第06章 热辐射探测器件C 热释电效应 2014123 ok

1、热释电效应热释电效应热释电效应是热电晶体在温度变化时产生的一种现象。在非中心对称结构的极性晶体中，例如硫酸三甘肽、铌酸锂、铌酸锶钡等，即使在无外电场和应力的条件下，本身也会产生自发电极化。由于自发极化，在垂直于电极化矢量Ps的晶体表面上出现面束缚电荷，面电荷密度s|Ps|。热电体的热电体的|Ps|决定了面电荷密度决定了面电荷密度 s的的大小，当大小，当|Ps|发生变化时，面电荷密度发生变化时，面电荷密度 s也跟着变化也跟着变化。 Pss 热释电现象是通过所谓热释电现象是通过所谓热电材料热电材料实现的。实现的。 热电材料首先是一种热电材料首先是一种电介质，是绝缘体电介质，是绝缘体。是一。是一种种

2、结晶对称性很差的晶体结晶对称性很差的晶体，因而在常态下具有，因而在常态下具有自发电极化自发电极化( (即固有电偶极矩即固有电偶极矩) )。 由电磁理论可知：由电磁理论可知： 在垂直于电极化矢量在垂直于电极化矢量Ps的材料的材料表面上出现面表面上出现面束缚电荷束缚电荷，面电荷密度，面电荷密度s |PS| 。由于晶体内部由于晶体内部自发电极化矢量排列混乱自发电极化矢量排列混乱，因而总的，因而总的Ps并不大，再加上材料表面附近分布的外部并不大，再加上材料表面附近分布的外部自由电自由电荷的中和作用荷的中和作用，通常觉察不出有面电荷存在。，通常觉察不出有面电荷存在。如果对热电体施加如果对热电体施加直流电

3、场直流电场，自发极化矢量自发极化矢量将趋于一致排列将趋于一致排列( (形成单畴极化形成单畴极化) )，总的，总的P Ps s加大。加大。 它是实现热释电现象的理想材料。它是实现热释电现象的理想材料。热释电体的热释电体的|PS|决定了面电荷密度决定了面电荷密度s的大小，的大小，当当 Ps发生变化时，面电荷值也跟着变化发生变化时，面电荷值也跟着变化。当电场去掉后，如果总的当电场去掉后，如果总的PsPs仍能仍能保持下来保持下来，那么将这种热电体称为那么将这种热电体称为热电热电-铁电体铁电体。 热电体表面附近的热电体表面附近的自由电荷对面电荷的中和自由电荷对面电荷的中和作用比较缓慢作用比较缓慢，一般在

4、，一般在11000秒量级。秒量级。 好的热电体，这个过程很慢好的热电体，这个过程很慢。在。在来不及中来不及中和之前，热电体侧面就呈现出和之前，热电体侧面就呈现出相应于温相应于温度变化的面电荷变化度变化的面电荷变化，这就是热释电，这就是热释电现象。现象。 温度升高，温度升高， |PS|减小减小。升高。升高到到Tc值时，自发极化突然消失，值时，自发极化突然消失，Tc称为称为居里温度居里温度。在。在Tc温度以下，才温度以下，才有热释电现象。有热释电现象。当强度变化的当强度变化的光照射热电体时，热光照射热电体时，热电体的温度发生变化电体的温度发生变化， |PS|亦发亦发生变化，而面电荷跟着发生变化。生

5、变化，而面电荷跟着发生变化。经过经过单畴化单畴化的热电体，保持有的热电体，保持有较大的较大的|PS| 。这个这个|PS|值是值是温度的函数，如图所示。温度的函数，如图所示。6-3热释电器件热释电器件一、热释电器件的基本工作原理一、热释电器件的基本工作原理1、热释电效应、热释电效应电介质的极化电介质的极化s s 一一般般的的电电介介质质铁电体的极化铁电体的极化铁电体在铁电体在外加电场除去后外加电场除去后仍保持着极化状态仍保持着极化状态，称其，称其为为“自发极化自发极化”。其极化程。其极化程度用极化强度度用极化强度 表示。表示。 2sC/mP极化强度极化强度sP介质表面单位面积上的电荷量称为自发极

6、化强度。介质表面单位面积上的电荷量称为自发极化强度。s |PS| B、外加电场能改变自发极化矢量的方向，无、外加电场能改变自发极化矢量的方向，无 规则排列的自发极化矢量趋于同一方向，规则排列的自发极化矢量趋于同一方向， 形成所谓的形成所谓的单畴极化单畴极化，当外加电场去除后，当外加电场去除后 仍能仍能保持保持单畴极化特性的热电介质，所以单畴极化特性的热电介质，所以 称为铁电体或热电称为铁电体或热电铁电体。铁电体。4 铁电体（热电晶体）的特征铁电体（热电晶体）的特征A、无外加电场时有电矩，在、无外加电场时有电矩，在温度变化时电矩温度变化时电矩 发生变化发生变化，所以又称为，所以又称为热电介质热电

7、介质。C、经过单畴极化的铁电体在垂直于极化方向、经过单畴极化的铁电体在垂直于极化方向 的表面上，将由表面层的电偶极子构成相应的表面上，将由表面层的电偶极子构成相应 的静电的静电束缚电荷束缚电荷。sssS lPS l 所以极化强度定义为表面层单位体积内的电矩所以极化强度定义为表面层单位体积内的电矩之和。之和。5 5 热释电效应热释电效应因为因为 或或 随温度的升高而减少，所以当红外辐随温度的升高而减少，所以当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片时，薄片温度升射照射到已经极化的铁电体薄片时，薄片温度升高，表面电荷减少，相当于热高，表面电荷减少，相当于热“释放释放”了部分电了部分电荷。荷。释放的电荷可

8、用放大器转变成电压输出。这就是释放的电荷可用放大器转变成电压输出。这就是热释电效应。热释电效应。sPs s S 辐射持续作用，表面电荷将达到新的平衡，不再辐射持续作用，表面电荷将达到新的平衡，不再释放电荷，热释电器件释放电荷，热释电器件在恒定辐射作用的情况下在恒定辐射作用的情况下输出的信号电压为零输出的信号电压为零。在交变辐射的作用下才会。在交变辐射的作用下才会有信号输出。有信号输出。6 6 热释电效应的解释热释电效应的解释温度温度恒定时恒定时，面束缚电荷，面束缚电荷被来自晶体内部或外围空被来自晶体内部或外围空气中的异性自由电荷所气中的异性自由电荷所中中和和，因此观察不到它的自，因此观察不到它

9、的自发极化现象。发极化现象。外部和内部的自由电外部和内部的自由电荷中和表面束缚电荷荷中和表面束缚电荷的时间常数为的时间常数为 和和 分别为晶体的分别为晶体的 电容率和电阻率。电容率和电阻率。 的值一般在的值一般在 之之间间 ，即晶体表面上的面束缚电荷可以保持，即晶体表面上的面束缚电荷可以保持 的时间。只要使热释电晶体的温度在的时间。只要使热释电晶体的温度在束缚电荷被中和掉之前因吸收辐射而发生变化。束缚电荷被中和掉之前因吸收辐射而发生变化。1 1000s1 1000 s晶体的自发极化强度晶体的自发极化强度 就会随温度就会随温度 的变化而的变化而变化，相应的束缚电荷面密度变化，相应的束缚电荷面密度

10、也随之变化。也随之变化。sPT即：影响即：影响 的的因素有两个因素有两个，一是晶体内或空气，一是晶体内或空气中的自由电荷的中和作用引起的中的自由电荷的中和作用引起的 的变化，二的变化，二是温度引起的是温度引起的 的变化，而温度不变时，中和的变化，而温度不变时，中和时间时间 很长，一般在很长，一般在 之间，即中和作之间，即中和作用引起用引起 的变化很缓慢，而温度的变化导致的变化很缓慢，而温度的变化导致 的变化很迅速，可达的变化很迅速，可达 。这样我们就能觉察。这样我们就能觉察到面束缚电荷的变化。到面束缚电荷的变化。 s s 1 1000ss s 1210s s 2、热释电器件的工作原理、热释电器

11、件的工作原理热释电器件的电流响应热释电器件的电流响应 A、将热电晶体放进一个电容器极板之间，晶体、将热电晶体放进一个电容器极板之间，晶体 被极化，设自发极化矢量为被极化，设自发极化矢量为 ， 的方向垂直的方向垂直 于电容器的极板平面。接收辐射的极板和另一于电容器的极板平面。接收辐射的极板和另一 极板的重迭面积为极板的重迭面积为 。由此引起表面上的束缚。由此引起表面上的束缚 极化电荷为极化电荷为:sPsPdAdsdsQAA P 接收辐射时，会引起晶体的温度变化接收辐射时，会引起晶体的温度变化 从而从而引起面束缚电荷的变化：引起面束缚电荷的变化：T sdsddPQAPATATT 称为称为热释电系数

12、热释电系数，其单位为，其单位为C/cm2K，是与材料本身的特性有关的物理，是与材料本身的特性有关的物理量，表示自发极化强度随温度的变化率。量，表示自发极化强度随温度的变化率。sPT B、若在晶体的两个电极间接上负载、若在晶体的两个电极间接上负载 ，则，则 上就有电流流过，由于温度变化产生的电流：上就有电流流过，由于温度变化产生的电流：LRddddsdQTiAtt LRddTt为晶体的为晶体的温度随时间的变化率温度随时间的变化率。与晶体的吸收率和热容有关，吸收率大、与晶体的吸收率和热容有关，吸收率大、热容小，温度变化率大热容小，温度变化率大。ddTt热释电器件的电压响应热释电器件的电压响应 热释

13、电器件在负载电阻热释电器件在负载电阻 上的产生的电压为：上的产生的电压为：LRddssLdLTUi RA Rt 如果照射光是恒定的，则如果照射光是恒定的，则 为恒定值，则电为恒定值，则电流和电压均为流和电压均为0，所以热释电器件是一种交流，所以热释电器件是一种交流或瞬时响应的器件。或瞬时响应的器件。T3、热释电器件的结构、热释电器件的结构按照性能的不同要求将热释电器件做成的面电极按照性能的不同要求将热释电器件做成的面电极和边电极两种结构。和边电极两种结构。电容较大电容较大，故其不，故其不适于高速应用适于高速应用。此外，由于辐。此外，由于辐射要通过电极层才能到达晶体，所以射要通过电极层才能到达晶

14、体，所以电极对于待电极对于待测的辐射波段必须透明测的辐射波段必须透明。电极置于晶体的上下表面电极置于晶体的上下表面上上, 其中一个电极位于光其中一个电极位于光敏面内。敏面内。 电极面积较大，电极面积较大，极间距离较少，因而极间极间距离较少，因而极间光敏面光敏面电极面积较小，因此极间电容较小。由于热释电极面积较小，因此极间电容较小。由于热释电器件的响应速度受极间电容的限制，因此，电器件的响应速度受极间电容的限制，因此，在在高速运用时以极间电容小的边电极为宜高速运用时以极间电容小的边电极为宜。光敏面光敏面边电极结构中，电极所边电极结构中，电极所在的平面与光敏面互相在的平面与光敏面互相垂直，电极间距

15、较大，垂直，电极间距较大，4、热释电器件的典型电路、热释电器件的典型电路热释电器件的符号热释电器件的符号 热释电探测器是热释电探测器是电容性元件电容性元件，阻抗大于，阻抗大于 ，使用时应采用具有高输入阻抗的前置使用时应采用具有高输入阻抗的前置放大器放大器,为减少与外界的热交换干扰为减少与外界的热交换干扰及振动噪声，一般将其与放大器密封在一起。及振动噪声，一般将其与放大器密封在一起。910 热释电器件的典型电路原理图热释电器件的典型电路原理图 热释电器件的等效电路图热释电器件的等效电路图 为恒流源，为恒流源， 分别为晶体内部介电损耗分别为晶体内部介电损耗的等效电阻和电容，的等效电阻和电容， 为外

16、接放大器的负为外接放大器的负载电阻和电容。载电阻和电容。sIssRC、LLRC、11j1jLRRRCRC 入射辐射为入射辐射为 时的输出电压时的输出电压 je01+et A、等效电路可得热释电器件的、等效电路可得热释电器件的等效负载电阻等效负载电阻为：为： / /sLRRR sLCCCB、热释电器件的温度、热释电器件的温度 00TTTT 0T为环境温度为环境温度0T 表示热释电器件接收辐射后的平均温升表示热释电器件接收辐射后的平均温升T 表示与时间有关的温度变化表示与时间有关的温度变化 jj001/222eej1ttTTGCG 而而TCRCG 为为热时间常数热时间常数，为，为0.1s 10 s

17、 1 21 22222211LeRRRR C eRC 为为电路时间常数电路时间常数，为，为0.1s 10 s11j1jLRRRCRC C、温度随时间的变化率、温度随时间的变化率 ddTt jj001/21/22222deedjdd11ttTTTTttGG D、输出到放大器的电压、输出到放大器的电压sU s01 21/2222211deTARUG j0s1 21/22222edd11tdLdeTTRUA RAtG 二、热释电器件的灵敏度二、热释电器件的灵敏度 vV/WS1、电压灵敏度、电压灵敏度 sv1 21/22222011deTUARSG 2、分析讨论、分析讨论 ，若，若 ，即，即 恒定，恒

18、定， 则则 ，说明热释电器件对恒定辐射不灵敏，说明热释电器件对恒定辐射不灵敏。 je01+et 0 e02 v0S 在低频段，在低频段， 且且 时，有：时，有：1T 1e vdARSG 与与 成正比，这是交流灵敏度的体现。成正比，这是交流灵敏度的体现。 所以所以减小热释电器件的有效电容和热容减小热释电器件的有效电容和热容有有利于提高高频段的灵敏度。利于提高高频段的灵敏度。Te eT 11Te 当当 时，通常有时，通常有 ，在，在范围内，有：范围内，有： vddTTARARSGG为一个与为一个与 无关的常数无关的常数在高频段，在高频段， 且且 时，有：时，有：1T 1e v2ddeTARASGCC 与与 成反比成反比 s