热电检测器件.

1第四章热电检测器件利用物质的光电效应把光信号转换成电信号的器件光子检测器件响应波长有选择性响应快热电检测器件气动探测器热敏电阻（作用机理分）2第一节热电检测器件基本原理一、定义利用热效应（器件吸收入射辐射产生温升引起材料物理性质的变化）输出电信号的器件。特点：从光谱响应角度来看，热探测器又称为无选择性探测器（对全波长有相同的响应率），且室温下不需制冷。二、输出信号的形成过程包括两个阶段：1、辐射能转化为热能（共性）；2、热能转换为电能（个性，不同的器件将不同电信号输出）。31.温度变化方程初始，器件与环境温度处于平衡状态，其温度为T0。功率为φe的热辐射入射到器件表面时，令表面的吸收系数为a，则器件吸收的热辐射功率为aφe；根据能量守恒原理，器件吸收的辐射功率应等于器件内能的增量与热交换能量之和。即式中CQ称为热容(广延量，与体积等成正比)，G为器件与环境的热导系数（热交换能量的方式有三种：传导、辐射和对流，模型假设是通过传导方式）。TGdtTdCΦQea热辐射的一般规律4设入射辐射为正弦辐射通量，则tjeΦΦ0etjQeΦTGdtTdCa0设刚开始辐射器件的时间为初始时间（初始条件：t=0,ΔT=0）：QtjQtCGCjGeΦCjGeΦtTQaa00称为热敏器件的热时间常数，称为热阻。QQQTCRGCGRQ1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。1、考虑恒定光照ω=0时，ΔT由零值开始随时间t增加，当t趋于∞（tτT）时，ΔT达到稳定值。等于τT时，上升到稳定值的63%，故τT被称为器件的热时间常数。)1(0TteGΦtTa62、交变光tτT时，第一项衰减到可忽略，并取其实部幅值212T20212201G1）（aaTQTCΦT可见，热敏器件吸收交变辐射能所引起的温升与吸收系数成正比。（几乎所有热敏器件被涂黑）；温升与工作频率ω有关，ω增高，温升下降。（1）低频时（ωτT＜＜1），它与热导G成反比，GΦT0a减小热导是增高温升、提高灵敏度的好方法，但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。7(2)当ω很高（或器件的惯性很大）时，ωτT1aCT0温升与热导无关，而与热容成反比，且随频率的增高而衰减。82.热电器件的最小可探测功率若器件温度为T，接收面积为A，可将探测器近似为黑体（吸收系数与发射系数相等），当它与环境处于热平衡时，单位时间所辐射的能量为4eTAΦa由热导的定义（热交换能量的方式有三种：传导、辐射和对流，模型假设是通过辐射方式，如采取悬挂支架并真空封装等手段实现）3e4TAdTdΦGa热电器件的主要噪声源：温度（热流起伏）噪声；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212122214TGfkTT9器件工作在低频情况下，若仅需考虑温度噪声，得仅受温度影响的最小可探测功率或称温度等效功率PNE（NEP）为2152122NE164aafkTAfGkTP理想吸收面a＝1热敏器件的比探测率为2152116kTPfADNEa与探测器的温度及吸收系数有关。理想热电检测器件得极限比探测率1.81*101010热敏电阻与热电偶、热电堆探测器热敏电阻（狭义：半导体）1.热敏电阻及其特点吸收入射辐射后引起温升而使电阻改变，导致负载电阻两端电压的变化，并给出电信号的器件叫做热敏电阻。相对一般金属（热敏）电阻，（半导体）热敏电阻具备如下特点：①负温度系数，且绝对值比一般金属电阻大10～100倍，灵敏度高②结构简单，体积小，可以测量近似几何点的温度。③电阻率高，热惯性小，适宜做动态测量。④阻值与温度的变化关系呈非线性。⑤耐高温能力不足，稳定性和互换性较差。112.热敏电阻的原理、结构及材料耐高温能力差：半导体热敏电阻由各种氧化物按比例混合高温烧结而成。具有负的温度系数，当温度升高时，其电阻值下降，同时灵敏度也下降，承压能力下降，可能被击穿。半导体材料对光（辐射）的吸收，有两个直接效果：（1）产生光生载流子的本征吸收和杂质吸收；（2）不直接产生载流子的晶格吸收和自由电子吸收（连续吸收）等，并不同程度地转变为热能，器件的温度上升：①引起晶格振动的加剧，即器件的电阻值发生增大；②热激发载流子（负温度系数的根本原因）。任何能量的辐射都可以使晶格振动加剧，只是吸收不同波长的辐射，晶格振动加剧的程度不同而已，因此，热敏电阻无选择性地吸收各种波长的辐射。12对于金属（正温度系数）：自由电子密度很大，光生载流子相对自由电子可忽略。吸收光以后，金属元件其温度升高，晶格振动加剧，妨碍了自由电子定向运动，电阻增加。半导体材料热敏电阻的温度系数为负值，大约为-3%~-6%，约为白金的10倍以上。显然，半导体材料（负温度系数）与金属不同！13热敏材料厚度为0.01mm左右（相同的入射辐射下得到较大的温升）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，再把衬底同一个热容很大、导热性能良好的金属基体相连。热敏元件的表面进行黑化处理，可提高热敏元件接收辐射的能力。热敏电阻经常两个一起封装使用（尽可能相同的参数，尽可能靠近），一个接受辐射，另一个不接受，仅作环境温度补偿使用：构成电桥）。热敏电阻探测器结构143.热敏电阻的参数热敏电阻探测器的主要参数有：（1）电阻-温度特性热敏电阻实际阻值RT（T）分为正温度系数与负温度系数(具体函数关系跟导电机制有关)：①正温度系数（指数、线性。。。）②负温度系数（热激活模型，二维或三维跳跃导电。。。）ATTeRR0TBTeRRRT为绝对温度T时的实际电阻值，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。15热敏电阻的温度系数aT（温度变化1℃时，热电阻实际阻值的相对变化）)/1:(1CunitdTdRRTTTa正温度系数的热敏电阻温度系数：aT=A负温度系数的热敏电阻温度系数（注：狭义热敏电阻为半导体材料）21TBdTdRRTTTa给出热敏电阻温度系数的同时，必须指出测量时的温度。16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,随温度的升高而略有增大，B值可按下式计算：（2）热敏电阻阻值近似变化量211221lg303.2RRTTTTB热敏电阻接收入射辐射后温度变化△T（非常小）：ΔRT=RTaTΔT17（3）热敏电阻的输出特性初始，无辐照时，UL＝0辐照后，热敏电阻值改变，负载电阻电压增量’TTRR21LLRR热敏电阻输出电路如图所示，图中（相同热敏电阻，一个受光照，一个无），TaURRUUTbbTTbbL44TLRR11LTTRRR（假定：）（△T非常小）18（4）冷阻与热阻RT，常称为冷阻，相对于吸收辐射功率后的热阻RF设热敏电阻吸收系数为a，功率为φ的辐射入射到其上，则（假设为恒定辐射，或者为低频辐射）aTRF因此，辐照后负载电阻电压增量FTLRUUaa4bb（1/G）19一般辐射为交流正弦信号，，则jwte022bb14FFTLRUUaa为热敏电阻的热时间常数；，分别为其热阻和热容。可见，辐照频率的增加，热敏电阻传递给负载的电压变化率减少。热敏电阻时间常数约为1~10ms，因此频率上限约为20~200kHz。FFFCRFRFC（5）灵敏度（响应率）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，分为直流灵敏度S0与交流灵敏度SAC。20FTRUSaa4bb0交流灵敏度SAC为22bb14FFTACRUSaa增加热敏电阻的灵敏度的措施：①增加偏压Ubb，但受热敏电阻的噪声以及不损坏元件的限制；②接收面涂黑增加吸收率a；③增加热阻（减小热导），措施：减少元件接收面积（辐射）及其与外界对流所致热损失，常将元件装入真壳内（对流、传导）；不足：热阻增大，响应时间增大。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；④选用aT大（B大）的材料。也可冷却元件工作，以提高aT值。直流灵敏度S0为以上为热敏电阻的参数选取提供了依据（P124－P125）21（6）热敏电阻的最小可探测功率（P124）最小可探测功率受噪声的影响，热敏电阻的噪声主要有：①热噪声。热敏电阻的热噪声与光敏电阻相似；②温度噪声。环境温度的起伏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；③电流噪声。与光敏电阻的电流噪声类似，当工作频率f10Hz时，应该考虑此噪声。若f10Hz时，此噪声完全可忽略。热敏电阻可探测最小功率约为10-8－10-9W。225.2.2热电偶探测器1.热电偶的工作原理热电偶是利用物质温差产生电动势的效应探测接触温度的。如图为辐射式温差热电偶的原理图。两种金属材料A和B组成的一个回路，若两金属连接点的温度存在着差异（一端高而另一端低），则在回路中会有电流产生。即由于温度差而产生电位差ΔU，回路电流I=ΔU/R。R为回路电阻。这一现象称为温差热电效应（也称为塞贝克效应）(SeebeckEffect)。a.温差（测温）热电偶23测量辐射能的热电偶称为辐射热电偶，与测温热电偶的原理相同，结构不同。如图所示，辐射热电偶的热端装有涂黑的金箔，当入射辐射通量Φe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。显然，图中结J1为热端，J2为冷端。b.辐射热电偶入射辐射引起的温升ΔT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。目前大多为半导体材料。24P型半导体冷端带正电，N型冷端带负电。开路电压UOC与ΔT关系：UOC=M12ΔTM12为塞贝克常数，又称温差电势率（V/℃）GRRΦRMTRRRMU)()(Li0L12LLi12LaΦ0为入射辐射通量（W）；a为吸收系数；Ri为热电偶内阻；G为总热导（W/m℃）（1）辐射热电偶在恒定辐射（）作用下，用负载电阻RL将其构成回路，将有电流I流过负载电阻，并产生电压降UL，则GT0,0a252.热电偶的基本特性参数（2）入射辐射为交流辐射信号，则tj0eΦΦ22Li0L12L1)(TGRRΦRMUaω=2πf，f为交流辐射调制频率，τT为热电偶时间常数；RQ，CQ、G分别为热电偶的热阻、热容和热导。G与材料的性质及环境有关，为使其稳定，常将热电偶封装于真空管中，因此，称其为真空热电偶（灵敏度提高，时间常数增大）。QQQQTGCCR灵敏度S、比探测率D*、响应时间τ和最小可探测功率NEP等26（2）响应时间GRRRMΦUS)(LiL120L0a2T2LiL12L1)(aGRRRMΦUSAC交流辐射信号的作用下，热电偶的灵敏度SAC为提高热电偶的响应率最有效的办法：选用塞贝克系数较大的材料外；增加辐射的吸收率a；减小内阻Ri；减小热导G等。对于交流响应率，也可降低工作频率，减小时间常数τT。热电偶的响应时间约为几毫秒到几十毫秒左右，因此通常用于探测直流或不超过几十赫兹的低频辐射。直流辐射信号的作用下，热电偶的灵敏度S0为（1）灵敏度（响应率）27热电堆探测器（P117）（3）最小可探测功率最小可探测功率NEP取决于探测器的噪声，它主要由热噪声和温度起伏噪声，电流噪声几乎被忽略（无偏压）。半导体热电偶的最小可探测功率NEP一般为10-11W左右。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热电堆。（结构如右图）28n为热电偶的对数（或PN结的个数）；S为热电偶的灵敏度。热电堆的响应时间常数为thththRCCth为热电堆的热容量，Rth为热电堆的热阻抗。要想使高速化和