第8章_微测辐射热计焦平面阵列解读

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。
③考虑温升的幅值
T
C
0 T 1 2 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
Gt t
T t T
0e C H jC
0ejt H jC
Ht
当t
T时，解的第一项
0e C H jC
0
所以
T t
0ejt H jC
0 T ejt
C 1 jT
幅值
C
0 T ejt 1 2 T 2 1/2
T t
C
0 T 1 2 T 2 1/2
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。
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。
原型传感器: 小由﹑机厚械为桥1µ型m的，S带i3有N4金构属成薄，膜外温部度为敏10感0电µm阻大器。 构造这些装置时，使用各向异性蚀刻法制成 的射很硅敏片感来。制作隔热的Si3N4微型桥路，对IR辐
T
C
Байду номын сангаас0 T 1 2 T 2
1/ 2
0
H
即 T 与 H成反比，几乎与 无关
减小 H 可提高温升，但 H减小使 T变大， 器件的热惯性变大，时间响应变坏，
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。
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
dT
C dt
C 称为热容
②与外界热交换：传导、辐射、对流
H T
H 热传导系数
1 H R
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 时间常数的制约，响应速度较慢。
限制，这种限制对于工作性能影响是非常大。
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。
2、红外热辐射计与其他传感器的区 别
a) 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。
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
称为热阻
所以，在热平衡状态下有：
dT
e C dt H T 2、热平衡方程的解
设入射辐射为：e 0 1+ejt
包含有与时间无关和有关两部分辐射，所以
e
C
dT
H T dt
的解也包含两部分
T0 ：与时间无关的平均温升； T ：与时间有关的温度变化；
e
C
dT
dt
H T
可以分解为两个方程
①
C
d T0
dt
H T0
0
T0
0 H
d
② C
T dt
H T 0ejt
Gt t
T
0e C H t jC
0ejt H jC
3、对热平衡方程的解的讨论
①设 T
C H
，R称 C为 热敏器件的热时间常数
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：
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 。
最重要的探测器件是电阻型测辐射热计。
1. 热红外传感器的基本结构
支撑腿
传
信
感
号
面积A
器
辐
射
支撑衬底
红外辐射引起的温度变 化可由以下方式测得:
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。