第四章-热电探测器

1、第四章第四章 热电检测器件热电检测器件3/1/20221第四章-热电探测器 热电探测器件的工作原理：器件吸收入射辐热电探测器件的工作原理：器件吸收入射辐射功率产生温升，温升引起材料各种有赖于温射功率产生温升，温升引起材料各种有赖于温度的参量的变化，监测其中一种性能的变化，度的参量的变化，监测其中一种性能的变化，来探知辐射的存在和强弱。来探知辐射的存在和强弱。特点：特点：一、热电探测器件概述一、热电探测器件概述2第四章-热电探测器热电检测器件的共性：热电检测器件的共性： 对热电探测器件的分析分为两步。第一步是按系对热电探测器件的分析分为两步。第一步是按系统的热力学特性来确定入射辐射所引起的温升，

2、统的热力学特性来确定入射辐射所引起的温升，这种分析对各种热电探测器件都适用；第二步是这种分析对各种热电探测器件都适用；第二步是根据温升来确定具体探测器件输出信号的性能。根据温升来确定具体探测器件输出信号的性能。 一、热电探测器件概述一、热电探测器件概述3第四章-热电探测器热电检测器件的共性：热电检测器件的共性：( )jtQodTCGTed t 一定功率的热辐射照射到探测器表面，一部分功一定功率的热辐射照射到探测器表面，一部分功率使器件温度升高，另一部分用于与环境的热交率使器件温度升高，另一部分用于与环境的热交换。热交换的方式有辐射交换和热传导换。热交换的方式有辐射交换和热传导( (对流可以对流

3、可以忽略忽略) )两种形式。两种形式。(1)1Ttj to TToQTTeTeCjj4第四章-热电探测器热电检测器件的共性：热电检测器件的共性：2 2 1/2(1)oTTG 当时间足够长时，第二项为零，取第一项实部当时间足够长时，第二项为零，取第一项实部的幅值即为辐射引起的热探测器的温度增加的幅值即为辐射引起的热探测器的温度增加 T=RQCQ=CQ/GQ RQ为热阻1、与吸收系数成正比；、与吸收系数成正比；2、与入射功率成正比；、与入射功率成正比；3、与工作频率成反比；、与工作频率成反比；涂黑涂黑5第四章-热电探测器热电检测器件的共性：热电检测器件的共性：01-)TtTeG （当在低频工作时，

4、即当在低频工作时，即w T1，则此时，热点检测器件吸收交变辐射能此时，热点检测器件吸收交变辐射能引起的温升与热导引起的温升与热导G成反比；成反比；0QTwC但但 T=CQ/GQ减小热导可减小热导可提高温升和提高温升和灵敏度灵敏度矛盾矛盾0GT T6第四章-热电探测器热电探测器的类型热电探测器的类型 热电探测器件大致分为热电探测器件大致分为温差电型温差电型、热敏、热敏 电阻型、气动型和电阻型、气动型和热释电型热释电型四类。四类。热电偶热电偶热电堆热电堆一、热电探测器件概述一、热电探测器件概述7第四章-热电探测器二、温二、温 差差 电电 偶偶 温差电偶也叫热电偶，是最早出现的一种热 电探测器件。其

5、工作原理是温差电效应。8第四章-热电探测器二、温二、温 差差 电电 偶偶 构成温差电偶的材料，既可以是金属，也构成温差电偶的材料，既可以是金属，也可以是半导体。在结构上既可以是线、条可以是半导体。在结构上既可以是线、条状的实体，也可以是利用真空沉积技术或状的实体，也可以是利用真空沉积技术或光刻技术制成的薄膜。光刻技术制成的薄膜。 实体型的温差电偶多用于测温，称为测温实体型的温差电偶多用于测温，称为测温热电偶；薄膜型的温差电堆多用于测量辐热电偶；薄膜型的温差电堆多用于测量辐射，称为辐射热电偶。射，称为辐射热电偶。9第四章-热电探测器热电偶用于测温：热电偶用于测温：珀尔帖效应：两种不同的金属构成闭

6、合回路，珀尔帖效应：两种不同的金属构成闭合回路，当回路中存在直流电流时，两个接头之间将产当回路中存在直流电流时，两个接头之间将产生温差。生温差。10第四章-热电探测器二、温二、温 差差 电电 偶偶半导体温差电偶的原理性结构图半导体温差电偶的原理性结构图11第四章-热电探测器二、温二、温 差差 电电 偶偶2 2 1/2(1)oTTG 辐射热电偶冷端开路时，开路电压为：辐射热电偶冷端开路时，开路电压为：Uoc=MTUoc=MT式中，式中，M M为比例系数，称塞贝克常数，也称温差为比例系数，称塞贝克常数，也称温差电势率，单位为电势率，单位为V/V/；TT为温度增量。为温度增量。 又又22 1/2(1

7、)oTTG 为了减小为了减小G G，提，提高灵敏度，将热高灵敏度，将热电偶真空封装电偶真空封装22 1/2()(1)LoLiLTMRUG RR 12第四章-热电探测器二、温二、温 差差 电电 偶偶 真空温差电偶的主要参量有：灵敏度（响应率）真空温差电偶的主要参量有：灵敏度（响应率）R R、 响应时间常数响应时间常数、噪声等效功率、噪声等效功率NEPNEP等。等。 1 1、温差电偶的响应率为：、温差电偶的响应率为： R RU UL L/ U UL L：冷端负载上所产生的电压降。：冷端负载上所产生的电压降。 ：入射于探测器的辐射通量。：入射于探测器的辐射通量。 2 2、热电偶的响应时间比较长，约为

8、几毫秒到几十毫、热电偶的响应时间比较长，约为几毫秒到几十毫 秒，因此它只能探测直流状态或低频状态的辐射。秒，因此它只能探测直流状态或低频状态的辐射。 3 3、热电偶的最小可探测功率决定于噪声，它的噪声、热电偶的最小可探测功率决定于噪声，它的噪声 主要是热噪声和温度起伏噪声。主要是热噪声和温度起伏噪声。13第四章-热电探测器热电堆14第四章-热电探测器热电偶使用注意事项热电偶使用注意事项 由半导体材料制成的温差电堆，一般都很脆弱，容易破碎，使用时应避免振动避免振动。 额定功率小，入射辐射不能很强，应避免通过较大的电流，一般多为微安级。 检验时，不宜使用欧姆表测量，免得表内电源烧毁元件中的金箔。

9、工作时环境温度不宜超过60。15第四章-热电探测器三、热敏电阻三、热敏电阻 物理过程：吸收辐射，产生温升，引起材料电物理过程：吸收辐射，产生温升，引起材料电阻的变化，导致负载电阻两端电压的变化，从阻的变化，导致负载电阻两端电压的变化，从而得到电信号。而得到电信号。16第四章-热电探测器三、热敏电阻三、热敏电阻 1 1、分类及特点：、分类及特点：用于温用于温度的模度的模拟测量拟测量用于辐用于辐射探测射探测17第四章-热电探测器2、热敏电阻结构、热敏电阻结构18第四章-热电探测器温度补偿措施温度补偿措施19第四章-热电探测器辐射热敏电阻一般是金属封装的辐射热敏电阻一般是金属封装的20第四章-热电探

10、测器21第四章-热电探测器22第四章-热电探测器23第四章-热电探测器24第四章-热电探测器25第四章-热电探测器4、热敏电阻的工作电路、热敏电阻的工作电路 工作时，按下图接成工作时，按下图接成桥式电路桥式电路。图中。图中R RT1T1为接收元为接收元件，件，R RT2T2为补偿元件，为补偿元件，R R1 1、R R2 2、R R3 3为普通电阻。对为普通电阻。对于图于图b b，如果有入射辐射，则热敏电阻的电阻将因，如果有入射辐射，则热敏电阻的电阻将因温升而产生一微量变化温升而产生一微量变化dRdRT T，于是所产生的信号电，于是所产生的信号电压为：压为： Us =idRUs =idRT T

11、i i：电流：电流26第四章-热电探测器5 5、新型热敏电阻、新型热敏电阻 除了热敏电阻的测辐射热计外，还有超导测辐除了热敏电阻的测辐射热计外，还有超导测辐射热计、碳测辐射热计和锗测辐射热计等。射热计、碳测辐射热计和锗测辐射热计等。 超导测辐射热计是利用某些金属或半导体，超导测辐射热计是利用某些金属或半导体，从正常态变为超导态时，电阻发生巨大变化这从正常态变为超导态时，电阻发生巨大变化这一特性来工作的。超导材料多为铌、钽、铅或一特性来工作的。超导材料多为铌、钽、铅或锡的氮化物，在锡的氮化物，在151520K20K时变为超导体。在转时变为超导体。在转变期内的温度仅为几分之一开氏温度，电阻温变期内

12、的温度仅为几分之一开氏温度，电阻温度系数约每度度系数约每度5000%5000%。但保持住转变期温度，。但保持住转变期温度，所需的致冷量很大，控制复杂，目前这种探测所需的致冷量很大，控制复杂，目前这种探测器还不太可能在实验室外使用。器还不太可能在实验室外使用。27第四章-热电探测器四、热释电检测器件四、热释电检测器件电介质：能够被极化的介质。电介质：能够被极化的介质。导体电阻率：导体电阻率： 所有的绝缘体都是电介质；某些电介质不是绝缘体。28第四章-热电探测器 压电晶体：压电晶体：当挤压或拉伸时，晶体的两端就当挤压或拉伸时，晶体的两端就会产生不同的电荷。这种效应被称为会产生不同的电荷。这种效应被

13、称为压电效应压电效应。能产生压电效应的晶体就叫压电晶体。水晶能产生压电效应的晶体就叫压电晶体。水晶（-石英）是一种有名的压电晶体。石英）是一种有名的压电晶体。 升高到一定温度时，升高到一定温度时，自发极化突然消失，自发极化突然消失，这个温度称为这个温度称为“居居里温度里温度” 铁电晶体和热铁电晶体和热释电晶体都具有释电晶体都具有自发极化特性。自发极化特性。29第四章-热电探测器 热释电器件是一个以热电晶体为电介质的平热释电器件是一个以热电晶体为电介质的平板电容器。因热电晶体具有自发极化性质，自发板电容器。因热电晶体具有自发极化性质，自发极化矢量能够随着温度变化，所以入射辐射可引极化矢量能够随着

14、温度变化，所以入射辐射可引起电容器电容的变化，从而可利用这一特性来探起电容器电容的变化，从而可利用这一特性来探测变化的辐射。测变化的辐射。 热释电晶体的自发极化强度随温度升热释电晶体的自发极化强度随温度升高而降低的特性。高而降低的特性。1、检测原理：、检测原理：30第四章-热电探测器1、检测原理：、检测原理： 热电晶体在温度变化时所显示的热电热电晶体在温度变化时所显示的热电 效应示意图效应示意图31第四章-热电探测器1、检测原理：、检测原理： 温度恒定时，因晶体表面吸附有来自于温度恒定时，因晶体表面吸附有来自于周围空气中的异性电荷，而观察不到它的周围空气中的异性电荷，而观察不到它的自发极化现象

15、。当温度变化时，晶体表面自发极化现象。当温度变化时，晶体表面的极化电荷则随之变化，而它周围的吸附的极化电荷则随之变化，而它周围的吸附电荷因跟不上它的变化，失去电的平衡，电荷因跟不上它的变化，失去电的平衡，这时即显现出晶体的自发极化现象。所以，这时即显现出晶体的自发极化现象。所以，所探测的辐射必须是变化的。入射辐射不所探测的辐射必须是变化的。入射辐射不变化，则无电信号输出。变化，则无电信号输出。跟其它光电跟其它光电探测器的最探测器的最大区别大区别32第四章-热电探测器2、热释电器件的电极结构面电极结构：电极面积大，极间距离小，因而电容较大，不适于高速应用；而且入射面电极需透明；边电极结构：电极面

16、较小，极间距离大，因此极间电容小，适于高速应用。33第四章-热电探测器3、热释电器件的等效电路 按热释电器件的基本结构，其等效电路可按热释电器件的基本结构，其等效电路可表示为恒流源表示为恒流源IsIs。 34第四章-热电探测器热释电器件热释电器件 因热释电器件的基本结构是一个电容器，因热释电器件的基本结构是一个电容器，输出阻抗特别高，所以它后面常接有场效输出阻抗特别高，所以它后面常接有场效应管，构成源极限随器的形式，使输出阻应管，构成源极限随器的形式，使输出阻抗降低到适当数值。抗降低到适当数值。35第四章-热电探测器 优点：这类器件最早制造，工艺成熟，具有在大优点：这类器件最早制造，工艺成熟，

17、具有在大面积、宽频率范围内灵敏度高的优点，所以至今面积、宽频率范围内灵敏度高的优点，所以至今仍得到广泛使用。仍得到广泛使用。1、硫酸三甘酞（、硫酸三甘酞（TGS）热释电器件）热释电器件36第四章-热电探测器 优点：在大气条件下性能稳定，无需窗口材料保优点：在大气条件下性能稳定，无需窗口材料保护，热释电系数大，机械性能好，容易制成薄片，护，热释电系数大，机械性能好，容易制成薄片，在在500MHZ下无明显的压点谐振，可用于快速测下无明显的压点谐振，可用于快速测量。改变组分量。改变组分x，可使居里温度发生变化。，可使居里温度发生变化。2、铌酸锶钡、铌酸锶钡（BaxSr1-xNb2O5)热释电器件热释

18、电器件37第四章-热电探测器 优点：居里温度可达优点：居里温度可达620度，能承受高能量辐射，度，能承受高能量辐射，可用于激光的测量。机械强度高，物理化学性能可用于激光的测量。机械强度高，物理化学性能稳定，不需保护窗口；相应速度快，可达到稳定，不需保护窗口；相应速度快，可达到10-12s，适于探测高速脉冲，是一种极有前途的探测激光适于探测高速脉冲，是一种极有前途的探测激光脉冲的热释电监测器件。脉冲的热释电监测器件。3、钽酸锂、钽酸锂（LT)热释电器件热释电器件38第四章-热电探测器 优点：高居里温度优点：高居里温度Tc=1200度；介电常数很小；度；介电常数很小；电阻率相当高；最易于用在高频、

19、大能量输入的电阻率相当高；最易于用在高频、大能量输入的情况。情况。3、铌酸锂热释电器件、铌酸锂热释电器件39第四章-热电探测器 热电器件的共同特点：热电器件的共同特点： 1、光谱响应范围宽，从紫外到毫米量级的电、光谱响应范围宽，从紫外到毫米量级的电磁辐射几乎都有相同的响应。磁辐射几乎都有相同的响应。 2、响应率都很高，但响应速度都较低，速度、响应率都很高，但响应速度都较低，速度与响应率之积为一常量的结论对热探测器也成与响应率之积为一常量的结论对热探测器也成立。立。 3、不同类型器件的响应率、机械强度、响应、不同类型器件的响应率、机械强度、响应速度和使用条件等则不同。因此，具体选用器速度和使用条

20、件等则不同。因此，具体选用器件时，要扬长避短，综合考虑。件时，要扬长避短，综合考虑。40第四章-热电探测器1）由半导体材料制成的温差电堆，响应率很由半导体材料制成的温差电堆，响应率很高，但机械强度较差，使用时必须十分当高，但机械强度较差，使用时必须十分当心。它的功耗很小，测量辐射时，应对所心。它的功耗很小，测量辐射时，应对所测的辐射强度范围有所估计，防止因电流测的辐射强度范围有所估计，防止因电流过大烧毁热端的黑化金箔。保存时，输出过大烧毁热端的黑化金箔。保存时，输出端不能短路，要防止电磁感应。端不能短路，要防止电磁感应。41第四章-热电探测器 2 2）测辐射热计，响应率也很高，对灵敏面）测辐射热计，响应率也很高，对灵敏面采取致冷措施后，响应率会进一步提高。采取致冷措施后，响应率会进一步提高。 但它的机械强度也较差，容易破碎，所但它的机