第三章 非制冷红外焦平面阵列原理

非制冷红外焦平面阵列原理
(2)
隔板结构
图3.3 Honeywell的单片微辐射计像素结构。ＩＲ，红外
第3章
非制冷红外焦平面阵列原理
4. 热流量公式(温度变化方程）
热容：C，支撑的热传导：G，热辐射调制红外光功率幅 度为P0，入射吸收率：，调制光的角频率(设为正弦辐 射） ：ω ，温度增加：△T, 则热流量公式:
/ 0 ( A )
1/ 2
(P / T )
1
2
图3.10 温度波动噪声限和背景波动噪声限下的NETD。
第3章
非制冷红外焦平面阵列原理
2
与频率有关的温度波动平方均值：
T f
2
4 GkT
2
2
B
2 2
G (1 )
像素和环境之间热功率交换的平均平方起伏 ：
P f 4 kT GB
2 2
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3.3.1 . 温度波动噪声限制 比探测率D*
比探测率D*定义 ：
D
*

( AB ) PN
1/ 2
PN为噪声等效功率：
G j C
幅值：
T
P0
G (1 )
2 2 1/ 2
与吸收率成正比，随增加，温升下降
第3章
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4. 热流量公式
讨论： 当 1时：
当 1时：
T
P0
G
T
P0 C
P0
G (1 exp( t / ))
C/G：像素热容/热导； rCe ：像素的电阻以及电容总共的电损失
第3章
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§3.3 重要限制
3.3.1 . 温度波动噪声限制 温度波动噪声：与周围的环境进行热交换显示 出的温度波动性。 在 所 有 的 频 率 下 , 温 度 波 动 平 T 均 值 方 为： 2 kT
2
T
正比于电阻温度系数，反比于热导。
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3. 噪声等效温差（NETD）
定义：黑体温度变化时，引起阵列输出的信噪比以及 读出电路信号最小单位的变化，此温度变化量称为噪声 等效温差。
NETD 4F VN
2
0 A （ P / T）
1
2
F: 光学系统的光圈数； A: 像素面积； VN: 电子噪声； τ 0: 透射率； : 响应率； （P/T）1～2: 黑体在温度T下， 从1到2范围内，每单位面积上的功率变化量。 295K的黑体： （P/ T）3-5 =2.1010-5W/cm2K （P/ T）8-14 =2.6210-4W/cm2K
2

C
K 为波尔兹曼常数； T 为系统的温度，假设与环境温度相同； C 为系统及环境的谐波均值。当系统为一种热探测器，
热容谐波均值即为探测器或者阵列中像素的热容。
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§3.3 重要限制
噪声电压：探测器输出电子系统如有足够大的放 大倍数，即使没有输入辐射，也会看到一定的 毫无规律的、无法预料的电压起伏，它的均方
面积A
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
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§3.1 热绝缘结构的重要性
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。
ＶＳ＝ibΔ R=ibα RΔ T
温度增加量△Ｔ：
T
P0
G (1 )
2 2 1/ 2
有：
VS
i b R P0 G （1 ）
2 2 1/ 2
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2. 响应率Ｒ
响应率：

VS P0

ib R G （1 ）
2 2 1/ 2
d T dt
C

G T P P0 exp
j t
内能的增加
热传导
吸收的辐射功率
定义为热响应时间：
τ
C G
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4. 热流量公式
1962年Kruse给出电阻测辐射热计的解: 当t>>τ时：
T
P0 exp( j t )
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3. 噪声等效温差
NETD 4F VN
2
0 A （ P / T）
1
2

pAR
G (1 2 e2 )1 / 2 (1 2 2 )1 / 2
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4. 铁电热辐射效应（场增强热电效应）
不外加电压即发生热电效应，加了电压后， 存在电场，热电材料显示出极化特性并且延伸 到超出正常的居里温度以上的区域，可以获得 一个来自于受温度影响的电介质常数的额外的 信号分量。
辐射热电偶
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3.2.3 温差电探测器
HoneyWell温差电TE探测器
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3.2.3 温差电探测器
热电信号电压为：
VS=N(S1-S2)Δ T
其中S1，S2是热电系数（塞贝克系数）。它们的差值称为 接点的热电功率。 热电像素的响应率为：

1
2
NETD
TF

8 F T ( kBG )
2
1/ 2

0
A ( P / T ) 1 2
NETD 正比与G1/2，根据设计的需要，G值可以在几 个数量级之间变化。隔热装置设计不好的阵列其NETD值 受到温度波动噪声的很大限制。
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3.3.2 . 背景波动噪声限制
第3章
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第三章 非制冷型红外焦平面阵列原理
§3.1 热绝缘结构的重要性
§3.2 主要热探测机制
§3.3 重要限制
§3.4 讨论
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§3.1 热绝缘结构的重要性
1. 热红外传感器的基本结构 红外辐射引起的温度变 化可由以下方式测得:
传 感 器
支撑腿
信 号 辐 射
R RT
即：

1 dR R dT
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1.电阻温度系数
典型的参数为：
金属：
半导体： 超导体：
α ＝0.002（℃）－１
α =-0.02（℃）－１ α ＝2.0（℃）－１
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2. 响应率Ｒ（灵敏度）
定义：输出信号（电压或电流）与输入辐射功率之比。 假定输出信号ＶＳ，则
1/ 2
TD为探测器的温度，TB为背景温度。
第3章
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图3.9 比探测率与探测器温度TD和背景温度TB的关系 假设视场角度为2π 立体角，吸收率为1。
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背景波动限制的探测器的NETD值：
NETD
2 BF

5 5 1/ 2
8 F [ 2 k B ( T D T B )]
VS ISR (1 R C e )
2 2 2 1/ 2
pAP0 IS 2 2 )1 / 2 G (1
热电探测器的响应率为：

pAR
G (1 2 e2 ) 1 / 2 (1 2 2 ) 1 / 2
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3.2.2 . 热电探测器以及铁电辐射计 2. 响应率
非制冷红外焦平面阵列原理
§3.2 主要热探测机构
•电阻测辐射热计 •热电探测器和铁电探测器
•温差电探测器
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3.2.1、电阻测辐射热计
当辐射光入射后温度增加，引起电阻值发生变化的 一种装置。
1.电阻温度系数
假定电阻性辐射计吸收红外辐射温度增加 △Ｔ 足够小， 以保证电阻变化△Ｒ与△Ｔ线性：
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对于铁电陶瓷材料钛酸锶钡其温度与极化强度以及 相对介电常数的关系
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电偏置下的热电系数：
p p0

E
T
dE
0
p0是没有电偏置时的热电系数；
ε 是介电常数；
E是外加电场场强
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3.2.3 温差电探测器
e RC
e
( tan )
1
例如，在30Hz下，一个损失正切角为0.01的材 料电响应时间为0.53s，热响应时间为10ms。
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3.2.2 . 热电探测器以及铁电辐射计
2. 响应率
热释电响应率是频率的函数
(1)=0时，＝0 (2)<1/τe时， 与成正比 (3)1/τe << 1/τT时， 与无关 (4)>1/τT时， 与成反比
P f P0 B
2
是能量波动的平方均值 ； P0是与频率无关的常量； B是测量的频率带宽。
Pf
2
令 ＝1
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3.3.1 . 温度波动噪声限制
T f
2
Pf
2
2
G (1 )
2 2

P0 B G (1 )
2 2 2
对所有频率积分：
P0 4 GC T
热 对 流：
热 辐 射：
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3. 支撑结构
支撑结构具有三项功能：
热机械支撑
热传导路径
电子传导路径
两种类型的支撑结构： 倒装焊方式 隔板结构
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ3章
非制冷红外焦平面阵列原理
(1)
倒装焊方式
图3.２Ｔaxas公司热释电探测器装置结构。BST,钛酸锶钡
第3章
根值称为噪声电压
噪声等效功率：当入射辐射所产生的输出电压 正好等于探测器本身的噪声电压时，这时的入 射辐射功率称为噪声等效功率
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3.3.1 . 温度波动噪声限制
为了确定温度波动与频率的关系可以应用热流公式
T
P
G (1 )
2 2 1/ 2
P代表像素与周围环境交换的热功率。ΔT是 T 2 的平方根。 假设P0与频率无关，则：
N (S1 S 2 )
G (1 )
2 2 1/ 2
响应率低
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3.2.3 温差电探测器
电阻辐射计 响应率 高 偏置 是 直流响应 是 斩波器 否 响应时间 C/G 热电探测器 铁电辐射计 温差电探测 高 高 低 否 是 否 否 否 是 是 是 否 C/G，rCe C/G，rCe C/G
当 0时：
T
当t=τ时，T上升到稳定值的63％，故τ被称 为热时间常数
第3章
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合理的设计一个热探测器：
（1）设计一个隔热性很好的支撑结构，使热
导G最小化；
（2）选择响应率较高的探测器及材料 （3）敏感元件的热容C(J/℃),必须足够低以 满足响应时间的需要.
第3章
当辐射为主要的热交换时， G即Grad，是对 StefanBoltzmann表达式的求导：
G rad 4 A T
3
第3章
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比探测率 ：
在探测器与背景温度相同且有相同的分布时：
D BF (
*

16 k T
5
)
1/ 2
在探测器与背景温度不同时：
*
D BF
5 5 8 k (T D T B )
第3章
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3.2.2 . 热电探测器以及铁电辐射计 1. 热释电效应
极 化 强 度
温度
图3.4 电介质的极化曲线
图3.5 热释电效应
第3章
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3.2.2 . 热电探测器以及铁电辐射计 2. 响应率
热释电电流IS的大小由下式给出：
I S pA d ( T ) dt
A是像素探测面积，p为热电系数，是工作温度区域
内极化对温度的曲线的斜率。
pAP0 IS 2 2 )1 / 2 G (1
第3章
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3.2.2 . 热电探测器以及铁电辐射计 2. 响应率
因为热电探测器是电容性的，其性质显示出电容Ce和损 失电阻R，热电信号电压VS：
PN (
Pf
2

2
2
)
1/ 2
D*即为 D TF
*
D TF (
*
A
4 kT G
2
)
1/ 2
第3章
非制冷红外焦平面阵列原理
NETD值计算
D*与响应率之间的关系可以表示为：
D* ( AB ) V
1/ 2

N
则NETD值为：
NETD

4F VN
2
0 A （ P / T）