光熱探測器

1、1,4.8 光熱探測器,(Thermal Detector),2,,4.8.1 基本原理 4.8.2 熱敏電阻 4.8.3 熱釋電探測器,3,兩種主要的熱電效應(yīng)：,溫差電效應(yīng)：溫差產(chǎn)生電動勢（塞貝克效應(yīng)）熱電偶和熱電堆熱釋電效應(yīng) ：輻射變化引起表面電荷變化熱釋電探測器,4.8.1 基本原理,特點：在寬廣的波段有均勻的光譜響應(yīng)響應(yīng)速度慢,4,對熱電探測器的分析可分為兩步：第一步是確定溫升：按系統(tǒng)的熱力學

2、特性來確定入射輻射所引起的溫度升高ΔT（共性）；第二步是確定參量變化：根據(jù)溫升來確定具體探測器輸出信號的性能（個性）。第一步對各種熱電探測器件都適用，而第二步則隨具體器件而異。首先討論第一步的內(nèi)容，第二步在討論各種類型的探測器時再作分析。,5,光熱探測器熱回路最簡單的模型如圖所示：,為入射到探測器的輻射功率；α為探測器的吸收系數(shù)；H＝Cθ為熱容；G＝1/Rθ為熱導；ΔT為入射輻射引起的溫升。,一、熱回路方程,能量守恒：探測器吸

3、收的輻射應(yīng)等于單位時間內(nèi)系統(tǒng)內(nèi)能的增量和與外界熱交換時所損耗的功率之和。因此，可建立以下的熱回路方程：,內(nèi)能的增加,與環(huán)境熱交換,吸收的能量,散熱器溫度T0,,,,熱導G(W/K),熱鏈,熱敏元件熱容量H(J/K)溫度T0+ΔT,6,利用初始條件：t＝0時，ΔT＝0，解得:,7,t>> τT時 ，僅剩交變分量（第二項），即：,其幅值為：,,當ω＝0，,,,穩(wěn)定值,式中τT＝H/G＝RθCθ，它是熱電探測器的熱時間常量，

4、其意義為當 t＝τT時，熱電探測器的溫升上升為穩(wěn)定值的63％。τT的數(shù)量級約為幾毫秒至幾秒，比光子器件的時間常量大得多。,,8,二、熱電探測器的共性,在相同的入射輻射下，對于熱電探測器總是希望ΔT盡可能地大。ΔT隨G和H的減小而增大。要減小H就必須減小探測器熱敏元件的體積和重量；要減小G，必須減小熱敏元件與周圍環(huán)境的熱交換。由熱時間常量τT的定義可知，減小G又會使τT增大（犧牲探測響應(yīng)時間）。所以在設(shè)計和選用熱電探測器時

5、須采取折衷方案。另外G對探測極限也有影響。,ΔT的考慮,9,熱探測器由于溫度起伏引起的溫度噪聲功率為：,,探測器與外界達到熱平衡時，所輻射的功率為：,推導熱探測器的NEP：,,,探測器與外界達到熱平衡時，所輻射的功率為：,10,4.8.2 熱敏電阻 (Bolometer),11,原理：吸收輻射，產(chǎn)生溫升，從而引起材料電阻的變化。主要材料類型：金屬、半導體和超導體。共同點：都敏感于輻射，光譜響應(yīng)基本上與入射輻射的波長無關(guān)。,吸收

6、輻射—溫升---電阻變化,熱敏電阻在電子電路中的符號,12,1. 溫度系數(shù)aT 表示溫度變化1℃時，熱電阻實際阻值的相對變化：,工作原理和結(jié)構(gòu),式中，R為環(huán)境溫度為熱力學溫度T時測得的實際阻值。,正溫度系數(shù)（PTC）的熱敏電阻溫度系數(shù)：,負溫度系數(shù)（NTC）的熱敏電阻溫度系數(shù)：,隨溫度T變化很大，并與材料常數(shù)B成正比。,13,由熱敏材料制成的厚度為0.01mm左右的薄片電阻粘合在導熱能力高的絕緣襯底上，電阻體兩端蒸發(fā)金

7、屬電極以便與外電路連接；再把襯底同一個熱容很大、導熱性能良好的金屬相連構(gòu)成熱敏電阻。（使用熱特性不同的襯底，可使探測器的時間常量由大約1ms變?yōu)?0ms）紅外輻射通過探測窗口投射到熱敏元件上，引起元件的電阻變化。為了提高熱敏元件接收輻射的能力（提高吸收系數(shù)），常將熱敏元件的表面進行黑化處理。,,2. 結(jié)構(gòu),14,15,16,（1）金屬材料-正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTR),由金屬材料構(gòu)成的測輻射熱計：一般金屬的能帶結(jié)構(gòu)外層無禁帶，自由電

8、子密度很大，以致外界光作用引起的自由電子密度相對變化較半導體而言可忽略不計。吸收輻射產(chǎn)生溫升后，自由電子濃度的增加是微不足道的。相反，因晶格振動的加劇妨礙了自由電子作定向運動，從而電阻溫度系數(shù)是正的.,Positive Temperature Coefficient (PTC) thermistors,適宜材料有鉑、銅、鎳、鐵等。,三、分類,1、按原理分,17,由半導體材料制成的測輻射熱計：半導體材料對光的吸收除了直接產(chǎn)生光生載流子的本

9、征吸收和雜質(zhì)吸收外，還有不直接產(chǎn)生載流子的晶格吸收和自由電子吸收等，并且不同程度地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，引起晶格振動的加劇，器件溫度的上升，即器件的電阻值發(fā)生變化。其中部分電子能夠從價帶躍遷到導帶成為自由電子，使電阻減小，電阻溫度系數(shù)是負的。又因為各種波長的輻射都能被材料吸收，只是吸收不同波長的輻射，晶格振動加劇的程度不同而已,對溫升都有貢獻，所以它的光譜響應(yīng)特性基本上與波長無關(guān)。,（2） 半導體電阻材料-負溫度系數(shù)熱敏電阻(NTR),Negat

10、ive Temperature Coefficient (NTC) thermistors,半導體類的多為金屬氧化物，例如氧化錳、氧化鎳、氧化鈷等。,18,圖示分別為半導體和金屬（白金）的溫度特性曲線。白金的電阻溫度系數(shù)為正值，大約為0.37%左右；半導體材料熱敏電阻的溫度系數(shù)為負值，大約為-3%～-6%，約為白金的10倍以上。所以熱敏電阻探測器常用半導體材料制作而很少采用貴重的金屬,19,電阻溫度系數(shù)多為正電阻溫度系數(shù)絕對值小

11、電阻變化與溫度變化的關(guān)系基本上是線性的耐高溫能力和穩(wěn)定性較強多用于溫度的模擬測量。,金屬材料的特點,電阻溫度系數(shù)多為負電阻溫度系數(shù)絕對值大，比一般金屬電阻大10～100倍電阻變化與溫度變化的關(guān)系基本上是非線性的耐高溫能力和穩(wěn)定性較差多用于輻射探測。例如防盜報警、防火系統(tǒng)、熱輻射體搜索和跟蹤等。,半導體材料的特點,20,（3）其它類型,除了熱敏電阻類的測輻射熱計外，還有超導測輻射熱計、碳測輻射熱計和鍺測輻射熱計。碳測輻射

12、熱計：已用于極遠紅外波段的光譜測量。敏感元件是從碳電阻上切下來的一小塊，致冷到2.1K時，其D*要比熱敏電阻測輻射熱計高一個數(shù)量級。鍺測輻射熱計：敏感元件是鍺摻鎵單晶，致冷到2.1K時，其D*比熱敏電阻測輻射熱計約高1～2個數(shù)量級，它的光譜響應(yīng)可延伸到1000µm以外。 超導測輻射熱計：它利用了金屬或半導體由正常態(tài)向超導態(tài)過渡時，電阻隨溫度急劇變化的性能。電阻溫度系數(shù)可達5000％。這種測輻射熱計靈敏度很高，可用以精密測量

13、很弱的輻射如紅外輻射和激光的功率。超導材料多為鈮、鉭、鉛或錫的氮化物。但為保持住轉(zhuǎn)變期溫度，所需制冷量很大，控制復雜，目前僅限于實驗室。,21,,2、按使用范圍分類,通用型熱敏電阻器特點：價格便宜，溫度上限偏低，一般在100度左右，例如圓片形,2.熱響應(yīng)速度非?？斓臒崦綦娮杵魈攸c：適合微小型化應(yīng)用、熱響應(yīng)速度非?？斓膱龊蠎?yīng)用的溫度傳感器，一般裝在細針尖里面使用或貼在薄膜上使用。直徑非常小，達到了l mm 以下，熱時間常數(shù)約為普通熱敏

14、電阻器的10 分之一。,3. 高溫型熱敏電阻器特點：溫度上限可擴展到500度左右,4. 微測輻射熱計（(Microbolometer)）特點：主要用于紅外輻射測量,22,3.4.4 熱釋電探測器,(Pyroelectric infrared detector),23,熱釋電器件是一種利用熱釋電效應(yīng)制成的熱探測器件。與其它熱探測器相比，熱釋電器件具有以下優(yōu)點：①　具有較寬的頻率響應(yīng)，工作頻率接近MHz，遠超其它熱探測器的工作頻率

15、。一般熱探測器的時間常數(shù)典型值在1～0.01s范圍內(nèi)，熱釋電器件的有效時間常數(shù)低達10-4～3×10-5 s；②　熱釋電器件的探測率高；③　熱釋電器件可以有大面積均勻的敏感面，而且工作時可以不外加接偏置電壓； ④　與熱敏電阻相比，它受環(huán)境溫度變化的影響更?。虎?熱釋電器件的強度和可靠性比其它多數(shù)熱探測器都要好，易于制作。,24,一、熱釋電探測器的工作原理,1. 熱釋電效應(yīng),熱電晶體材料因吸收光輻射能量、產(chǎn)生溫升，導

16、致晶體表面電荷發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為熱釋電效應(yīng)。,熱電晶體：－－具有非中心對稱的極性晶體,25,熱電晶體－－極化強度PS與溫度關(guān)系,溫度低,溫度高,居里溫度,,自發(fā)極化強度PS：單位面積上的電荷量（C/m2）,溫度升高，極化強度減低。,26,恒溫T1電荷中和時間：秒～小時,熱“釋電”的物理過程,,,溫升到T2 －－束縛電荷減少 極化馳豫時間－－皮秒,－－“釋放” 電荷（輸出電信號）,27,當紅外輻射照

17、射到已經(jīng)極化的熱釋電晶體時，引起溫度升高，表面電荷減少，相當于熱“釋放”了部分電荷。釋放的電荷變成電信號輸出。如果輻射持續(xù)作用，表面電荷將達到新的平衡，不再釋放電荷，也不再有電信號輸出。因此，熱釋電器件不同于其他光電器件，在恒定輻射作用的情況下輸出的電信號為零；只有在交變輻射的作用下才會有信號輸出。,28,面電極結(jié)構(gòu)：電極置于熱釋電晶體的前后表面上, 其中一個電極位于光敏面內(nèi)。 這種電極結(jié)構(gòu)的電極面積較大，極間距離較少，因而極間電容較大

18、，故其不適于高速應(yīng)用。此外，由于輻射要通過電極層才能到達晶體，所以電極對于待測的輻射波段必須透明。,,邊電極結(jié)構(gòu)：電極所在的平面與光敏面互相垂直，電極間距較大，電極面積較小，因此極間電容較小。由于熱釋電器件的響應(yīng)速度受極間電容的限制，因此，在高速運用時以極間電容小的邊電極為宜。,2.熱釋電探測器的基本結(jié)構(gòu),29,3. 熱釋電探測器的工作原理,若在熱釋電晶體兩個相對極板上敷上電極，兩極間接上負載RL，由溫度變化在負載上產(chǎn)生的電流、電壓分別

19、為：,dT/dt為熱釋電晶體溫度隨時間的變化率，溫度變化速率與材料吸收率和熱容有關(guān)。吸收率大，熱容小， 則溫度變化率大。,以頻率ω變化的輻射所引起的溫度變化ΔT(ΔT=ΔTejωt）,30,如果熱釋電探測器跨接到放大器輸入端，則其可表示為如圖所示的等效電路,Cd，Rd為熱釋電探測器的電容、電阻;CA和RA為放大器的電容、電阻。,,由等效電路可得熱釋電器件的等效負載阻抗為：,R＝Rd//RA，C＝Cd+CA,,i,輸入到放大器的瞬時電壓

20、為:,31,,,得電壓響應(yīng)度為：,式中，τc＝RC為電路時間常數(shù)，R=Rd∥RA，C=Cd＋CA。τH =H/G為熱時間常數(shù)。τc、τH的數(shù)量級為0.1～10s左右。A為光敏面的面積，α為吸收系數(shù)，ω為入射輻射的調(diào)制頻率。,得到電壓有效值為：,32,(1) 當入射為恒定輻射，即ω＝0時，Rv=0，說明熱釋電器件對恒定輻射不靈敏； (2) 在低頻段ω>1/τH、 1/τc）時，Rv則隨ω-1變化。,,特別注意：恒定光輻