第05章 热辐射探测器件.ppt

1、5-1热辐射的一般规律,一、光热效应,1、光热效应：当光照射到理想的黑色吸收体上时， 黑体将吸收所有波长的全部光能量，并转换为热 能，称为光热效应。,3、光热探测器对光辐射的响应过程,吸收光辐射能量使器件自身温度发生变化。,依赖某种温度敏感特性把辐射能引起的温度变 化转换为相应的电信号，达到探测的目的。,二、温度变化方程光辐射引起温升的过程,1、热平衡方程,：入射于探测器的辐射通量（辐射功率）。,：探测器光敏面对光辐射的吸收系数。,：探测器实际吸收的辐射通量，分为两个部分,转化为内能，表现为温度升高,称为热容,称为热阻,所以，在热平衡状态下有：,：与时间无关的平均温升；,：与时间有关的温度变化

2、；,可以分解为两个方程,3、对热平衡方程的解的讨论,设 ，称为热敏器件的热时间常数 一般为毫秒至秒的数量级，它与器件大小、形状 和颜色等有关。,所以,幅值,考虑温升的幅值,A、温升 与吸收系数 成正比，所以，几 乎所有的热敏器件都被涂黑。,当 时，即高频或 很大时，,所以此时温升与热导无关，而与热容 成 反比，且随 增高而衰减。,结论：光热探测器常用于低频调制辐射的场合， 尽量降低 ，减小热容量。,减小 可提高温升，但 减小使 变大， 器件的热惯性变大，时间响应变坏，,C、 时，方程的解为,三、热敏器件的最小可探测功率,1、热敏器件的辐射功率,由斯忒番玻耳兹曼定律，若器件的温度为 ，接 收面积

3、为 ，将探测器近似为黑体，当它与环境 处于热平衡时，辐射的总功率为：,2、热敏器件的热导,3、热敏器件的最小可探测功率,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：,4、归一化探测率（比探测率）,5-2热敏电阻与热电堆探测器,1、热敏电阻的原理、材料、结构,一、热敏电阻,定义：凡吸收入射辐射后引起温升而使电阻值 改变，导致负载两端电压的变化，并给出电信 号的器件，叫做热敏电阻。,原理：半导体材料对光的吸收有本征吸收、杂 质吸收、晶格吸收、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。,材料：金属材料与

4、半导体材料热敏电阻,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。,白金的电阻温度系数大约为0.37%左右；半导 体材料热敏电阻的温度系数大约为-3%-6%，所 以热敏电阻探测器常用半导体材料。,结构及外形：,热敏电阻 的结构,热敏电阻 的几种外 形,热敏电阻的特点,A、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10 100倍。 B、结构简单，体积小，可以测量近似几何点 的温度。 C、电阻率高，热惯性小，适宜做动态测量。 D、阻值与温度的变化关系呈非线性。 E、不足之处是稳定性和互换性较差。,2、热敏电阻探测器的参数,电阻

5、温度特性,指热敏电阻的实际阻值与电阻体温度之间的关系,A、表达式,正温度系数的热敏电阻：,负温度系数的热敏电阻：,例：标称阻值 是指环境温度为25时的实 际阻值，若 偏离，而 不好测量，则：,B、电阻温度系数,表示温度每变化 1 时，热敏电阻的实际 阻值的相对变化。,对于正温度系数的热敏电阻：,对于负温度系数的热敏电阻：,C、材料常数,B又称为热灵敏指标。B值并不是一个严格 的常数, 而是随温度的升高而略有增大。,热敏电阻的阻值变化量,已知热敏电阻温度系数 后，当热敏电阻接收 入射辐射后温度变化 ，则阻值变化量为：,（ 值不大时成立）,热敏电阻的输出特性,则在热敏电阻上加上偏 压 后，当 时

6、负载电阻上的电压增量：,冷阻与热阻,A、冷阻：热敏电阻在某个温度下未受辐射时 的电阻值。,B、热阻：吸收单位辐射功率所引起的温升。,因为,当 时，第一项可以忽略，则,增加，电压变化率减少。 所以频率上限约为20200kHz左右。,灵敏度,A、单位入射辐射功率下热敏电阻变换电路的 输出信号电压称为灵敏度或响应率。,直流灵敏度,B、提高热敏电阻灵敏度的措施,(1)增加偏压，但受热敏电阻的噪声以及不损 坏元件的限制； (2)把热敏电阻的接收面涂黑增加吸收率 ； (3)增加热阻：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。但热阻增大，响应时间也增 大。为了减小响应时间

7、，常把热敏电阻贴 在具有高热导的衬底上； (4)选用B值大的材料。还可使元件冷却工作 以提高 值。,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： A 热噪声： B 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。 C 电流噪声：与光敏电阻的电流噪声类似，当工 作频率f 10Hz时，应该考虑此噪声。 D 热敏电阻可探测的最小功率约为,二、热电偶探测器,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。尤其在高、低温的温度探测领域的应用是其他 探测器件无

8、法取代的。,辐射热电偶：测量辐射能的热电偶称为辐射热 电偶。它与测温热电偶的原理相 同，结构不同。,的大小与A、B材料有关，通常由铋和锑所 构成的一对金属有最大的温度电位差，约为 ，用接触的方式来测量温度的测温 热电偶，常用铂、铹等合金组成，它具有较宽 的测量范围，一般为 ，测量 准确度高达,半导体材料辐射热电偶：,A、辐射热电偶在恒定辐射作用下，用负载电 阻 将其构成回路，将有电流 流过 ， 并产生电压降 ，则有：,B、若入射辐射为交流辐射信号,分别为热容、时间常数、热阻、热导,与材料及周围环境有关，为使热电导 稳定，将其封装在真空管中，称为真空 热电偶。,2、热电偶的基本特性参数,灵敏度（

9、响应率）,A、在直流辐射作用下，热电偶的灵敏度,B、在交流辐射作用下，热电偶的灵敏度,响应时间,热电偶的响应时间约为几毫秒到几十毫秒左右， 在BeO衬底上制造Bi-Ag结结构的热电偶有望得 到更快的时间响应，可达到或超过10-7s。,三、热电堆探测器,1、热电堆,为了减小热电偶的响应时间，提高灵敏度，常把 辐射接收面分为若干块，每块都接一个热电偶， 并把它们串联起来构成如下的热电堆。,在镀金的铜基上蒸镀一层 绝缘层，在上面蒸发制造 工作结和参考结，参考结 与铜基之间要保证电气绝,缘和热结触，而工作结与铜基之间是电气和热都 要绝缘的，热电材料敷在绝缘层上，把这些热电 偶串接或并接构成热电堆。,5

10、-3热释电器件,一、热释电器件的基本工作原理,1、热释电效应,电介质的极化,一般的电介质,当温度升高到一定值，自发极化突然消失， 这个温度常被称为“居里温度”或“居里点”。,铁电体的 关系曲线,B、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， 形成所谓的单畴极化，当外加电场去除后 仍能保持单畴极化特性的热电介质，所以 称为铁电体或热电铁电体。,铁电体（热电晶体）的特征,A、无外加电场时有电矩，在温度变化时电矩 发生变化，所以又称为热电介质。,C、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 的静电束缚电荷。,所以极化强度定义为表面层

11、单位体积内的电矩 之和。,辐射持续作用，表面电荷将达到新的平衡，不再 释放电荷，热释电器件在恒定辐射作用的情况下 输出的信号电压为零。在交变辐射的作用下才会 有信号输出。,热释电效应的解释,温度恒定时，面束缚电荷 被来自晶体内部或外围空 气中的异性自由电荷所中 和，因此观察不到它的自 发极化现象。,外部和内部的自由电 荷中和表面束缚电荷 的时间常数为 和 分别为晶体的,电容率和电阻率。 的值一般在 之 间 ，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 束缚电荷被中和掉之前因吸收辐射而发生变化。,晶体的自发极化强度 就会随温度 的变化而 变化，相应的束缚电荷面密度也随之变

12、化。,即：影响 的因素有两个，一是晶体内或空气 中的自由电荷的中和作用引起的 的变化，二 是温度引起的 的变化，而温度不变时，中和 时间 很长，一般在 之间，即中和作 用引起 的变化很缓慢，而温度的变化导致 的变化很迅速，可达 。这样我们就能觉察 到面束缚电荷的变化。,2、热释电器件的工作原理,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 被极化，设自发极化矢量为 ， 的方向垂直 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 。由此引起表面上的束缚 极化电荷为:,接收辐射时，会引起晶体的温度变化 从而 引起面束缚电荷的变化：,称为热释电系数，其单位为 C/cm

13、2K，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。,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。,热释电器件的电压响应 热释电器件在负载电阻 上的产生的电压为：,如果照射光是恒定的，则 为恒定值，则电 流和电压均为0，所以热释电器件是一种交流 或瞬时响应的器件。,3、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 和边电极两种结构。,电容较大，故其不适于高速应用。此外，由于辐 射要通过电极层才能到达晶体，所以电极对于待 测的辐射波段必须透明。,电极置于晶体的上下表面 上, 其中一个电极位于光 敏面内。 电极面积较大， 极间距离较少，因而极间,

14、光敏面,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， 在高速运用时以极间电容小的边电极为宜。,光敏面,边电极结构中，电极所 在的平面与光敏面互相 垂直，电极间距较大，,4、热释电器件的典型电路,热释电器件的符号,热释电探测器是电容性元件，阻抗大于 ， 使用时应采用具有高输入阻抗和低噪声的前置 放大器（JFET），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。,热释电器件的典型电路原理图,热释电器件的等效电路图,为恒流源， 分别为晶体内部介电损耗 的等效电阻和电容， 为外接放大器的负 载电阻和电容。, 入射辐射为 时的输出电压,A、等效电

15、路可得热释电器件的等效负载电阻为：,B、热释电器件的温度,为电路时间常数，为0.1s 10 s,C、温度随时间的变化率,D、输出到放大器的电压,为电路引入的位相延迟,二、热释电器件的灵敏度,1、电压灵敏度,2、分析讨论, ，若 ，即 恒定， 则 ，说明热释电器件对恒定辐射不灵敏。,所以减小热释电器件的有效电容和热容有 利于提高高频段的灵敏度。,为一个与 无关的常数,3、不同负载电阻 下的灵敏度 与频率关系曲线,宽的矛盾，应用时合理选用恰当的负载电阻。,不同负载电阻 下的灵 敏度频率特性，增大 可以提高灵敏度，但 是，频率响应的带宽变 得很窄。应用时必须考 虑灵敏度与频率响应带,4、响应时间,热

16、释电探测器的响应时间可由上式求出。在低频 段 与 成正比，在高频段则与 成反比，仅在 范围内，与无关。半功率点取决于 和 ， 和 中较小的一个为热释电 探测器的响应时间。通常 较大，而 与 有关，多在几秒到几个微秒之间。,三、热释电器件的噪声,热释电器件的基本结构是一个电容器，输出阻抗很 高，后面常接有场效应管，构成源极跟随器，使输 出阻抗降低到适当数值。因此热释电器件的噪声 主要有电阻的热噪声、温度噪声和放大器噪声等。,为器件的直流电阻，等于交流损耗和放 大器输入电阻的并联。,热噪声电流的方均值,热噪声电压的方均根,2、放大器噪声,放大器噪声来自放大器中的有源元件和无源器 件，及信号源的阻抗

17、和放大器输入阻抗之间噪声 的匹配等方面。设放大器的噪声系数为 ，把放 大器输出端的噪声折到输入端，认为放大器是无 噪声的，这时，放大器输入端的噪声电流方均值 为：,3、温度噪声,温度噪声来自热释电器件的灵敏面与外界辐射交 换能量的随机性，噪声电流的方均值为：,如果这三种噪声不相关，则总噪声为：,四、热释电器件的类型,6、快速热释电探测器,1、硫酸三甘肽（TGS）晶体热释电器件,2、铌酸锶钡 （SBN）热释电器件,3、钽酸锂（LiTaO3）热释电器件,4、压电陶瓷热释电器件,5、聚合物热释电器件,五、热释电器件的优点,1、具有较宽的频率响应，工作频率接近兆赫兹，有 效时间常数可低达10-4 31

18、0-5 s。,2、探测率高，在热探测器中只有气动探测器的D*才 比热释电器件稍高，且这一差距正在不断减小。,3、热释电器件可以有大面积均匀的敏感面，而且工 作时可以不外加接偏置电压，受环境温度变化的 影响更小。,4、热释电器件的强度和可靠性比其它多数热探测器 都要好，且制造比较容易。,5.1 热辐射探测器通常分为哪两个阶段？哪个阶段能够产生热电效应？ 5.2 试说明热容、热导和热阻的物理意义，热惯性用哪个参量来描述？它与RC时间常数有什么区别？ 5.3 热电器件的最小可探测功率与哪些因素有关？ 5.4 为什么半导体材料的热敏电阻常具有负温度系数？何谓热敏电阻的“冷阻”与“热阻”？ 5.7 一热探测器的光敏面积Ad1mm2，工作温度T = 300K，工作带宽f =10Hz, 若该器件表面的发射率=1，试求由于温度起伏所限制的最小可探测功率Pmin(=5.6710-12Wcm-1K4，k=1.3810-23JK-1) 。,5.8 某热电传感器的探测面积为5mm2，吸收系数=0.8，计算该热电传感器在室温300k与低温280k时1Hz带宽的最