第三章 非制冷红外焦平面阵列原理.ppt

第三章非冷冻型红外线焦平面阵列的原理、3.1热绝缘构造的重要性3.2主要热传感机构3.3重要限制3.4讨论、电阻变化(辐射计)热释电结(TE传感器)热释电效应气体压力变化等，红外线辐射引起的温度变化按照以下方法计算为：支撑基板、面积a、传感器、支撑脚、信号辐射、 3.1热绝缘结构的重要性，1 .热红外线传感器的基本结构，1 )热感应区域沿着支撑物朝向基板的2 )相邻像素间的横向的热流通3 )如果阵列没有固定在排气的封装上，热就会流向周围的大气。 热传导：2 .热传导三种方式，热对流：热辐射：3.1热绝缘结构的重要性，支撑结构具有三种功能：热机支撑热传导通道的电子传导通道两种支撑结构：倒装片式隔板结构，3 .支撑结构，(1)倒装片式，图3.2Taxas公司热释电传感器BST、钛酸锶钡、(2)隔膜结构、图3.3Honeywell的单片微辐射计划结构。 IR，红外，热容量： c，支持的热传导： g，热辐射调制红外光功率宽度P0，入射吸收率：调制光的角频率(设为正弦辐射) :，温度增加：T，热流量式：4 .热流量式(温度变化式)，内的增加，热传导， 吸收的辐射功率定义为热响应时间，1962年Kruse为电阻测量辐射热计的解： 4 .给出热流量公式，在t时：振幅：与吸收率成比例，随着增加，温度上升下降，讨论：4 .热流量公式，t=时，t上升到稳定值的63%，因此，被称为热时间常数，合理地设计绝热性良好的支撑结构，使热传导g最小化，(2)响应率高的传感器和材料(3)传感器的常数，以及为了满足响应时间的需要，必须足够低，3.2主要的热传感器机构，电阻测量辐射热计传感器和铁电传感器温差电传感器，电阻测量辐射计足够小以吸收红外辐射温度的增加t，并确保电阻变化r和t的线性1 .电阻温度系数，即、典型参数是金属：=0.002()-1半导体：=-0.02()-1超导体：=2.0()-1，1，1 .电阻温度系数，假定输出信号VS时，输入VS=ibR=ibRT、2 .响应率r (灵敏度)、定义：输出信号(电压或电流) 温度增加量T :有：响应率：2 .响应率r，与电阻温度系数成正比，与热传导成反比。 定义：当黑体温度变化时，引起阵列输出的信噪比和读出电路信号的最小单位变化，该温度变化量称为噪声等效温差。、3 .噪声等效温度差(NETD )、F:光学系统光圈数A:像素面积VN:电子噪声0:透过率； :响应率(p/t)12:黑体为温度t，在12的范围内，单位面积的功率变化量。 (p/t)3-5=2.1010-5w/cm2k、(p/t)8-14=2.6210-4w/cm2k、295K黑体：3.2.2 .热电传感器和强电介质辐射计，1 .热电效应，图3.4电介质的极化曲线，图3.5热电效应，a是像素检测面积，p是热电系数，工作温度区域内的极化对温度热电电流IS的大小由下式给出：2.响应率，3.2.2 .热电检测器和铁电辐射计，3.2.2 .热电检测器和铁电辐射计，热电检测器为电容性，因此其性质表示电容Ce和损耗电阻r，热电信号电压VS :热电检测器的响应率为：2 .响应率，3.2.2 .热电检测器2 .响应率，3.2.2 .热释电传感器和铁电辐射计，热释电响应率为频率函数，=0时为=01/T时为反比，3 .噪声等效温度差，如果不施加电压则产生热释电效应，施加电压后存在电场，热释电材料显示出极化特性，延伸至正常居里温度以上的区域，受温度的影响4 .关于铁电陶瓷材料钛酸锶钡的温度和极化强度与相对介电常数的关系，p0是没有电偏压时的热电系数，是介电常数e是电场施加电场强度，电偏压下的热电系数：3.2.3温差检测器，放射热电偶，HoneyWell温差检测器， 3.2.3温度差检测器，热电信号电压： VS=N(S1-S2)T，其中S1、S2为热电系数(塞贝克系数)。 这些差别称为触点的热电功率。 热电像素响应率为：3.2.3温差电检测器、响应率低、电阻辐射计热电检测器强介质辐射计温差电检测响应率高、高低偏差是否为直流响应、斩波响应时间C/GC/G、rCeC/G、rCeC/GC/G :像素热容量/热传导； rCe :像素的电阻和电容器的合计电损失，3.2.3温度差检测器，3.3重要限制，3.3.1 .温度变动噪声限制，温度变动噪声：与周围环境进行热交换表示的温度变动性。 在所有频率上，温度波动的均方根是：k是玻尔兹曼常数，t是系统的温度，并且c是系统和环境的谐波平均，假定温度与环境温度相同。 如果系统是热感应器，则热容量的谐波平均值是感应器或阵列中像素的热容量。 噪声电压：检测器的输出电子系统如果有足够的放大率，即使没有输入放射线，也能看到一定的不规则的、无法预料的电压起伏，其均方值称为噪声电压，3.3重要的限制，噪声等效功率：入射放射线的输出电压与检测器本身的噪声电压正好相等时， 此时的入射辐射功率称为噪声等效功率，可以采用热流等式来确定温度变化和频率之间的关系，并且作为能量变化的均方的P0是所测量的频带宽度，其中，P0是与频率无关的常数。 3.3.1 .温度变动噪声限制，p表示像素和周围环境交换的热功率。 t是平方根。 如果P0与频率无关，则命令=1，总频率积分：3.3.1 .温度变化噪声限制：与频率相关联的温度变化均方：像素与环境之间的热功率交换的均方波动：比率检测率D*定义： PN表示噪声等效功率： D*，其中，比率检测率D*，3.3.1 .温度变化噪声限制，D*表示响应率的常数。 NETD值为：NETD值为：NETD值为计算、NETD值为计算、NETD比例和G1/2、g值可以根据设计需要在多个级别上变化。 在没有设计隔热器的阵列中，NETD的值受到温度波动噪声的很大限制。 在辐射为主热交换的情况下，g，即Grad是Stefan-Boltzmann公式的推导：3.3.2 .背景波动噪声限制，比值检测率：当检测器与背景温度相同且存在相同分布