热释电探测器前置放大电路设计

热释电探测器前置放大电路设计此文档为毕业论文初稿,已录入论文库, 请勿抄袭,以防追究法律责任. 谢谢!摘要人类的生存和繁衍离不开感官从环境中获取各种信息。

在现代以高科技主导的信息社会中，日常生活、医学、工业生产、科学实验、军事等活动中需要的各种信息远远超出了人的感官的能力。

为此科学家开发出了各种各样五花八门的探测器。

探测器可以看作是人类感官的延伸，其技术的进步直接推动着科学和工程技术的发展。

大到我国的探月工程，小到我们每个人的日常生活，随处可见。

探测器的应用也越来越广泛，它已经进驻了各行各业，它在各行业中都发挥着不可估量的作用。

本文将介绍热释电效应及其探测器的原理、结构、特点、噪声分析等等。

另针对热释电红外探测中微信号放大时的低信噪比问题，在分析热释电红外探测器及前置放大电路噪声来源的基础上，提出了一种热释电红外探测前置放大电路。

电路仿真表明，文中所设计的前置放大电路具有低频特性好、高信噪比、高增益的特点，能有效放大微弱信号。

关键字：热释电；探测器；前置放大电路；高信噪比；第一章1.1 引言热释电探测器是70年代以来取得重大进展的一种新型热探测器。

它利用某些特殊材料的热释电效应探测目标物体的红外辐射能量。

从结构来看，热释电红外焦平面探测器主要有混合式和单片式两种。

混合式焦平面探测器的探测器列阵芯片和读出电路芯片分别用不同的材料制作，然后通过铟柱互连。

这样，就可使探测器列阵芯片和读出电路芯片分别测试以确保各自的性能。

这种结构的热释电焦平面探测器是目前的主流产品。

单片式焦平面探测器是采用读出电路上生长微桥作为光敏元材料支撑和热隔离结构。

经过20年的发展微桥结构的热释电焦平面探测器的灵敏度已达到第一代和第二代致冷焦平面探测器之间的水平，其NETD通常优先于0.1K，可达0.05K。

红外焦平面探测器是获取目标景物红外光辐射信息的重要光电器件，其中的热释电焦平面探测器所具有的性价比高，可靠性好，长波工作，功耗小，寿命长，重量轻，体积小等优势，使得它在军事和民用方面都有广阔的应用前景。

随着信息技术的普及和发展，红外探测技术已经得到了迅速的发展，已广泛应用于夜视仪、报警、防火、医疗、自动控制等领域。

其中，利用热释电效应开发的红外探测器由于具有非制冷的显著特点而倍受关注。

热释电效应是指：在具有自发极化的热释电材料中，当材料温度发生变化或吸收热量后，因材料自发极化强度发生变化而在材料表面释放出电荷的现象。

红外探测器是红外成像的核心部分，其前置放大器是整个系统的关键部件，它的功能是将红外探测器接收到的微弱信号进行放大并输出给后续处理电路。

然而，由于红外热释电探测器的响应信号十分微弱(一般为微伏级)，故对前置放大器提出了严格的要求：低噪声、高增益、低频特性好及抗干扰能力强。

因此，前置放大器对整个红外系统的性能和效率起着决定性的作用。

本文针对热释电探测器的噪声问题，提出了一种新型高增益、低噪声的前置放大电路设计方案。

1.2 热释电探测器的发展状况1800年，英国科学家海谢尔做了一个实验，他把阳光分成彩色光带以后，用温度计来测量各种光的温度，发现了一个奇怪的现象:靠近太阳光深红色光外的不可见部分，温度竟比红光还高。

这是一个意外的发现.因为以前只知道太阳光有七色，至于在七色之外的黑暗中还存在着什么物质，是不清楚的。

于是，海谢尔设想在太阳的辐射中，除了可见光以外，一定还包含着一种人的肉眼看不见的辐射。

后来经过实验证明:这种辐射还存在于其他物体发出的辐射中。

当时，人们就称它为“不可见辐射”。

由于这种“不可见辐射”是在红光的外边发现的，所以，后来就称它为红外辐射，又叫它红外线。

1887 年，人们在实验室中成功地产生了红外线，使人们认识到:可见光、红外线和无线电波在本质上都是一样的。

到了20世纪，由于生产实践的需要，推动了各项新技术的发展，红外科学也从实验室走出来，开始应用到生产上，并形成了一门崭新的技术一红外技术。

红外线亦称“红外光”。

在电磁波谱中，波长介于红光和微波间的电磁辐射。

在可见光的范围以外，波长比红光要长，有显著的热效应，可以用温差电偶、光敏电阻等仪器来测量，波长在0.77~3微米为近红外区:3~30微米为中红外区;30~1000微米为远红外区。

红外线容易被物体吸收，转化为物体的内能:在通过云雾等充满悬浮粒子的物质时，不易发生散射，具有较强的穿透能力，红外线应用很广，可用以焙制食品、烘干油漆以及进行医疗等。

物质对红外线的吸收光谱对研究物质的分子结构、化学分析及化学工业上的控制有重要意义。

军事上常用红外探测器来探测目标，以及红外通信等。

1956 年，chynoweth利用辐射调制方法研制钦酸钡的动态热释电响应，这一方法为研究材料极化的温度特性提供了重要实验手段，为利用热释电效应实现热成像探测提供了基础。

同年，比thais利用TGS制成了实用的热释电探测器，使得此类材料在随后的一段很长时间里成为研究重点，并于1969年用于热成像探测。

1961年，Hanel首次揭示了介电测辐射热计效应，这在当时并不是一个引起很大重视的工作，但随后在对担杭酸铅(PST) /钦酸铭钡(BST) 类相变型热释电材料的深入研究之后，一种新的探测机制建立起来了。

对典型热释电材料研究的深入，伴随着铁电理论和热释电探测理论的发展和完善。

虽然在热释电现象的理论研究方面还有许多未知的领域，但是热释电探测原理已经在热力学分析的基础上很好的建立起来了。

1970年Putley全面总结和阐述了热释电探测器的工作原理及热探测器的理论探测极限。

在此基础上，他还演示了具有接近探测极限性能的单元探测器，为设计和制造有极限探测性能的探测器建立了基本原则。

1978年Liu等全面总结了热释电材料与期间的发展，指明了具有正常热释电效应的材料的局限.1986年，whatmore再次全面总结了热释电探测器的原理，器件设计及应用，较系统地提出了介电测辐射热计效应的应用，对器件设计，制造中的一些关键因素作了简要地总结。

随后，Kulwick、maralt 等又对随后的研究进展作了总结。

这些理论和总结，基本上完整地勾画出了热释电探测在理论，材料及器件诸方面的发展状况。

1993年Wvon.Munch等人研究了用未极化的PVDF/TrPE 聚合物作为主要热绝缘材料的单片式热释电红外探测器。

通过调节组份可降低PvDp/TrFE 聚合物的热导率，仅为0.1287w/mk ，约为2SiO 的1/10、0.25r T FE 34i S N 的1/80.通过旋转涂胶法(spin-coating)在ROIC 硅片上方制备两层一10μm 0.75PVD /0.25r T FE 聚合物薄膜，上层作为探测灵敏元材料，下层薄膜作为隔热层。

探测灵敏元的下电极分布在两层聚合物之间，并穿过下层聚合物薄膜与读出电路的M 仍管连接。

探测器的探测率为0D =1×710cm ·1/2z H /W 该探测器可以实现单片集成，但工艺步骤较为梦琐。

特别是连接下电极与读出M 璐管时，首先要刻蚀AI 形成掩模，再湿法刻蚀聚合物，很容易导致聚合物性质变坏。

1998 年，NorioFujitsuka 等人利用硅微机械加工技术制作了一种单片式热释电红外探测器。

该探测器在硅衬底上通过各向异性腐蚀形成空腔，由四条支撑臂将热释电薄膜支撑在空腔上方，只有细长的支撑胃作为热流通道，从而 大大降低了热导。

热释电材料采用PvDF 聚合物，薄膜厚度为0.7μm 金属电极采用热导率比Al 小一个量级的钦(Ti)电极。

真空中测得探测率0D =2.4×710cm ·1/2z H /W ，响应率4110v R =⨯v/w.整套工艺相对简单，探测率也有了一定的提高，但空腔、支撑结构与读出电路分布在同一水平面上，占据了很大硅片面积。

国内方面 ，中国科学院上海技术物理研究所在热释电探测器方面的研究是比较权威的。

冷丽国、王模昌根据电功补偿的探测原理设计了一种宽波段大市场红外辐射探测器15]，根据探测原理的分析，这种腔体探测器灵敏度要求的实现，主要依赖于腔体和热沉的精密温控。

他们通过分析腔体和热沉的温度变化对探测灵敏度的影响来对腔体和热沉的温控精度设计，并通过引入补偿腔后的对称结构降低热沉的温控精度克服环境变化的影响。

我国“神州三号”地球辐射探测仪就是这种探测器的典型应用，该仪器的探测波段较宽(0.2μm 一50μm )，视场较大(≥ 45)，因此对探测器的时间响应要求不高，而对探测器的吸收率，角响应性能和稳定性等有较高的要求，适于采用腔体探测器，该仪器于2002年3月25日随“神州三号”飞船发射并顺利完成了为期半年的在轨探测试验，获取了大量探测数据。

2005 年 9月 ，昆明物理研究所采用错钦酸铅(PzT )体材料、研制成功160x120元、探测元中心尺寸50μm ×50μm 的非制冷焦平面探测器。

热释电探测器不仅保持了热探测器的共同优点，即室温款波段工作，而且在很宽的频率和温度范围内具有较高的探测率、能承受大的辐射功率并具有较小的时间常数等等特点，因此得到了广泛应用。

例如,利用热释电探测器探测目标本身的热辐射强度，就可得到室温物体本身的热辐射图像，这就是通常所说的热成像。

这种热成像系统不宜被干扰，是对目标与背景的温差进行探测，因此容易发现隐蔽物体，并能在有烟和雾的条件下工作。

用热释电靶代替光电导靶的热释电摄像器件，即可在红外波段工作，有无需机械扫描装置，并兼有室温工作的优点。

用这种器件制成的热释电摄像机可用于空中与地面侦察、入侵报普、战地观察、火情观测、医用热成像、环境污染监视以及其它领域。

在空间技术中，热释电探测器主要用来测量温度分布和适度分布，或用于搜集地球的有关数据。

地球大气系统的热辐射和大气组分的光谱吸收带主要位于3一25μm 范围内，而且用于测量这些辐射的一起工作频率又不十分高，因此使用热释电探测器是合适的。

例如，在艾托斯-D 卫星上装备有TGS 的竖直温度分布辐射计。

所用的TGS 的NEP 值小于1.5x 1010- W ·1/2z H ;工作温度为35℃;调制频率为16H::光敏面积为2.252mm 。

在云雨5号卫星上，为测量七个波长间隔内有部分云层时的温度分布和水汽分布，所用探测器也是TGS ，其NEP 值小于2.5x 1010- W ·1/2z H :工作温度为37℃:调制频率为35Hz;光敏面积为2.562mm 。

再如，在云雨6号卫星上所使用的压力调制辐射计和地球平衡测量仪都使用了热释电探侧器。

前者使用了两个TGs 器件，用以测量40Km 和85lha 高度范围内的大气温度分布;后者使用了LITu 仇探测器，以测量太阳和地球的辐射。