热辐射探测器件

1、第5章 热辐射探测器件 第5章 热辐射探测器件 5.1 热辐射的一般规律 热辐射探测器件(Thermal Detector)为基于光辐射与物质相互作用的热效应而制成的器件。由于它具有工作时不需要制冷，光谱响应无波长选择性等突出特点，使它的应用已进入某些被光子探测器独占的应用领域和光子探测器无法实现的应用领域。 热辐射定义：物体由于具有温度而辐射电磁波的现象。热辐射是连续谱，波长从0直至，一般热辐射主要以波长较长的可见光和红外线为主。热辐射是在真空中唯一的传热方式。 热电传感器件是将入射到器件上的辐射能转换成热能，然后再把热能转换成电能的器件。 温度较低时,主要以不可见的红外光进行辐射,当温度为

2、300摄氏度时热辐射中最强的波长在红外区。500度以上至800度时,热辐射中最强的波长成分在可见光区。热辐射探测器件：优点：不需要制冷，光谱响应与波长无关。缺点：探测效率低，时间响应速度慢。快速响应热释电探测器件的出现弥补了它的缺点。1. 温度变化方程则单位时间器件的内能增量：单位时间通过传导损失的能量 式中C称为热容（物体每升一度内能的增加）。 当辐射功率为 的热辐射入射到器件表面时，令表面的吸收系数为，则器件吸收的热辐射功率为 。式中G为器件与环境的热传导系数。 根据能量守恒原理：热交换能量的方式:传导辐射对流。 5.1热辐射一般规律内能的增加 与环境热交换 吸收的能量 设入射辐射为正弦辐

3、射通量称为热敏器件的热时间常数 热敏器件的热时间常数一般为毫秒至秒的数量级，它与器件的大小、形状和颜色等参数有关。 称为热阻初始时间： t = 0 , T = 0 则解微分方程得：令当0，稳定值式中TRC，其意义为当 tT时，热电探测器的温升上升为稳定值的63。T的数量级约为几毫秒至几秒，比光子器件的时间常量大得多。 TRC与=RC区别：热敏器件时间常数T热时间常数表示物体升温降温的快慢RC时间常数表示RC电路中电流或电压的变化快慢 为正弦变化的函数。其幅值为 可见，温升与收系数成正比。因此，几乎所有的热敏器件都被涂黑。 增高，其温升下降。在低频时（T 1）当时间t T时温升与热导G成反比在高

4、频时（T 1）温升与热导无关，而与热容成反比，且随频率的增高而衰减。 减小热导是增高温升、提高灵敏度的好方法，但是热导与热时间常数成反比，提高温升将使器件的惯性增大，时间响应变坏。 热平衡仅剩交变分量即频率很高或器件的惯性很大时T的考虑在相同的入射辐射下，对于热电探测器总是希望T尽可能地大。T随G和C的减小而增大。要减小C,必须减小探测器热敏元件的体积和重量；要减小G，必须减小热敏元件与周围环境的热交换。由热时间常量T的定义可知，减小G又会使T增大（牺牲探测响应时间）。所以在设计和选用热电探测器时须采取折衷方案。另外G对探测极限也有影响。若器件的温度为T，并可以将探测器近似为黑体（吸收系数与发

5、射系数相等），所辐射在接收面积A的功率为 由热导的定义 2. 热电器件的最小可探测功率根据斯忒番-玻耳兹曼定律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：2. 热电器件的最小可探测功率最小可探测功率（温度等效功率）比探测率D*当探测器的接收面积为单位面积，放大器的带宽为1 Hz时，单位功率的辐射所获得的信噪比5.2 热敏电阻与热电堆探测器热敏电阻 (测辐射热计Bolometer)吸收辐射后温升而使电阻改变的器件。它多由金属氧化物半导体材料制成。也有由单晶半导体、玻璃和塑料制成的。广泛应用于测温、控温、温度补偿、报警等领域。符号5.2.1 热敏电阻1. 热敏电阻

6、特点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10100倍。结构简单，体积小，可以测量近似几何点的温度。电阻率高，热惯性小，适宜做动态测量。阻值与温度的变化关系呈非线性。稳定性较差。大部分半导体热敏电阻由各种氧化物按一定比例混合，经高温烧结而成。多数热敏电阻具有负的温度系数，即当温度升高时，其电阻值下降，同时灵敏度也下降。由于这个原因，限制了它在高温情况下的使用。热敏电阻的光谱响应基本上与入射辐射的波长无关。热敏电阻的分类（1）正特性热敏电阻PTC 随着温度的上升而电阻值增加该材料是利用锰、铜、硅、钴、铁、镍、锌等两种或两种以上的金属氧化物进行充分混合、成型、烧结等工

7、艺而成的半导体陶瓷（2）负特性热敏电阻NTC随着温度的上升而电阻值减少该材料是以BaTiO3(钛酸钡)或SrTiO3(钛酸锶)或PbTiO3 (钛酸铅)为主要成分的烧结体，其中掺入微量的Nb、Ta、Bi、Sb、Y、La等氧化物进行原子价控制而使之半导体化，常将这种半导体化的BaTiO3等材料简称为半导（体）瓷。1342铂丝40601201600100101102103104105106RT/温度T/C（3）临界温度热敏电阻CTR 具有负电阻突变特性构成材料是钡、锶、磷等元素氧化物的混合烧结体，是半玻璃状的半导体，骤变温度随添加锗、钨、钼等的氧化物而变由于不同杂质的掺入，使氧化钒的晶格间隔发生变

8、化若在适当的还原气氛中五氧化二钒变成二氧化钒，则电阻急变温度变大；若进一步还原为三氧化二钒，则急变消失产生电阻急变的温度对应于半玻璃半导体物性急变的位置，因此产生半导体其它类型碳测辐射热计：已用于极远红外波段的光谱测量。敏感元件是从碳电阻上切下来的一小块，致冷到2.1K时，其D*要比热敏电阻测辐射热计高一个数量级。锗测辐射热计：敏感元件是锗掺镓单晶，致冷到2.1K时，其D*比热敏电阻测辐射热计约高12个数量级，它的光谱响应可延伸到1000m以外。 超导测辐射热计：它利用了金属或半导体由正常态向超导态过渡时，电阻随温度急剧变化的性能。电阻温度系数可达5000。这种测辐射热计灵敏度很高，可用以精密

9、测量很弱的辐射如红外辐射和激光的功率。超导材料多为铌、钽、铅或锡的氮化物。但为保持住转变期温度，所需制冷量很大，控制复杂，目前仅限于实验室。按使用范围分类通用型热敏电阻器特点：价格便宜，温度上限偏低，一般在100度左右，例如圆片形2.热响应速度非常快的热敏电阻器特点：适合微小型化应用、热响应速度非常快的场合应用的温度传感器，一般装在细针尖里面使用或贴在薄膜上使用。直径非常小，达到了l mm 以下，热时间常数约为普通热敏电阻器的10 分之一。3. 高温型热敏电阻器特点：温度上限可扩展到500度左右4. 微测辐射热计(Microbolometer)特点：主要用于红外辐射测量对任何能量的辐射都可以使

10、晶格振动加剧，器件温度上升，引起器件的电阻值发生变化。热敏电阻无选择性地吸收各种波长的辐射。只是吸收不同波长的辐射，晶格振动加剧的程度不同。 一般金属吸收光以后，使晶格振动加剧，妨碍了自由电子作定向运动。因此，当光作用于金属元件使其温度升高，其电阻值还略有增加，也即由金属材料组成的热敏电阻具有正温度系数，而由半导体材料组成的热敏电阻具有负温度特性。2. 热敏电阻的原理Positive Temperature Coefficient (PTC) thermistors 适宜材料有铂、铜、镍、铁等。金属材料-正温度系数热敏电阻(PTR)金属材料测辐射热计原理：一般金属的能带结构外层无禁带，自由电子

11、密度很大，以致外界光作用引起的自由电子密度相对变化较半导体而言可忽略不计。吸收辐射产生温升后，自由电子浓度的增加是微不足道的。相反，因晶格振动的加剧妨碍了自由电子作定向运动，从而电阻温度系数是正的半导体材料测辐射热计原理：半导体材料对光的吸收除了直接产生光生载流子的本征吸收和杂质吸收外，还有不直接产生载流子的晶格吸收和自由电子吸收等，并且不同程度地转变为热能，引起晶格振动的加剧，器件温度的上升，即器件的电阻值发生变化。其中部分电子能够从价带跃迁到导带成为自由电子，使电阻减小，电阻温度系数是负的。又因为各种波长的辐射都能被材料吸收，只是吸收不同波长的辐射，晶格振动加剧的程度不同而已,对温升都有贡

12、献，所以它的光谱响应特性基本上与波长无关。Negative Temperature Coefficient (NTC) thermistors半导体类的多为金属氧化物，例如氧化锰、氧化镍、氧化钴等。半导体材料-负温度系数热敏电阻(NTR)金属材料的特点半导体材料的特点电阻温度系数多为正的电阻温度系数绝对值小电阻变化与温度变化的关系基本上是线性的耐高温能力和稳定性较强多用于温度的模拟测量。电阻温度系数多为负的电阻温度系数绝对值大，比一般金属电阻大10100倍电阻变化与温度变化的关系基本上是非线性的耐高温能力和稳定性较差多用于辐射探测。例如防盗报警、防火系统、热辐射体搜索和跟踪等再把衬底同一个热容

13、很大、导热性能良好的金属相连构成热敏电阻。 （使用热特性不同的衬底，可使探测器的时间常量由大约1ms变为50ms）红外辐射通过探测窗口投射到热敏元件上，引起元件的电阻变化。为了提高热敏元件接收辐射的能力（提高吸收系数），常将热敏元件的表面进行黑化处理。热敏元件结构由热敏材料制成的厚度为0.01mm左右的薄片电阻粘合在导热能力高的绝缘衬底上，电阻体两端蒸发金属电极以便与外电路连接；热敏电阻探测器的主要参数有：（1）电阻-温度特性热敏电阻器的实际阻值RT与其自身温度T的关系有正温度系数与负温度系数两种，分别表示为： 正温度系数的热敏电阻 负温度系数的热敏电阻式中，RT为绝对温度T时的实际电阻值；R

14、0、R分别为背景环境温度下的阻值，为与电阻的几何尺寸和材料物理特性有关的常数；A、B为材料常数。 3. 热敏电阻的参数（2）热敏电阻阻值变化量 RT=RTaTT aT为热敏电阻温度系数（3）热敏电阻的输出特性RT测量电路有两种： 1）利用单个探测器的电路，如下图所示。 2）桥式电路，使用两个相同规格的元件，一个作为接收元件，另一个作为补偿元件，接到电桥的两个臂上，可使温度的缓慢变化不影响电桥平衡。具有较强的抗干扰性。如右图所示。测辐射热计吸收辐射产生温升T，阻值相应变化RT，在负载上产生的电压变化为：RT1. 单个探测元件直流代入电阻温度系数 2. 桥式电路热敏电阻电路如图5-5所示，图中 ，

15、 。若在热敏电阻上加上偏压Ubb之后，由于辐射的照射使热敏电阻值改变，若又（5-23）（4）冷阻与热阻 热敏电阻在某个温度下的电阻值物体吸收单位辐射功率所引起的温升则对电桥电路若入射辐射为交流正弦信号， ，则其中定义式热阻与热传导系数的关系是吸收系数随辐照频率的增加，热敏电阻传递给负载的电压变化率减少。热敏电阻的时间常数约为110ms，因此，使用频率上限约为20200kHz左右。由可见，（5）灵敏度（响应率）直流灵敏度交流灵敏度 单位入射辐射功率下热敏电阻变换电路的输出信号电压 要增加热敏电阻的灵敏度，需采取以下措施： 增加偏压Ubb，但受热敏电阻的噪声以及不损坏元件的限制； 把热敏电阻的接收

16、面涂黑增加吸收率a； 增加热阻，其办法是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，常将元件装入真空壳内，但随着热阻 的增大，响应时间 也增大。为了减小响应时间，通常把热敏电阻贴在具有高热导的衬底上； 选用 大的材料，也即选取B值大的材料。当然还可使元件冷却工作，以提高其值。 （6）最小可探测功率热敏电阻的最小可探测功率受噪声的影响。热敏电阻的噪声主要有： 热噪声。热敏电阻的热噪声与光敏电阻阻值的关系相似为： 温度噪声。因环境温度的起伏而造成元件温度起伏变化产生的噪声称为温度噪声。将元件装入真空壳内可降低这种噪声。 电流噪声。与光敏电阻的电流噪声类似，当工作频率f 10kHz时，此噪声

17、完全可以忽略不计。 根据这些噪声情况，热敏电阻可探测的最小功率约为10-8 10-9W。 5.2.2 热电偶和热电堆（thermocouples & thermopile）热电偶即两种相互接触的材料构成的器件作用：它能产生温差电效应： TU 热电偶虽然是发明于1826年的古老红外探测器件，然而至今仍在光谱、光度探测仪器中得到广泛的应用。 热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。优点： 测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。 测量范围广。常用的热电偶从-50+1600均可连续测量，某些特殊热电偶可测到-271 +2800，如：金铁镍铬钨铼。 构造简单，使用方便。1.热电偶的

18、工作原理塞贝克效应（Seebeck Effect）:两种不同材料或材料相同而逸出功不同的物体，当它们构成回路时，如果两个接触点的温度不同，回路中就会产生温差电动势。热电偶测温基本原理是将两种不同材料的导体或半导体焊接起来，构成一个闭合回路。当两个导体的二个执着点之间存在温差时，就会发生高电位向低电位放电现象，这种现象也叫热电效应。I 测量辐射能的热电偶称为辐射热电偶，它与温差热电偶的原理相同，结构不同。如图，辐射热电偶的热端接收入射辐射，因此在热端装有一块涂黑的金箔，当入射辐射通量e被金箔吸收后，金箔的温度升高，形成热端，产生温差电势，在回路中将有电流流过。用检流计G可检测出电流为I。由于入射

19、辐射引起的温升T很小，因此对热电偶材料要求很高，结构也非常严格和复杂。成本昂贵。 热端冷端通常半导体材料构成的热电偶比金属材料的温差电势率高（铋和锑温差电势率为100V/C，而半导体热电偶可达500V/C ）用涂黑的金箔将N型半导体和P型半导体连在一起构成热结，热端接收辐射产生温升，半导体中载流子动能增加，多数载流子子从热端向冷端扩散，使p型材料冷端带正电，n型材料冷端带负电，从而产生温差电势，在回路中产生电流。（b）半导体材料构成的热电偶（a）金属材料构成的热电偶金属A和B组成回路时，若两金属连接点的温度存在着差异（一端高而另一端低），则产生电位差E，在回路中会有电流产生。回路电流I=E/R。其中R称为回路电阻。基本原理：温差电效应： TU材 料： 金属铂、铹温差电动势： 100V/材 料： 半导体温差电动势： 500V/UOC=M12T塞贝克系数 热电偶的结构形式为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结