第八章 热探测器

1、定义：基于光辐射与物质相互作用的热效应制成的器件。定义：基于光辐射与物质相互作用的热效应制成的器件。分类：热电偶、热敏电阻、热释电探测器。分类：热电偶、热敏电阻、热释电探测器。特点：不需致冷，具有平坦响应。特点：不需致冷，具有平坦响应。缺点缺点: : 响应较低，响应时间长。响应较低，响应时间长。6-16-1热探测器的一般原理热探测器的一般原理热探测器探测光辐射包括两个过程：热探测器探测光辐射包括两个过程：吸收光辐射能量后，探测器温度升高。吸收光辐射能量后，探测器温度升高。温度升高所引起的物理特性的变化转变为电信号。温度升高所引起的物理特性的变化转变为电信号。吸收的辐射功率吸收的辐射功率= =

2、探测器温升的能量探测器温升的能量+ + 传导损失的能量传导损失的能量()dTPHGTdt由于由于P P是经过调制的量：是经过调制的量：温度的变化也包含两个部分：温度的变化也包含两个部分：其中：其中： 与时间无关的平均温升与时间无关的平均温升 与时间有关的温度变化与时间有关的温度变化G G：热导：热导 温升与辐射功率间的相位差温升与辐射功率间的相位差 热时间常数（对应光电子探测器响应时间）热时间常数（对应光电子探测器响应时间）0exp()PPPi t0TTT 00PTG221/2exp ()(1)HPTitG / KHarctgGHHG讨论：讨论：P P一定时，一定时， ：n n毫秒毫秒n n秒

3、的范围内，比光电子探测器高。秒的范围内，比光电子探测器高。 H H低低不能不能G G大，大，G G大热传导大，会使探测器温度降低。大热传导大，会使探测器温度降低。 吸收率，吸收率，好，需要做表面黑化。好，需要做表面黑化。二二. .热探测器的极限探测率热探测器的极限探测率1.1.温度噪声温度噪声温度噪声是主要的噪声源温度噪声是主要的噪声源当探测器光敏元合适安置时，光的热导取决于辐射热导当探测器光敏元合适安置时，光的热导取决于辐射热导理想情况下，设探测器正面理想情况下，设探测器正面 ：理想吸收面：理想吸收面 探测器背面探测器背面 ：理想反射面：理想反射面根据黑体辐射定律：根据黑体辐射定律：G1HT

4、大小，HH小01辐射热导辐射热导说明：说明：和波长无关，是的三次方和波长无关，是的三次方降低时，降低时， 急剧下降急剧下降将将 代入代入2.4-40 2.4-40 于是热探测器的温度噪声电压和比探测率分别是：于是热探测器的温度噪声电压和比探测率分别是：43()4dRdd ATGATdTRG225416TRdG kTfAkTf2 1/251/2()4()NVTdVVRAkTfR1/2*5 1/2()14()dVNAfDRVkTRG例子例子: : 在室温下，把在室温下，把 ，波尔兹曼常数，波尔兹曼常数 和和 代入上式。可得理想热探测器的极代入上式。可得理想热探测器的极限比探测率限比探测率 为：为：

5、可以说，理想热探测器的极限比探测率已接近或达到一般光可以说，理想热探测器的极限比探测率已接近或达到一般光子探测器的比探测率。子探测器的比探测率。300TK231.38 10/kJK12245.67 10/W cmK*101/21.81 10/Dcm HzW*D6-2 6-2 热释电探测器热释电探测器一、热释电效应一、热释电效应1.1.定义：某些物质吸收光能定义：某些物质吸收光能热能热能晶体温度升高晶体温度升高改变晶改变晶体内晶格的间距体内晶格的间距引起居里温度以下存在的自发极化强度变引起居里温度以下存在的自发极化强度变化化晶体特定方向上电荷变化。晶体特定方向上电荷变化。2.2.极性晶体极性晶体

6、: : 外加电场和应力都为零时，晶体内部的总电矩不为零外加电场和应力都为零时，晶体内部的总电矩不为零 自发极化自发极化在与自发极化强度垂直的两个晶面上就会出现大在与自发极化强度垂直的两个晶面上就会出现大小相等，符号相反的面束缚电荷。小相等，符号相反的面束缚电荷。正常情况下观察不到，因为表面有补偿电荷。正常情况下观察不到，因为表面有补偿电荷。温度变化时，补偿电荷量变化温度变化时，补偿电荷量变化晶体表面出现能测量电荷。晶体表面出现能测量电荷。：由于晶体的自发极化弛豫时间很短，：由于晶体的自发极化弛豫时间很短，1010-12-12S S；当温度变化时：自由电荷来不及中和变化的面束缚电荷，晶当温度变化

7、时：自由电荷来不及中和变化的面束缚电荷，晶体表面就会呈现出相应于温度变化的面电荷变化，这就是热体表面就会呈现出相应于温度变化的面电荷变化，这就是热释电效应。释电效应。热释电探测器只工作于交变的辐射功率之下。热释电探测器只工作于交变的辐射功率之下。铁电体：极化方向能用外电场来改变铁电体：极化方向能用外电场来改变非铁电体：极化方向不能用外电场来改变非铁电体：极化方向不能用外电场来改变铁电体特点：铁电体特点：T T自发极化强度下降自发极化强度下降当当T=TT=TC C时时 P PS S=0=0。T TC C: :居里温度居里温度热释电晶体由铁电体组成。热释电晶体由铁电体组成。二、热释电探测器工作原理

8、二、热释电探测器工作原理1.1.产生电流产生电流 ：热释电系数：热释电系数讨论：讨论： 和晶体及入射辐射达到平衡的时间无关和晶体及入射辐射达到平衡的时间无关; ; 取决于材料本身特性取决于材料本身特性; ;T T变化率变化率 : : 有关有关电极结构：面电极：不适合高速电极结构：面电极：不适合高速, , 大大 边电极：适合高速边电极：适合高速, , 小小SSddddPdP dTdTiAAAdtdT dtdt()dLdLdTViRARdtdTVdt 和,H,dTHdtdCd Td tdCV2.2.等效电路等效电路 图图6-66-6输出电压：输出电压：将将 代入就可得到最后的公式。代入就可得到最后

9、的公式。三、热释电探测器的特性三、热释电探测器的特性1.1.响应率：响应率：111LRRiRCi CR222 1/2(1)LRRR CitdTTedt222 1/2(1)i tdLddTRVARATedtR CT讨论：讨论：对恒定辐射不响应对恒定辐射不响应 成正比成正比a.a.在对带宽无特别要求的情况下，在对带宽无特别要求的情况下， 应尽量取得大应尽量取得大一些一些b. b. 小，响应的平坦区域却越来越宽，可通过改变小，响应的平坦区域却越来越宽，可通过改变放大器的输入电阻来展宽工作频带。放大器的输入电阻来展宽工作频带。当当 或或 时时 ：AdRR1H22 1/222 1/2(1)(1)dVHE

10、VA RRPG VR和VRRARR1EdVHEA RRGa.a.b.b.2 2噪声等效功率：噪声等效功率：主要噪声来自温度噪声和热噪声主要噪声来自温度噪声和热噪声温度噪声功率：温度噪声功率：温度噪声电压：温度噪声电压：热噪声：热噪声：dVARHC15216TdAkTf1524NTdvVAkTfR,EHHRCG,VH CR1VR1/2(4R)NJeffVkTf222R1effRR C1/222 1/2(4R)(1)NJEkTfV 222NNTNJVVVNVVNEPR6-36-3热敏电阻热敏电阻原理：原理：情况一：没有辐射辐照但有偏置电流流过时情况一：没有辐射辐照但有偏置电流流过时, ,热敏电阻的

11、热热敏电阻的热平衡方程是平衡方程是热敏电阻的温度从热敏电阻的温度从T T0 0增大到增大到T T1 1，并有如下的关系，并有如下的关系式中式中G G0 0代表无入射辐射时热敏电阻的热导代表无入射辐射时热敏电阻的热导20102()()bBLBVG TTRRR20()BdTHGTIRdt1BTBdRRdTBTBRRT情况二：有辐射功率情况二：有辐射功率 投射到热敏电阻上时：投射到热敏电阻上时：上式右边第一项上式右边第一项 反映了热敏电阻温度变化时，偏置电流所产生的焦反映了热敏电阻温度变化时，偏置电流所产生的焦耳热的变化耳热的变化exp()Pi t2()()exp()BTd I RdTHGTTPi

12、tdtdt22222233()()()()()()()bBLBBBBBBBbLBbLBTBBLBLBV RdRRd I Rd I RdRdRTTTdTdRdTdRdTVRRVRRRdRTTRRdTRR把上式带回热平衡方程中得把上式带回热平衡方程中得式中：式中：其被称为热敏电阻的有效热导。其被称为热敏电阻的有效热导。解得：解得：如果如果 为正值，即为正值，即则瞬变项随时间迅速趋近于零，只留下周期项，得到稳定解则瞬变项随时间迅速趋近于零，只留下周期项，得到稳定解()exp()dTHGTPi tdt22()()()bBLBTTLBLBV RRRGGRRRR 010()LBTTLBRRGG TTRRG

13、010()LBTTLBRRGG TTRR0exp ()exp()G tPitTTHGi H 如果如果 为负值，即为负值，即 则则 就随时间以指数增长，热敏电阻就随时间以指数增长，热敏电阻就会因过热而烧毁。假如就会因过热而烧毁。假如R RB BRRL L, ,而且热导而且热导G GT T随温随温度的变化可忽略，即度的变化可忽略，即G GT T=G=G0 0，那么当，那么当 时，就达到不稳定的烧毁情况时，就达到不稳定的烧毁情况 这对于正电阻温度系数的材料，不会满足上式，这对于正电阻温度系数的材料，不会满足上式，因而不会自行烧毁；但是对负电阻温度系数的材因而不会自行烧毁；但是对负电阻温度系数的材料来

14、说，在大的偏置电流的情况下，就有可能发料来说，在大的偏置电流的情况下，就有可能发生烧毁现象生烧毁现象G010()LBTTLBRRGG TTRR0exp()G tTH101()TTT 稳态时，稳态时， 的幅值为的幅值为于温度变化相应的热敏电阻阻值变化量的幅值为于温度变化相应的热敏电阻阻值变化量的幅值为则负载的信号电压幅值为则负载的信号电压幅值为一般为了正常工作，一般为了正常工作，R RV VRRB B, ,上式可简化成上式可简化成1222(1)TPTG 1222(1)TBBTBTR PRRTG 122222()()(1) ()TbLBbLBLBBBLTBLV RRV R R Pd IRVRdRRRGRR 12222(1)TbBTLV R PVGR T二、热敏电阻的特性二、热敏电阻的特性1.1.响应率响应率2.2.频率响应频率响应3.3.热敏电阻的噪声和比探测率热敏电阻的噪声和比探测率 热敏电阻的基本噪声有热噪声、温度噪声和电流热敏电阻的基本噪声有热噪声、温度噪声和电流噪声。噪声。