熱電檢測器件

1、1 第四章 熱電檢測器件 n利用物質(zhì)的光電效應(yīng)把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件利用物質(zhì)的光電效應(yīng)把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件 q響應(yīng)波長有選擇性響應(yīng)波長有選擇性 q響應(yīng)快響應(yīng)快 n熱電檢測器件熱電檢測器件 氣動(dòng)探測器氣動(dòng)探測器 熱敏電阻熱敏電阻 （作用機(jī)理分） 2 第一節(jié) 熱電檢測器件基本原理 一、定義 利用熱效應(yīng)（器件吸收入射輻射輻射產(chǎn)生溫升溫升引起材 料物理性質(zhì)的變化）輸出電信號(hào)電信號(hào)的器件。 特點(diǎn)：從光譜響應(yīng)角度來看，熱探測器又稱為無 選擇性探測器（對(duì)全波長有相同的響應(yīng)率），且 室溫下不需制冷。 二、輸出信號(hào)的形成過程包括兩個(gè)階段： 1、輻射能轉(zhuǎn)化為熱能（共性）； 2、熱能轉(zhuǎn)換為電能（個(gè)性，不同

2、的器件將不同電信 號(hào)輸出）。 3 n1. 溫度變化方程 初始，器件與環(huán)境溫度處于平衡狀態(tài)，其溫度為t0。 功率為e的熱輻射入射到器件表面時(shí)，令表面的吸收系數(shù)為a， 則器件吸收的熱輻射功率為ae ； 根據(jù)能量守恒原理，器件吸收的輻射功率應(yīng)等于器件內(nèi)能的增 量與熱交換能量之和。即 式中 cq 稱為熱容(廣延量，與體積等成正比)， g為器件與 環(huán)境的熱導(dǎo)系數(shù)（熱交換能量的方式有三種：傳導(dǎo)、輻射和 對(duì)流，模型假設(shè)是通過傳導(dǎo)方式模型假設(shè)是通過傳導(dǎo)方式）。 tg dt td c q e a 熱輻射的一般規(guī)律熱輻射的一般規(guī)律 4 設(shè)入射輻射為正弦輻射通量 ，則 tj e 0e tj q etg dt td

3、c a 0 設(shè)剛開始輻射器件的時(shí)間為初始時(shí)間（初始條件：t = 0,t = 0）： q tj q t c g cjg e cjg e tt q a a 00 稱為熱敏器件的熱時(shí)間常數(shù)熱時(shí)間常數(shù)， 稱為熱阻。 qq q t cr g c g rq 1 熱敏器件的熱時(shí)間常數(shù)一般為毫秒至秒毫秒至秒的數(shù)量級(jí)，它與器 件的大小、形狀和顏色等參數(shù)有關(guān)。 1、考慮恒定光照= 0時(shí)， t由零值開始隨時(shí)間 t增加，當(dāng)當(dāng)t t趨于趨于（ t t ）時(shí)，）時(shí)，tt達(dá)到穩(wěn)定值達(dá)到穩(wěn)定值。等于t時(shí)，上 升到穩(wěn)定值的63%，故t被稱為器件的熱時(shí)間常數(shù)。 )1 ( 0 t t e g tt a 5 0 i t e ww e

4、 0 i t w e a 探測器每秒吸收 的熱能 0 () i t q dt cg twe dt a 熱探測器 的熱能變 化率 外界熱變換 的損失率 t00 t(t)= (1)1 t ti t t qtt ww ee cii aa 0t0t 時(shí) 入射輻射 的功率 t t 0 1 22 2 ( )sin() (1) t qt w t tt c a 0 0 11 2222 22 0 1 22 2 ( ) (1)(1) (1) q t qtt qt r w w t t c w g a a a 1 1 t tg 6 2、交變光t t時(shí)，第一項(xiàng)衰減到可忽略，并取其實(shí)部幅值實(shí)部幅值 2 1 2 t 2 0

5、 2 1 2 2 0 1g1）（ a a tq t c t 可見，熱敏器件吸收交變輻射能所引起的溫升與吸收系數(shù)成正比溫升與吸收系數(shù)成正比。 （幾乎幾乎所有熱敏器件被涂黑）； 溫升與工作頻率溫升與工作頻率有關(guān)有關(guān)，增高，溫升下降。 （1）低頻時(shí)（ t 1），它與熱導(dǎo)g成反比， g t 0 a 減小熱導(dǎo)是增高溫升、提高靈敏度的好方法，但熱導(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。 7 (2)當(dāng)很高（或器件的慣性很大）時(shí)， t 1 a c t 0 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。 8 n2. 熱電器件的最小可探測功率 若器件溫度為t，接收面積為a，可將探

6、測器近似為黑體（吸收系 數(shù)與發(fā)射系數(shù)相等），當(dāng)它與環(huán)境處于熱平衡時(shí)，單位時(shí)間所輻 射的能量為 4 e taa 由熱導(dǎo)的定義 （熱交換能量的方式有三種：傳導(dǎo)、輻射和對(duì)流，模型假設(shè)是通模型假設(shè)是通 過輻射方式過輻射方式，如采取懸掛支架并真空封裝等手段實(shí)現(xiàn)） 3 e 4ta dt d ga 熱電器件的主要噪聲源：溫度（熱流起伏）噪聲； 當(dāng)熱敏器件與環(huán)境溫度處于平衡時(shí)，在頻帶寬度內(nèi)，熱敏器件的 溫度起伏均方根值為 2 1 2 1 2 2 2 1 4 t g fkt t 9 器件工作在低頻情況下，若僅需考慮溫度噪聲，得僅受溫度影響 的最小可探測功率或稱溫度等效功率pne （ nep）為 2 1 5 2

7、1 2 2 ne 164 a a fktafgkt p理想吸收面a1 熱敏器件的比探測率為 2 1 5 2 1 16 ktp fa d ne a 與探測器的溫度及吸收系數(shù)有關(guān)。 理想熱電檢測器件得極限比探測率1.81*1010 10 熱敏電阻與熱電偶、熱電堆探測器熱敏電阻與熱電偶、熱電堆探測器 n熱敏電阻 （狹義：半導(dǎo)體） 1. 熱敏電阻及其特點(diǎn) 吸收入射輻射后引起溫升而使電阻改變溫升而使電阻改變，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。 相對(duì)一般金屬（熱敏）電阻，（半導(dǎo)體）熱敏電阻（半導(dǎo)體）熱敏電阻具備如下特點(diǎn)： 負(fù)溫度系數(shù)，且絕對(duì)值比一般金屬電阻大10100倍，靈敏度

8、高 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。 耐高溫能力不足，穩(wěn)定性和互換性較差。 11 2. 熱敏電阻的原理、結(jié)構(gòu)及材料 耐高溫能力差耐高溫能力差：半導(dǎo)體熱敏電阻由各種氧化物按比例混合高 溫?zé)Y(jié)而成。具有負(fù)的溫度系數(shù)，當(dāng)溫度升高時(shí)，其電阻值溫度升高時(shí)，其電阻值 下降，同時(shí)靈敏度也下降，承壓能力下降，可能被擊穿下降，同時(shí)靈敏度也下降，承壓能力下降，可能被擊穿。 半導(dǎo)體材料對(duì)光（輻射）的吸收，有兩個(gè)直接效果： （1）產(chǎn)生光生載流子光生載流子的本征吸收和雜質(zhì)吸收； （2）不直接產(chǎn)生載流子的晶格吸收和自由電子吸收（連續(xù)吸收）

9、等，并不同程度地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽骷臏囟壬仙骷臏囟壬仙?引起晶格振動(dòng)的加劇，即器件的電阻值發(fā)生增大； 熱激發(fā)載流子（負(fù)溫度系數(shù)的根本原因）。 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?zé)崦綦娮锜o選擇性地 吸收各種波長的輻射吸收各種波長的輻射。 12 對(duì)于金屬（正溫度系數(shù)）：自由電子密度很大，光生載流 子相對(duì)自由電子可忽略。吸收光以后，金屬元件其溫度升高， 晶格振動(dòng)加劇，妨礙了自由電子定向運(yùn)動(dòng)，電阻增加。 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。 顯然，半導(dǎo)體材料（負(fù)溫度系數(shù)

10、）與金屬不同！顯然，半導(dǎo)體材料（負(fù)溫度系數(shù)）與金屬不同！ 13 熱敏材料厚度厚度為0.01mm左右（相同的入射輻射下得到較大的溫升）粘合 在導(dǎo)熱能力高的絕緣襯底導(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)熱性能良好的金屬基體熱容很大、導(dǎo)熱性能良好的金屬基體相連。熱敏元 件的表面進(jìn)行黑化黑化處理，可提高熱敏元件接收輻射的能力。熱敏電阻經(jīng) 常兩個(gè)一起封裝使用兩個(gè)一起封裝使用（盡可能相同的參數(shù)，盡可能靠近），一個(gè)接受輻 射，另一個(gè)不接受，僅作環(huán)境溫度補(bǔ)償使用：構(gòu)成電橋）。 n熱敏電阻探測器結(jié)構(gòu) 14 n3. 3. 熱敏電阻的參數(shù)熱敏電阻的參數(shù) 熱敏電阻

11、探測器的主要參數(shù)有： （1）電阻-溫度特性 熱敏電阻實(shí)際阻值rt（t） 分為正溫度系數(shù)與負(fù)溫度系數(shù)(具體函數(shù)關(guān)系跟導(dǎo)電機(jī)制有關(guān)) ： 正溫度系數(shù)（指數(shù)指數(shù)、線性。） 負(fù)溫度系數(shù)（熱激活模型熱激活模型，二維或三維跳躍導(dǎo)電。） at t err 0 tb t err rt為絕對(duì)溫度t時(shí)的實(shí)際電阻值，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)。 15 熱敏電阻的溫度系數(shù)at （溫度變化1時(shí)，熱電阻實(shí)際阻值的相對(duì)變化） )/1:( 1 cunit dt dr r t t t a 正溫度系數(shù)的熱敏電阻溫度系數(shù)： at = a 負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻溫度系數(shù)（注：狹義熱敏電阻為半導(dǎo)體材料）

12、 2 1 t b dt dr r t t t a 給出熱敏電阻溫度系數(shù)的同時(shí)，必須指出測量時(shí)的溫度指出測量時(shí)的溫度。 16 材料常數(shù)b，又稱為熱靈敏指標(biāo)。b值并不是一個(gè)嚴(yán)格的 常數(shù), 隨溫度的升高而略有增大，b值可按下式計(jì)算： n（2）熱敏電阻阻值近似近似變化量 2 1 12 21 lg303. 2 r r tt tt b 熱敏電阻接收入射輻射后溫度變化t（非常?。ǚ浅Ｐ。?rt=rtatt 17 （3）熱敏電阻的輸出特性 初始，無輻照時(shí)，ul0 輻照后，熱敏電阻值改變，負(fù)載電阻電壓增量 tt rr 21ll rr 熱敏電阻輸出電路如圖所示， 圖中 （相同熱敏電阻， 一個(gè)受光照，一個(gè)無），

13、 ta u r ru u t bb t tbb l 44 tl rr 1 1 ltt rrr（假定： ） （ t非常小非常小 ） 18 n（4 4）冷阻與熱阻）冷阻與熱阻 rt，常稱為冷阻，相對(duì)于吸收輻射功率后的熱阻rf 設(shè)熱敏電阻吸收系數(shù)為a ，功率為的輻射入射到其上，則 （假設(shè)為恒定輻射，或者為低頻輻射） a t rf 因此，輻照后負(fù)載電阻電壓增量 ftl r u uaa 4 bb （1/g） 19 一般輻射為交流正弦信號(hào)， ，則 jwt e 0 22 bb 1 4 f ft l ru u aa 為熱敏電阻的熱時(shí)間常數(shù)熱時(shí)間常數(shù)； ， 分別為其熱阻和熱容。 可見，輻照頻率的增加，熱敏電阻傳

14、遞給負(fù)載的電壓變化率電壓變化率減少。 熱敏電阻時(shí)間常數(shù)約為110ms，因此頻率上限約為20200khz。 fff cr f r f c n（5）靈敏度（響應(yīng)率） 單位入射輻射功率下熱敏電阻變換電路的輸出信號(hào)電壓稱為 靈敏度或響應(yīng)率，分為直流靈敏度s0與交流靈敏度sac。 20 ft r u saa 4 bb 0 交流靈敏度sac為 22 bb 1 4 f ft ac ru s aa 增加熱敏電阻的靈敏度的措施： 增加偏壓ubb，但受熱敏電阻的噪聲以及不損壞元件的限制； 接收面涂黑增加吸收率a； 增加熱阻（減小熱導(dǎo)），措施：減少元件接收面積（輻射輻射）及 其與外界對(duì)流所致熱損失，常將元件裝入真殼

15、內(nèi)（對(duì)流、傳導(dǎo)對(duì)流、傳導(dǎo)）； 不足：熱阻增大，響應(yīng)時(shí)間增大。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at大（b大）的材料。也可冷卻元件工作，以提高at值。 直流靈敏度s0為 以上為熱敏電阻的參數(shù)選取提供了依據(jù)（p124p125） 21 n（6）熱敏電阻的最小可探測功率 （p124） 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相似； 溫度噪聲。環(huán)境溫度的起伏環(huán)境溫度的起伏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 10hz時(shí)，此噪聲完全可忽略

16、。 熱敏電阻可探測最小功率約為10-810-9 w。 22 5.2.2 熱電偶探測器 n1.熱電偶的工作原理 熱電偶是利用物質(zhì)溫差產(chǎn)生電動(dòng)勢溫差產(chǎn)生電動(dòng)勢的效應(yīng)探測接觸溫度的。 如圖為輻射式溫差熱電偶的原理圖。兩種金屬材料a和b組成 的一個(gè)回路，若兩金屬連接點(diǎn)的溫度存在著差異（一端高而另一 端低），則在回路中會(huì)有電流產(chǎn)生。 即由于溫度差而產(chǎn)生電位差u，回路電流i=u/r。r為回路 電阻。這一現(xiàn)象稱為溫差熱電效應(yīng)溫差熱電效應(yīng)（也稱為塞貝克效應(yīng)塞貝克效應(yīng)） ( seebeck effect)。 a.溫差（測溫）熱電偶溫差（測溫）熱電偶 23 測量輻射能的熱電偶稱為輻射熱電偶，與測 溫?zé)犭娕嫉脑硐?/p>

17、同，結(jié)構(gòu)不同。如圖所示， 輻射熱電偶的熱端裝有涂黑的金箔，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。顯然，圖中結(jié)j1為熱端，j2為冷端。 b.輻射熱電偶輻射熱電偶 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。 目前大多為半導(dǎo)體材料。 24 p型半導(dǎo)體冷端帶正電，n型冷端帶負(fù)電。開 路電壓uoc與t關(guān)系： uoc=m12t m12為塞貝克常數(shù)，又稱溫差電勢率（v/） grr rm tr rr m u )()( li 0l12 l li 12 l a 0為入射輻射通量（w）；a為吸收系數(shù)；ri為熱電偶

18、內(nèi)阻；g為總熱導(dǎo)（w/m） （1）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 g t 0 , 0 a 25 n2. 熱電偶的基本特性參數(shù) （2）入射輻射為交流輻射信號(hào) ，則 tj 0e 2 2 li 0l12 l 1)( t grr rm u a =2f，f為交流輻射調(diào)制頻率，t為熱電偶時(shí)間常數(shù) ； rq，cq、g分別為熱電偶的熱阻、熱容和熱導(dǎo)。 g與材料的性質(zhì)及環(huán)境有關(guān)，為使其穩(wěn)定，常將熱電偶封裝于真空管中， 因此，稱其為真空熱電偶（靈敏度提高，時(shí)間常數(shù)增大靈敏度提高，時(shí)間常數(shù)增大）。 q q qqt g c cr 靈敏度s

19、、比探測率d*、響應(yīng)時(shí)間和最小可探測功率nep等 26 （2）響應(yīng)時(shí)間 grr rm u s )( li l12 0 l 0 a 2 t 2 li l12l 1)( a grr rm u sac 交流輻射信號(hào)的作用下， 熱電偶的靈敏度sac為 提高熱電偶的響應(yīng)率最有效的辦法：選用塞貝克系數(shù)較大的材料外； 增加輻射的吸收率a；減小內(nèi)阻ri；減小熱導(dǎo)g等。 對(duì)于交流響應(yīng)率，也可降低工作頻率，減小時(shí)間常數(shù)t。 熱電偶的響應(yīng)時(shí)間約為幾毫秒到幾十毫秒左右，因此通常用于 探測直流或不超過幾十赫茲的低頻輻射探測直流或不超過幾十赫茲的低頻輻射。 直流輻射信號(hào)的作用下， 熱電偶的靈敏度s0為 （1）靈敏度（響應(yīng)

20、率） 27 熱電堆探測器 （p117） （3）最小可探測功率 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（無偏壓）電流噪聲幾乎被忽略（無偏壓）。 半導(dǎo)體熱電偶的最小可探測功率nep一般為10-11w左右。 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)串聯(lián)起 來構(gòu)成熱電堆。（結(jié)構(gòu)如右圖） 28 n為熱電偶的對(duì)數(shù)（或pn結(jié)的個(gè)數(shù)）；s為熱電偶的靈敏度。 熱電堆的響應(yīng)時(shí)間常數(shù)為 ththth rc cth為熱電堆的熱容量，rth為熱電堆的熱阻抗。 要想使高速化和提高靈敏度兩者并存；不改變熱阻抗的情

21、況下減 小熱容。熱阻抗由導(dǎo)熱通路長和熱電堆以及膜片的剖面面積比決定。 減少多晶硅的間隔，減小膜片的厚度以減少熱容。 熱電堆的靈敏度 及響應(yīng)時(shí)間 熱電堆的靈敏度nss t 使用注意事項(xiàng)（p120，短路保存、不能用萬用表檢測熱電偶好壞） 29 第四節(jié) 熱釋電器件 熱釋電器件是利用熱釋電效應(yīng)制成的熱探測器件。熱釋電器件 具有以下優(yōu)點(diǎn)： 具有較寬的頻率響應(yīng)較寬的頻率響應(yīng)，工作頻率接近兆赫茲，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)，熱釋電器件的有 效時(shí)間常數(shù)可低達(dá)10-4 310-5 s； 熱釋電器件的探測率高探測率高，在熱探測器中只有氣動(dòng)探測器的d*才比熱釋

22、電器 件稍高，且這一差距正在不斷減?。?熱釋電器件可有大面積均勻敏感面，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)境溫度變化的影響更小； 熱釋電器件的強(qiáng)度和可靠性可靠性（固體襯底）比其它多數(shù)熱探測器都要好，且 制造比較容易。 缺點(diǎn)：振動(dòng)敏感、只能作交流應(yīng)用 30 n熱釋電器件的基本工作原理 1. 熱釋電效應(yīng) 電介質(zhì)內(nèi)部沒有自由載流子，加電場時(shí)，正負(fù)電荷相對(duì)運(yùn)動(dòng)，電 介質(zhì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，從電場的加入到電極化狀態(tài)的建立起來這段時(shí) 間內(nèi)，有短暫的“位移電流”，該電流在電極化完成即告停止。 一般電介質(zhì)， 電場除去后極化狀 態(tài)即消失，帶電粒 子恢復(fù)原來狀態(tài)。 而 “鐵電體” 電 介質(zhì)在電場除

23、去后 仍保持著極化狀態(tài)， 稱其為“自發(fā)極化自發(fā)極化” （非中心對(duì)成結(jié) 構(gòu)）。 31 鐵電體的自發(fā)極化強(qiáng)度ps（單位面積上的電荷量）隨 著溫度的升高而減低，當(dāng)溫度升高到一定值， ps突然消 失，這個(gè)溫度常被稱為“居里溫度”或“居里點(diǎn)”。 在居里點(diǎn)以下，極化強(qiáng)度極化強(qiáng)度ps是溫度是溫度t的函數(shù)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熱釋電器件。 ad da p s ps單位體積內(nèi)的電矩矢量之和 32 紅外輻射照射到極化后的鐵電體上，溫度升高溫度升高，表面電荷減少， 相當(dāng)于熱“釋放釋放”了部分電荷電荷。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（溫度達(dá)

24、 到平衡），不再釋放電荷，也不再有電壓信號(hào)輸出。 熱釋電器件不同于其他器件，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)輸出交變輻射的作用下才會(huì)有信號(hào)輸出。 33 溫度恒定，內(nèi)部自由電荷中和表面束縛電荷中和表面束縛電荷的時(shí)間常數(shù)為 （ 1s1000s，非退極化時(shí)間，非器件工作的時(shí)間常數(shù)）， 和為介電常數(shù)和電阻率。 在面束縛電荷被中和掉之前，熱釋電晶體的溫度因吸收輻射 （ ）而發(fā)生變化，ps及束縛電荷面密度隨溫度t也隨 之變化（非平衡態(tài)，時(shí)間短10-12s）。 f1 34 兩種電極結(jié)構(gòu)： （a）要求電極對(duì)光透明 （b）更適宜高速探測應(yīng)用 35 熱釋電器件產(chǎn)生的熱釋

25、電電流在負(fù)載電阻rl上產(chǎn)生的電壓為 dt dp pr t t pau s , d d l 電壓響應(yīng)正比于熱釋電系數(shù)和溫度的變化速率dt/dt（材料吸收 率大，熱容小， 則溫度變化率大），與晶體和入射輻射達(dá)到平衡的 時(shí)間無關(guān)。若為恒定光照 dt/dt=0，則u=0。 2. 熱釋電器件的工作原理 p稱為熱釋電系數(shù)，其單位為c/cm2k，與材料本身的特性有關(guān)，表 示自發(fā)極化強(qiáng)度隨溫度的變化率。 （p129） 衡量器件的三種品質(zhì)因素：p130 36 熱釋電探測器幾乎是一種純?nèi)菪云骷?，阻抗很高，常?09以 上。因此，必須配高阻抗的負(fù)載高阻抗的負(fù)載。常用jfet器件作熱釋電探測器的 前置放大器。 如果將

26、熱釋電器件跨接到放大器的輸入端，其等效電路如圖 所示。由等效電路可得熱釋電器件的等效負(fù)載電阻為 ： rci r cir rl 11 1 r(=rs/rl)和c(=cs+cl) 為熱釋電器件和放大器 的等效電阻和電容。 37 21 222 1cr r rl 對(duì)于熱釋電系數(shù)為p，電極面積為a的熱釋電器件，其在以調(diào)制頻率 為的交變幅射照射下（ ）的溫度可以表示為 00 tj etttt t0為環(huán)境溫度，t0表示熱釋電器件接收光輻射后的平均溫升 tj e d d t t t tj cr r tapu e 1 21 222 輸入到放大器的電壓為 21 22 1 t g t a tcq/g為熱釋電器 件熱

27、時(shí)間常數(shù)。 38 輸出電壓的幅值為 a 21 22212 e 2 1)(1 t g par u erc為電路時(shí)間常數(shù)電路時(shí)間常數(shù)，r =rsrl，c=cscl。t =cq/g為熱時(shí)間熱時(shí)間 常數(shù)常數(shù)。e、t的數(shù)量級(jí)為0.110s左右。a為光敏面的面積，a為吸收 系數(shù)，為入射輻射的調(diào)制頻率。 熱釋電器件的靈敏度 電壓靈敏度sv為輸出電壓的幅值u與入射光功率之比 21 22212 e 2 1)(1 t v g par s a 39 幾點(diǎn)討論： (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

28、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) 高頻段高頻段（1/t、 1/e）時(shí)，sv則隨-1變化。 cc pa s q v a 減小熱釋電器件的有效電容和熱容有利于提高高頻段的靈敏度。 40 n3 熱釋電器件的噪聲 熱釋電器件基本結(jié)構(gòu)是電容器，輸出阻抗很高，所以它后面常輸出阻抗很高，所以它后面常 接有場效應(yīng)管接有場效應(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。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熱噪聲、溫度噪聲和放大器噪聲等。 sv（f , rl）特性：低頻段線性

29、，高頻 段開始雙曲線；增大rl可以提高靈敏 度，但頻率響應(yīng)的帶寬變得很窄。 41 熱噪聲電壓為 4 1 2 e 2 2 1 2 nj 1 )(4kt fr u 當(dāng)e 1時(shí)，上式可簡化為 2 2 2 1 2 nj 4kt fr u 表明熱噪聲電壓隨調(diào)制頻率的升高而下降熱噪聲電壓隨調(diào)制頻率的升高而下降。 式中，k為波耳茲曼常數(shù)，t為器件的溫度，f為系統(tǒng)的帶寬。 = 4 ktf /reff 2 r i 電阻的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 42 n3. 3. 溫度噪聲溫度噪聲 溫度噪聲來自熱釋電器件的靈敏面與外界輻射交換能量

30、的隨機(jī) 性，噪聲電流的方均值為 ) 4 ( 2 222 2 2 2 2 2 g fkt atai e t ae為電極的面積，a為熱敏區(qū)的面積。 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/r t為背景溫度。 2 n2. 放大器噪聲 43 若溫度噪聲是主要噪聲源而忽略其它噪聲時(shí)，噪聲等效功率為 (nep)2(4kt 2g2f/a2a2p22r) 1+(tn/t)2 由上式可以看出，熱釋電器件的噪

31、聲等效功率nep具有隨著調(diào)制具有隨著調(diào)制 頻率的增加而減小頻率的增加而減小的性質(zhì)。 tnt(f-1)t，稱 為放大器的有效輸 入噪聲溫度。 g fapkt r fkt g fapkt r ffkt r fkt i 2222 n 2222 2 n 4 4 4 1)-(44 如果這三種噪聲不 相關(guān)，則總噪聲為 44 n4 4 響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間 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，在高頻 段則與調(diào)制頻率成反比，僅在1/t 1/e范圍內(nèi)，sv與無關(guān)。 響應(yīng)度高端半功率點(diǎn)取決于響應(yīng)度高端半功率點(diǎn)取決于1/t 或或 1/e中較大的一個(gè)中較大的一個(gè)，t 和和e中較中較 小的一個(gè)為熱釋電探測器的

32、響應(yīng)時(shí)間小的一個(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)微秒幾秒到幾個(gè)微秒之間。 5 熱釋電探測器的阻抗特性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?阻抗很高，常在109以上。因此，必須配 高阻抗的負(fù)載。常用jfet器件（源極跟隨 器）作熱釋電探測器的前置放大器。 45 熱釋電材料具有壓電特性，在使用時(shí)應(yīng)注意減震防震減震防震。 n5.3.4 熱釋電器件的類型（三種品質(zhì)因素p130） 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) 15109cmhz1/2w

33、1。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。 46 n2. 鈮酸鍶鋇 (sbn) 熱釋電器件 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)

34、速度也很快。 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。 47 n3. 3. 鉭酸鋰（鉭酸鋰（litaolitao3 3） 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s

35、bn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。 這種熱釋電器件具有很吸引人的特性。在室溫下它的熱釋電 響應(yīng)約為tgs的一半，但在低于零度或高于45c時(shí)都比tgs好。 48 n4. 壓電陶瓷熱釋電器件 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

36、外，這種熱釋電器 件容易制造，成本低廉。 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的 nd:yag激光脈沖。其d*（500, 30, 1）達(dá)8.5108cmhz1/2w1。 49 n5. 聚合物熱釋電器件 有機(jī)聚合物熱釋電材料的導(dǎo)熱小，介電常數(shù)也小；易于加工成 任意形狀的薄膜；其物理化學(xué)性能穩(wěn)定，造價(jià)低廉；雖然熱釋電系

37、數(shù)不大，但介電系數(shù)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。 l6. 快速熱釋電探測器 如前所述，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)。 50 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1n

38、s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， 其最低極限值受晶格振動(dòng)弛豫時(shí)間的限制， 約為1ps。不采用同軸結(jié)構(gòu)而采用一般的管 腳引線封裝結(jié)構(gòu)，熱釋電探測器的頻響帶 寬已擴(kuò)展到幾十兆赫?？焖贌後岆娖骷?用來測量大功率脈沖激光，需要能承受大 功率輻射，為此應(yīng)選用損傷閾值高的熱釋 電材料和高熱導(dǎo)的襯底材料制造。 51 5.3.5 典型熱釋電器件

39、為了降低器件的總熱導(dǎo)降低器件的總熱導(dǎo)，一般采 用熱導(dǎo)率較低的襯底。管內(nèi)抽成真空 或充氪氣等熱導(dǎo)很低的氣體。為獲得 均勻的光譜響應(yīng)，可在熱釋電器件靈靈 敏層的表面涂特殊的漆敏層的表面涂特殊的漆，增加對(duì)入射 輻射的吸收。 所有的熱釋電器件同時(shí)又是壓電晶體。所有的熱釋電器件同時(shí)又是壓電晶體。因此它對(duì)聲頻振動(dòng)很敏聲頻振動(dòng)很敏 感感，入射輻射脈沖的熱沖擊會(huì)激發(fā)熱釋電晶體的機(jī)械振蕩，而產(chǎn)生 壓電諧振。這意味著在熱釋電效應(yīng)上疊加有壓電效應(yīng)，產(chǎn)生虛假信 號(hào)，使探測器在高頻段的應(yīng)用受到限制。 52 為防止壓電諧振防止壓電諧振，常采用如下方法：（1）選用聲頻損耗大的 材料，如sbn，在很高的頻率下沒有發(fā)現(xiàn)諧振現(xiàn)象；（2）選取壓 電效應(yīng)最小的取向；（3）探測器件要牢靠地固定在底板上；例如 可用環(huán)氧樹脂將litao3粘貼在玻璃板上，再封裝成管，會(huì)有效地消 除諧振；（4）熱釋電器件在使用時(shí)，一定要注意防震。顯然，前 兩種方法限制了器件的選材范圍，第3種方法降低了響應(yīng)度和比探 測率。 為了提高熱電器件的靈敏度和信噪比提高熱電器