第五章 混合铁电-热电测辐射热计

1、5.1 引言引言5.2 热电探测器原理热电探测器原理5.3 实际考虑及设计实际考虑及设计5.4 系统实现系统实现5.2.1.5.2.1.热电和铁电材料热电和铁电材料5.2 热电探测器原理热电探测器原理热电材料热电材料 ：5.2.1.5.2.1.热电和铁电材料热电和铁电材料 ) 1(00EED 0PED 0EP因此：因此：铁电体是非线性电介质，其动态电容率定义为：铁电体是非线性电介质，其动态电容率定义为： /0ED 1相对电容率或相对介电常量，简称介电常量相对电容率或相对介电常量，简称介电常量5.2.1.5.2.1.热电和铁电材料热电和铁电材料线性电介质：线性电介质： D E引入一维引入一维Gi

2、bbs的自由能量表达：的自由能量表达： 6141)(216420EDDDDTTG 0)(,TEDG )(530DDDTTE状态等式：状态等式：G-D的极小值表示稳定的状态：的极小值表示稳定的状态：5.2.1.5.2.1.热电和铁电材料热电和铁电材料得到介电常数：得到介电常数： 53)()(14200DDTTDETETDp)(引入热电系数定义：引入热电系数定义：5.2.1.5.2.1.热电和铁电材料热电和铁电材料短路时电流响应的基础参数短路时电流响应的基础参数 )(0DpTED增加给定材料的极化幅度，能改善其电压响应率。增加给定材料的极化幅度，能改善其电压响应率。因此可得：因此可得：5.2.1.

3、5.2.1.热电和铁电材料热电和铁电材料 )/()()(0pEDTDTETED开路时，电压响应的等效参数开路时，电压响应的等效参数 ：5.2.1.5.2.1.热电和铁电材料热电和铁电材料铁电材料分类：从高温铁电相位向低温铁电相位转变铁电材料分类：从高温铁电相位向低温铁电相位转变的顺序分：的顺序分： 第一顺序的热力学相位转换第一顺序的热力学相位转换：其自由能对温度的：其自由能对温度的一阶导数有不连续性一阶导数有不连续性第二顺序的热力学相位转换第二顺序的热力学相位转换：其自由能对温度的二：其自由能对温度的二阶导数有不连续性阶导数有不连续性A 、二次铁电体二次铁电体 5.2.1.5.2.1.热电和铁

4、电材料热电和铁电材料5.2.1.5.2.1.热电和铁电材料热电和铁电材料5.2.1.5.2.1.热电和铁电材料热电和铁电材料与二次转变最明显的不同，就是它是一个极化与非极化相与二次转变最明显的不同，就是它是一个极化与非极化相位同时存在的温度范围。位同时存在的温度范围。 在在TC 处，两个相位具有相同的能量值。处，两个相位具有相同的能量值。 因此，转变温度因此，转变温度TC 为：为： 16320 TTC在在T0 之下，非极化相位变得不稳定，之下，非极化相位变得不稳定，T1 温度之上的极化温度之上的极化相位变得不稳定相位变得不稳定: 4201 TTB、一次铁电体、一次铁电体5.2.1.5.2.1.

5、热电和铁电材料热电和铁电材料5.2.1.5.2.1.热电和铁电材料热电和铁电材料 当温度从低于当温度从低于T0 的高的高极化区增加时，极化慢慢极化区增加时，极化慢慢消失。消失。 在在T0 时，非极化相位时，非极化相位稳定，但是材料已经是高稳定，但是材料已经是高能极化相位，没有退磁现能极化相位，没有退磁现象发生。象发生。 当温度回扫到当温度回扫到T1，材，材料早就处于高能非极化相料早就处于高能非极化相位，因此无自发极化现象位，因此无自发极化现象发生。发生。 5.2.1.5.2.1.热电和铁电材料热电和铁电材料A 本征热电模式本征热电模式 电位移量电位移量D很大很大热电系数热电系数p很小很小低电流

6、模式响应低电流模式响应固有的热电模式不需要固有的热电模式不需要偏置场，但是需要工作偏置场，但是需要工作温度特别低于转变温度温度特别低于转变温度 图图5.10 磁滞回路的还原处理磁滞回路的还原处理B 诱导热电模式诱导热电模式在诱导热电模式中，由于外加偏置电场而使其固有的在诱导热电模式中，由于外加偏置电场而使其固有的热电效应增强。热电效应增强。 图图5.11 陶瓷钛酸锶钡样品在不同的偏置陶瓷钛酸锶钡样品在不同的偏置电压电压 下的热电材料响应率品质因数下的热电材料响应率品质因数一个外加的一个外加的电场总是使电场总是使D增加，因此增加，因此总是使电压总是使电压模式下的响模式下的响应率增加。应率增加。

7、电场的存在使工作状态稳定，因此探测器可以工作电场的存在使工作状态稳定，因此探测器可以工作在铁电转变温度附近，而不会有去磁的风险。拓宽了选在铁电转变温度附近，而不会有去磁的风险。拓宽了选择材料的范围择材料的范围 在脉冲模式下，外加电场是经过调制的，释放了电在脉冲模式下，外加电场是经过调制的，释放了电容器的电荷。容器的电荷。 C.脉冲式热电模式脉冲式热电模式脉冲工作模式的优点是不需要斩波器。脉冲工作模式的优点是不需要斩波器。但是因为所有的无斩波器的红外传感器，有一个相伴但是因为所有的无斩波器的红外传感器，有一个相伴而来的动态范围、均匀性和漂移的问题而来的动态范围、均匀性和漂移的问题.入射辐射通量引

8、起的温度变化：入射辐射通量引起的温度变化： )()(0tTTGdtdTCabsthth )()(0tt 001thabsGTTT如果如果 =0，则，则其中，其中，5.2.3 信号与噪声信号与噪声T=T1+T(t) )(tTGdtTdCabsthth (t)通常为一个梯形波，用一个正弦波近似，因此通常为一个梯形波，用一个正弦波近似，因此: 21)(jwtet其中其中是入射辐射功率在斩波器开和关的相位之间的差值。是入射辐射功率在斩波器开和关的相位之间的差值。则则:令令:得到解：得到解： 21)(tiTetT2211ththabsGT221thththabsC其中，其中， thththGC ddpt

9、hzAcC热时间常数：热时间常数：热容：热容： 响应率第二个分量是温度转换为可测的电信号。响应率第二个分量是温度转换为可测的电信号。热电探测器是非线性的电容，热电探测器是非线性的电容， E=E(D,T) 图图5.12 热电探测器的等效电路热电探测器的等效电路.Cd,探测器的小信号电容；探测器的小信号电容；Rd,探测器的电阻；探测器的电阻；CL负载电阻电容；负载电阻电容；RL,负载电阻；负载电阻；Vo外加的偏置电压外加的偏置电压相关的方程为相关的方程为: V0-V= zd E(D,T)=IdRd V=ILRL=QL/CL zd为探测器厚度，为探测器厚度，Id为探测器的漏电流，为探测器的漏电流，I

10、L为负载阻抗电为负载阻抗电流，流，QL为负载电容电荷，为负载电容电荷，V为输出信号为输出信号 V0=zdE(D,T)+ QL/CL所以所以对上式时间求偏导对上式时间求偏导:dtdQCdtdTTEdtdDDEzLLDTd10dtdQCdtdTpdtdDCALLdd1dddzAC0探测器的动态电容探测器的动态电容 ：电荷保存要求电荷保存要求 : LLddIdtdQIdtdDAdtdTpARVVRdtdVCdd01LdLdRRRRR其中，其中， C=Cd+CL得到解得到解: tiLdLVeVRRRtV21)(0TCCpAVeeLdd221 zeRC其中其中电响应时间常数：电响应时间常数：由流经电容的

11、漏电流产生的失调电压是与时间无关的，因此由流经电容的漏电流产生的失调电压是与时间无关的，因此响应率为响应率为222211ththeeLddthabsCCpACVpLdVcpCCF1品质因数品质因数 ： （1）. Johnson噪声噪声 （2）.温度波动噪声温度波动噪声 （3）.前置放大器的噪声前置放大器的噪声2 .噪声噪声 Johnson噪声噪声由阻抗的功率损耗部分产生，一个理想由阻抗的功率损耗部分产生，一个理想的电容器在电流和电压之间产生的电容器在电流和电压之间产生90度的相位偏转，因此无度的相位偏转，因此无功率损耗。则认为它不会产生功率损耗。则认为它不会产生Johnson噪声。噪声。 实际

12、上，任何引起不同相位偏转的现象都能引起功率实际上，任何引起不同相位偏转的现象都能引起功率损耗，从而有效的产生真实的阻抗。损耗，从而有效的产生真实的阻抗。 （1）. Johnson噪声噪声如果如果Rp是常量，则是常量，则tan是与频率有关的量。是与频率有关的量。 dpppCiRRZ1dpCR1tan漏电容是理想的电容带有一个阻抗漏电容是理想的电容带有一个阻抗:相位角的不同通常用相位角的不同通常用表示表示（1）. Johnson噪声噪声另一个主要的电介质损失源是由磁畴壁运动生成的磁畴的变另一个主要的电介质损失源是由磁畴壁运动生成的磁畴的变换。换。dSSCiRZ1dSCRtan串联电阻可以引起电介质

13、损耗，阻抗为：串联电阻可以引起电介质损耗，阻抗为：则则（1）. Johnson噪声噪声222214CRRkTvJ可称为电介质的损耗噪声或可称为电介质的损耗噪声或tan 噪声噪声.tan1dLLCRRRJohnson噪声的谱密度噪声的谱密度其中，其中， C=Cd+CL（1）. Johnson噪声噪声 温度波动噪声温度波动噪声，来源于探测器与其周围环境的随机的，来源于探测器与其周围环境的随机的能量交换。功率波动谱密度由下式给出：能量交换。功率波动谱密度由下式给出： thGkT224222214thththCkTT相关的温度波动谱为相关的温度波动谱为(2) 温度波动噪声温度波动噪声222222222

14、114ccththLddthTCCpACkTv对应的电压波动谱为对应的电压波动谱为高通滤波器的对温度波动噪声有抑制作用，但响应率也高通滤波器的对温度波动噪声有抑制作用，但响应率也会随之下降会随之下降 .(2) 温度波动噪声温度波动噪声(2) 温度波动噪声温度波动噪声图图5.14 有和无自滤波下的温度波动噪声功率有和无自滤波下的温度波动噪声功率谱（热时间常数为谱（热时间常数为15s）最好的材料是其品质因数最大。最好的材料是其品质因数最大。前置放大器噪声与温度波动噪声相比很小时，前置放大器噪声与温度波动噪声相比很小时，材料的好坏主要取决于材料的好坏主要取决于响应率品质因数响应率品质因数Johnso

15、n噪声与温度波动噪声相比很小时噪声与温度波动噪声相比很小时, 材料材料的好坏主要取决于的好坏主要取决于Johnson噪声品质因数。噪声品质因数。因此这两种品质因数必须很大因此这两种品质因数必须很大,以保证温度波动以保证温度波动噪声限制的性能噪声限制的性能 .1.材料的选择材料的选择1.材料的选择材料的选择 图图5.16 混合热隔离结构的进化过程混合热隔离结构的进化过程隔热效果差隔热效果差隔热效果提高，隔热效果提高，但分辨率低但分辨率低2. 热隔离热隔离 由一个像素吸收的热能不仅仅从隔热装置流向衬底。由一个像素吸收的热能不仅仅从隔热装置流向衬底。同样流向邻近像素，这就降低了同样流向邻近像素，这就

16、降低了MTFMTF。 解决解决MTFMTF损耗的主要方法是网状像素。它是离子铣、损耗的主要方法是网状像素。它是离子铣、激光刻和激光帮助的化学蚀刻技术。激光刻和激光帮助的化学蚀刻技术。 3. 调制传递函数调制传递函数(MTFmodulation transfer function ) MTF MTF的涵义的涵义: :描述系统再现成像物体空间频率范围的能力描述系统再现成像物体空间频率范围的能力. .理想的成像系统要求理想的成像系统要求100%再现成像物体细节，但现再现成像物体细节，但现实中肯定存在不同程度的衰减。实中肯定存在不同程度的衰减。图图5.17 普通的电极放在网状的探测阵列上的谐振红外吸收

17、器普通的电极放在网状的探测阵列上的谐振红外吸收器 铁电体铁电体信号电极信号电极内部连内部连接点接点红外吸收器红外吸收器透明金属透明金属普通电极普通电极台阶台阶绝缘体绝缘体3. 调制传递函数调制传递函数(MTFmodulation transfer function ) 每个混合铁电探测器阵列包括一个每个混合铁电探测器阵列包括一个ROICROIC，其主要的目的，其主要的目的是提供通向单个像素的通道。是提供通向单个像素的通道。 早期的读出电路中，每个单元仅仅包括一个像素和两个早期的读出电路中，每个单元仅仅包括一个像素和两个开关。一个行顺序寻址位移器，关闭开关，连接像素到列的开关。一个行顺序寻址位移

18、器，关闭开关，连接像素到列的址线上。址线上。 4.读出电路（读出电路（ROIC)图图5.18 早期的只有探测像素以及开关构成早期的只有探测像素以及开关构成的单元探测器的读出集成电路的单元探测器的读出集成电路4.读出电路（读出电路（ROIC)图5.19 在单元结构中加入增益和滤波装置的读出集成电路4.读出电路（读出电路（ROIC)5. 系统电子学系统电子学6. 斩波器斩波器图图5.21 直叶片的斩波器以及使用阿基米德螺旋线的斩波器直叶片的斩波器以及使用阿基米德螺旋线的斩波器工作原理：当斩波器的边缘经过一个像素时，像素被暴露工作原理：当斩波器的边缘经过一个像素时，像素被暴露在景物的辐射光下。它的温度开始相应的发生改变，温度在景物的辐射光下。它的温度开始相应的发生改变，温度持续变化直到使景物重新被遮蔽。在景物出现的一瞬间，持续变化直到使景物重新被遮蔽。在景物出现的一瞬间，信号被采样信号被采样 。6. 斩波器斩波器图图5.22 5.22 由一个斩波器产生的探测器温度波由一个斩波器产生的探测器温度波 代表是当景物温度增加单位温