第6章热探测器

光电信号检测第六章热探测器热探测器是不同于光子探测器的另一类光探测器。它是基于光辐射与物质相互作用的热效应制成的器件。热探测器有热电偶、热敏电阻和热释电探测器等多种。具有不需制冷、在全部波长上具有平坦响应两大优点。主要缺点是：响应较低，响应时间较长。自热释电探测器出现后，缓和了这一矛盾。热释电探测器的响应度和响应速度已比过去那些热探测器有了很大提高，因此热探测器的使用范围扩大了，延伸到原来部分光子探测器独占的领域，而且在大于14μm的远红外域更有广阔的用途。第六章热探测器热探测器探测光辐射包括两个过程：一是吸收光辐射能量后，探测器的温度升高；二是把温度升高所引起的物理特性的变化转变成电信号。§6－1热探测器的一般原理一、热探测器的温度变化规律探测器的热容量是H，它表示探测器升高一度所需的热量(J/K)。通常周围环境的热容量为无限大，整个环境温度是一致的。探测器通过热导G与周围环境发生热交换。入射辐射热探测器（热容量H）热导G环境温度T0如果探测器的温度比环境高ΔT，则探测器在单位时间内通过热导流向环境的热量流ΔP为其中，热导G的单位是W/K。TGP当探测器接收入射光辐射功率P时，热探测器吸收热辐射后每秒接受的热量为αP。其中α为热探测器的吸收率。此时探测器温度升量ΔT由下式确定此式表示了探测器吸收的辐射功率等于每秒中探测器温升所需的能量和传导损失的能量。通常投射到热探测器上的辐射是经过调制的，它包括一个与时间无关的直流分量P0和一个以角频率ω调制的交变分量Pωexp(iωt)，即)(d)](d[)(tTGttTHtP)jexp()(0tPPtP温升包括两个部分：与时间无关的平均温升ΔT0和与时间有关的温度变化ΔTω，即其中：是温升与辐射功率之间的相位差称为热探测器的热时间常数。它对应于热探测器的响应时间。TTtT0)(GPT00)](exp[122tiGPTHGHarctgGHH典型的热探测器的热时间常数在几毫秒到几秒的范围内，比光子探测器的响应时间长。增大热导G可减小τH，但增大G会导致热探测器对温度变化不敏感，探测灵敏度下降。因此，减小热时间常数主要在降低热容量H上，所以热探测器的光敏元很小。GHH吸收率α代表了对入射辐射吸收过程的效率。为了提高吸收比，热探测器光敏元的表面都进行黑化。一些表面黑化用的材料的吸收率如图。二、热探测器的极限探测率由于热探测器与周围环境之间的热交换存在着热流起伏，引起热探测器的温度在T0附近呈现小的起伏，这种温度起伏构成了热探测器的主要噪声源，称为温度噪声。若热探测器的其他噪声与温度噪声相比可以忽略，那么温度噪声将限制热探测器的极限探测率。探测器和环境的热交换包括辐射、对流和传导。当探测器光敏元被悬挂在支架上并真空封装时，总的热导将取决于辐射热导。在理想情况下，光敏面是理想的吸收面，即α＝1。这时辐射热导GR根据黑体辐射为式中，Ad是光敏面的面积，σ为斯忒藩一波耳兹曼常数。从此式看到，若热探测器的吸收率为常数，则其辐射热导与波长无关，而与温度的三次方成正比。当温度降低时，辐射热导将急剧减小。344ddTATTAGddR温度噪声的功率谱密度为：温度噪声功率为：则辐射热导引起的温度噪声为：fGkTWT224fkTAfkTGWdRT52216424)(GkTfSN于是，热探测器的温度噪声电压和比探测率分别是：室温下，T＝300K，则理想的热探测器的极限比探测率己接近或达到一般光子探测器的比探测率。fkTARWRVdVTVN5245*41kTVfARDNdV/WHzcm1081.110*D热释电探测器是一种利用某些晶体材料自发极化强度随温度变化所产生的热释电效应制成的新型热探测器。因为热释电探测器的电信号正比于探测器温度随时间的变化率，不像其他热探测器那样需要有热平衡过程，所以其响应速度比其他热探测器快得多，一般热探测器的时间常数典型值在1～0.01s范围，而热释电探测器的有效时间常数可达10-4～3×10-5s。虽然目前热释电探测器在比探测率和响应速度方面还不及光子探测器，但由于它还具有光谱响应范围宽、较大的频响带宽、在室温下工作无需制冷、可以有大面积均匀的光敏面、不需偏压、使用方便等特点，而得到广泛的应用。§6－2热释电探测器一、热释电效应某些物质(例如硫酸三甘肽、铌酸锂、铌酸锶钡等晶体)吸收光辐射后将其转换成热能，这个热能使晶体的温度升高，温度的变化又改变了晶体内晶格的间距，这就引起在居里温度以下存在的自发极化强度的变化，从而在晶体的特定方向上引起表面电荷的变化，这就是热释电效应。热释电效应是通过热释电材料实现的。热释电材料首先是一种电介质，是绝缘体。在常态下具有自发电极化(即固有电偶极矩)现象，且温度变化时电矩的极性也改变，这类介质称为热电介质。外加电场能使热电介质的自发极化矢量方向趋同，去掉外电场后，其极化特性保持不变的热电介质叫铁电体。热释电探测器是用铁电体制成的。机理：调制光辐射－（温度变化）－自发极化强度P变化－晶体外表面感应电荷变化－电信号（交流信号）PTPT常态下，热电介质的自发极化现象使在与自发极化强度垂直的两个晶面上出现大小相等、符号相反的面束缚电荷。极性晶体的自发极化通常是观察不出来的。因为在平衡条件下它被通过晶体内部传至晶体表面的自由电荷所补偿。如果强度变化的光辐射入射到晶体上，晶体温度便随之发生变化，自发极化强度也随之发生变化，最后导致面束缚电荷跟着变化。于是晶体表面上就出现能测量出的电荷。极化强度P（T1）极化强度P（T2）i自由电荷对面电荷的中和作用需数秒到数小时，而晶体的自发极化弛豫时间则很短，约为10-12s。因此，当晶体温度按一定频率变化时，自由电荷来不及中和变化的面束缚电荷，晶体表面就呈现出相应于温度变化的面电荷变化，这就是热释电效应。这说明热释电探测器能工作于交变的辐射功率之下。极化强度P（T1）极化强度P（T2）i二、热释电探测器工作原理热释电晶体吸收频率为ω的辐射以后，其温度及其自发极化强度也按频率ω而变化，从而导致晶体表面电荷密度也按频率ω而变化。在晶体的相对两面敷上电极，如果在两电极之间接上负载，则负载上就有电流流过。可以表示为：tTAtTTPAtPAidSdSdddddddddd热释电晶体的极化矢量热释电材料的热释电系数，是指自发极化强度随温度T的变化率，单位为（库仑/厘米2·度）热释电探测器电极面积热释电探测器结构示意图光透明电极热释电材料RLuLdLdRtTARiudd热释电探测器的电压响应正比于热释电系数γ和温度变化速率，而与晶体和入射辐射达到平衡的时间无关。γ值取决于材料本身的特性；温度变化率与材料的吸收率和热容有关，吸收率愈大，热容愈小，则温度变化率就愈大。dtdT/（a）极间电容较大，故其不适于高速探测应用。（b）边电极结构中，电极所在的平面与光敏面互相垂直，电极间距离较大，电极面积较小，故极间电容较小，因此，在高频运用时以极间电容小的边电极为宜。如果将热释电探测器跨接到放大器的输入端，则可表示为如图所示的等效电路。图中Cd、Rd为热释电探测器的电容和电阻。CA和RA为放大器的电容和电阻。输出电压的瞬时值由于则光电流的瞬时值为于是dLdLCRiuj/1~~tTTTtTjexp)(00tTttTjexpjd)(d)jexp(jd)(d~tTAttTAiddd2222*11~~HELdLLLGPRAuuuGHHRCE三、热释电探测器的特性1）响应率当ω＝0，RV＝0当ω很小时，RV∝ω当ω较大时，RV∝1/ω222211HELdLVGRAPuR2）噪声热释电探测器的噪声主要来自温度噪声和热噪声。温度噪声电压为：热噪声电压为：总噪声/4)/(5fkTARWRVdVTVNT22eff144ENJfkTRfkTRV总电阻222NJNTNVVV3）响应时间热释电探测器的响应时间常数有两个：通常τH很大，而τE可以通过负载加以改变。当ω较大时，RV∝1/ω，即随着频率的升高，响应度会随着频率而下降。dLECRGHH/fRVCH2121或HC2121或4）阻抗持性热释电探测器是一种几乎纯容性器件。由于其电容量很小，所以热释电探测器的阻抗非常高。这就要求必须配以高阻抗负载（热释电探测器的负载阻抗一般在109Ω以上）。由于结型场效应器件（JEFT）的输入阻抗高，噪声又小，所以常用JEFT器件作热释电探测器的前置放大器。光RLuRJEFT＋V5）理化特性应当特别注意，由于热释电材料具有压电特性，因而对微震等应变十分敏感，在使用热释电探测器时，应注意减震防震。四、常用的热释电探测器研究发现，真正能满足器件要求的热释电材料仅有十多种，其中最主要的有：TGS－硫酸三甘肽SBN－铌酸锶钡LT－钽酸锂LN－铌酸锂PT－钛酸铅等。在实际应用中，往往从形态上把热释电材料分为单晶、陶瓷和薄膜三类。当吸收光辐射而温度升高时，金属的电阻会增加，而半导体材料的电阻会降低。从材料电阻变化可测定被吸收的光辐射功率的探测器就是热敏电阻。最简单的热敏电阻是一根短的细丝。在工作温度下，它有一定的电阻值。当细丝吸收了光辐射而升温时，测出温度变化所引起的电阻变化，就可确定所吸收的辐射能量。§6－3热敏电阻一、热敏电阻工作原理热敏电阻的电阻随温度变化用温度系数来表征：对于小的温度变化，可表示为在没有辐射但有偏置电流流通时，电流在热敏电阻上产生的焦耳热使它的温度增高，热平衡方程是：TRRTdd1TRRBTBBRITGtTH20d)(d稳定状态，第一项代表热容量H对温度变化率的影响为零，热敏电阻的温度从T0增到T1，有如下的关系：G0代表无入射辐射时热敏电阻的热导。BBLbRRRVTTG22010)(RLRBVbCV若有入射辐射功率投射到热敏电阻上，它的温度将随着入射辐射而变化。设入射辐射功率为，热平衡方程是简单变换后，可以写为)jexp(tP)jexp(d)(dd)(d2tPTTRITGtTHBT热敏电阻温度变化时，偏置电流所产生的焦耳热的变化)jexp('d)(dtPTGtTH为热敏电阻的有效热导其中：解方程，有讨论：1）若G’0，则第一项随时间迅速趋于零，得到稳定值。2）若G’0，则第一项随时间以指数增长，热敏电阻过热烧毁。若RBRL，GT=G0，则烧毁条件为：A）对正电阻温度系数的材料（金属），不满足上式。B）对负电阻温度系数的材料，就有可能满足上式。3）显然，若RLRB，则偏置电流值完全决定于RL，而不受RB的影响，不会发生烧毁现象。4）若RBRL，则电流取决于负载电阻，不会烧毁。HGtPHTGTTj)(jexpexp0BLBLTTRRRRTTGGG)(010)(101TTT热敏电阻在温度T时的热导稳态时，温度变化的幅值为：负载RL的信号电压幅值（RLRB时正常工作状态）为：221TGPTLTBbTBBLRGPRVRRIRV221d)(d'/GHT二、热敏电阻的特性1）响应率讨论：A)电源电压Vb的增加受噪声和热敏电阻功率耗散的限制；B）绝对值：αT半导体αT金属；C）表面涂黑，增加吸收；D）减小G’、增加RB，RV增大，响应时间增加，要折衷考虑。LTBbTVRGRVPVR221bVVRTVRVRGRRBV2）频率响应RV0是ω＝0时热敏电阻的电压响应