第8章_微测辐射热计焦平面阵列

1、第八章 微测辐射热计红外成像器件8 8.1 .1 引言引言8.2 8.2 微测辐射热计的工作原理微测辐射热计的工作原理8.3 8.3 微测辐射热计的噪声微测辐射热计的噪声8.4 8.4 微测辐射热计的信噪比微测辐射热计的信噪比8.5 8.5 微测辐射热计的读出电路微测辐射热计的读出电路8.6 8.6 微测辐射热计的结构设计、制备以及微测辐射热计的结构设计、制备以及封装封装o一种探测入射红外光引起自身温度升高的传感器。使用一种电导率随着温度变化的材料来测量温度的改变量。这样通过温度的改变量来测定入射红外光的大小。1、什么是红外热辐射计o原理上：辐射计：利用入射的红外光使辐射计探测材料温度发生变化

2、来探测的。 传感器：利用其他敏感量来测量。o探测对象：一个是红外光（热辐射），另一个是其他的敏感量（如声音、压等）。o材料上：辐射计：利用电导率随着温度变化的材料。传感器：如压力传感器可利用压电陶瓷等。2、红外热辐射计与其他传感器的区别8.1 引言 1881 1881年年LangleyLangley在别人建立的辐射计原理基础上在别人建立的辐射计原理基础上构造出第一个辐射计。以后的工作就在于对辐射计构造出第一个辐射计。以后的工作就在于对辐射计的改进上。的改进上。 1978 1978年年JohnsonJohnson提出了适用的硅微型隔热结构作为提出了适用的硅微型隔热结构作为室内温度热红外传感器。室

3、内温度热红外传感器。 1979 1979年年JohnsonJohnson和和HigashiHigashi构造了构造了原型传感器原型传感器。 由机械桥型的由机械桥型的SiSi3 3N N4 4构成，外部为构成，外部为100100 m m大大小小厚为厚为1 1 m m，带有金属薄膜温度敏感电阻器。，带有金属薄膜温度敏感电阻器。 构造这些装置时，使用各向异性蚀刻法制构造这些装置时，使用各向异性蚀刻法制成的硅片来制作隔热的成的硅片来制作隔热的SiSi3 3N N4 4微型桥路，对微型桥路，对IRIR辐辐射很敏感。射很敏感。 原型传感器原型传感器: 1982 1982，KruseKruse通过计算表明硅

4、微型机械加通过计算表明硅微型机械加工的微型辐射计可以达到接近室温下工的微型辐射计可以达到接近室温下IRIR探测器探测器的性能，并提出了他们作为一个两维的凝视型的性能，并提出了他们作为一个两维的凝视型焦平面阵列的构造。焦平面阵列的构造。 1982 1982，ArchArch和和HeiserHeiser对微机械加工的对微机械加工的SiSi3 3N N4 4微型辐射计做了大量的测量。测得的微型辐射计做了大量的测量。测得的D D* * 为为10109 9cmHzcmHz1/21/2/W /W ， D D* *足够在凝视焦平面中产生一足够在凝视焦平面中产生一个很好的噪声等效温差个很好的噪声等效温差 。

5、1983 1983年，带有微机械加工的测辐射热计的年，带有微机械加工的测辐射热计的红外成像仪演示于众红外成像仪演示于众(Wood 1983)(Wood 1983)。 1992 1992年，年，240240336336元阵列的元阵列的NETDNETD值为值为39mk(Fno=1, 30Hz39mk(Fno=1, 30Hz帧速帧速) )，被用于一个便携式，被用于一个便携式的非致冷摄像机上的非致冷摄像机上 。 成像元件是受单元探测器吸收的辐射光所影响。 入射光能量下温度增加的热流量公式，温度的增加依赖于探测机构。 最重要的探测器件是电阻型测辐射热计。8.2 基本原理电阻变化（辐射计）电阻变化（辐射计

6、）热电结（热电结（TETE传感器）传感器）热释电效应热释电效应气体压力变化气体压力变化等等红外辐射引起的温度变红外辐射引起的温度变化可由以下方式测得化可由以下方式测得: :支撑衬底支撑衬底面积面积A传传感感器器支撑腿支撑腿信信号号辐辐射射1. 热红外传感器的基本结构热红外传感器的基本结构o 1 1）热量敏感区沿支撑物向衬底）热量敏感区沿支撑物向衬底; ;o 2 2）相邻像素之间横向热流通；）相邻像素之间横向热流通；o 3 3）如果阵列没有固定在一个抽空的封装）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。盒里，热量会流向周围的大气。热热 传传 导：导：2. 热传递的三个方式热传递

7、的三个方式o热对流是第二种热传递方式。 o 在阵列中热对流不是一种很重要的热传递方式。如果热成像阵列包装并未抽空，则从热敏感元件流经大气的热损失往往是热传导而不是热对流。热热 对对 流：流：o热辐射是第三种热传递方式。o敏感元件向周围辐射热量，周围环境也向其辐射热量。对热成像阵列这是理想状况。o如果主要热损失是辐射性的，则阵列是受背景限制，这种限制对于工作性能影响是非常大。热热 辐辐 射：射：一、光热效应一、光热效应1、光热效应、光热效应：当光照射到理想的黑色吸收体上时，：当光照射到理想的黑色吸收体上时， 黑体将吸收所有波长的全部光能量，并转换为热黑体将吸收所有波长的全部光能量，并转换为热 能

8、，称为光热效应。能，称为光热效应。2、光热探测器原理：、光热探测器原理：热能增多导致吸收体的物理、机械性能变化，热能增多导致吸收体的物理、机械性能变化，如：如：温度、体积、电阻、热电动势等，温度、体积、电阻、热电动势等，通过测量这些通过测量这些变化可确定光能量或光功率大小。变化可确定光能量或光功率大小。由光热效应制由光热效应制成的光探测器统称为成的光探测器统称为光热探测器。光热探测器。3、光热探测器对光辐射的响应过程、光热探测器对光辐射的响应过程吸收光辐射能量使器件自身温度发生变化。吸收光辐射能量使器件自身温度发生变化。依赖某种温度敏感特性把辐射能引起的温度变依赖某种温度敏感特性把辐射能引起的

9、温度变 化转换为相应的电信号，达到探测的目的。化转换为相应的电信号，达到探测的目的。4、光热探测器的特点、光热探测器的特点利用热敏材料吸收入射辐射的总功率产生温升来工利用热敏材料吸收入射辐射的总功率产生温升来工作的，而不是利用某一部分光子的能量作的，而不是利用某一部分光子的能量，所以各种，所以各种波长的辐射对于光热探测器的响应都有贡献。在很波长的辐射对于光热探测器的响应都有贡献。在很宽的波长范围内，宽的波长范围内，响应灵敏度与波长无关响应灵敏度与波长无关，但受热，但受热时间常数的制约，响应速度较慢。时间常数的制约，响应速度较慢。二、温度变化方程二、温度变化方程光辐射引起温升的过程光辐射引起温升

10、的过程1、热平衡方程、热平衡方程e ：入射于探测器的辐射通量（辐射功率）。：入射于探测器的辐射通量（辐射功率）。 ：探测器光敏面对光辐射的吸收系数。：探测器光敏面对光辐射的吸收系数。e ：探测器实际吸收的辐射通量，分为两个部分：探测器实际吸收的辐射通量，分为两个部分转化为内能，表现为温度升高转化为内能，表现为温度升高 ddTCt C 称为热容称为热容与外界热交换：传导、辐射、对流与外界热交换：传导、辐射、对流H T H热传导系数热传导系数1RH 称为热阻称为热阻所以，在热平衡状态下有：所以，在热平衡状态下有： eddTCH Tt 2、热平衡方程的解、热平衡方程的解设入射辐射为：设入射辐射为：

11、je01+et 包含有与时间无关和有关两部分辐射，所以包含有与时间无关和有关两部分辐射，所以 eddTCH Tt 的解也包含两部分的解也包含两部分0T ：与时间无关的平均温升；：与时间无关的平均温升；T ：与时间有关的温度变化；：与时间有关的温度变化； eddTCH Tt 可以分解为两个方程可以分解为两个方程j00eejjtGtCttTHCHC 00000ddTCH TTtH j0dedtTCH Tt 3、对热平衡方程的解的讨论、对热平衡方程的解的讨论设设 ，称为热敏器件的热时间常数，称为热敏器件的热时间常数 一般为毫秒至秒的数量级，它与器件大小、形状一般为毫秒至秒的数量级，它与器件大小、形状

12、 和颜色等有关。和颜色等有关。 TCR CH 如果只考虑与时间有关的项，即有：如果只考虑与时间有关的项，即有： j00eejjtGtCtT tTHCHC 当当 时，解的第一项时，解的第一项Tt 0e0jHtCHC j01/222e1tTTC jj00eej1jttTTT tHCC所以所以幅值幅值 01/2221TTT tC 幅角幅角tanarctanTT 是温升与辐照通量之间的是温升与辐照通量之间的相角相角，说明器件温，说明器件温升滞后调制辐射功率的程度。升滞后调制辐射功率的程度。考虑温升的幅值考虑温升的幅值 01/2221TTTC A、温升、温升 与吸收系数与吸收系数 成正比，所以，几成正比

13、，所以，几 乎所有的热敏器件都被涂黑。乎所有的热敏器件都被涂黑。T B、温升、温升 与工作频率与工作频率 有关，有关， 增高，温增高，温 升升 下降。下降。T T 低频时低频时1T 001/2221TTTHC 即即 与与 成反比，几乎与成反比，几乎与 无关无关T H 00TTTCC 当当 时，即高频或时，即高频或 很大时，很大时，1TT 所以此时温升与热导无关，而与热容所以此时温升与热导无关，而与热容 成成反比，且随反比，且随 增高而衰减。增高而衰减。C 结论结论：光热探测器常用于低频调制辐射的场合，：光热探测器常用于低频调制辐射的场合， 尽量降低尽量降低 ，减小热容量。，减小热容量。T 减小

14、减小 可提高温升，但可提高温升，但 减小使减小使 变大，变大，器件的热惯性变大，时间响应变坏，器件的热惯性变大，时间响应变坏，HT H由初始零值开始随时间增加，当由初始零值开始随时间增加，当 时时T t 达到稳定值达到稳定值 ，当，当 时，时，上升到稳定值的上升到稳定值的 ，所以称，所以称 为热敏器件的热时间常数。为热敏器件的热时间常数。T T 0H T 1163%e Tt C、 时，方程的解为时，方程的解为0 01TtTeH 三、热敏器件的最小可探测功率三、热敏器件的最小可探测功率1、热敏器件的辐射功率、热敏器件的辐射功率由斯忒番由斯忒番玻耳兹曼定律，若器件的温度为玻耳兹曼定律，若器件的温度

15、为 ，接，接收面积为收面积为 ，将探测器近似为黑体，当它与环境，将探测器近似为黑体，当它与环境处于热平衡时，辐射的总功率为：处于热平衡时，辐射的总功率为： 4eAT TA2、热敏器件的热导、热敏器件的热导3ed4dHATT 3、热敏器件的最小可探测功率、热敏器件的最小可探测功率 122222241TkT H fTH 当热敏器件与环境温度处于平衡时，在频带宽度当热敏器件与环境温度处于平衡时，在频带宽度内，热敏器件的温度起伏均方根值为：内，热敏器件的温度起伏均方根值为： 12200NE222201/22241TTkT H fPHCTTH 1125222416kT H fA kTf 4、归一化探测率

16、（比探测率）、归一化探测率（比探测率） 1122*516NEA fDPkT 例如：例如： ，2300 K=1A100mm1HzTf 、 、 、15211165.5 10WNEA kTfP 11122*10251.8 10cm Hz /W16NEA fDPkT *,DT ff *,Dff 或或1、热敏电阻的原理、材料、结构、热敏电阻的原理、材料、结构一、热敏电阻一、热敏电阻定义：凡吸收入射辐射后引起温升而使电阻值定义：凡吸收入射辐射后引起温升而使电阻值 改变，导致负载两端电压的变化，并给出电信改变，导致负载两端电压的变化，并给出电信 号的器件，叫做热敏电阻。号的器件，叫做热敏电阻。原理：原理：半

17、导体材料对光的吸收有本征吸收、杂半导体材料对光的吸收有本征吸收、杂 质吸收、晶格吸收、自由电子吸收等，并且不质吸收、晶格吸收、自由电子吸收等，并且不 同程度地转变为热能，引起晶格振动的加剧，同程度地转变为热能，引起晶格振动的加剧， 器件温度的上升，即器件的电阻值发生变化。器件温度的上升，即器件的电阻值发生变化。材料：金属材料与半导体材料热敏电阻材料：金属材料与半导体材料热敏电阻金属材料组成的热敏金属材料组成的热敏电阻具有正温度系电阻具有正温度系数，而由半导体材料数，而由半导体材料组成的热敏电阻具有组成的热敏电阻具有负温度特性。负温度特性。白金的电阻温度系数大约为白金的电阻温度系数大约为0.37

18、%左右；半导左右；半导体材料热敏电阻的温度系数大约为体材料热敏电阻的温度系数大约为-3%-6%，所，所以热敏电阻探测器常用半导体材料。以热敏电阻探测器常用半导体材料。结构及外形：结构及外形：热敏电阻热敏电阻的结构的结构热敏电阻热敏电阻的几种外的几种外形形热敏电阻的特点热敏电阻的特点A、热敏电阻的温度系数大，灵敏度高，热敏、热敏电阻的温度系数大，灵敏度高，热敏 电阻的温度系数常比一般金属电阻大电阻的温度系数常比一般金属电阻大10 100倍。倍。B、结构简单，体积小，可以测量近似几何点、结构简单，体积小，可以测量近似几何点 的温度。的温度。C、电阻率高，热惯性小，适宜做动态测量。、电阻率高，热惯性

19、小，适宜做动态测量。D、阻值与温度的变化关系呈非线性。、阻值与温度的变化关系呈非线性。E、不足之处是稳定性和互换性较差。、不足之处是稳定性和互换性较差。2、热敏电阻探测器的参数、热敏电阻探测器的参数电阻电阻温度特性温度特性指热敏电阻的实际阻值与电阻体温度之间的关系指热敏电阻的实际阻值与电阻体温度之间的关系A、表达式、表达式正温度系数的热敏电阻：正温度系数的热敏电阻：0eATTRR 负温度系数的热敏电阻：负温度系数的热敏电阻：eB TTRR 为材料常数。为材料常数。A B、 分别为背景环境下的阻值，是与电阻分别为背景环境下的阻值，是与电阻的几何尺寸和材料物理特性有关的常数。的几何尺寸和材料物理特

20、性有关的常数。0RR 、例：标称阻值例：标称阻值 是指环境温度为是指环境温度为25时的实时的实 际阻值，若际阻值，若 偏离，而偏离，而 不好测量，则：不好测量，则：25R25RT对于正温度系数的热敏电阻：对于正温度系数的热敏电阻：0eATTRR 298250eARR 29825eATTRR 对于负温度系数的热敏电阻：对于负温度系数的热敏电阻：/eB TTRR /29825eBRR 1129825eBTTRR B、电阻温度系数电阻温度系数 d11/ CdTTTRRT 表示温度每变化表示温度每变化 1 时，热敏电阻的实际时，热敏电阻的实际阻值的相对变化。阻值的相对变化。对于正温度系数的热敏电阻：对

21、于正温度系数的热敏电阻：00d11edeATTTATTRARARTR 对于负温度系数的热敏电阻：对于负温度系数的热敏电阻：/22d11edeB TTTATTRBBRRTRTT A B、C、材料常数、材料常数B又称为热灵敏指标。又称为热灵敏指标。B值并不是一个严格值并不是一个严格的常数的常数, 而是随温度的升高而略有增大。而是随温度的升高而略有增大。对于负温度系数的热敏电阻：对于负温度系数的热敏电阻：121221lnTTRTTBTTR 11/eB TTRR 22/eB TTRR 对于正温度系数的热敏电阻：对于正温度系数的热敏电阻：12121lnTTRATTR 110eATTRR 220eATTR

22、R 热敏电阻的阻值变化量热敏电阻的阻值变化量已知热敏电阻温度系数已知热敏电阻温度系数 后，当热敏电阻接收后，当热敏电阻接收入射辐射后温度变化入射辐射后温度变化 ，则阻值变化量为：，则阻值变化量为： T T TTTRRT （ 值不大时成立）值不大时成立）T d1dddTTTTTTRRRTRTTTTRRT 冷阻与热阻冷阻与热阻A、冷阻冷阻：热敏电阻在某个温度下未受辐射时：热敏电阻在某个温度下未受辐射时 的电阻值。的电阻值。eTR B、热阻热阻：吸收单位辐射功率所引起的温升。：吸收单位辐射功率所引起的温升。C、若入射辐射为交流正弦信号、若入射辐射为交流正弦信号 ， 求负载上输出求负载上输出bbe4L

23、TUUR 负载上输出为：负载上输出为：je0et B、提高热敏电阻灵敏度的措施、提高热敏电阻灵敏度的措施(1)增加偏压增加偏压，但受热敏电阻的噪声以及不损，但受热敏电阻的噪声以及不损 坏元件的限制；坏元件的限制；(2)把热敏电阻的接收面涂黑把热敏电阻的接收面涂黑增加吸收率增加吸收率 ；(3)增加热阻增加热阻：减少元件的接收面积及元件与：减少元件的接收面积及元件与 外界对流所造成的热量损失，常将元件装外界对流所造成的热量损失，常将元件装 入真空壳内。但热阻增大，响应时间也增入真空壳内。但热阻增大，响应时间也增 大。为了减小响应时间，常把热敏电阻贴大。为了减小响应时间，常把热敏电阻贴 在具有高热导

24、的衬底上；在具有高热导的衬底上；(4)选用选用B值大的材料值大的材料。还可使元件冷却工作。还可使元件冷却工作 以提高以提高 值。值。 T 8.2 .18.2 .1微测辐射热计的响应率微测辐射热计的响应率1 1、微测辐射热计模型、微测辐射热计模型填充因子填充因子F Ff f： A=FA=Ff fA AC C 图4.1 微辐射计模式，Ac整个单元面积，A,前表面面积 假定表面的发射率为假定表面的发射率为e e, ,热容为热容为C,C,在温度在温度T T下下, ,微测辐射热计内部耗散的能量为微测辐射热计内部耗散的能量为W W，辐射热计与支，辐射热计与支撑结构之间的热导为撑结构之间的热导为g g： g

25、=dW / dT (G) g g由支撑臂及其周围的空气的热导决定由支撑臂及其周围的空气的热导决定, ,也由也由热辐射决定。热辐射决定。 1 1、微测辐射热计模型、微测辐射热计模型1 1、微测辐射热计模型、微测辐射热计模型图图4.2 选择的光学系统，选择的光学系统，Tt,目标温度；目标温度；Tp 封装盒温度，封装盒温度，Ts，传，传感器温度感器温度图图4.3 光线几何锥角形状。光线几何锥角形状。 半锥角半锥角 020)cos1 (2sindd光学装置的光学装置的F F数定义：数定义： F Fnono=1/2sin=1/2sinSinSin数值孔径数值孔径(NA)(NA)。立体角与半锥角的关系：立

26、体角与半锥角的关系：1 1、微测辐射热计模型、微测辐射热计模型224sinnotFLALAP以一半锥角以一半锥角入射到传感器的前表面入射到传感器的前表面A A上的黑体上的黑体红外辐射功红外辐射功率率P Pt t L L为单位面积单位立体角的红外辐射功率。为单位面积单位立体角的红外辐射功率。1 1、微测辐射热计模型、微测辐射热计模型若发射率为若发射率为 e e, ,微测辐射热计前表面微测辐射热计前表面A A吸收的红外能量：吸收的红外能量：24noeFLAQL L可由普郎克定律给出：可由普郎克定律给出：21) 1)/(exp(252teKThcdhcL 传播红外光波波段在传播红外光波波段在 1 1

27、和和 2 2之间之间, T, Tt t为目标温为目标温度，度，e e为目标发射率。为目标发射率。 由目标温度由目标温度T Tt t 变化引起微测辐射热计温度变化：变化引起微测辐射热计温度变化： tTTtnoetttdTdLFAgTPPT2411 1、微测辐射热计模型、微测辐射热计模型表表4.1 4.1 对于目标温度为对于目标温度为290K,300K290K,300K以及以及 310K310K时的时的dL/dTdL/dTt t的值（的值（W.cmW.cm-2-2srsr-1-1K K-1-1） 波长间隔波长间隔1 12 2(m) 290K 300K 310K (m) 290K 300K 310K

28、 3 34 8.9E-7 1.3E-7 1.9E-6 4 8.9E-7 1.3E-7 1.9E-6 4 45 4.0E-6 5.5E-6 7.2E-6 5 4.0E-6 5.5E-6 7.2E-6 8 810 3.1E-5 3.5E-5 3.9E-5 10 3.1E-5 3.5E-5 3.9E-5 10 1012 2.6E-5 2.8E-5 3.1E-5 12 2.6E-5 2.8E-5 3.1E-5 12 1214 1.9E-5 2.1E-5 2.2E-5 14 1.9E-5 2.1E-5 2.2E-5 1 1、微测辐射热计模型、微测辐射热计模型例例: 已知已知 g=10g=10-7-7W/

29、KW/K， A=50mA=50m2 2 =0.8 =0.8， F Fnono =1 =1 1 1=8m=8m。 2 2=12m=12m T Tt t=300K =300K 解解：从表：从表4.14.1中得到中得到dL/dTdL/dTt t=3.5=3.51010-5-5 W.cmW.cm-2-2srsr-1-1K K-1-1 ，1 1、微测辐射热计模型、微测辐射热计模型tTTtnoedTdLFAg241对于对于dTt =1时时dT10mK。2 2、微测辐射热计材料的电阻变化、微测辐射热计材料的电阻变化电阻温度系数（电阻温度系数（TCRTCR）：）：RdTdR如果如果与温度无关，积分后得与温度无

30、关，积分后得 ： )(1)()(SSTTTRTR 金属温度变化时自由载流子浓度变化很小，但自由载流金属温度变化时自由载流子浓度变化很小，但自由载流子运动随温度减小而产生一个正的子运动随温度减小而产生一个正的，一般为，一般为+0.002K+0.002K-1-1。金属金属TCRTCR材料的优点：材料的优点：可以取得可控的沉积以及在金属膜和可以取得可控的沉积以及在金属膜和触点处的很小的触点处的很小的1/f1/f噪声。噪声。金属材料：金属材料： 举例：举例： 第一个微测辐射热计阵列使用第一个微测辐射热计阵列使用Ni-FeNi-Fe金属薄片，其金属薄片，其TCRTCR为为+0.0023K+0.0023K

31、-1-1，NETDNETD为为0.250(75m0.250(75m像素，像素，F Fnono=1=1，30Hz30Hz帧速）帧速） Ti Ti薄片（薄片（=+0.0042k=+0.0042k），用于），用于128128128128阵列中，显阵列中，显示出其示出其NETDNETD值为值为0.7(50m0.7(50m像素，像素，Fno=1Fno=1，30Hz30Hz帧速帧速) )。半导体的半导体的R(T)R(T) 半导体半导体R(T)R(T)的一个特点是其自由载流子浓度由一个带宽内的一个特点是其自由载流子浓度由一个带宽内的热激励控制：的热激励控制： )exp()(0KTERTR其中其中 E E是激

32、励能量是激励能量, ,等于等于E Eg g的一半的一半,R,R0 0是一个常数。是一个常数。 对于半导体材料对于半导体材料, ,可以得到可以得到 : :222kTEkTERdTdRg用作用作TCRTCR材料的半导体材料材料的半导体材料 1 1、使用、使用SiSiGeGe和和Si-GeSi-Ge作为作为TCRTCR材料。材料。 2 2、TeTe和和BiBi的薄膜电阻器用于测辐射热计耦合的薄膜电阻器用于测辐射热计耦合与薄膜微型天线（与薄膜微型天线（-0.003-0.003到到-0.01K-0.01K-1-1 ）。3 3、Ni-Co-MnNi-Co-Mn的热敏电阻薄膜（的热敏电阻薄膜（-0.04K-

33、0.04K-1-1）；）；GaAs GaAs 材料（材料（-0.09K-0.09K-1-1）氧化钒材料的优点氧化钒材料的优点 1 1、溅射多晶氧化钒、溅射多晶氧化钒(VO(VO2 2,V,V2 2O O3 3和和V V2 2O O5 5) )膜片（膜片（5050100nm100nm）容易容易. . 2 2、SiSi3 3N N4 4是很好的基底，且对于氧化钒是钝化剂。是很好的基底，且对于氧化钒是钝化剂。 3 3、读出电路、读出电路, ,方块电阻合适，加以合适的电触点使方块电阻合适，加以合适的电触点使1/f1/f噪噪声将足够低。声将足够低。 4 4、在在2525时为时为-0.02K-0.02K-

34、1-1, ,比大多数金属的比大多数金属的值高值高5 51010倍。倍。氧化钒材料的缺点氧化钒材料的缺点 1 1、TCRTCR仍然限制在仍然限制在-0.06K-0.06K-1-1，比起其它材料要低一些。，比起其它材料要低一些。 2 2、必须适当地控制沉积条件才能够得到好的性能，有、必须适当地控制沉积条件才能够得到好的性能，有些二氧化物中会出现磁滞现象。些二氧化物中会出现磁滞现象。 图图4.4 VO4.4 VO2 2薄膜片电阻随着温度变化的曲线薄膜片电阻随着温度变化的曲线图图4.5 4.5 混合混合VOxVOx薄膜片电阻温度曲线薄膜片电阻温度曲线图图4.6 4.6 混合混合VOxVOx薄膜片电阻温

35、度系数和电阻薄膜片电阻温度系数和电阻率曲线率曲线8.5 8.5 微辐射计阵列的读出电路微辐射计阵列的读出电路 CCD（电荷耦合器件）（电荷耦合器件） MOSEFT（金属（金属-氧化物氧化物-半导体场效应管）半导体场效应管） CID（电荷注入器件）（电荷注入器件） CIM（电荷成像矩阵）（电荷成像矩阵）1. 1. 微辐射计的读出电路的一般形式微辐射计的读出电路的一般形式 列多路复合器列多路复合器 行多路行多路复合器复合器 图图4.23 微测辐射计的读出电路的一般形式微测辐射计的读出电路的一般形式电子像素开关电子像素开关探测器探测器每个像素的偏置时间：每个像素的偏置时间： t=t=1/30/409

36、6=8.11/30/4096=8.1 s s 例例1 1：一个一个64646464的阵列的阵列, ,帧速为帧速为30Hz30Hz，如果一个单独的微，如果一个单独的微辐射计在任何瞬间都可以读出，辐射计在任何瞬间都可以读出，问：每个像素的偏置时间是多少？问：每个像素的偏置时间是多少？解：解：像素总个数：像素总个数：6464* *646440964096一帧图像输出的总时间：一帧图像输出的总时间：1/30s1/30s（1 1）同时输出）同时输出1414个微辐射计的模拟信号到个微辐射计的模拟信号到1414个外个外部积分器中。部积分器中。2. 微辐射计的读出电路的改进形式微辐射计的读出电路的改进形式 （

37、2 2）整行像素同时输出，帧速提高至）整行像素同时输出，帧速提高至60Hz60Hz例：例：240*336阵列阵列1/1/（240240* *6060）=70=70 s s每个像素的偏置时间？每个像素的偏置时间？行多行多路复路复合器合器 转换门转换门 行存储器行存储器 输出多路转换器输出多路转换器 积分器积分器 序列输出序列输出 图图4.25 4.25 大规模阵列的读出电路大规模阵列的读出电路8.6 8.6 微辐射计设计，制备以及封装微辐射计设计，制备以及封装 制造技术制造技术：微型机械技术微型机械技术 是以硅为基础，选择蚀刻一定材料来构造微观隔热结构的是以硅为基础，选择蚀刻一定材料来构造微观隔

38、热结构的技术。技术。 4.6.1 4.6.1 微测辐射热计的结构设计和制作微测辐射热计的结构设计和制作结构设计：结构设计： 单层结构单层结构 双层结构双层结构 图图4.27 4.27 单层微辐射计结构单层微辐射计结构 单层结构单层结构 传感器传感器 电极电极 像素大小像素大小 硅硅 1.1.单层微测辐射热计结构单层微测辐射热计结构7575微米的单层的微辐射计的原型微缩图形微米的单层的微辐射计的原型微缩图形 承受加速度为承受加速度为14,000g14,000g1.1.单层微测辐射热计结构单层微测辐射热计结构D D* *=10=109 9cmHzcmHz1/21/2W W-1-1缺点：填充系数较差

39、缺点：填充系数较差. . 两层微辐射计结构两层微辐射计结构 双层结构双层结构 传感器传感器 电极电极 像素大小像素大小 硅硅 图图4.27 4.27 双层的微辐射计结构双层的微辐射计结构（1 1）填充系数大）填充系数大（2 2） 红外光吸收率高红外光吸收率高（在腔体下方产生一个（在腔体下方产生一个共振光学腔）。共振光学腔）。 图图4.28 双层微辐射计结构双层微辐射计结构. . 两层微辐射计结构两层微辐射计结构 3. 3. 双层微辐射计制造步骤双层微辐射计制造步骤 1.利用硅圆片制作利用硅圆片制作读出电路（晶体管读出电路（晶体管和接触界面的金属和接触界面的金属化）化）2 沉积牺牲层沉积牺牲层3

40、 沉积氧化钒沉积氧化钒和氮化硅和氮化硅4 再选择蚀刻圆再选择蚀刻圆片，留下自支撑片，留下自支撑桥路桥路 晶体管晶体管硅圆片硅圆片 牺牲层牺牲层自支撑桥路自支撑桥路近似近似2.52.5 m m的真空间隙与衬底上的薄片金属反射层，产生的真空间隙与衬底上的薄片金属反射层，产生一个一个1/41/4波长的谐振腔波长的谐振腔半导体半导体TCRTCR材料做得足够厚，以作为一个材料做得足够厚，以作为一个1/41/4波长吸收器，波长吸收器，提供提供90%90%的吸收率的吸收率 。3. 3. 双层微辐射计制造步骤双层微辐射计制造步骤 增强红外吸收率方法增强红外吸收率方法: :（1）光学谐振腔）光学谐振腔（2 2）

41、半导体材料厚度）半导体材料厚度适宜波长为多少？适宜波长为多少？ 一个一个240240336336的两层的微辐射计阵列原型图的两层的微辐射计阵列原型图 8.6.2 8.6.2 封封 装装 标准温度和气压下的大气热导为标准温度和气压下的大气热导为2.52.51010-4-4WcmWcm-1-1K K-1-1，一个面积为一个面积为50502 2 m m2 2，高于衬底，高于衬底2.5 2.5 m 的双层辐射计在标的双层辐射计在标准温度和气压下热导为准温度和气压下热导为2.52.51010-5-5W/KW/K，比典型的支撑臂的，比典型的支撑臂的热导要大一些热导要大一些 。(1) (1) 降低气压至降低

42、气压至50mmHg50mmHg，内封吸气器，内封吸气器(2) (2) 充不活泼气体（低热导）充不活泼气体（低热导） 一个240336 的微辐射计的真空密封形式Kyocera 常规封装常规封装 允许焊接的外围金属增透锗窗口热源导线 硅芯片（HIDAD阵列） Al结点的焊盘 铜钨底盘 Al结点的焊盘 热敏电阻 TEC焊接金属 热稳定器 固定孔 排气管内锆吸附剂真空压封无氧高导铜排气管 两层的微辐射计阵列的封装 3 3、微测辐射热计热平衡方程、微测辐射热计热平衡方程4)2()(TATTgPPIVdtdTcSst 其中其中: :最后一项是最后一项是StefansStefans定律决定的辐射热，定律决定

43、的辐射热，g(T-Ts)g(T-Ts)是传导热。是传导热。 假设假设从从目标目标辐射的辐射的红外辐射能量红外辐射能量为为P Pt t； 热存储器热存储器发出的发出的能量能量为为P Ps s ； 由偏置电压或电流产生热能量由偏置电压或电流产生热能量P=IVP=IV。 则则在温度在温度T T时；微测辐射热计的热平衡方程为：时；微测辐射热计的热平衡方程为： 8.2 .18.2 .1微测辐射热计的响应率微测辐射热计的响应率 对应极小温度变化对应极小温度变化dTdT，发射辐射能量增量为，发射辐射能量增量为 : :4)2(TAPrad 则辐射热导为：则辐射热导为： /)2( 4)2(34KWTAdTTAd

44、grad 则辐射热计的热导是则辐射热计的热导是g gradrad和和g glegleg之和，其中之和，其中g glegleg是支撑腿是支撑腿的热导。即：的热导。即： g= g g= glegleg + g + gradrad 例：例：对于一个对于一个50m50m的微测辐射热计，的微测辐射热计，g glegleg 值为值为2 21010-7-7W/KW/K，假设假设A=50A=5050m50m2 2,=0.8,T=25,=0.8,T=25的话。则由等式算出的话。则由等式算出g gradrad的值为的值为2 21010-8-8W/KW/K。4 4、热平衡方程的解、热平衡方程的解 （1 1）无偏置的

45、热平衡方程）无偏置的热平衡方程 把辐射热能量作为一个吸收净辐射能把辐射热能量作为一个吸收净辐射能Q Q来表示，即：来表示，即： 4)2(TAPPQSt则热平衡方程变为：则热平衡方程变为：)(sTTgQdtdTc当当t t0 0时，时，Q=0Q=0，对于，对于t t0 0时，我们可以解出：时，我们可以解出： 1)(/tSegQTtT温度响应随指数热时间常数温度响应随指数热时间常数 c/gc/g变化。变化。 当当微测辐射热计温度微测辐射热计温度达到达到平衡平衡时：时：gQTtTS)(gQT 则微辐射热计温度响应率为：则微辐射热计温度响应率为： gQTT1Fig4.8Fig4.8微测辐射热计的脉冲辐

46、射响应微测辐射热计的脉冲辐射响应（2 2）加偏置的热平衡方程解）加偏置的热平衡方程解微测辐射热计总共受热微测辐射热计总共受热W=Q+P W=Q+P 。 图4.9 微测辐射热计的V-I曲线 为了描述为了描述V-IV-I曲线的曲率，定义一个曲线的曲率，定义一个热电参数热电参数作为作为电阻的变化电阻的变化比比能量损耗的变化能量损耗的变化: : RWWRRWWWRRlnln/ 假定假定V-IV-I曲线是用固定小的曲线是用固定小的Q Q来测量：来测量：11/ZZRIVVIIVVIIVIVRPPRRP）（）（即斜率即斜率z z： 11RIVZ在在 V-IV-I曲线上任一点上，曲线上任一点上， 为：为： T

47、gQIVWTTRRW)(dTdWg/式中： 例：o金属类的金属类的 为为+0.002K-1,在温度增加为在温度增加为1/ =5000C时，时，V-I曲线斜率变为无穷大；曲线斜率变为无穷大；o半导体类半导体类 为为-0.02K-1 ，在温度增加为，在温度增加为1/ =500C时，时，V-I曲线斜率变为曲线斜率变为0； o对于对于g=10-7,分别需要大约分别需要大约500*10-7W 和和50*10-7W的焦耳的焦耳能能o对于对于R=10K，微测辐射热计需要的电流分别是，微测辐射热计需要的电流分别是70 A和和22 A时或01|1|TdTdWg/（3 3）V-IV-I曲线的计算曲线的计算 热平衡

48、方程热平衡方程(3-13)(3-13)在热平衡状态时：在热平衡状态时：0=Q+I0=Q+I2 2R(T)-g(T-TR(T)-g(T-TS S) )T-TT-TS S=(IV+Q)/g=(IV+Q)/g其中其中R(T)是微测辐射热计电阻的受温度影响的公是微测辐射热计电阻的受温度影响的公式。式。 对于一个类半导体的对于一个类半导体的TCRTCR，微测辐射热计在，微测辐射热计在温度下其稳态温度下其稳态V-IV-I曲线由下列等式给出：曲线由下列等式给出： 半导体的电阻温度系数半导体的电阻温度系数 KTETIRVSexp)( 消去消去T T可得可得V-IV-I曲线：曲线：gQIVTKETIRVSS(e

49、xp)( T-T T-TS S=(IV+Q)/g=(IV+Q)/g图4.13 半导体类温度电阻系数的微辐射计的V-I计算曲线（Q=0,=-0.027K-1,在300K时R=10K,g=1E-7W/K） 当 时微测辐射热计V-I曲线斜率, RRZ)(1)(1)(图图4.14 脉冲偏置下的微辐射计的负载线；脉冲偏置下的微辐射计的负载线；RL,负载电阻，负载电阻，Vb偏置电阻的负载电压，偏置电阻的负载电压，V,I 微辐射计的电压和电流，微辐射计的电压和电流，R，微，微辐射计的电阻辐射计的电阻（4）脉冲偏置信号或者高辐射信号的响应率）脉冲偏置信号或者高辐射信号的响应率 在辐射功率在辐射功率Q Q下，定

50、量变化可以使用热平衡方下，定量变化可以使用热平衡方程以及温度程以及温度T T下的负载线方程来计算：下的负载线方程来计算： )(STTgQIVtTc其中：)()(TRRTRVVLb)(TRRVILb联立等式得：tTTgQTRRTRVcTSbLb)()()(122其中对于半导体材料：其中对于半导体材料：)exp()()(KTETRTRS 以上两个方程可以用来计算在外加偏置和辐射下的辐以上两个方程可以用来计算在外加偏置和辐射下的辐射计随着时间变化的温度曲线。射计随着时间变化的温度曲线。 tTTgQTRRTRVcTSbLb)()()(122举例举例 表表4.24.2为微测辐射热计的参数值为微测辐射热计

51、的参数值 参数参数 值值 R(Ts) 20K R(Ts) 20K R RL L 0 0 V Vb b 1V 1V t 100s t 100s 脉冲周期脉冲周期T 30ms T 30ms Ts 300K Ts 300K 在在300K300K时时 -0.02K-0.02K-1-1 c 10 c 10-9-9J/K J/K g 10 g 10-7-7W/K W/K Q 1nW Q 1nW电流响应率电流响应率微测辐射热微测辐射热计的温度计的温度偏置电压偏置电压有效的热导值有效的热导值o微测辐射热计以每秒微测辐射热计以每秒500000C的速度变化！的速度变化！第三节第三节 辐射计的噪声辐射计的噪声 o辐

52、射计电阻的噪声辐射计电阻的噪声 o偏置电阻的变化偏置电阻的变化o辐射计衬底的温度变化辐射计衬底的温度变化 o入射红外辐射通量的噪声入射红外辐射通量的噪声 o前置放大器噪声前置放大器噪声 1.1.辐射计电阻的噪声辐射计电阻的噪声 o由于电荷载流子的热激发，一个温度为由于电荷载流子的热激发，一个温度为T的阻抗的阻抗R会产生一个波动的电压噪声（会产生一个波动的电压噪声（Johnson噪声）噪声） 图图3.18 一电阻的一电阻的Johnson噪声等效电路，噪声等效电路，Vn,电压噪声；电压噪声；R,电阻；电阻；C,电容电容fKTRVVV4 )(22Johnson噪声噪声 由计算可知：室温条件下，阻值为

53、由计算可知：室温条件下，阻值为R=1K的电阻在的电阻在f=1Hz带宽内其带宽内其Johnson噪声电压的均方值约为噪声电压的均方值约为4nVHz-1/2。 工作带宽工作带宽f=5000Hz的系统，放大器增益为的系统，放大器增益为104倍，倍，则在放大器的输出端可约有则在放大器的输出端可约有28mV热噪声均方根电压值，热噪声均方根电压值，由此可见在微弱信号探测中是不可忽略的。由此可见在微弱信号探测中是不可忽略的。在一个有效噪声带宽在一个有效噪声带宽1/4CeR范围内，可以认为范围内，可以认为电压噪声有一个均方根值电压噪声有一个均方根值(4kTR)1/2 VHz-1/2 1/f 噪声 流过探测器的

54、电流不是纯粹的直流，而是在流过探测器的电流不是纯粹的直流，而是在直流上叠加着一些微小的电流起伏，微小的起伏直流上叠加着一些微小的电流起伏，微小的起伏电流随时都在变化，这就形成了噪声。电流随时都在变化，这就形成了噪声。 这种噪声功率近似与这种噪声功率近似与f成反比，所以称为成反比，所以称为1.1.辐射计电阻的噪声辐射计电阻的噪声 这种噪声源代表为一种附加电压源，与这种噪声源代表为一种附加电压源，与Johnson噪声源无关，噪声源无关，1Hz带宽里带宽里fkVV22注意：注意：参数参数是与电阻材料、沉积技术、形状以及电接触是与电阻材料、沉积技术、形状以及电接触有关的。有关的。 由于量子力学原因，由

55、于量子力学原因，1/f噪声是无法消除的。噪声是无法消除的。 由于电阻材料结构以及电触点的不完善之处，在所有由于电阻材料结构以及电触点的不完善之处，在所有真实的阻抗中测得的真实的阻抗中测得的1/f噪声水平高于此水平很多数量噪声水平高于此水平很多数量级。级。 微辐射计的噪声等效电路是由一个无噪声微辐射计的噪声等效电路是由一个无噪声电阻、两个不相关的均方根电压噪声源及电电阻、两个不相关的均方根电压噪声源及电阻的无噪声自身电容阻的无噪声自身电容C组成的。组成的。 Johnson噪声噪声图图3.19 在在1Hz带宽内的频率带宽内的频率f下的电阻噪声等效电路，下的电阻噪声等效电路，R,电阻；电阻；C,电容

56、电容fkVKTR24低频时电子噪声的增加是由于低频时电子噪声的增加是由于1/f噪声的增加，噪声的增加，在高频时则等于在高频时则等于Johnson噪声。噪声。拐点频率拐点频率 ：在在1Hz间隔里，当间隔里，当1/f噪声功率等于噪声功率等于Johnson噪声噪声功率时的频率。功率时的频率。 kneefkVKTR24KTRkVfknee42即：即：在带限在带限f1至至f2（ f2 f1 ）中，）中， 1/f噪声功率和噪声功率和Johnson噪声功率结合产生一个总的噪声功率：噪声功率结合产生一个总的噪声功率： )ln()(41)(412212212221ffkVffKTRdffkVffKTRVfftf

57、212stareTf411上限噪声带限上限噪声带限f2： 下限噪声带限下限噪声带限f1：由于外加电阻由于外加电阻RL而增加的整个辐射计的均方电压噪声为（假而增加的整个辐射计的均方电压噪声为（假设设RL的的1/f噪声可以忽略）：噪声可以忽略）： 22122122)()ln()(4LLbLLRRRRffkVffRRRRKTV2.2.偏置电阻的噪声偏置电阻的噪声 噪声等效电路噪声等效电路 偏置电路偏置电路 图图3.21 微辐射计的偏置电流和噪声等效电路。微辐射计的偏置电流和噪声等效电路。R,微辐射计微辐射计的电阻；的电阻；RL,负载电阻；负载电阻；Vb负载电阻的偏置电压；负载电阻的偏置电压；vJ,

58、Johnson 噪声源；噪声源；v1/f,1/f噪声源噪声源无偏置时无偏置时, ,温度为温度为T T的微测辐射热计与环境间热平衡可表示的微测辐射热计与环境间热平衡可表示为：为：)(sTTgQdtdTCCkTT/22可以计算出由于可以计算出由于g g（g glegleg+g+gradrad）的影响，微测辐射热计）的影响，微测辐射热计3. 3. 热导噪声热导噪声 如果热噪声为唯一存在的噪声，则辐射计的噪声等效功率如果热噪声为唯一存在的噪声，则辐射计的噪声等效功率3. 热导噪声热导噪声 这个温度噪声有一个功率密度为这个温度噪声有一个功率密度为cKTgidealNEP/)(2222222114)(14

59、)(gKTfggKTfT4. 4. 辐射通量噪声辐射通量噪声 212425322) 1()(8(2)4(xxxxdxeexhhKTccAp由背景辐射光子数的涨落所引起的探测器的噪声称为背景由背景辐射光子数的涨落所引起的探测器的噪声称为背景噪声或光子噪声。噪声或光子噪声。KThx/入射光以立体角入射光以立体角照在面积为温度为的黑体的表面，照在面积为温度为的黑体的表面，则光辐射功率则光辐射功率P P的变化量的变化量 ： 22)(ppp由于物体的发射率与吸收率相同，表面积由于物体的发射率与吸收率相同，表面积A A的出射辐射功率下的出射辐射功率下有相同的噪声，且微辐射计有两个表面，则整个的噪声功率有相

60、同的噪声，且微辐射计有两个表面，则整个的噪声功率为：为： 212425322) 1()(8(2)4)2(2xxxxdxeexhhKTCACpradgKTKTAp2522)2( 8grad=4（2A） T3在所有的波长下积分，令在所有的波长下积分，令 2324515/2hCK辐射噪声引起的辐射计温度波动辐射噪声引起的辐射计温度波动为：为：0222)2(11)(dffgfSTlegradradgggcKTcgKTA25)2(4低频时低频时, ,每单位带宽下辐射噪声功率变化：每单位带宽下辐射噪声功率变化：radfgKTpfS22042)(由支撑臂热导由支撑臂热导gleg引起引起辐射计温度变化辐射计温