熱輻射探測(cè)器件.

1、 第5章 熱輻射探測(cè)器件 5.1 熱輻射的一般規(guī)律熱輻射的一般規(guī)律 本章主要介紹熱輻射探測(cè)器件的工作原理、基本特性、熱輻射探測(cè)器件的工作電路和典型應(yīng)用。它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(wú)波長(zhǎng)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(cè)器獨(dú)占的應(yīng)用領(lǐng)域和光子探測(cè)器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用領(lǐng)域。 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。顯然，輸出信號(hào)的形成過(guò)程包括兩個(gè)階段；第一階段為將輻射能轉(zhuǎn)換成熱能的階段（入射輻射引起溫升的階段），是共性的，具有普遍的意義。第二階段是將熱能轉(zhuǎn)換成各種形式的電能（各種電信號(hào)的輸出

2、）階段。 1. 溫度變化方程 熱電器件在沒(méi)有受到輻射作用的情況下，器件與環(huán)境溫度處于平衡狀態(tài)，其溫度為T0。當(dāng)輻射功率為e的熱輻射入射到器件表面時(shí)，令表面的吸收系數(shù)為，則器件吸收的熱輻射功率為e ；其中一部分使器件的溫度升高，另一部分補(bǔ)償器件與環(huán)境的熱交換所損失的能量。設(shè)單位時(shí)間器件的內(nèi)能增量為 e ，則有 dtTdCi（5-1）式中 稱為熱容，表明內(nèi)能的增量為溫度變化的函數(shù)。 TG熱交換能量的方式有三種；傳導(dǎo)、輻射和對(duì)流。設(shè)單位時(shí)間通過(guò)傳導(dǎo)損失的能量 （5-2）CTGdtTdCe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，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 （5

3、-3） 設(shè)入射輻射為正弦輻射通量 ，則式（5-3）變?yōu)?tje0etjeTGdtTdC0（5-4） 若選取剛開始輻射器件的時(shí)間為初始時(shí)間，則，此時(shí)器件與環(huán)境處于熱平衡狀態(tài)，即t = 0,T = 0。將初始條件代入微分方程（5-4），解此方程，得到熱傳導(dǎo)的方程為 CjGeCjGetTtjtCG00（5-5） 設(shè) 稱為熱敏器件的熱時(shí)間常數(shù)， 稱為熱阻。 CRGCTGR1 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)。 當(dāng)時(shí)間t T時(shí)，式（5-5）中的第一項(xiàng)衰減到可以忽略的程度，溫度的變化 TtjTjCetT10（5-6） 為正弦變化的函數(shù)。其幅值為 212201

4、TTCT（5-7） 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。因此，幾乎所有的熱敏器件都被涂黑。另外，它又與工作頻率有關(guān)，增高，其溫升下降，在低頻時(shí)（ T 1），它與熱導(dǎo)G成反比，式（5-6）可寫為 GT0（5-8） 可見，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。 式（5-6）中，當(dāng)很高（或器件的慣性很大）時(shí)， T 1，式（5-7）可近似為 CT0（5-9） 結(jié)果，溫升與熱導(dǎo)無(wú)關(guān)，而與熱容成反比，且隨頻率的增高而衰減。 當(dāng)= 0時(shí)，由（5-5）式得 )1 (0TteGtT（5-10） 由初始零值開始隨時(shí)間t增

5、加，當(dāng)t時(shí)， T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)。 2. 熱電器件的最小可探測(cè)功率 根據(jù)斯忒番-玻耳茲曼定律，若器件的溫度為T，接收面積為A，并可以將探測(cè)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 4eTA（5-11） 由熱導(dǎo)的定義 3e4TAdTdG（5-12） 經(jīng)證明，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 2122224TCGfGkTT（5-13） 考慮式（5-7），可以求出熱敏器件僅僅受溫度影響的最小可探測(cè)功率或稱溫度等效功率PNE為 2152122NE164fkTAf

6、GkTP（5-14） 例如，在常溫環(huán)境下（T=300K），對(duì)于黑體（=1），熱敏器件的面積為100mm2,頻帶寬度為，斯特潘-玻爾茲曼系數(shù)J/cm2K4, 玻爾茲曼常數(shù)k=1.3810-23J/K。則由式（5-14）可以得到常溫下熱敏器件的最小可探測(cè)功率為510-11W左右。由式（5-14）很容易得到熱敏器件的比探測(cè)率為熱敏器件的比探測(cè)率為2152116kTPfADNE（5-15） 只與探測(cè)器的溫度有關(guān)。 5.2 熱敏電阻與熱電堆探測(cè)器熱敏電阻與熱電堆探測(cè)器 5.2.1 熱敏電阻 1. 熱敏電阻及其特點(diǎn) 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

7、敏電阻。相對(duì)于一般的金屬電阻，熱敏電阻具備如下特點(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(jiǎn)單，體積小，可以測(cè)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(cè)量。阻值與溫度的變化關(guān)系呈非線性。不足之處是穩(wěn)定性和互換性較差。 2. 熱敏電阻的原理、結(jié)構(gòu)及材料 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。 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

8、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。 由于熱敏電阻的晶格吸收，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(wú)選擇性地吸收各種波長(zhǎng)的輻射，可以說(shuō)它是一種無(wú)選擇性的光敏電阻。 一般金屬的能帶結(jié)構(gòu)外層無(wú)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)。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)，而由半導(dǎo)體材料組成的熱敏電阻具有負(fù)

9、溫度特性。 圖5-1所示分別為半導(dǎo)體材料和金屬材料（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；將金屬氧化物（如銅的氧化物，錳-鎳-鈷的氧化物）的粉末用黏合劑黏合后，涂敷在瓷管或玻璃上烘干，即構(gòu)成半導(dǎo)體材料的熱敏電阻。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。 較大的溫升）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。 紅外輻射通過(guò)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

10、接收輻射的能力，常將熱敏元件的表面進(jìn)行黑化處理。 由熱敏材料制成的厚度為0.01mm左右的薄片電阻（因?yàn)樵谙嗤娜肷漭椛湎碌玫?3. 3. 熱敏電阻的參數(shù)熱敏電阻的參數(shù) 熱敏電阻探測(cè)器的主要參數(shù)有：（1）電阻-溫度特性熱敏電阻的阻溫特性是指實(shí)際阻值與電阻體溫度之間的依賴關(guān)系，這是它的基本特性之一。電阻溫度特性曲線如圖5-1所示。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 （5-16） 負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻 （5-17）ATTeRR0TBTeRR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

11、材料物理特性有關(guān)的常數(shù)；A、B為材料常數(shù)。 對(duì)于正溫度系數(shù)的熱敏電阻有 TATeRR29825對(duì)于負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻有 TBTeRR1298125式中，RT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。由式（5-16）和（5-17）可分別求出正、負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻的溫度系數(shù)aT 。 aT表示溫度變化1時(shí)，熱電阻實(shí)際阻值的相對(duì)變化為 )C/1 (1dTdRRaTT式中，aT和RT為對(duì)應(yīng)于溫度T（K）時(shí)的熱電阻的溫度系數(shù)和阻值。 對(duì)于正溫度系數(shù)的熱敏電阻溫度系數(shù)為 aT = A （5-19） 對(duì)于負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻溫度系數(shù)為 21TBdTdRRaTTT（5-20） 可見，在工作溫度范圍內(nèi)，正溫度

12、系數(shù)熱敏電阻的aT在數(shù)值上等于常數(shù)A，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的aT隨溫度T的變化很大，并與材料常數(shù)B成正比。因此，通常在給出熱敏電阻溫度系數(shù)的同時(shí)，必須指出測(cè)量時(shí)的濕度。 材料常數(shù)B是用來(lái)描述熱敏電阻材料物理特性的一個(gè)參數(shù)，又稱為熱靈敏指標(biāo)。在工作溫度范圍內(nèi)，B值并不是一個(gè)嚴(yán)格的常數(shù), 而是隨溫度的升高而略有增大，一般說(shuō)來(lái)，B值大電阻率也高，對(duì)于負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻器，B值可按下式計(jì)算： （2）熱敏電阻阻值變化量 211221lg303. 2RRTTTTB（5-21） 已知熱敏電阻溫度系數(shù)aT后，當(dāng)熱敏電阻接收入射輻射后溫度變化T，則阻值變化量為 RT=RTaTT 式中，RT為溫度T時(shí)的電阻值，上

13、式只有在T不大的條件下才能成立。 l（3）熱敏電阻的輸出特性 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，因而負(fù)載電阻電壓增量 1TTRR 21LLRR （4 4）冷阻與熱阻）冷阻與熱阻 TaURRUUTbbTTbbL44上式為假定 ， 的條件下得到的。 TLRR11LTTRRRRT為熱敏電阻在某個(gè)溫度下的電阻值，常稱為冷阻，如果功率為的輻射入射到熱敏電阻上，設(shè)其吸收系數(shù)為a，則熱敏電阻的熱阻定義為吸收單位輻射功率所引起的溫升，即 aTR因此，式（5-23）可寫成（5-23）RaaUUTL4bb若入射輻射為交流正弦信號(hào)， ，則負(fù)載上

14、輸出為 jwte022bb144RaaUUTl（5-26） 式中，為熱敏電阻的熱時(shí)間常數(shù)； ，分別為熱敏電阻 和熱容 。由式（5-26）可見，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。 CRRC （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，它常分為直流靈敏度S0與交流靈敏度SS。直流靈敏度S0為 aRaUST4bb0交流靈敏度SS為 22bb14aRaUSTs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

15、； 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(cè)功率 熱敏電阻的最小可探測(cè)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 10kH

16、z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(cè)的最小功率約為。 5.2.2 熱電偶探測(cè)器 1.熱電偶的工作原理 熱電偶雖然是發(fā)明于1826年的古老紅外探測(cè)器件，然而至今仍在光譜、光度探測(cè)儀器中得到廣泛的應(yīng)用。尤其在高、低溫的溫度探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用是其他探測(cè)器件無(wú)法取代的。 熱電偶是利用物質(zhì)溫差產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)探測(cè)入射輻射的。如圖5-6所示為輻射式溫差熱電偶的原理圖。兩種材料的金屬A和B組成的一個(gè)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），則在回路中會(huì)有如圖5-6（a）所示的電流產(chǎn)生。即由于溫度差而產(chǎn)生的電位差E。回路電流I=E/R。其中R稱為回路電阻。這一現(xiàn)象稱為

17、溫差熱電效應(yīng)（也稱為塞貝克熱電效應(yīng)）( Seebeck Effect)。 測(cè)量輻射能的熱電偶稱為輻射熱電偶，它與測(cè)溫?zé)犭娕嫉脑硐嗤?，結(jié)構(gòu)不同。如圖5-6（b）所示，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(shì)，在回路中將有電流流過(guò)。圖5-6（b）用檢流計(jì)G可檢測(cè)出電流為I。顯然，圖中結(jié)J1為熱端，J2為冷端。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。 圖5-7所示為半導(dǎo)體輻射熱電偶的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中用涂黑的金箔將N型半導(dǎo)體材料和P型半導(dǎo)體材料連在一起構(gòu)成熱結(jié)，另一

18、端（冷端）將產(chǎn)生溫差電勢(shì)，P型半導(dǎo)體的冷端帶正電，N型半導(dǎo)體的冷端帶負(fù)電。開路電壓UOC與入射輻射使金箔產(chǎn)生的溫升T的關(guān)系為 UOC=M12T （5-27）式中，M12為塞貝克常數(shù)，又稱溫差電勢(shì)率（V/）。 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(guò)負(fù)載電阻，并產(chǎn)生電壓降UL，則 QGRRRMTRRRMU)()(Li0L12LLi12L（5-28） 式中，0為入射輻射通量（W）；為金箔的吸收系數(shù)；Ri為熱電偶的內(nèi)阻；M12為熱電偶的溫差電勢(shì)率；GQ為總熱導(dǎo)（W/m）。 2. 熱電偶的基本特性參數(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 tj0e 22QLi0L12L1)(TGRRRMU式中，=2f，f為交流輻射的調(diào)制頻率，T為熱電偶的的時(shí)間常數(shù)， ；其中的RQ，CQ、GQ分別為熱電偶的熱阻、熱容和熱導(dǎo)。熱導(dǎo)GQ與材料的性質(zhì)及周圍環(huán)境有關(guān)，為使熱電導(dǎo)穩(wěn)定，常將熱電偶封裝在真空管中，因此，通常稱其為真空熱電偶。 QQQQTGCCR 真空熱電偶的基本特性參數(shù)為靈敏度S、比探測(cè)率D*、響應(yīng)時(shí)間和最小可探測(cè)功率NEP等參數(shù)。（1）靈敏度（響應(yīng)率）在直流輻射作用下，熱電偶的靈敏度S0為 （5-29） （2）響應(yīng)時(shí)間 QLiL120L0)(GRRRMUS2T2QLi