第6章-热探测器

北京理工大学光电学院《光电技术与实验》1高莱气动型热探测器热释电探测器测辐射热计热电偶和热电堆热探测器光子牵引探测器光电子发射探测器光伏探测器光电导探测器光子探测器光电探测器第6章热探测器（Thermaldetector)本章主要介绍热辐射探测器件的工作原理、基本特性。它为基于光辐射与物质相互作用的热效应而制成的器件。由于它具有工作时不需要制冷，光谱响应无波长选择性等突出特点，使它的应用已进入某些被光子探测器独占的应用领域和光子探测器无法实现的应用领域。北京理工大学光电学院《光电技术与实验》2第6章热探测器6.1热探测器的一般原理热探测器吸收光辐射引起的温度变化极限探测率6.2热释电探测器（热电效应、特性）6.3热敏电阻、热电偶北京理工大学光电学院《光电技术与实验》3第6章热探测器6.1热辐射的一般规律热电传感器件是将入射到器件上的辐射能转换成热能，然后再把热能转换成电能的器件。显然，输出信号的形成过程包括两个阶段；第一阶段为将辐射能转换成热能的阶段（入射辐射引起温升的阶段），是共性的，具有普遍的意义。第二阶段是将热能转换成各种形式的电能（各种电信号的输出）阶段。北京理工大学光电学院《光电技术与实验》41.温度变化方程热电器件在没有受到辐射作用的情况下，器件与环境温度处于平衡状态，其温度为T0。当辐射功率为的热辐射入射到器件表面时，令表面的吸收系数为α，则器件吸收的热辐射功率为αΦ；其中一部分使器件的温度升高，另一部分补偿器件与环境的热交换所损失的能量。设单位时间器件的内能增量为ΔΦe，则有()dtTdΦ∆=∆He（6-1）式中H称为热容，表明内能的增量为温度变化的函数。TGΦ∆=∆θ热交换能量的方式有三种；传导、辐射和对流。设单位时间通过传导损失的能量（6-2）北京理工大学光电学院《光电技术与实验》5()TGdtTdΦ∆+∆=Hα式中G为器件与环境的热传导系数。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（6-3）设入射辐射为正弦辐射通量，温升也包括两部分)(10tjeΦΦω+=w0TTT∆+∆=∆（6-4）()/2122)(0W)1(HtiGeΦtTτωαφω+=∆+（6-5）称为热敏器件的热时间常数。GHH=τGarctgHωφ=G00Φ=∆αT北京理工大学光电学院《光电技术与实验》62.热电器件的最小可探测功率根据斯忒番-玻耳兹曼定律，若器件的温度为T，接收面积为A，并可以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4eTAΦασ=（6-6）由热导的定义3e4TAdTdΦGασ==（6-7）经证明，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1/22)4(fGkTT∆=∆（6-8）北京理工大学光电学院《光电技术与实验》7可以求出热敏器件仅仅受温度影响的最小可探测功率或称温度等效功率PNE为2152122NE164∆=∆=ασαfkTAfGkTP（6-9）由式（6-9）很容易得到热敏器件的比探测率为()2152116=∆=∗kTPfADNEσα（6-10）只与探测器的温度有关。北京理工大学光电学院《光电技术与实验》8热探测器与光子探测器的比较光子探测器热探测器北京理工大学光电学院《光电技术与实验》9热探测器与光子探测器的比较光子探测器热探测器北京理工大学光电学院《光电技术与实验》106.2热释电探测器PyroelectricDetector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，工作频率接近兆赫兹，远远超过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，而热释电器件的有效时间常数可低达10-4~3×10-5s；②热释电器件的探测率高，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；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，且制造比较容易。北京理工大学光电学院《光电技术与实验》11幕帘式红外探测器吸顶式红外探测器北京理工大学光电学院《光电技术与实验》12热释电红外探测器模块菲涅尔透镜北京理工大学光电学院《光电技术与实验》131.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Ps6.2.1热释电器件的基本工作原理北京理工大学光电学院《光电技术与实验》141.热释电效应热“释电”的物理过程热电晶体－－极化强度与温度关系Ps(T2)Ps(T1)温度低温度高北京理工大学光电学院《光电技术与实验》151.热释电效应自由电荷束缚电荷Ps(T1)恒温T1电荷中和时间：秒～小时热“释电”的物理过程Ps热电晶体Ps(T2)温升到T2－－束缚电荷减少极化驰豫时间－－皮秒北京理工大学光电学院《光电技术与实验》161.热释电效应自由电荷束缚电荷Ps(T1)热“释电”的物理过程Ps热电晶体Ps(T2)－－“释放”电荷恒温T1电荷中和时间：秒～小时温升到T2－－束缚电荷减少极化驰豫时间－－皮秒北京理工大学光电学院《光电技术与实验》171.热释电效应自由电荷束缚电荷Ps(T1)Ps(T2)温升－－等效结果晶体表面“释放”了电荷－－热释电效应－－输出电信号恒温T1电荷中和时间：秒～小时温升到T2－－束缚电荷减少极化驰豫时间－－皮秒北京理工大学光电学院《光电技术与实验》182.热释电器件的工作原理设晶体的自发极化矢量为Ps，Ps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Ad。由此引起表面上的束缚极化电荷为Q=AdPs若辐射引起的晶体温度变化为ΔT，则相应的束缚电荷变化为ΔQ=Ad(ΔPs/ΔT)ΔT=AdγΔT式中，γ=ΔPs/ΔT称为热释电系数，其单位为c/cm2∙K，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。若在晶体的两个相对的极板上敷上电极，在两极间接上负载RL，则负载上就有电流通过。由于温度变化在负载上产生的电流可以表示为tTAtQisdddddγ==北京理工大学光电学院《光电技术与实验》19热释电器件产生的热释电电流在负载电阻RL上产生的电压为LdLdddRtTARiU==γ可见，热释电器件的电压响应正比于热释电系数和温度的变化速率dT/dt，而与晶体和入射辐射达到平衡的时间无关。如果将热释电器件跨接到放大器的输入端，其等效电路为如图所示。由等效电路可得热释电器件的等效负载电阻为RCiRCiRRLωω+=+=111北京理工大学光电学院《光电技术与实验》20这里，R(=Rs//RL)和C(=Cs+CL)分别为热释电器件和放大器的等效电阻和等效电容。则RL的模值为()212221CRRRLω+=对于热释电系数为γ，电极面积为A的热释电器件，其在以调制频率为ω的交变幅射照射下的温度可以表示为00tjΔeTTTT++∆=ωω式中，T0为环境温度，ΔT0表示热释电器件接收光辐射后的平均温升，表示与时间相关的温度变化。于是热释电器件的温度变化率为tjeddωωωTtT∆=()tjCRRTAUωωωωγe1Δ21222d+=输入到放大器的电压为北京理工大学光电学院《光电技术与实验》21由热平衡温度方程可知()21221ΔHGTτωαωω+Φ=式中，τH＝CH/G为热释电器件的热时间常数。可得输出电压的幅值为()ωτωτωαωγPGRAUHd2122212e21)(1++=式中，τe＝RC为电路时间常数，R=Rs∥RL，C=Cs＋CL。τT=H/G为热时间常数。τe、τH的数量级为0.1～10s左右。Ad为光敏面的面积，α为吸收系数，ω为入射辐射的调制频率。北京理工大学光电学院《光电技术与实验》221响应率（灵敏度）根据光电器件灵敏度的定义，热释电器件的电压灵敏度Sv为输出电压的幅值U与入射光功率之比，6.2.2热释电器件的特性()ωτωτωαωγPGRAUHd2122212e21)(1++=1/22e21/22H2v)(1)G(1Aτωτωαγω++=RS北京理工大学光电学院《光电技术与实验》23可以看出:(1)当入射为恒定辐射，即ω＝0时，Sv=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/τe时，灵敏度Sv与ω成正比，为热释电器件交流灵敏的体现。(3)当τe≠τH时，通常τe＜τH，在ω＝1/τH~1/τe范围内，Sv与ω无关；(4)高频段（ω1/τH、1/τe）时，Sv则随ω-1变化。因此在许多应用中，该式的高频特性近似为CASHdωαγ≈即灵敏度与信号的调制频率ω成反比。1/22e21/22H2v)(1)G(1Aτωτωαγω++=RS北京理工大学光电学院《光电技术与实验》242热释电器件的噪声eff2/RfkT4∆=Ri热释电器件的基本结构是一个电容器，因此输出阻抗很高，所以它后面常接有场效应管，构成源极跟随器的形式，使输出阻抗降低到适当数值。因此在分析噪声的时候，也要考虑放大器的噪声。这样，热释电器件的噪声主要有电阻的热噪声和温度噪声。1)热噪声电阻的热噪声来自晶体的介电损耗和与探测器的并联电阻。若等效电阻为Reff，则热噪声电流的方均值为式中，k为波耳兹曼常数，T为器件的温度，Δf为系统的带宽。北京理工大学光电学院《光电技术与实验》25热噪声电压为()412e2212NJ1)Δ(4kTτω+=fRU当ωτe＞＞1时，上式可简化为2221e2NJΔ4kT=ωτfRU表明热噪声电压随调制频率的升高而下降。eff2/RfkT4∆=Ri北京理工大学光电学院《光电技术与实验》262）温度噪声4Δ422d222NGfAkTRfkTI∆+=ωγ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)Δ4(Δ222d222222GfkTATAITωγωγ==式中，A为电极的面积，Ad为光敏区的面积，为温度起伏的方均值。如果这两种噪声不相关，则总噪声为北京理工大学光电学院《光电技术与实验》27考虑统计平均值时的信噪功率比为)A/G4kT/G/(4kT22222N22222RΔfΔfΦIISNENSωγαα+==如果温度噪声是主要噪声源而忽略其它噪声时，噪声等效功率为(NEP)2＝(4kT2G2Δf/α2A2γ2ω2R)[1+(TN/T)2]由上式可以看出，热释电器件的噪声等效功率NEP具有随着调制频率的增加而减小的性质。北京理工大学光电学院《光电技术与实验》283响应时间热释电探测器的响应时间可由式求出。热释电探测器在低频段的电压响应度与调制频率成正比，在高频段则与调制频率成反比，仅在1/τH~1/τe范围内，Sv与ω无关。响应度高端半功率点取决于1/τH或1/τe中较大的一个，因而按通常的响应时间定义，τH和τe中较小的一个为热释电探测器的响应时间。通常τH较大，而τe与负载电阻有关，多在几秒到几个微秒之间。随着负载的减小，τe变小，灵敏度也相应减少。1/22e21/22H2v)(1)G(1Aτωτωαγω++=RS北京理工大学光电学院《光电技术与实验》294.热释电探测器的阻抗特性热释电－JFET组件：阻抗变换，低阻抗输出热释电探测器几乎是一种纯容性器件，阻抗高达1010Ω，必须配以高阻抗的负载－－结型场效应管（JFET）北京理工大学光电学院《光电技术与实验》30热释电探测器应用举例例1热成像摄像机（军事和医疗应用）热像仪的机芯（热释电探测器）北京理工大学光电学院《光电技术与实验》31例2云雨6号气象卫星使用两个TGS测量：85km处大气温度分布太阳和地球的辐射热释电探测器应用举例