第六章 热辐射器件(热释电探测器)

(
2
)
则电压幅值为： 则电压幅值为： 由：
V = γAd ω ∆Tω
(1 + ω
2 2 H
2
R C
2
1 2 2
)
∆ Tω =
G 1+ ω τ
(
α Pω
)
1 2
得电压幅值为： 得电压幅值为：
V =
2 G 1 + ω 2τ H
(
α Pω γAd ω R
1 2
) (1 + ω τ )
1 2 2 2 E
四 热释电探测器的结构
对热电探测器的分析可分为两步：
第一步是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； 第二步是根据温升来确定具体探测器输出信号的性能。
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。
一、热探测器吸收光辐射引起的温度变化
铁电体的自发极化强度PS（单位面积上的电荷量）与温度的关系 如图所示，随着温度的升高，极化强度减低，当温度升高到一定 值，自发极化突然消失，这个温度常被称为“居里温度”或“居 里点”。在居里点以下，极化强度PS是温度T的函数。利用这一 关系制造的热敏探测器称为热释电器件。
注意：当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片时， 引起薄片温度升高，表面电荷减少，相当于热“释 放”了部分电荷。释放的电荷可用放大器转变成电 压输出。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，也不再有电压信号输出。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信号电压为零。只有在交变辐 射的作用下才会有信号输出。
12
NEP
=
1 4 σKT
(
1 5 2
)
只与探测器的温度有关,理想热探测器的比探测 只与探测器的温度有关, 率已接近或达到一般光子探测器。 率已接近或达到一般光子探测器。
§6-2
热释电探测器
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 ~ 3×10-5 s； 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。
一
1．热释电材料
热释电效应
极性晶类，晶体内正、 极性晶类，晶体内正、 负电荷中心并不重合， 负电荷中心并不重合， 晶体原子具有一定电矩； 晶体原子具有一定电矩； 也就是说晶体本身具有 自发极化特性。 自发极化特性。但介质 中的电偶极子排列杂乱, 中的电偶极子排列杂乱, 宏观不显极性。 宏观不显极性。
热释电外形和内部结构如图所示。实用的热释电由敏感元件、 热释电外形和内部结构如图所示。实用的热释电由敏感元件、场效 应管、高阻电阻、滤波片等组成，并向壳内充入氮气封装起来。 应管、高阻电阻、滤波片等组成，并向壳内充入氮气封装起来。敏 感元件用红外热释电材料制成很小的薄片， 感元件用红外热释电材料制成很小的薄片，再在薄片两面镀上电极
2
) ∆ f = (16 A σ KT

d
A d dM dT
e
∆f
5
∆f
)
1 2
由温度噪声所产生的温度噪声电压为： 由温度噪声所产生的温度噪声电压为：
VNT = RV (∆ωT / α ) =
(A σKT α
4
d
5
∆f
)R
1 2
V
温度噪声与频率的关系和电压响应率与频率的关系相同，温 温度噪声与频率的关系和电压响应率与频率的关系相同， 度噪声的频谱与热探测器的频率响应特性时一致的 温度噪声所引起的等效噪声功率为： 温度噪声所引起的等效噪声功率为：
v 单畴化后的热电体，其电极化矢量 Ps 值是温 单畴化后的热电体，
度的函数
3．热释电效应定义
某些物质（如硫酸三甘肽、铌酸锂等）吸收光 某些物质（如硫酸三甘肽、铌酸锂等） 辐射后将其转换成热能， 辐射后将其转换成热能，这个热能使晶体的温 度升高， 度升高，温度变化将引起居里温度以下的自发 极化强度的变化，从而在晶体的特定方向上引 极化强度的变化， 起表面电荷的变化，这就是热释电效应。 起表面电荷的变化，这就是热释电效应。
dT dt
dt
2、热释电探测器的输出电压
dT V = i d × R L = γ Ad RL dt
当沿着垂直于P 的方向将晶体切成薄片， 当沿着垂直于Ps的方向将晶体切成薄片，并在表面淀积金属电 极时，随着温度的变化， 极时，随着温度的变化，两电极间就会出现一个与热释电系数 和温度变化速率成正比的电压 如果将热释电探测器跨接到放大器的输入端， 如果将热释电探测器跨接到放大器的输入端，等效电路图为
五 热释电探测器的特性
1、响应率
RV =
①
V Pω
=
G 1+ ω τ
(
αωγAd R
1 2 2 2 H
) (1 + ω τ )
1 2 2 2 E
当ω=0时，入射光功率恒定， ω=0时 入射光功率恒定， 电压响应率为零， 电压响应率为零，说明热释电 探测器对恒定辐射不响应。 探测器对恒定辐射不响应。 当ω《1/τH或1/τE时，电压响应 率与调制频率成正比 当1/τH《ω《 1/τE或1/τE《ω 《 1/τH时，电压响应率与调制 频率无关
Ad，并可以将探测器近似为黑体（吸收系数与发射系数相等）， 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， 当它与环境处于热平衡时，单位时间所辐射的能量为
Φe = Ad σT 4
由热导的定义
dΦe GR = = 4 Ad σT 3 dT
由噪声相关知识知，当热敏器件与环境温度处于平衡时， 由噪声相关知识知，当热敏器件与环境温度处于平衡时，在频带 宽度内,由于辐射热导决定的热起伏功率(即热躁声功率) 宽度内,由于辐射热导决定的热起伏功率(即热躁声功率)
RV =
α ωε
0
Ad
×
γ ε rc′
2、噪声等效功率
热释电探测器的噪声主要来自于温度噪声和热噪声 温度噪声 温度噪声功率均方根值为： 温度噪声功率均方根值为：
1 2
∆ ω T = 4 KT G R ∆ f
2
(
)
1 2
= 4 KT
2
d Ad σ T dT
(
= 4 KT
4
∆ ω T = 4 KT
(
2
GR∆f
)
1 2
= 16 A d σ KT
(
5
∆f
)
1 2
例如，在常温环境下（T=300K），对于黑体，热敏 器件的面积为100mm2, 频带宽度为1，热敏器件的最 小可探测功率为5×10-11W左右。 温度噪声所引起的比探测率为： 温度噪声所引起的比探测率为：
D
*
( Ad ∆f ) =
第六章 热探测器
光电子技术
本章主要介绍热探测器的工作原理、 本章主要介绍热探测器的工作原理、基本特性以及 热探测器件的工作电路和典型应用。 热探测器件的工作电路和典型应用。
6.1 热辐射的一般规律 6.2 热释电探测器 6.3 热敏电阻 6.4 测辐射热电偶、热电堆 测辐射热电偶、
§6-1
热探测器的一般原理
∆Q = Ad ∆σ = Ad ∆Ps
改变上式，得： 改变上式，
∆ Q = A
d
∆ Ps ∆ T ∆ T
热释电探测器输出电流： 热释电探测器输出电流： i = lim∆Q = dQ = A dP dT = A γ dT s d d d
∆t→0
热释 电系 数
∆t
dt
三 热释电探测器的工作原理分析
1、热释电探测器的输出电流 当红外辐射照射到已有自发极化强度的热释电晶体上时，引起晶 当红外辐射照射到已有自发极化强度的热释电晶体上时， 体的温度升高，而导致表面电荷减少，这相当于“释放”了一部 体的温度升高，而导致表面电荷减少，这相当于“释放” 分电荷，释放的电荷可以用放大器转变成输出电压。 分电荷，释放的电荷可以用放大器转变成输出电压。如果红外辐 射继续照射使晶体的温度升高到新的平衡值， 射继续照射使晶体的温度升高到新的平衡值，那么这时候表面电 荷也就达到新的平衡浓度，不再释放电荷， 荷也就达到新的平衡浓度，不再释放电荷，也就不再有输出信号 。 热释电探测器的电极面积为A 热释电探测器的电极面积为Ad，Ps为热释电晶体的极化矢量
温度的变化率为： 温度的变化率为：
dT d (∆Tω ) i (ωt +φ +π ) 2 = = ∆Tω ωe dt dt
将温度变化率和负载电阻R 代入输出电压中， 将温度变化率和负载电阻RL代入输出电压中，得：
V = γ A d ω ∆ Tω
R
(1 + ω
2
R 2C
1 2 2
)
×e
R
i ω t +φ +π
2．热释电材料单畴极化
对热释电材料施加直流电场自发极化矢 量将趋向于一致排列（形成单畴极化）， 量将趋向于一致排列（形成单畴极化）， v Ps 加大。当电场去掉后， 总的电极化矢量 加大。当电场去掉后， v 仍能保持下来。 总的 Ps 仍能保持下来。
v 由于保持下来的 Ps ，将在材料表面吸 v 附表面电荷， 附表面电荷，其面电荷密度 σ = Ps
d (∆T ) αP = H + G∆T dt
百度文库
探测器吸收的辐射功率等于每秒中探测器温升所需 能量和传导损失的能量
入射到热探测器的调制光功率为
P = P0 + Pω exp (i ω t )
代入微分方程中，得： ∆T = ∆T0 + ∆Tω 代入微分方程中， 直流分量： 直流分量： 交流分量： 交流分量：
∆ T
∆ Tω =
0
=
α P
G
0
2 G 1 + ω 2τ H
(
α Pω
)
1 2
exp [i (ω t + φ )]
温升与辐射功率的相位差： φ = arctg ωH 温升与辐射功率的相位差： G 响应时间： 响应时间：
τ
H
=
H G
二、热探测器的极限探测率
根据斯忒番-玻耳兹曼定律， 根据斯忒番-玻耳兹曼定律，若器件的温度为T，接收面积为
热探测器等效负载电阻为： 热探测器等效负载电阻为：
RL =
1 1 + iω C R
RL =
=
R 1 + i ω RC
R
RL模值为： 模值为：
(1 + ω
2
R 2C
1 2 2
)
热释电探测器的温度T表示为： 热释电探测器的温度T表示为：
T = T0 + ∆T = T0 + ∆T0 + ∆Tω = T0 + ∆T0 + ∆Tω e i (ωt +φ )
二 热释电探测器的电路连接
图（a）所示的面电极结构中， 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。 图（b）所示的边电极结构中，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。
VNT 4 NEP = = Ad σKT 5 ∆f RV α
(
)
1 2
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。 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
2 i R = 4 kTR∆f /Reff
v 光辐射 T↑ Ps ↓ σ
光辐射→ 光辐射→ T↑ → 极化强度矢量变化 → 晶体表面上出现所测量出的电荷
4．热释电材料最高工作温度 ），单畴极化强 当T ↑ ＝Tc（居里温度时），单畴极化强 v Tc（居里温度时）， 度消失 Ps ＝0 热释电现象消失 即当T Tc时 即当T＜Tc时，才有热释电现象 居里温度Tc Tc——评价热释电探测器的品质 居里温度Tc——评价热释电探测器的品质 因数，希望Tc越高越好。 Tc越高越好 因数，希望Tc越高越好。
② ③
④
当ω》1/τH或1/τE时，
αγ Ad R RV ≈ G ωτ H τ E
电压响应率与调制频率成反比，由τE=RC，τH=H/G,得： =RC， =H/G,得 电压响应率与调制频率成反比，
R
V
αγ A d ≈ ω HC
Ad C = ε rε 0 d
减小热释电探测器的有效电容和热容有利于提高高频响应 由热容H=c’dA 电容C 由热容H=c’dAd,电容C为