第五章 混合铁电-热电测辐射热计

1、第5章 混合铁电-热电辐射热计阵列,5.1 引言 5.2 热电探测器原理 5.3 实际考虑及设计 5.4 系统实现,5.1 引言,20世纪70年代,隔热结构发展欠缺 20世纪90年代,隔热结构发展成熟,探测器厚度减少,5.2.1.热电和铁电材料,5.2 热电探测器原理,热电材料 ：,结晶对称性差，有内部电学偶极距即能极化的材料。,铁电材料:,是热电材料的一个子集，能自发极化。,当外电场的方向反转时，晶体的自发极化强度P的方向也跟着发生反转，通常在某个温度下，有电滞现象。,5.2.1.热电和铁电材料,在存在外电场下， D是电位移矢量：,0是真空介电常数，E是电场强度，P是极化矢量。,其中：,因此

2、：,铁电体是非线性电介质，其动态电容率定义为：,相对电容率或相对介电常量，简称介电常量,5.2.1.热电和铁电材料,线性电介质： D E,引入一维Gibbs的自由能量表达：,状态等式：,G-D的极小值表示稳定的状态：,5.2.1.热电和铁电材料,得到介电常数：,引入热电系数定义：,5.2.1.热电和铁电材料,短路时电流响应的基础参数,增加给定材料的极化幅度，能改善其电压响应率。,因此可得：,5.2.1.热电和铁电材料,开路时，电压响应的等效参数 ：,5.2.1.热电和铁电材料,铁电材料分类：从高温铁电相位向低温铁电相位转变的顺序分：,第一顺序的热力学相位转换：其自由能对温度的一阶导数有不连续性

3、,第二顺序的热力学相位转换：其自由能对温度的二阶导数有不连续性,A 、二次铁电体,5.2.1.热电和铁电材料,5.2.1.热电和铁电材料,5.2.1.热电和铁电材料,与二次转变最明显的不同，就是它是一个极化与非极化相位同时存在的温度范围。 在TC 处，两个相位具有相同的能量值。 因此，转变温度TC 为：,在T0 之下，非极化相位变得不稳定，T1 温度之上的极化相位变得不稳定:,B、一次铁电体,5.2.1.热电和铁电材料,5.2.1.热电和铁电材料,当温度从低于T0 的高极化区增加时，极化慢慢消失。 在T0 时，非极化相位稳定，但是材料已经是高能极化相位，没有退磁现象发生。 当温度回扫到T1，材

4、料早就处于高能非极化相位，因此无自发极化现象发生。,5.2.1.热电和铁电材料,5.2.2 工作模式,A 本征热电模式 B 诱导热电模式 C.脉冲式热电模式,A 本征热电模式,电位移量D很大热电系数p很小低电流模式响应,5.2.2 工作模式,固有的热电模式不需要偏置场，但是需要工作温度特别低于转变温度,图5.10 磁滞回路的还原处理,B 诱导热电模式,在诱导热电模式中，由于外加偏置电场而使其固有的热电效应增强。,图5.11 陶瓷钛酸锶钡样品在不同的偏置电压 下的热电材料响应率品质因数,一个外加的电场总是使D增加，因此总是使电压模式下的响应率增加。,电场的存在使工作状态稳定，因此探测器可以工作在

5、铁电转变温度附近，而不会有去磁的风险。拓宽了选择材料的范围,在脉冲模式下，外加电场是经过调制的，释放了电容器的电荷。,C.脉冲式热电模式,脉冲工作模式的优点是不需要斩波器。 但是因为所有的无斩波器的红外传感器，有一个相伴而来的动态范围、均匀性和漂移的问题.,入射辐射通量引起的温度变化：,如果=0，则,其中，,1 .响应率,5.2.3 信号与噪声,T=T1+T(t), (t)通常为一个梯形波，用一个正弦波近似，因此:,其中是入射辐射功率在斩波器开和关的相位之间的差值。,则:,1 .响应率,令:,得到解：,其中，,热时间常数：,热容：,1 .响应率,响应率第二个分量是温度转换为可测的电信号。热电探

6、测器是非线性的电容，,E=E(D,T),图5.12 热电探测器的等效电路. Cd,探测器的小信号电容；Rd,探测器的电阻；CL负载电阻电容；RL,负载电阻；Vo外加的偏置电压,1 .响应率,相关的方程为: V0-V= zd E(D,T)=IdRd V=ILRL=QL/CL,zd为探测器厚度，Id为探测器的漏电流，IL为负载阻抗电流，QL为负载电容电荷，V为输出信号,V0=zdE(D,T)+ QL/CL,所以,1 .响应率,对上式时间求偏导:,探测器的动态电容 ：,1 .响应率,电荷保存要求 :,其中， C=Cd+CL,1 .响应率,得到解:,其中,电响应时间常数：,1 .响应率,由流经电容的漏

7、电流产生的失调电压是与时间无关的，因此响应率为,品质因数 ：,1 .响应率,（1）. Johnson噪声 （2）.温度波动噪声 （3）.前置放大器的噪声,2 .噪声,Johnson噪声由阻抗的功率损耗部分产生，一个理想的电容器在电流和电压之间产生90度的相位偏转，因此无功率损耗。则认为它不会产生Johnson噪声。 实际上，任何引起不同相位偏转的现象都能引起功率损耗，从而有效的产生真实的阻抗。,（1）. Johnson噪声,如果Rp是常量，则tan是与频率有关的量。,漏电容是理想的电容带有一个阻抗:,相位角的不同通常用表示,（1）. Johnson噪声,另一个主要的电介质损失源是由磁畴壁运动生

8、成的磁畴的变换。,串联电阻可以引起电介质损耗，阻抗为：,则,（1）. Johnson噪声,可称为电介质的损耗噪声或tan 噪声.,Johnson噪声的谱密度,其中， C=Cd+CL,（1）. Johnson噪声,温度波动噪声，来源于探测器与其周围环境的随机的能量交换。功率波动谱密度由下式给出：,相关的温度波动谱为,(2) 温度波动噪声,对应的电压波动谱为,高通滤波器的对温度波动噪声有抑制作用，但响应率也会随之下降 .,(2) 温度波动噪声,(2) 温度波动噪声,图5.14 有和无自滤波下的温度波动噪声功率谱（热时间常数为15s）,5.3 实际考虑及设计,铁电材料的选择 热隔离 调制传递函数 读

9、出电路信号 系统电子学 斩波器,最好的材料是其品质因数最大。 前置放大器噪声与温度波动噪声相比很小时，材料的好坏主要取决于响应率品质因数 Johnson噪声与温度波动噪声相比很小时, 材料的好坏主要取决于Johnson噪声品质因数。 因此这两种品质因数必须很大,以保证温度波动噪声限制的性能 .,1.材料的选择,1.材料的选择,图5.16 混合热隔离结构的进化过程,隔热效果差,隔热效果提高，但分辨率低,2. 热隔离,由一个像素吸收的热能不仅仅从隔热装置流向衬底。同样流向邻近像素，这就降低了MTF。 解决MTF损耗的主要方法是网状像素。它是离子铣、激光刻和激光帮助的化学蚀刻技术。,3. 调制传递函

10、数(MTFmodulation transfer function ),MTF的涵义:描述系统再现成像物体空间频率范围的能力.,理想的成像系统要求100%再现成像物体细节，但现实中肯定存在不同程度的衰减。,3. 调制传递函数(MTFmodulation transfer function ),每个混合铁电探测器阵列包括一个ROIC，其主要的目的是提供通向单个像素的通道。 早期的读出电路中，每个单元仅仅包括一个像素和两个开关。一个行顺序寻址位移器，关闭开关，连接像素到列的址线上。,4.读出电路（ROIC),图5.18 早期的只有探测像素以及开关构成的单元探测器的读出集成电路,4.读出电路（ROIC),图5.19 在单元结构中加入增益和滤波装置的读出集成电路,4.读出电路（ROIC),5. 系统电子学,6. 斩波器,图5.21 直叶片的斩波器以及使用阿基米德螺旋线的斩波器,工作原理：当斩波器的边缘经过一个像素时，像素被暴露在景物的辐射光下。