热辐射探测器件

热敏电阻的光谱响应基本上与入射辐射的波长无关。
热敏电阻的分类
RT/Ω
106 105 104 103 102 101 3 4
（1）正特性热敏电阻PTC ——随着温度的上升而电阻值增加
该材料是利用锰、铜、硅、钴、铁、镍、锌等两种
或两种以上的金属氧化物进行充分混合、成型、烧 结等工艺而成的半导体陶瓷
2 1
金属材料-正温度系数热敏电阻(PTR)
Positive Temperature Coefficient (PTC) thermistors 金属材料测辐射热计原理：一般金属的能带结构外 层无禁带，自由电子密度很大，以致外界光作用引 起的自由电子密度相对变化较半导体而言可忽略不 计。吸收辐射产生温升后，自由电子浓度的增加是 微不足道的。相反，因晶格振动的加剧妨碍了自由 电子作定向运动，从而电阻温度系数是正的
100 铂丝 40 60 120 160 0 温度T/º C
（3）临界温度热敏电阻CTR ——具有负电阻突变特性
构成材料是钡、锶、磷等元素氧化物的混合烧结体，是半玻璃状的半导体，骤变温度随添加锗、 钨、钼等的氧化物而变．由于不同杂质的掺入，使氧化钒的晶格间隔发生变化．若在适当的还 原气氛中五氧化二钒变成二氧化钒，则电阻急变温度变大；若进一步还原为三氧化二钒，则急 变消失．产生电阻急变的温度对应于半玻璃半导体物性急变的位置，因此产生半导体
(1 e t / T )
式中τT＝RθCθ，其意义为当 t＝τT时，热电探测器的 温升上升为稳定值的63％。 τT的数量级约为几毫秒至几秒，比光子器件的时间 常量大得多。 τT＝RθCθ与τ=RC区别： 热时间常数表示物体升温降温的快慢 RC时间常数表示RC电路中电流或电压的变化快慢
当时间t >>τT时 热平衡
1 2
4kT Gf 16 A kT f 2
2
1 2
G 4 A T
3
比探测率
Af D PNE
1 2
5 16 kT
1 2
D*——当探测器的接收面 积为单位面积，放大器的 带宽为1 Hz时，单位功率 的辐射所获得的信噪比
热辐射定义：物体由于具有温度而辐射电磁波的现象。
热辐射是连续谱，波长从0直至∞，一般热辐射主要以波长较长 的可见光和红外线为主。热辐射是在真空中唯一的传热方式。
温度较低时,主要以不可见的红外光进行辐 射,当温度为300摄氏度时热辐射中最强的波长 在红外区。500度以上至800度时,热辐射中最强 的波长成分在可见光区。 热辐射探测器件：
2
T
4kT 2Gf 2 2 2 G C T
1 2
2. 热电器件的最小可探测功率
最小可探测功率（温度等效功率）
PNE
0 T / T
1 2 2
=
0 0 G 1
5 1 2 2 2 T

4kT 2Gf 2 2 2 G C0 T
ΔT的考虑
在相同的入射辐射下，对于热电探测器总是希望 ΔT尽可能地大。 Φ0 T Φ0
T C 1 2 T

1 2 2
G

2
2C
1 2 2

ΔT随G和Cθ的减小而增大。 要减小Cθ,必须减小探测器热敏元件的体积和重量； 要减小G，必须减小热敏元件与周围环境的热交换。 由热时间常量τT的定义可知，减小G又会使τT增大 （牺牲探测响应时间）。所以在设计和选用热电探 测器时须采取折衷方案。另外G对探测极限也有影响。
热敏元件结构
由热敏材料制成的厚度 为0.01mm左右的薄片电 阻粘合在导热能力高的 绝缘衬底上，电阻体两 端蒸发金属电极以便与 外电路连接； 再把衬底同一个热容很大、导热性能良好的金属相连 构成热敏电阻。 （使用热特性不同的衬底，可使探测 器的时间常量由大约1ms变为50ms） 红外辐射通过探测窗口投射到热敏元件上，引起元件 的电阻变化。为了提高热敏元件接收辐射的能力（提 高吸收系数），常将热敏元件的表面进行黑化处理。
金属材料的特点 电阻温度系数多为正的 电阻温度系数绝对值小 电阻变化与温度变化的 关系基本上是线性的
半导体材料的特点
电阻温度系数多为负的 电阻温度系数绝对值大，比一 般金属电阻大10～100倍
电阻变化与温度变化的关 系基本上是非线性的 耐高温能力和稳定性较差
耐高温能力和稳定性较 强
多用于辐射探测。例如防盗报 多用于温度的模拟测量。 警、防火系统、热辐射体搜索 和跟踪等
3. 热敏电阻的参数
热敏电阻探测器的主要参数有： （1）电阻-温度特性
aT = A T R T AT 2 1 2 ① 正温度系数的热敏电阻 RT R0 e B R BT 1 1 a = R R e ② 负温度系数的热敏电阻 T B 2.303 2 lg T T T1 T R2 式中，R 为绝对温度 T2 时的实际电阻值； R 、R 分别
1 R 称为热阻 G

G t C
令 T
热敏器件的热时间常数一般为毫秒至秒的数量 级，它与器件的大小、形状和颜色等参数有关。
热敏器件时间常数τT
Φ0 e Φ0 e jt T t G jC G jC
G t C
当ω＝0，T
0
G
稳定值
第5章 热辐射探测器件
第5 章
热辐射探测器件
热辐射探测器件(Thermal Detector)为基于光辐射与物 质相互作用的热效应而制成的器件。由于它具有工作 时不需要制冷，光谱响应无波长选择性等突出特点， 使它的应用已进入某些被光子探测器独占的应用领域 和光子探测器无法实现的应用领域。
5.1 热辐射的一般规律
Φ0 T e jt 仅剩交 T t C 1 j T 变分量
C 1 T
2
为正弦变化的函数。其幅值为 T

Φ0 T
1 2 2
Baidu Nhomakorabea

可见，温升与收系数成正比。因此，几乎所有的热敏器件都被涂 黑。 ω 增高，其温升下降。 在低频时（ω τT ＜＜1）
G成反比 减小热导是增高温升、提高灵敏度的好方法，但是热导与热时间
（2）负特性热敏电阻NTC ——随着温度的上升而电阻值减少
该材料是以BaTiO3(钛酸钡)或SrTiO3(钛酸锶)或 PbTiO3 (钛酸铅)为主要成分的烧结体，其中掺入微 量的Nb、Ta、Bi、Sb、Y、La等氧化物进行原子价 控制而使之半导体化，常将这种半导体化的BaTiO3 等材料简称为半导（体）瓷。
热电传感器件是将入射到器件上的辐射能转换成 热能，然后再把热能转换成电能的器件。
优点：不需要制冷，光谱响应与波长无关。 缺点：探测效率低，时间响应速度慢。 快速响应热释电探测器件的出现弥补了它的缺点。
5.1热辐射一般规律
1. 温度变化方程
热交换能量的方式:①传导②辐射③对流。 当辐射功率为 Φe 的热辐射入射到器件表面时，令 表面的吸收系数为α，则器件吸收的热辐射功率为 Φe 。 则单位时间器件的内能增量：Φi C d T dt 式中Cθ 称为热容（物体每升一度内能的增加）。 单位时间通过传导损失的能量 Φ GT G dΦe dT 式中G为器件与环境的热传导系数。 d T 根据能量守恒原理： Φe C GT dt
2. 热电器件的最小可探测功率
根据斯忒番-玻耳兹曼定律
M e,s T
4
若器件的温度为T，并可以将探测器近似为黑体（吸收 系数与发射系数相等），所辐射在接收面积A的功率为 dΦe 4 4 AT 3 Φe AT 由热导的定义 G dT 当热敏器件与环境温度处于平衡时，在频带宽度 f 内，热敏器件的温度起伏均方根值为：
Φ0 温升与热导 T
G
T t

G t Φ0e C Φ0e jt G jC G jC
常数成反比，提高温升将使器件的惯性增大，时间响应变坏。 0 即频率很高或器件的惯性很大时 在高频时（ωτT >>1） T C 温升与热导无关，而与热容成反比，且随频率的增高而衰减。
其它类型
碳测辐射热计：已用于极远红外波段的光谱测量。敏 感元件是从碳电阻上切下来的一小块，致冷到2.1K时， 其D*要比热敏电阻测辐射热计高一个数量级。 锗测辐射热计：敏感元件是锗掺镓单晶，致冷到2.1K 时，其D*比热敏电阻测辐射热计约高1～2个数量级， 它的光谱响应可延伸到1000µm以外。 超导测辐射热计：它利用了金属或半导体由正常态向 超导态过渡时，电阻随温度急剧变化的性能。电阻温 度系数可达5000％。这种测辐射热计灵敏度很高，可 用以精密测量很弱的辐射如红外辐射和激光的功率。 超导材料多为铌、钽、铅或锡的氮化物。但为保持住 转变期温度，所需制冷量很大，控制复杂，目前仅限 于实验室。
5.2 热敏电阻与热电堆探测器
5.2.1 热敏电阻
符号
热敏电阻 (测辐射热计Bolometer)——吸收辐射后温升 而使电阻改变的器件。
它多由金属氧化物半导体材料制成。也有由单晶半导体、玻璃和 塑料制成的。广泛应用于测温、控温、温度补偿、报警等领域。
1. 热敏电阻特点
①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。 ②结构简单，体积小，可以测量近似几何点的温度。 ③电阻率高，热惯性小，适宜做动态测量。 ④阻值与温度的变化关系呈非线性。 ⑤稳定性较差。 大部分半导体热敏电阻由各种氧化物按一定比例混 合，经高温烧结而成。 多数热敏电阻具有负的温度系数，即当温度升高时， 其电阻值下降，同时灵敏度也下降。由于这个原因， 限制了它在高温情况下的使用。
按使用范围分类
1. 通用型热敏电阻器 特点：价格便宜，温度上限偏低，一般在100度左右， 例如圆片形 2.热响应速度非常快的热敏电阻器 特点：适合微小型化应用、热响应速度非常快的场合 应用的温度传感器，一般装在细针尖里面使用或 贴在薄膜上使用。直径非常小，达到了l mm 以下， 热时间常数约为普通热敏电阻器的10 分之一。 3. 高温型热敏电阻器 特点：温度上限可扩展到500度左右 4. 微测辐射热计(Microbolometer) 特点：主要用于红外辐射测量
T 0 ∞
热敏电阻器的实际阻值 RT与其自身温度 T的关系有正 T1T2 R1 温度系数与负温度系数两种，分别表示为： A 2.303 lg
适宜材料有铂、铜、镍、铁等。
半导体材料-负温度系数热敏电阻(NTR) Negative Temperature Coefficient (NTC) thermistors 半导体材料测辐射热计原理：半导体材料对光的吸收 除了直接产生光生载流子的本征吸收和杂质吸收外， 还有不直接产生载流子的晶格吸收和自由电子吸收等， 并且不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。其中部 分电子能够从价带跃迁到导带成为自由电子，使电阻 减小，电阻温度系数是负的。又因为各种波长的辐射 都能被材料吸收，只是吸收不同波长的辐射，晶格振 动加剧的程度不同而已,对温升都有贡献，所以它的 光谱响应特性基本上与波长无关。 半导体类的多为金属氧化物，例如氧化锰、氧化镍、 氧化钴等。
吸收的能量 内能的增加 与环境热交换
jt Φ Φ e 设入射辐射为正弦辐射通量 e 0
初始时间： t = 0 , ΔT = 0 则解微分方程得：
Φe C
d T GT dt
Φ0 e Φ0 e jt T t G jC G jC
C R C 称为热敏器件 的热时间常数 G
2. 热敏电阻的原理
对任何能量的辐射都可以使晶格振动加剧，器件温 度上升，引起器件的电阻值发生变化。热敏电阻无 选择性地吸收各种波长的辐射。只是吸收不同波长 的辐射，晶格振动加剧的程度不同。
一般金属吸收光以后，使晶格振动加剧，妨碍了 自由电子作定向运动。因此，当光作用于金属元件使 其温度升高，其电阻值还略有增加，也即由金属材料 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。