第8章_微测辐射热计焦平面阵列

C 1 T
2
2
0 T e j t
2

1/ 2
幅值 T t
C 1 T
0 T
2

1/ 2
幅角 tan T arctan T
是温升与辐照通量之间的相角，说明器件温
升滞后调制辐射功率的程度。
0 ，当 t T时，
H
T
上升到稳定值的 1 e 1 63% ，所以称
T 为热敏器件的热时间常数。
三、热敏器件的最小可探测功率 1、热敏器件的辐射功率 由斯忒番—玻耳兹曼定律，若器件的温度为T ，接 收面积为 A ，将探测器近似为黑体，当它与环境 处于热平衡时，辐射的总功率为：
对于负温度系数的热敏电阻：
1 dRT 1 B B B /T T R 2 e 2 AT RT dT R e T T
、B C、材料常数 A
B又称为热灵敏指标。B值并不是一个严格 的常数, 而是随温度的升高而略有增大。 对于负温度系数的热敏电阻：
RT1 R e B / T1 RT2 R e B /T2
2、红外热辐射计与其他传感器的区 别
原理上：辐射计：利用入射的红外光使辐射计 探测材料温度发生变化来探测的。 传感器：利用其他敏感量来测量。 a) 探测对象：一个是红外光（热辐射），另一个 是其他的敏感量（如声音、压等）。 b) 材料上：辐射计：利用电导率随着温度变化的 材料。传感器：如压力传感器可利用压电陶瓷 等。
D
Af
PNE
1 2
10 2 1.8 10 cm Hz /W 5 16 kT
1
1 2
D* T , f , f 或 D * , f , f
一、热敏电阻 1、热敏电阻的原理、材料、结构 ①定义：凡吸收入射辐射后引起温升而使电阻值 改变，导致负载两端电压的变化，并给出电信 号的器件，叫做热敏电阻。 ②原理：半导体材料对光的吸收有本征吸收、杂 质吸收、晶格吸收、自由电子吸收等，并且不
T0 ：与时间无关的平均温升； T ：与时间有关的温度变化；
e C
d T dt
H T 可以分解为两个方程
① C
d T0 dt d T dt
H T0 0 T0 H T 0e j t
R25 RT e
1 1 B 298 T
B、电阻温度系数 T
1 dRT RT dT
1 / C

表示温度每变化 1 ℃时，热敏电阻的实际 阻值的相对变化。
对于正温度系数的热敏电阻：
1 dRT 1 AT T AR e A 0 AT RT dT R0e
1982，Kruse通过计算表明硅微型机械加 工的微型辐射计可以达到接近室温下IR探测器 的性能，并提出了他们作为一个两维的凝视型 焦平面阵列的构造。
1982，Arch和Heiser对微机械加工的Si3N4 微型辐射计做了大量的测量。测得的D* 为 109cmHz1/2/W ， D*足够在凝视焦平面中产生一 个很好的噪声等效温差 。
第八章 微测辐射热计红外成像 器件
8.1 引言 8.2 微测辐射热计的工作原理 8.3 微测辐射热计的噪声 8.4 微测辐射热计的信噪比 8.5 微测辐射热计的读出电路 8.6 微测辐射热计的结构设计、制备以及 封装
1、什么是红外热辐射计
一种探测入射红外光引起自身温度升高的传感
器。使用一种电导率随着温度变化的材料来测 量温度的改变量。这样通过温度的改变量来测 定入射红外光的大小。
以热敏电阻探测器常用半导体材料。
④结构及外形：
热敏电阻
的结构
热敏电阻 的几种外 形
⑤热敏电阻的特点 A、热敏电阻的温度系数大，灵敏度高，热敏 电阻的温度系数常比一般金属电阻大10～ 100倍。 B、结构简单，体积小，可以测量近似几何点 的温度。
C、电阻率高，热惯性小，适宜做动态测量。
D、阻值与温度的变化关系呈非线性。 E、不足之处是稳定性和互换性较差。
3、光热探测器对光辐射的响应过程 ①吸收光辐射能量使器件自身温度发生变化。
②依赖某种温度敏感特性把辐射能引起的温度变 化转换为相应的电信号，达到探测的目的。 4、光热探测器的特点 利用热敏材料吸收入射辐射的总功率产生温升来工 作的，而不是利用某一部分光子的能量，所以各种 波长的辐射对于光热探测器的响应都有贡献。在很 宽的波长范围内，响应灵敏度与波长无关，但受热
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。
③材料：金属材料与半导体材料热敏电阻
金属材料组成的热敏
电阻具有正温度系 数，而由半导体材料 组成的热敏电阻具有 负温度特性。 白金的电阻温度系数大约为±0.37%左右；半导
体材料热敏电阻的温度系数大约为-3%~-6%，所
Gt t C
0
H
② C
0e 0e j t T H t j C H j C
3、对热平衡方程的解的讨论
C R C ，称为热敏器件的热时间常数 ①设 T H
一般为毫秒至秒的数量级，它与器件大小、形状
和颜色等有关。 ②如果只考虑与时间有关的项，即有：
一、光热效应 1、光热效应：当光照射到理想的黑色吸收体上时， 黑体将吸收所有波长的全部光能量，并转换为热 能，称为光热效应。
2、光热探测器原理： 热能增多导致吸收体的物理、机械性能变化，如：
温度、体积、电阻、热电动势等，通过测量这些 变化可确定光能量或光功率大小。由光热效应制 成的光探测器统称为光热探测器。
所以此时温升与热导无关，而与热容 C 成
反比，且随 增高而衰减。 结论：光热探测器常用于低频调制辐射的场合， 尽量降低 T ，减小热容量。
C、 0 时，方程的解为 T
0
H
1 e

t
T

T 由初始零值开始随时间增加，当 t 时 T 达到稳定值

热 对 流：
热对流是第二种热传递方式。。 在阵列中热对流不是一种很重要的热传递方式。
如果热成像阵列包装并未抽空，则从热敏感元件 流经大气的热损失往往是热传导而不是热对流。
热 辐 射：
热辐射是第三种热传递方式。 敏感元件向周围辐射热量，周围环境也向其辐
射热量。对热成像阵列这是理想状况。 如果主要热损失是辐射性的，则阵列是受背景 限制，这种限制对于工作性能影响是非常大。
1983年，带有微机械加工的测辐射热计的 红外成像仪演示于众(Wood 1983)。 1992年，240×336元阵列的NETD值为 39mk(Fno=1, 30Hz帧速)，被用于一个便携式 的非致冷摄像机上 。
§8.2 基本原理
成像元件是受单元探测器吸收的辐射光所 影响。 入射光能量下温度增加的热流量公式，温 度的增加依赖于探测机构。 最重要的探测器件是电阻型测辐射热计。
1 2
4、归一化探测率（比探测率）
D
*
Af
PNE
1 2
5 16 kT
1 2
1 2
例如：T 300 ， K 、 =1、 A＝100mm 2 、 f 1Hz
PNE
*
16 A kT 5 f 11 5.5 10 W
2、热敏电阻探测器的参数 ①电阻—温度特性 指热敏电阻的实际阻值与电阻体温度之间的关系 A、表达式 正温度系数的热敏电阻： RT R0e AT 负温度系数的热敏电阻： RT R e B T
R、 0 R分别为背景环境下的阻值，是与电阻
的几何尺寸和材料物理特性有关的常数。
A 、 B为材料常数。
③考虑温升的幅值 T
C 1 T
2
0 T
2

1/ 2
A、温升 T 与吸收系数 成正比，所以，几 乎所有的热敏器件都被涂黑。 B、温升 T 与工作频率 有关， 增高，温
升 T下降。
低频时 T 1
T C 1 T
H T
H 热传导系数
1 R H
称为热阻
所以，在热平衡状态下有：
e C
d T dt H T
2、热平衡方程的解 设入射辐射为： e 0 1+e j t 包含有与时间无关和有关两部分辐射，所以
e C
d T dt H T 的解也包含两部分
1. 热红外传感器的基本结构
支撑腿 传 感 器
红外辐射引起的温度变 化可由以下方式测得:
面积A
信 号 辐 射
支撑衬底
电阻变化（辐射计） 热电结（TE传感器） 热释电效应 气体压力变化 … 等
2. 热传递的三个方式
热 传 导：
1）热量敏感区沿支撑物向衬底; 2）相邻像素之间横向热流通； 3 ）如果阵列没有固定在一个抽空的封装 盒里，热量会流向周围的大气。
时间常数的制约，响应速度较慢。
二、温度变化方程——光辐射引起温升的过程 1、热平衡方程
e ：入射于探测器的辐射通量（辐射功率）。
：探测器光敏面对光辐射的吸收系数。
e：探测器实际吸收的辐射通量，分为两个部分
①转化为内能，表现为温度升高
C d T dt
C 称为热容
②与外界热交换：传导、辐射、对流
a)
8.1 引言
1881年Langley在别人建立的辐射计原理基础上 构造出第一个辐射计。以后的工作就在于对辐射计 的改进上。 1978年Johnson提出了适用的硅微型隔热结构作为 室内温度热红外传感器。 1979年Johnson和Higashi构造了原型传感器。