4第四章热电检测器件

1、1第4章 热电检测器件4.1热电检测器件的基本原理4.2 热电偶与热电堆4.3 热敏电阻4.4 热释电检测器件24.1热电检测器件的基本原理 按其工作机理大致可分为四类：热电偶及热电堆；热敏电阻；气动检测器和热释电检测器件。 它将辐射能转换为热能，然后再把热能转换为电能的器件。4.1.1热电检测器件的共性 在没有受到辐射作用的情况下，器件与环境温度处于平衡状态；热受到辐射时，器件表面吸收热辐射，使器件的温度升高。热交换能量的方式有传导、辐射、对流三种，升温建立新平衡。34.1热电检测器件的基本原理 4.1.1热电检测器件的共性（续） 热电检测器件吸收的能量越多，温升就越大，因此所有的热电检测器

2、件都被涂黑。 热电检测器件的热导越大，温升就越小，应减小热导；但热导越小，升温越慢（时间常数大）。二者兼顾。 4.1.2热电检测器件的最小可探测功率 器件的最小可探测功率主要受温度噪声影响，由周围环境温度起伏决定，热导与温度成三次方关系。NEP见式4-1644.2热电偶与热电堆4.2.1热电偶的结构及工作原理（略）4.2.2热电偶的参数 灵敏度，响应时间，最小可探测功率 4.2.3热电堆 热电堆的结构 为了减小热电偶的响应时间，提高灵敏度或响应时间，常把辐射接收面分为若干块，每块接上一个热电偶，并把这些热电偶串接起来，这样就形成了热电堆。图4-3。 54.2热电偶与热电堆热电堆的结构（续）它在

3、镀金的铜基体上，蒸镀一层绝缘层，再在绝缘层上蒸发工作结和参考结。参考结和铜基体之间电绝缘，但保持热接触，工作结和铜基体之间，既保持电绝缘又保持热绝缘。把热电材料敷在绝缘层上，将这种结构的一些热电偶串接起或并接起来，即构成为热电堆。热电堆的商品指标为归一化探测率，时间常数ms。 64.2热电偶与热电堆热电堆的参数热电堆的灵敏度：热电偶灵敏度乘以串联数n。热电堆的响应时间：正比于热电堆的热容量和热阻抗乘积。微机械红外热电堆探测器及其应用主要是硅基微机械热电堆（与集成电路工艺兼容）结构：如图4-4，4-5，优点：灵敏度高；工作环境要求低，频谱响应宽；与IC工艺兼容，成本低。应用：耳式体温计、放射体温

4、计、电烤炉、食品温度检测等，已作为热源发电（如工业余热、地热、太阳能发电等）的一个崭新分支。远红外探测。74.3热敏电阻4.3.1热敏电阻结构及工作原理 热敏电阻类型 金属热敏电阻（正温度系数）、半导体热敏电阻（负温度系数） 热敏电阻原理 半导体材料对光本征吸收和杂质吸收外，还不晶格吸收和自由电子吸收等，并且不同程度地转变为热能，引起晶格振动加剧，器件温度上升，即器件的电阻值发生变化。 84.3热敏电阻 热敏电阻结构 图4-8、4-9。 94.3热敏电阻4.3.2热敏电阻的特性参数电阻温度特性 图4-7 热敏电阻的阻值变化热敏电阻的输出特性图4-11冷阻和热阻响应率（灵敏度）最小可探测功率 1

5、04.3热敏电阻4.3.3热敏电阻的特点及参数选择特点温度系数大，灵敏度高；结构简单，体积小，可以测点的温度；电阻率高，热惯性小，适宜做动态测量；非线性；稳定性和互换性较差。参数选择阻抗，温度系数，吸收系数，热导G，电流。 114.3热敏电阻4.3.4超导、碳与锗等测辐射热计超导测辐射热计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一特性来工作的。超导4籽导材料多为铌、钽、铅或锡的氮化物，它仃，它们在1 5 - 20K时，即变为超导体。碳测辐射热计从碳质电阻上切下来一小块作为灵敏元件。极远红外（大于40um）3锗测辐射热计灵敏元件是锗掺镓单晶。当它至并且它的光谱响应宽，可延伸

6、到1OOOum以外。 124.4热释电检测器件4.4.1热释电检测器件的发展与优点检测器件的矛盾因素响应波长与探测率的矛盾；探测率与响应时间的矛盾。热释电检测器件的出现，避免了热敏类检测器件探测率与快速响应之间的矛盾。热释电检测器件的发展热释电检测器件的优点速度高，探测率高，不需外加偏置电压，且有均匀的大面积的灵敏面；受环境温度变化的影响较小；强度和可靠性比其他热电检测器件好，制作较容易。容易受微振的影响；并且不能以直流连续工作，只能作交流器件运用，即只能对入射的交变辐射才有响应。134.4热释电检测器件4.4.2热释电检测器件的工作原理热释电效应电介质的在外加电场的情况下，带电介质的一个表面

7、带正电，相反的表面带负电“电极化”。温度升高，极化强度减低。当升高到一定温度（居里温度）时，自发极化就突然消失。热释电检测器件的电极结构热释电检测器件的工作原理图4-16144.4热释电检测器件4.4.3热释电检测器件的类型硫酸三甘酞热释电器件温度为49，晶体具有在大面积、宽频率范围内灵敏度高的优点，所以它至今仍使用广泛。铌酸锶钡热释电器件其居里温度点可调：从47到115。铌酸锂和钽酸锂热释电器件图4-16在由信-T用于激光测量已取居里温度高为T。=620；铌酸锂单居里温度Tc =1200；154.4热释电检测器件陶瓷类钛酸铅(PT)和锆钛酸铅(PZT)热释电器件钛酸铅居里温度为470；锆钛酸铅里温度为T。=365。薄膜类聚合物热释电检测器件导热小，介电常数也小；易于加工成任意形状的簿膜，有弹性；物化性能稳定。快速热释电检测器件测量很窄的激光脉冲峰值功率和观测波形时，要求要求热释电检测器件的响应时间要小于光脉冲的持续时间。164.4热释电检测器件4.4.4热释电器件的特性参数电压