光热探测器

14.8光热探测器(ThermalDetector)24.8.1基本原理4.8.2热敏电阻4.8.3热释电探测器3两种主要的热电效应：•温差电效应：温差产生电动势（塞贝克效应）–热电偶和热电堆•热释电效应：辐射变化引起表面电荷变化–热释电探测器光吸收温度上升电学特性变化——电参数输出光热转换热电转换4.8.1基本原理特点：在宽广的波段有均匀的光谱响应响应速度慢4•对热电探测器的分析可分为两步：–第一步是确定温升：按系统的热力学特性来确定入射辐射所引起的温度升高ΔT（共性）；–第二步是确定参量变化：根据温升来确定具体探测器输出信号的性能（个性）。•第一步对各种热电探测器件都适用，而第二步则随具体器件而异。首先讨论第一步的内容，第二步在讨论各种类型的探测器时再作分析。5光热探测器热回路最简单的模型如图所示：为入射到探测器的辐射功率；α为探测器的吸收系数；H＝Cθ为热容；G＝1/Rθ为热导；ΔT为入射辐射引起的温升。tjeP0一、热回路方程tjePTGdtTdH0)(能量守恒：探测器吸收的辐射应等于单位时间内系统内能的增量和与外界热交换时所损耗的功率之和。因此，可建立以下的热回路方程：内能的增加与环境热交换吸收的能量散热器温度T0热导G(W/K)热链热敏元件热容量H(J/K)温度T0+ΔT6tjePTGdtTdH0)()()(0)/(0HjGePHjGePTtjtHG利用初始条件：t＝0时，ΔT＝0，解得:7tτT时，仅剩交变分量（第二项），即：HjGePTtj02/1220)1(TGPT其幅值为：当ω不为0，)()(0/0HjGePHjGePTtjtT当ω＝0，)1(/0TteGPT稳定值•式中τT＝H/G＝RθCθ，它是热电探测器的热时间常量，其意义为当t＝τT时，热电探测器的温升上升为稳定值的63％。•τT的数量级约为几毫秒至几秒，比光子器件的时间常量大得多。8二、热电探测器的共性•在相同的入射辐射下，对于热电探测器总是希望ΔT尽可能地大。–ΔT随G和H的减小而增大。–要减小H就必须减小探测器热敏元件的体积和重量；–要减小G，必须减小热敏元件与周围环境的热交换。–由热时间常量τT的定义可知，减小G又会使τT增大（牺牲探测响应时间）。所以在设计和选用热电探测器时须采取折衷方案。另外G对探测极限也有影响。2/122202/1220)()1(HGPGPTTΔT的考虑9fGkTWT224热探测器由于温度起伏引起的温度噪声功率为：探测器与外界达到热平衡时，所辐射的功率为：推导热探测器的NEP：4TAP34TAdTdPGfAkTfGkTWNEPT522164探测器与外界达到热平衡时，所辐射的功率为：104.8.2热敏电阻(Bolometer)11原理：吸收辐射，产生温升，从而引起材料电阻的变化。主要材料类型：金属、半导体和超导体。共同点：都敏感于辐射，光谱响应基本上与入射辐射的波长无关。吸收辐射—温升---电阻变化热敏电阻在电子电路中的符号121.温度系数aT表示温度变化1℃时，热电阻实际阻值的相对变化：一.工作原理和结构式中，R为环境温度为热力学温度T时测得的实际阻值。1(1/C)TRaRT正温度系数（PTC）的热敏电阻温度系数：负温度系数（NTC）的热敏电阻温度系数：21TBdTdRRaTTTTaA——常数随温度T变化很大，并与材料常数B成正比。00221jtTTHPePTRRGjHG13•由热敏材料制成的厚度为0.01mm左右的薄片电阻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相连构成热敏电阻。（使用热特性不同的衬底，可使探测器的时间常量由大约1ms变为50ms）•红外辐射通过探测窗口投射到热敏元件上，引起元件的电阻变化。为了提高热敏元件接收辐射的能力（提高吸收系数），常将热敏元件的表面进行黑化处理。2.结构141516（1）金属材料-正温度系数热敏电阻(PTR)–由金属材料构成的测辐射热计：一般金属的能带结构外层无禁带，自由电子密度很大，以致外界光作用引起的自由电子密度相对变化较半导体而言可忽略不计。吸收辐射产生温升后，自由电子浓度的增加是微不足道的。相反，因晶格振动的加剧妨碍了自由电子作定向运动，从而电阻温度系数是正的.PositiveTemperatureCoefficient(PTC)thermistors适宜材料有铂、铜、镍、铁等。三、分类1、按原理分17–由半导体材料制成的测辐射热计：半导体材料对光的吸收除了直接产生光生载流子的本征吸收和杂质吸收外，还有不直接产生载流子的晶格吸收和自由电子吸收等，并且不同程度地转变为热能，引起晶格振动的加剧，器件温度的上升，即器件的电阻值发生变化。其中部分电子能够从价带跃迁到导带成为自由电子，使电阻减小，电阻温度系数是负的。又因为各种波长的辐射都能被材料吸收，只是吸收不同波长的辐射，晶格振动加剧的程度不同而已,对温升都有贡献，所以它的光谱响应特性基本上与波长无关。（2）半导体电阻材料-负温度系数热敏电阻(NTR)NegativeTemperatureCoefficient(NTC)thermistors半导体类的多为金属氧化物，例如氧化锰、氧化镍、氧化钴等。18图示分别为半导体和金属（白金）的温度特性曲线。白金的电阻温度系数为正值，大约为0.37%左右；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。所以热敏电阻探测器常用半导体材料制作而很少采用贵重的金属19•电阻温度系数多为正•电阻温度系数绝对值小•电阻变化与温度变化的关系基本上是线性的•耐高温能力和稳定性较强•多用于温度的模拟测量。金属材料的特点•电阻温度系数多为负•电阻温度系数绝对值大，比一般金属电阻大10～100倍•电阻变化与温度变化的关系基本上是非线性的•耐高温能力和稳定性较差•多用于辐射探测。例如防盗报警、防火系统、热辐射体搜索和跟踪等。半导体材料的特点20（3）其它类型除了热敏电阻类的测辐射热计外，还有超导测辐射热计、碳测辐射热计和锗测辐射热计。•碳测辐射热计：已用于极远红外波段的光谱测量。敏感元件是从碳电阻上切下来的一小块，致冷到2.1K时，其D*要比热敏电阻测辐射热计高一个数量级。•锗测辐射热计：敏感元件是锗掺镓单晶，致冷到2.1K时，其D*比热敏电阻测辐射热计约高1～2个数量级，它的光谱响应可延伸到1000µm以外。•超导测辐射热计：它利用了金属或半导体由正常态向超导态过渡时，电阻随温度急剧变化的性能。电阻温度系数可达5000％。这种测辐射热计灵敏度很高，可用以精密测量很弱的辐射如红外辐射和激光的功率。超导材料多为铌、钽、铅或锡的氮化物。但为保持住转变期温度，所需制冷量很大，控制复杂，目前仅限于实验室。212、按使用范围分类1.通用型热敏电阻器特点：价格便宜，温度上限偏低，一般在100度左右，例如圆片形2.热响应速度非常快的热敏电阻器特点：适合微小型化应用、热响应速度非常快的场合应用的温度传感器，一般装在细针尖里面使用或贴在薄膜上使用。直径非常小，达到了lmm以下，热时间常数约为普通热敏电阻器的10分之一。3.高温型热敏电阻器特点：温度上限可扩展到500度左右4.微测辐射热计（(Microbolometer)）特点：主要用于红外辐射测量223.4.4热释电探测器(Pyroelectricinfrareddetector)23热释电器件是一种利用热释电效应制成的热探测器件。与其它热探测器相比，热释电器件具有以下优点：①具有较宽的频率响应，工作频率接近MHz，远超其它热探测器的工作频率。一般热探测器的时间常数典型值在1～0.01s范围内，热释电器件的有效时间常数低达10-4～3×10-5s；②热释电器件的探测率高；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；④与热敏电阻相比，它受环境温度变化的影响更小；⑤热释电器件的强度和可靠性比其它多数热探测器都要好，易于制作。24一、热释电探测器的工作原理1.热释电效应热电晶体材料因吸收光辐射能量、产生温升，导致晶体表面电荷发生变化的现象，称为热释电效应。热电晶体：－－具有非中心对称的极性晶体25热电晶体－－极化强度PS与温度关系Ps(T2)Ps(T1)温度低温度高居里温度自发极化强度PS：单位面积上的电荷量（C/m2）温度升高，极化强度减低。26自由电荷束缚电荷Ps(T1)恒温T1电荷中和时间：秒～小时热“释电”的物理过程PsPs(T2)温升到T2－－束缚电荷减少极化驰豫时间－－皮秒－－“释放”电荷（输出电信号）27当红外辐射照射到已经极化的热释电晶体时，引起温度升高，表面电荷减少，相当于热“释放”了部分电荷。释放的电荷变成电信号输出。如果辐射持续作用，表面电荷将达到新的平衡，不再释放电荷，也不再有电信号输出。因此，热释电器件不同于其他光电器件，在恒定辐射作用的情况下输出的电信号为零；只有在交变辐射的作用下才会有信号输出。28面电极结构：电极置于热释电晶体的前后表面上,其中一个电极位于光敏面内。这种电极结构的电极面积较大，极间距离较少，因而极间电容较大，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。边电极结构：电极所在的平面与光敏面互相垂直，电极间距较大，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。2.热释电探测器的基本结构293.热释电探测器的工作原理若在热释电晶体两个相对极板上敷上电极，两极间接上负载RL，由温度变化在负载上产生的电流、电压分别为：ddddSdPTTiAAdTttdT/dt为热释电晶体温度随时间的变化率，温度变化速率与材料吸收率和热容有关。吸收率大，热容小，则温度变化率大。LLddTUiRARtjtdQiAjTedt以频率ω变化的辐射所引起的温度变化ΔT(ΔT=ΔTejωt）30•如果热释电探测器跨接到放大器输入端，则其可表示为如图所示的等效电路Cd，Rd为热释电探测器的电容、电阻;CA和RA为放大器的电容、电阻。RCjRCjRZL111由等效电路可得热释电器件的等效负载阻抗为：R＝Rd//RA，C＝Cd+CAi•输入到放大器的瞬时电压为:1LiRuiRC3122**1LLLcRiiuuu•得电压响应度为：式中，τc＝RC为电路时间常数，R=Rd∥RA，C=Cd＋CA。τH=H/G为热时间常数。τc、τH的数量级为0.1～10s左右。A为光敏面的面积，α为吸收系数，ω为入射辐射的调制频率。22220(1)(1)LvcHuARRPG1jtLiRuiAjTeiRC；得到电压有效值为：32(1)当入射为恒定辐射，即ω＝0时，Rv=0，说明热释电器件对恒定辐射不灵敏；(2)在低频段ω1/τH或1/τc时，灵敏度Rv与ω成正比，为热释电器件交流灵敏的体现。(3)当τc≠τH时，通常τc＜τH，在ω＝1/τH~1/τc范围内，Rv与ω无关；（线性工作区域）(4)高频段（ω1/τH、1/τc）时，Rv则随ω-1变化。特别注意：恒定光辐射VARCH高频段应用v0R22220(1)(1)LLvcHuARRPG33图给出了不同负载电阻RL下的灵敏度频率特性，由图可见，增大RL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宽的矛盾，根据具体应用条件，合理选用恰当的负载电阻。不同负载电阻RL下的灵敏度频率特性