偶極子：是兩個相距很近的等量異號點電荷組成的系統(tǒng)，是一個實體，它在距離充分大于本身幾何尺寸的一切點處產(chǎn)生的電場強度都和一對等值異號的分開的點電荷所產(chǎn)生的電場強度相同。

6晶體分子本身具有固有的電偶極矩，因此，晶體存在宏觀的電偶極矩，在垂直于自發(fā)極化矢量的晶體表面產(chǎn)生面束縛電荷。通常晶體的表面俘獲大氣中的浮游電荷而保持電平衡狀態(tài)。----++++++++----恒溫下7當有紅外線照射到其表面上時，引起鐵電體溫度迅速升高，極化強度很快下降，極化電荷急劇減少；而表面浮游電荷變化緩慢，跟不上晶體內(nèi)部的變化；從溫度變化引起極化強度變化到表面重新達到電平衡狀態(tài)的時間內(nèi)，在晶體表面有多余的浮游電荷出現(xiàn)，相當于釋放出一部分電荷，稱為熱釋電效應。----++++++++----（a）恒溫下--++++++----（b）溫度變化++++----（c）溫度變化時的等效表現(xiàn)83.2.1熱敏電阻(Bolometer)91.熱敏電阻及其特點

①靈敏度較高，其電阻溫度系數(shù)要比金屬大10～100倍以上，能檢測出10-6℃的溫度變化；②工作溫度范圍寬，常溫器件適用于-55℃～315℃，高溫器件適用溫度高于315℃（目前最高可達到2000℃），低溫器件適用于-273℃～-55℃；③體積小，能夠測量其他溫度計無法測量的空隙、腔體及生物體內(nèi)血管的溫度；④使用方便，電阻值可在0.1～100kΩ間任意選擇；⑤易加工成復雜的形狀，可大批量生產(chǎn)；⑥穩(wěn)定性好、過載能力強。凡吸收入射輻射后引起溫升而使電阻改變，導致負載電阻兩端電壓的變化，并給出電信號的器件叫做熱敏電阻。10主要材料類型：金屬、半導體和超導體。共同點：都敏感于光輻射，光譜響應基本上與入射輻射的波長無關(guān)。熱敏電阻在電子電路中的符號11

2.熱敏電阻的原理、結(jié)構(gòu)及材料

由于半導體材料的晶格吸收，對任何能量的輻射都可以使晶格振動加劇，只是吸收不同波長的輻射，晶格振動加劇的程度不同而已，因此，熱敏電阻無選擇性地吸收各種波長的輻射，可以說它是一種無選擇性的光敏電阻。

金屬的自由電子密度很大，以致外界光作用引起的自由電子密度相對變化較半導體而言可忽略不計。相反，吸收光以后，使晶格振動加劇，妨礙了自由電子作定向運動。因此，當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)(PTC)，而由半導體材料組成的熱敏電阻具有負溫度特性(NTC)。12

溫度系數(shù)aT

表示溫度變化1℃時，熱電阻實際阻值的相對變化：工作原理式中，R為環(huán)境溫度為熱力學溫度T時測得的實際阻值。正溫度系數(shù)（PTC）的熱敏電阻溫度系數(shù)：負溫度系數(shù)（NTC）的熱敏電阻溫度系數(shù)：隨溫度T變化很大，并與材料常數(shù)B成正比。13由熱敏材料制成的厚度為0.01mm左右的薄片電阻粘合在導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；再把襯底同一個熱容很大、導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，可使探測器的時間常量由大約1ms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涂上發(fā)黑的材料。

結(jié)構(gòu)1415（1）金屬材料-正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTR)由金屬材料構(gòu)成的測輻射熱計：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變化較半導體而言可忽略不計。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，因晶格振動的加劇妨礙了自由電子作定向運動，從而電阻溫度系數(shù)是正的.PositiveTemperatureCoefficient(PTC)thermistors適宜材料有鉑、銅、鎳、鐵等。3、分類按原理分16由半導體材料制成的測輻射熱計：半導體材料對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?，引起晶格振動的加劇，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帶躍遷到導帶成為自由電子，使電阻減小，電阻溫度系數(shù)是負的。又因為各種波長的輻射都能被材料吸收，只是吸收不同波長的輻射，晶格振動加劇的程度不同而已,對溫升都有貢獻，所以它的光譜響應特性基本上與波長無關(guān)。（2）半導體電阻材料-負溫度系數(shù)熱敏電阻(NTR)NegativeTemperatureCoefficient(NTC)thermistors半導體類的多為金屬氧化物，例如氧化錳、氧化鎳、氧化鈷等。17圖示分別為半導體和金屬（白金）的溫度特性曲線。白金的電阻溫度系數(shù)為正值，大約為0.37%左右；半導體材料熱敏電阻的溫度系數(shù)為負值，大約為-3%～-6%，約為白金的10倍以上。所以熱敏電阻探測器常用半導體材料制作而很少采用貴重的金屬18電阻溫度系數(shù)多為正電阻溫度系數(shù)絕對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)定性較強多用于溫度的模擬測量。金屬材料的特點電阻溫度系數(shù)多為負電阻溫度系數(shù)絕對值大，比一般金屬電阻大10～100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。例如防盜報警、防火系統(tǒng)、熱輻射體搜索和跟蹤等。半導體材料的特點19按使用范圍分類通用型熱敏電阻器特點：價格便宜，溫度上限偏低，一般在100度左右，例如圓片形2.熱響應速度非?？斓臒崦綦娮杵魈攸c：適合微小型化應用、熱響應速度非常快的場合應用的溫度傳感器，一般裝在細針尖里面使用或貼在薄膜上使用。直徑非常小，達到了lmm以下，熱時間常數(shù)約為普通熱敏電阻器的10分之一。3.高溫型熱敏電阻器特點：溫度上限可擴展到500度左右4.微測輻射熱計特點：主要用于紅外輻射測量204.

應用由于半導體熱敏電阻有獨特的性能，所以：它不僅可以作為測量元件（如測量溫度、流量、液位等），還可以作為控制元件（如熱敏開關(guān)、限流器）和電路補償元件．熱敏電阻廣泛用于家用電器、電力工業(yè)、通訊、軍事科學、宇航等各個領(lǐng)域，發(fā)展前景極其廣闊。213.2.2

熱釋電探測器22熱釋電器件是一種利用熱釋電效應制成的熱探測器件。與其它熱探測器相比，熱釋電器件具有以下優(yōu)點：①

具有較寬的頻率響應，工作頻率接近MHz，遠超其它熱探測器的工作頻率。一般熱探測器的時間常數(shù)典型值在1～0.01s范圍內(nèi)，熱釋電器件的有效時間常數(shù)低達10-4～3×10-5s；②熱釋電器件的探測率高；③熱釋電器件可以有大面積均勻的敏感面，而且工作時可以不外加接偏置電壓；④與熱敏電阻相比，它受環(huán)境溫度變化的影響更??；⑤熱釋電器件的強度和可靠性比其它多數(shù)熱探測器都要好，易于制作。23一、熱釋電探測器的工作原理1.熱釋電效應熱電晶體材料因吸收光輻射能量、產(chǎn)生溫升，導致晶體表面電荷發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為熱釋電效應。

熱電晶體：－－具有非中心對稱的極性晶體24熱電晶體－－極化強度PS與溫度關(guān)系

溫度低溫度高居里溫度自發(fā)極化強度PS決定了單位面積上的電荷量（C/m2），即PS變化時，面電荷密度發(fā)生變化。溫度升高，極化強度減低。單位體積內(nèi)的電偶極矩的總和，稱為極化強度。居里溫度決定了材料的鐵磁性，當小于居里溫度時，存在自發(fā)極化，當達到居里溫度時，自發(fā)極化突然消失，不出現(xiàn)熱釋電現(xiàn)象。25恒溫T1電荷中和時間：秒～小時熱“釋電”的物理過程溫升到T2

－－束縛電荷減少極化馳豫時間－－皮秒－－“釋放”電荷（輸出電信號）26當紅外輻射照射到已經(jīng)極化的熱釋電晶體時，引起溫度升高，表面電荷減少，相當于熱“釋放”了部分電荷。釋放的電荷變成電信號輸出。如果輻射持續(xù)作用，表面電荷將達到新的平衡，不再釋放電荷，也不再有電信號輸出。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電信號為零；只有在交變輻射的作用下才會有信號輸出。

27面電極結(jié)構(gòu)：電極置于熱釋電晶體的上下表面上,其中一個電極位于光敏面內(nèi)。這種電極結(jié)構(gòu)的電極面積較大，極間距離較少，因而極間電容較大，故其不適于高速應用。此外，由于輻射要通過電極層才能到達晶體，所以電極對于待測的輻射波段必須透明。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，因此極間電容較小。由于熱釋電器件的響應速度受極間電容的限制，因此，在高速運用時以極間電容小的邊電極為宜。

2.熱釋電探測器的基本結(jié)構(gòu)28

熱釋電器件的工作原理

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A。由此引起表面上的束縛極化電荷為

ΔQ

=AΔPs

若輻射引起的晶體溫度變化為ΔT，則相應的束縛電荷變化為

ΔQ=A(ΔPs/ΔT)ΔT=

AγΔT

式中，γ=ΔPs/ΔT稱為熱釋電系數(shù)，其單位為c/cm2?K，是與材料本身的特性有關(guān)的物理量，表示自發(fā)極化強度隨溫度的變化率。

29若在熱釋電晶體兩個相對極板上加上電極，兩極間接上負載RL，由溫度變化在負載上產(chǎn)生的電流、電壓分別為：d（ΔT）/dt為熱釋電晶體溫度隨時間的變化率，溫度變化速率與材料吸收率和熱容有關(guān)。吸收率大，熱容小，則溫度變化率大。以頻率ω變化的輻射Φ所引起的溫度變化ΔT(ΔT=ΔTejωt）30如果熱釋電探測器跨接到放大器輸入端，則其可表示為如圖所示的等效電路CS，RS為熱釋電探測器的電容、電阻;CL和RL為放大器的電容、電阻。由等效電路可得熱釋電器件的等效負載阻抗為：

R＝RS//RL，C＝CS+CL輸入到放大器的瞬時電壓為:31得電壓響應度為：式中，τe＝RC為電路時間常數(shù)，R=RS∥RL，C=CS＋CL。τt

=Ct/Gt為熱時間常數(shù)，Ct是熱容量。τe、τt的數(shù)量級為0.1～10s左右。A為光敏面的面積，η為吸收系數(shù)，ω為入射光輻射的調(diào)制頻率。得到電壓有效值為：32

(1)當入射為恒定輻射，即ω＝0時，Rv=0，說明熱釋電器件對恒定輻射不靈敏；

(2)在低頻段ω<<1/τt或1/τe時，靈敏度Rv與ω成正比，為熱釋電器件交流靈敏的體現(xiàn)。

(3)當τr≠τt時，通常τe＜τt，在ω＝1/τt~

1/τe范圍內(nèi)，Rv與ω無關(guān)；（線性工作區(qū)域）

(4)高頻段（ω>>1/τt、1/τe）時，Rv則隨ω-1變化。特別注意：恒定光輻射高頻段應用

33圖給出了不同負載電阻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，頻率響應的帶寬變得很窄。應用時必須考慮靈敏度與頻率響應帶寬的矛盾，根據(jù)具體應用條件，合理選用恰當?shù)呢撦d電阻。不同負載電阻RL下的靈敏度頻率特性34阻抗特性熱釋電器件為電容性元件，輸出阻抗特別高（>1010

）。因此，必須配高阻抗的負載。常用