第三章 非制冷红外焦平面阵列原理.ppt

第三章非制冷型红外焦平面阵列原理 3 1热绝缘结构的重要性 3 2主要热探测机制 3 3重要限制 3 4讨论 电阻变化 辐射计 热电结 TE传感器 热释电效应气体压力变化 等 红外辐射引起的温度变化可由以下方式测得 支撑衬底 面积A 传感器 支撑腿 信号辐射 3 1热绝缘结构的重要性 1 热红外传感器的基本结构 1 热量敏感区沿支撑物向衬底 2 相邻像素之间横向热流通 3 如果阵列没有固定在一个抽空的封装盒里 热量会流向周围的大气 热传导 2 热传递的三个方式 热对流 热辐射 3 1热绝缘结构的重要性 支撑结构具有三项功能 热机械支撑热传导路径电子传导路径两种类型的支撑结构 倒装焊方式隔板结构 3 支撑结构 1 倒装焊方式 图3 axas公司热释电探测器装置结构 BST 钛酸锶钡 2 隔板结构 图3 3Honeywell的单片微辐射计像素结构 红外 热容 C 支撑的热传导 G 热辐射调制红外光功率幅度为P0 入射吸收率 调制光的角频率 设为正弦辐射 温度增加 T 则热流量公式 4 热流量公式 温度变化方程 内能的增加 热传导 吸收的辐射功率 定义 为热响应时间 1962年Kruse给出电阻测辐射热计的解 4 热流量公式 当t 时 幅值 与吸收率成正比 随 增加 温升下降 讨论 4 热流量公式 当t 时 T上升到稳定值的63 故 被称为热时间常数 合理的设计一个热探测器 1 设计一个隔热性很好的支撑结构 使热导G最小化 2 选择响应率较高的探测器及材料 3 敏感元件的热容C J 必须足够低以满足响应时间的需要 3 2主要热探测机构 电阻测辐射热计热电探测器和铁电探测器温差电探测器 假定电阻性辐射计吸收红外辐射温度增加 足够小 以保证电阻变化 与 线性 3 2 1 电阻测辐射热计 当辐射光入射后温度增加 引起电阻值发生变化的一种装置 1 电阻温度系数 即 典型的参数为 金属 0 002 半导体 0 02 超导体 2 0 1 电阻温度系数 假定输出信号 则 ib R ib R T 2 响应率 灵敏度 定义 输出信号 电压或电流 与输入辐射功率之比 温度增加量 有 响应率 2 响应率 正比于电阻温度系数 反比于热导 定义 黑体温度变化时 引起阵列输出的信噪比以及读出电路信号最小单位的变化 此温度变化量称为噪声等效温差 3 噪声等效温差 NETD F 光学系统的光圈数 A 像素面积 VN 电子噪声 0 透射率 响应率 P T 1 2 黑体在温度T下 从 1到 2范围内 每单位面积上的功率变化量 P T 3 5 2 10 10 5W cm2K P T 8 14 2 62 10 4W cm2K 295K的黑体 3 2 2 热电探测器以及铁电辐射计 1 热释电效应 图3 4电介质的极化曲线 图3 5热释电效应 A是像素探测面积 p为热电系数 是工作温度区域内极化对温度的曲线的斜率 热释电电流IS的大小由下式给出 2 响应率 3 2 2 热电探测器以及铁电辐射计 3 2 2 热电探测器以及铁电辐射计 因为热电探测器是电容性的 其性质显示出电容Ce和损失电阻R 热电信号电压VS 热电探测器的响应率为 2 响应率 3 2 2 热电探测器以及铁电辐射计 2 响应率 例如 在30Hz下 一个损失正切角为0 01的材料电响应时间为0 53s 热响应时间为10ms 2 响应率 3 2 2 热电探测器以及铁电辐射计 热释电响应率是频率的函数 0时 0 1 T时 与 成反比 3 噪声等效温差 不外加电压即发生热电效应 加了电压后 存在电场 热电材料显示出极化特性并且延伸到超出正常的居里温度以上的区域 可以获得一个来自于受温度影响的电介质常数的额外的信号分量 4 铁电热辐射效应 场增强热电效应 对于铁电陶瓷材料钛酸锶钡其温度与极化强度以及相对介电常数的关系 p0是没有电偏置时的热电系数 是介电常数 E是外加电场场强 电偏置下的热电系数 3 2 3温差电探测器 辐射热电偶 HoneyWell温差电TE探测器 3 2 3温差电探测器 热电信号电压为 VS N S1 S2 T 其中S1 S2是热电系数 塞贝克系数 它们的差值称为接点的热电功率 热电像素的响应率为 3 2 3温差电探测器 响应率低 电阻辐射计热电探测器铁电辐射计温差电探测响应率高高高低偏置是否是否直流响应是否否是斩波器否是是否响应时间C GC G rCeC G rCeC GC G 像素热容 热导 rCe 像素的电阻以及电容总共的电损失 3 2 3温差电探测器 3 3重要限制 3 3 1 温度波动噪声限制 温度波动噪声 与周围的环境进行热交换显示出的温度波动性 在所有的频率下 温度波动平方均值为 K为波尔兹曼常数 T为系统的温度 假设与环境温度相同 C为系统及环境的谐波均值 当系统为一种热探测器 热容谐波均值即为探测器或者阵列中像素的热容 噪声电压 探测器输出电子系统如有足够大的放大倍数 即使没有输入辐射 也会看到一定的毫无规律的 无法预料的电压起伏 它的均方根值称为噪声电压 3 3重要限制 噪声等效功率 当入射辐射所产生的输出电压正好等于探测器本身的噪声电压时 这时的入射辐射功率称为噪声等效功率 为了确定温度波动与频率的关系可以应用热流公式 是能量波动的平方均值 P0是与频率无关的常量 B是测量的频率带宽 3 3 1 温度波动噪声限制 P代表像素与周围环境交换的热功率 T是的平方根 假设P0与频率无关 则 令 1 对所有频率积分 3 3 1 温度波动噪声限制 与频率有关的温度波动平方均值 像素和环境之间热功率交换的平均平方起伏 比探测率D 定义 PN为噪声等效功率 D 即为 比探测率D 3 3 1 温度波动噪声限制 D 与响应率之间的关系可以表示为 则NETD值为 NETD值计算 NETD正比与G1 2 根据设计的需要 G值可以在几个数量级之间变化 隔热装置设计不好的阵列其NETD值受到温度波动噪声的很大限制 当辐射为主要的热交换时 G即Grad 是对Stefan Boltzmann表达式的求导 3 3 2 背景波动噪声限制 比探测率 在探测器与背景