光熱探測(cè)器教材

3.2

光熱探測(cè)器(ThermalDetector)1

基本原理

熱敏電阻

熱釋電探測(cè)器

2光吸收溫度上升電學(xué)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(duì)熱電探測(cè)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(xué)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(cè)器輸出信號(hào)的性能（個(gè)性）。3兩種主要的熱電效應(yīng)：溫差電效應(yīng)：當(dāng)兩種不同的材料兩端并聯(lián)熔接時(shí)，如果兩個(gè)接頭的溫度不同，并聯(lián)回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，稱為溫差電動(dòng)勢(shì)，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(kuò)散，從而使P型材料熱端帶負(fù)電，冷端帶正電。N型相反。熱端冷端光4當(dāng)紅外輻射照射到熱端時(shí)，該端溫度升高，而冷端溫度保持不變，此時(shí)，在回路中將產(chǎn)生熱電勢(shì)，熱電勢(shì)的大小反映了熱端吸收紅外輻射的強(qiáng)弱。特點(diǎn)：響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)特性較差，被測(cè)輻射變化頻率一般應(yīng)在10Hz以下。5熱釋電效應(yīng)壓電晶體：是一種十分有趣的晶體，當(dāng)你對(duì)它擠壓或拉伸時(shí)，它的兩端就會(huì)產(chǎn)生不同的電荷，這種效應(yīng)叫做壓電效應(yīng)，能產(chǎn)生壓電效應(yīng)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(duì)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(gè)點(diǎn)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(gè)相距很近的等量異號(hào)點(diǎn)電荷組成的系統(tǒng)，是一個(gè)實(shí)體，它在距離充分大于本身幾何尺寸的一切點(diǎn)處產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度都和一對(duì)等值異號(hào)的分開的點(diǎn)電荷所產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)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(dāng)有紅外線照射到其表面上時(shí)，引起鐵電體溫度迅速升高，極化強(qiáng)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(qiáng)度變化到表面重新達(dá)到電平衡狀態(tài)的時(shí)間內(nèi)，在晶體表面有多余的浮游電荷出現(xiàn)，相當(dāng)于釋放出一部分電荷，稱為熱釋電效應(yīng)。----++++++++----（a）恒溫下--++++++----（b）溫度變化++++----（c）溫度變化時(shí)的等效表現(xiàn)83.2.1熱敏電阻(Bolometer)91.熱敏電阻及其特點(diǎn)

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(cè)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(dá)到2000℃），低溫器件適用于-273℃～-55℃；③體積小，能夠測(cè)量其他溫度計(jì)無法測(cè)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(fù)雜的形狀，可大批量生產(chǎn)；⑥穩(wěn)定性好、過載能力強(qiáng)。凡吸收入射輻射后引起溫升而使電阻改變，導(dǎo)致負(fù)載電阻兩端電壓的變化，并給出電信號(hào)的器件叫做熱敏電阻。10主要材料類型：金屬、半導(dǎo)體和超導(dǎo)體。共同點(diǎn)：都敏感于光輻射，光譜響應(yīng)基本上與入射輻射的波長(zhǎng)無關(guān)。熱敏電阻在電子電路中的符號(hào)11

2.熱敏電阻的原理、結(jié)構(gòu)及材料

由于半導(dǎo)體材料的晶格吸收，對(duì)任何能量的輻射都可以使晶格振動(dòng)加劇，只是吸收不同波長(zhǎng)的輻射，晶格振動(dòng)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(zhǎng)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(duì)變化較半導(dǎo)體而言可忽略不計(jì)。相反，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)(PTC)，而由半導(dǎo)體材料組成的熱敏電阻具有負(fù)溫度特性(NTC)。12

溫度系數(shù)aT

表示溫度變化1℃時(shí)，熱電阻實(shí)際阻值的相對(duì)變化：工作原理式中，R為環(huán)境溫度為熱力學(xué)溫度T時(shí)測(cè)得的實(shí)際阻值。正溫度系數(shù)（PTC）的熱敏電阻溫度系數(shù)：負(fù)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(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；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(cè)器的時(shí)間常量由大約1ms變?yōu)?0ms）紅外輻射通過探測(cè)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(cè)輻射熱計(jì)：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.PositiveTemperatureCoefficient(PTC)thermistors適宜材料有鉑、銅、鎳、鐵等。3、分類按原理分16由半導(dǎo)體材料制成的測(cè)輻射熱計(jì)：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(zhǎng)的輻射都能被材料吸收，只是吸收不同波長(zhǎng)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(zhǎng)無關(guān)。（2）半導(dǎo)體電阻材料-負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTR)NegativeTemperatureCoefficient(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。17圖示分別為半導(dǎo)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(dǎo)體材料熱敏電阻的溫度系數(shù)為負(fù)值，大約為-3%～-6%，約為白金的10倍以上。所以熱敏電阻探測(cè)器常用半導(dǎo)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(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(cè)量。金屬材料的特點(diǎn)電阻溫度系數(shù)多為負(fù)電阻溫度系數(shù)絕對(duì)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(cè)。例如防盜報(bào)警、防火系統(tǒng)、熱輻射體搜索和跟蹤等。半導(dǎo)體材料的特點(diǎn)19按使用范圍分類通用型熱敏電阻器特點(diǎn)：價(jià)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(yīng)速度非?？斓臒崦綦娮杵魈攸c(diǎn)：適合微小型化應(yīng)用、熱響應(yīng)速度非?？斓膱?chǎng)合應(yīng)用的溫度傳感器，一般裝在細(xì)針尖里面使用或貼在薄膜上使用。直徑非常小，達(dá)到了lmm以下，熱時(shí)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(diǎn)：溫度上限可擴(kuò)展到500度左右4.微測(cè)輻射熱計(jì)特點(diǎn)：主要用于紅外輻射測(cè)量204.

應(yīng)用由于半導(dǎo)體熱敏電阻有獨(dú)特的性能，所以：它不僅可以作為測(cè)量元件（如測(cè)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(bǔ)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(xué)、宇航等各個(gè)領(lǐng)域，發(fā)展前景極其廣闊。213.2.2

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

具有較寬的頻率響應(yīng)，工作頻率接近MHz，遠(yuǎn)超其它熱探測(cè)器的工作頻率。一般熱探測(cè)器的時(shí)間常數(shù)典型值在1～0.01s范圍內(nèi)，熱釋電器件的有效時(shí)間常數(shù)低達(dá)10-4～3×10-5s；②熱釋電器件的探測(cè)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(shí)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(qiáng)度和可靠性比其它多數(shù)熱探測(cè)器都要好，易于制作。23一、熱釋電探測(cè)器的工作原理1.熱釋電效應(yīng)熱電晶體材料因吸收光輻射能量、產(chǎn)生溫升，導(dǎo)致晶體表面電荷發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為熱釋電效應(yīng)。

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

溫度低溫度高居里溫度自發(fā)極化強(qiáng)度PS決定了單位面積上的電荷量（C/m2），即PS變化時(shí)，面電荷密度發(fā)生變化。溫度升高，極化強(qiáng)度減低。單位體積內(nèi)的電偶極矩的總和，稱為極化強(qiáng)度。居里溫度決定了材料的鐵磁性，當(dāng)小于居里溫度時(shí)，存在自發(fā)極化，當(dāng)達(dá)到居里溫度時(shí)，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(shí)間：秒～小時(shí)熱“釋電”的物理過程溫升到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)）26當(dāng)紅外輻射照射到已經(jīng)極化的熱釋電晶體時(shí)，引起溫度升高，表面電荷減少，相當(dāng)于熱“釋放”了部分電荷。釋放的電荷變成電信號(hào)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，也不再有電信號(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電信號(hào)為零；只有在交變輻射的作用下才會(huì)有信號(hào)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(gè)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(yīng)用。此外，由于輻射要通過電極層才能到達(dá)晶體，所以電極對(duì)于待測(cè)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(yīng)速度受極間電容的限制，因此，在高速運(yùn)用時(shí)以極間電容小的邊電極為宜。

2.熱釋電探測(cè)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(yīng)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(qiáng)度隨溫度的變化率。

29若在熱釋電晶體兩個(gè)相對(duì)極板上加上電極，兩極間接上負(fù)載RL，由溫度變化在負(fù)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(shí)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(cè)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(cè)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(fù)載阻抗為：

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

=Ct/Gt為熱時(shí)間常數(shù)，Ct是熱容量。τe、τt的數(shù)量級(jí)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(dāng)入射為恒定輻射，即ω＝0時(shí)，Rv=0，說明熱釋電器件對(duì)恒定輻射不靈敏；

(2)在低頻段ω<<1/τt或1/τe時(shí)，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(dāng)τr≠τt時(shí)，通常τe＜τt，在ω＝1/τt~

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

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

33圖給出了不同負(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。不同負(fù)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(fù)載。常用