红外成像阵列与系统(6)

第四章混合铁电-热电辐射热计阵列4.1热电探测器原理1.热电和铁电材料2.工作模式3.信号与噪声1.热电和铁电材料热电材料：结晶对称性差，有内部电学偶极距即能极化的材料。热电效应：一种材料的极化与温度依赖关系。这样，当热电样品内温度缓慢变化时，表面电荷也随之变化。铁电材料：它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。对于铁电材料，极化程度通常反应在它的电容率和介电常数上。在存在外电场下，D是电位移矢量，ε0是真空介电常数，E是电场强度，P是极化矢量。对于很多线性材料而言，1-4PED02-4EP0因此这对于铁电体是无效的，其是非线性的，对于一个动态电容率的非线性的材料定义为：3-4EED00)1(4-4ED/0引入一维Gibbs的自由能量表达：G-D的极小值表示稳定的状态：状态等式：5-4EDDDDTTG64206141)(216-40)(,TEDG7-4530)(DDDTTE得到介电常数：引入热电系数定义：则电压响应：8-4420053)()(1DDTTDET9-4ETDp)(10-40)/()()(pEDTDTETED11-4DpTED0)(从式（4-7）和（4-10）中，可见，增加一给定的材料的极化幅度，能改善其电压响应率。典型铁电体材料A.二次铁电体B.一次铁电体A、二次铁电体二次铁电体相位转变比较简单，我们首先考虑它。式（4-11）很好的表示了一个二次转换，则状态等式：11-4EDDDTTG42041)(2112-430)(DDTTE2003)(1DTT由此得到二次铁电体的介电常数：（4-13）当E=0时，通过式（4-12）解出了自发极化矢量Ps（注意到当E=0时D=Ps）(4-14))(00TTPS居里温度Tc:是一个过渡温度，在没有外电场时，TC以上的温度不存在热电效应。对于一个二次的过渡为：TC=T0由（4-13）（4-14）转换前后介电常数为CCCCTTTTTTTT),(2),(10相位转变事实上是两次的S==(4-17)在TC连续。=(4-18)在TC上不连续。这是二次转变的特性。TGCCCTTTTTT,0),(212=dTdSTcp22TGCCTTTT,0,21{2等式（4-19）代表了一个一次转变，(4-20)相应的状态等式为:(4-21)EDDDDTTG64'206141)(2153'0)(DDDTTE相应的电介质常数则为：（4-22）自发极化由式（4-23）在E=0时，结果为：（4-23）42'0053)(1DDTT2)(42)(4002''02''TTTTPSB、一次铁电体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：1632'0TTC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，可以算得：25-442'01TT当温度从低于T0的高极化区增加时，极化慢慢消失。在T0时，非极化相位不再不稳定，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，材料早就处于高能非极化相位，因此无自发极化现象发生。利用电场能够抑止热磁滞，电场的存在提高了极化相位变得不稳定的温度。同时，非极化相位则经历了一个电场诱发的极化。这些效应抑止了磁滞，减少并最终消除了极化现象的不连续性。从式（4-23）和（4-24）中，TC处的D值为：对于极化相位对于非极化相位对于极化相位对于非极化相位043{'CP083{21)('2CEPTGS2.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。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C.脉冲式热电模式在脉冲模式下，外加电场是经过调制的，释放了电容器的电荷。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，实际运用不多。3.信号与噪声A.响应率任何热探测器的响应率包括两个方面：探测器必须吸收入射红外辐射光并将其转换为温度变化，然后它必须感应到温度的变化。入射辐射通量引起的温度变化：其中，如果ΔΦ=0，则27-4)()(0tTTGdtdTCabsthth28-4)()(0tt29-4thabsGTTT001如果我们令:T=T1+ΔT(t)（4-30）则（4-27）变为：31-4)(tTGdtTdCabsththΔΦ(t)通常为一个梯形波，我们为了方便，用一个正弦波近似，因此:其中δΦ是入射辐射功率在斩波器开和关的相位之间的差值。32-4jwtet21)(得到式（4-31）的解，其中，=（4-34）33-4tiTetT21)(2211ththabsGT221thththabsC35-4thththGC而:为热时间常数。热容由下式给出：36-4ddpthzAcC响应率第二个分量是温度转换为可测的电信号。热电探测器是非线性的电容，E=E(D,T)（4-37）相关的方程为:V0-V=zdE(D,T)=IdRd(4-38)V=ILRL=QL/CL(4-39)所以V0=zdE(D,T)+QL/CL(4-40)式（4-40）对时间求偏导:=（4-41）其中（4-42）dtdQCdtdTTEdtdDDEzLLDTd10dtdQCdtdTpdtdDCALLdd1dddzAC0电荷保存要求:（4-43）联立式4-38，4-39，4-41，4-43（4-44）其中，C=Cd+CL(4-45)（4-46）LLddIdtdQIdtdDAdtdTpARVVRdtdVCdd01LdLdRRRRR得到式4-44的解，（4-47）其中，（4-48）（4-49）tiLdLVeVRRRtV21)(0TCCpAVeeLdd221RCe由流经电容的漏电流产生的失调电压是与时间无关的，因此响应率为（4-50）（4-51）品质因数：222211ththeeLddthabsCCpACVpLdVcpCCF1B.噪声三个独立的噪声源限制了大部分探测器的敏感性。他们是:1.Johnson噪声2.温度波动噪声3.前置放大器的噪声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。漏电容是理想的电容带有一个阻抗，（4-52）相位角的不同通常用δ表示，（4-53）如果Rp是常量，则tanδ是与频率有关的量。dpppCiRRZ1dpCR1tan串联电阻可以引起电介质损耗，阻抗为：（4-54）则，（4-55）另一个主要的电介质损失源是由磁畴壁运动生成的磁畴的变换。dSSCiRZ1dSCRtan222214CRRkTvJJohnson噪声的谱密度（4-56）其中，C=Cd+CL（4-57）（4-58）可称为电介质的损耗噪声或tanδ噪声.tan1dLLCRRR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：（4-59）根据式4-34，相关的温度波动谱为（4-60）thGkT224222214thththCkTT222222222114ccththLddthTCCpACkTv对应式4-59的电压波动谱为（4-61）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4.2实际考虑及设计1.铁电材料的选择2.热隔离3.调制传递函数4.读出电路信号5.系统电子学6.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.实现混合式的热电探测器的阵列与其周围环境的隔热。目前主要采用有机台阶的方法。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。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。为了减少噪声，最近的ROIC设计已经通过了给每个单元加信号处理来修正。具体是：在探测器和开关之间加低通滤波器，缓冲器，增益电路。从探测器出来的数据流存在两个不完善的方面：有效的探测元的响应率不均匀，有效失调电压也不均匀。下图显示了一个信号处理流的方框图带有斩波器的探测器工作如下：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。它的温度开始相应的发生改变，温度持续变化直到使景物重新被遮蔽。在景物出现的一瞬间，信号被采样。热探测器的输出电压：=（4-62）代表是当景物温度增加单位温度时探测器温度的上升值。（4-63）),(subsceneiiTTVV)(1)(000subsubiscenesceneiiTTTTV))((.00iisubsceneiiiTTVV