热释电红外传感器及其应用

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环境温度 25 C 黑体温度 420K（147。C） 调制频率 1 赫兹，0.3-3 赫兹带宽 放大倍数 72.5dB
。
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( mv)
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图 5 热释电红外传感器测试框图
80 )
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根据目前传感器应用和测试电路的要求，热释电红外 气体传感器依照以下技术要求设计生产：
参考文献
[1] [2] [3] [4] 闫军，庄乾章. 热释电红外传感器的类别特性及应用[J]. 长春大学学报，2004，14(6)：22-24. 杨波，陈忧先. 热释电红外传感器的原理和应用[J]. 仪 表技术，2008，(6)：66-68. 张永怀，白鹏，刘君华. 红外气体分析器[J]. 分析仪器, 2002，(3)：36-40. 王霞，金伟其，王汝琳. 红外气体传感器多光路光学系 统设计[J]. 光学技术，2002，28 (2)：152 -154 张广军，吕俊芳，周秀银. 新型红外二氧化碳传感器[J]. 光电工程，1997，24(5)：26-31. 孟凡群，刘虎，程明宵. 基于工业以太网的非分光红外 气体分析器设计 [J]. 传感器与微系统， 2011 ， 30(9) ： 121-124. 薛晨阳，张文栋 . 基于红外原理的微型气体传感器 [J]. 重点关注，2007，(7)：18-19. 张德银，黄大贵，李金华. 钽酸锂薄膜材料及其热释电 红外传感器应用研究进展 [J]. 材料导报， 2007,21(3) ： 10-12.
声、防止外界干扰及机械振动带来的不利影响。场效应管 构成了源级跟随器，同时起到阻抗变换的作用。 2.2 装配结构设计 热释电红外气体传感器采用 TO-5 封装，热释电红外气
体传感器装配图见图 3。
2 热释电红外气体传感器结构与设计
2.1 内部电路结构设计 热释电红外传感器的制作材料以陶瓷氧化物和压电 晶体为最多， 如 PbTiO（钛酸铅） 、 LiTaO（钽酸锂） 、 LATGS 3 3 （硫酸三甘肽） 、PZT（锆钛酸铅）等。从高性能的热释电 红外探测器应用方面来看，钽酸锂[8]材料由于热释电系数 大、居里点高、相对介电常数小，使得钽酸锂材料非常适 合做高性能热释电红外探测器，钽酸锂材料性能指标见表 1。以钽酸锂晶体材料制备的热释电探测器在（1～20）um 波长范围内宽光谱响应一致性非常好，探测器参数对温度 的依赖性低，器件长期稳定性好，多批次器件重复性好， 能在室温条件下工作，不需要昂贵的制冷装置，产品的性 价比非常高，经过近数年连续不断的研究努力，钽酸锂晶 体制备的热释电器件的信噪比不断提高。 表 1 LiTaO3 材料性能指标 材料 居里点 Tc(
作者简介：尚中锋（1972—） ，男，主要从事气体检测仪及气体解决方案 的研究与设计。 E-mail: hwdzshang@hotmail.com.
图 1 热释电效应示意图 1.2 红外气体检测原理 红外检测原理是基于朗伯-比尔定律[3-7]，即被测气体 中某组份对红外线进行选择性吸收，其吸收强度取决于被 测气体的体积分数，通过对被测气体前后红外线能量的比 较，从而达到测量气体组分含量的目的。 大部分有机和无机多原子分子气体在红外区有特征 吸收波长。当红外辐射通过被测气体时，气体分子就会对 红外辐射进行有选择性吸收，也就是说气体分子只吸收固 定波长的红外辐射，如 CO 的特征吸收波长为 4.64um， 即 CO 只吸收中心波长为 4.64um 波长的红外光。当一束光强 度为 I 0 的平行红外光入射到气体介质时， 由于气体介质的 选择性吸收，其出射光的光强度衰减为 I1 ，吸收关系遵循 朗伯-比尔（Lamber Beer）定律，即
Abstract: In order to effectively resolve the problem of the electrochemical, gas type sensor, such as poor stability, narrow detection range, easy to poisoning and low accuracy etc.， a pyroelectric infrared gas sensor is developed based on lithium tantalate thin-film. The emphasis is paid on the working principle of the gas sensor and its design, its structure using two-channel optical measurement of the structure, respectively measuring channel and reference channel, effectively prevent the light source fluctuation and cavity impact of pollution on the sensor. The sensor has a novel structure, simple and reliable, wide measuring range, not poisoning etc., the market prospect is broad. Keyword: lithium tantalate thin films; pyroelectric infrared gas sensor; dual-channel structure; light fluctuations. 中图分类号：TP212 文献标识码：A 文章编号：
3.6 ×1010
4.3
热释电红外气体传感器的内部电路结构如图 2 所示。 它主要由两组热释电敏感元、两组结型场效应管 JFET、 两 组电阻组成，分别组成测量通道和参比通道 [4-5]，这种结构 可以消除由于光源波动、腔体污染和光源反射路径导致的 测量误差。
图 4 红外截止滤光片谱图（CO2 气体探测型）
热释电红外传感器及其应用
尚中锋 1，郭景华 2，祁明锋 1,2，范子亮 2
（1.河南汉威电子股份有限公司，河南 郑州 450001； 2.郑州炜盛电子科技有限公司，河南 郑州 450001）
摘要：为有效解决电化学、气敏类传感器稳定性差、检测范围窄、易中毒、测量精度低等问题，研制了一种基于钽酸锂薄膜材 料的热释电红外气体传感器。重点介绍了该气体传感器的工作原理及其结构设计，其结构采用双通道光路测量结构，分别为测 量通道和参考通道，有效避免了光源波动和腔体污染对传感器造成的影响。该传感器具有结构新颖、简单可靠、测量范围宽、 不中毒等特点，市场应用前景广阔。 关键词： 钽酸锂薄膜;热释电红外气体传感器;双通道结构;光源波动.
图 7 热释电红外气体传感器噪声长期观察曲线
通过以上各图，我们可以看到，热释电红外气体传感 器具有良好的长期稳定性，各项性能指标均能达到技术指 标要求。
4 结语
我公司自行研制的热释电红外气体传感器，具有灵敏 度高、抗干扰能力强、测量范围宽、响应速度快、可在室 温下工作、不中毒、不依赖于氧气、没有介质损耗、寿命 长等优点， 可有效地检测多种气体， 且不受化学因素影响， 能适应多种场合的需求。具有较高的实用价值和广泛的应 用前景。同时也为提高我国红外气体传感器研发和制作水 平创造了条件，推动制作红外气体传感器过程中相关领域 的发展，共同繁荣国内高新技术产业，有很高的科技价值 和良好的社会效益。
引言1
今天，环境保护已经成为我们最关注的问题，环保、 安全防护越来越受到人们的重视，随着智能化、网络化的 推动，应用于这些领域的传感器日新月异。 目前，传统的电化学类、气敏类传感器稳定性相对较 差，需要间隔一段时间用标准气样校准，使用不方便，检 测范围窄，且在高浓度有毒气体条件下会造成传感器中毒 而不能准确反应有毒气体浓度信息。热释电红外气体传感 器具有灵敏度高、抗干扰能力强、测量范围宽、响应速度 快、可在室温下工作、使用方便、应用领域广泛、不中毒、 不依赖于氧气、没有介质损耗、寿命长等优点，可有效地 检测多种气体，不受化学因素影响，能适应多种场合的需 求，特别是恶劣的工业环境。因此开展热释电红外气体检 测传感器的研究具有重大意义。 式中：
4.26μm，4.65μm， 3.4μm，3.9μm 等 [5] [6]
I1 = I 0 e− KCL
式（2）中 I1 为红外光被气体吸收后的光强度；
（2）
I 0 为红外 光被气体吸收前的光强度； K 为气体的吸收常数； C 为气
体的体积分数； L 为红外光通过气室的长度。 根据朗伯-比尔定律可以看出，对于长度为 L 的气室， 气体探测器检测到分子个数由强度比（ I1 / I 0 ）所决定， 这个比率是气体浓度的一个度量标准。通常情况下，通过 检测这个光强的比值来检测浓度，设置适当的光电信号转 换电路，最终求得一个与该比率相对应的电信号参量，结 合一定的标定算法来求得浓度值。
。
图 3 热释电红外气体传感器装配图
C)
LiTaO3 618 54 0.003 230
介电系数 ε r 介电损耗 热释电系数 P(µ C/m 2 K) 电阻率 ρ (Ω.cm ) 探测优值 P/ε r
TO-5 为金属外壳封装，顶部开有两个窗口，在窗口上 装有不同材料制成的滤光片，它可以阻止不需要的红外线 或其它光线进入传感器，以满足不同的检测要求。例如， 4.26um 滤光片为二氧化碳检测型，3.4um 滤光片为甲烷检 测型等。 红外滤光片的透过率和截止带通性能表征的重要参 数。透过率越高，截止边缘越深，滤光片性能越好。本传 感器选用的滤光片平均透过率大于 85%，截止位置深，截 止透过率小于 0.1%，抗干扰能力强。CO2 气体对应的红外 光谱图如图 4 所示。
i = pA
dθ dt
（ 1）
p 为材料的热释电系数， A 为热释电敏感元受辐 射的面积， θ 为热释电材料的温度， t 为时间。从式（1）
看出，热释电电流是与辐射引起的热释电材料的温度变 化而不是温度本身成正比，所以热释电器件具有很高的 响应速度，但静态热辐射是不会产生热释电电流的。
恒温时
温度变化时
1 热释电红外气体传感器工作原理
1.1 热释电效应 热释电红外传感器是基于热释电效应 [1-2]工作的，图 1 为热释电效应示意图。一些晶体受热时，极化状态会发 生变化，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电 荷，这种由于热变化产生的电极化现象，被称为热释电 效应。 温度恒定时，由于热释电晶体表面吸附有来自于周 围空气中的异性电荷，因而观察不到自发极化现象，表 现为电中性。 当温度变化时，晶体表面的极化电荷则随之改变， 而它周围的吸附电荷因跟不上它的变化，失去电的平衡， 这时即显现出晶体的自发极化，对外表现出电性。其热 释电输出电流：
3 热释电红外气体传感器长期观察分析
3.1 热释电红外气体传感器测试方法 测试条件
图 2 热释电红外气体传感器内部电路结构（Rs 外接）
另外，每个通道采用补偿型双敏感元并联结构，一方 面可以消除周围环境温度起伏引起的影响，另一方面不但 可以提高传感器的可靠性和稳定性，还可以提高传感器的 信噪比。 由于该传感器是一种高阻抗（ 1010 ～ 1012 Ω ）器件， 容易引入噪声。与它相连的前置放大器的第一级必须采用 高输入阻抗（Rg> 1010 Ω ）低噪声的场效应晶体管，并把 它封装在热释电探测器管壳内，这样可以有效的降低噪
表 2 热释电红外气体传感器技术指标 分类 封装 红外接收电极 输出信号峰值[Vp-p] 电压响应率 探测率 (D*) 噪声峰值[Vp-p] 源极电压 电源电压 工作温度范围 保存温度范围 滤光片种类 CO2 气体检测型 TO-5 1.8×1.8mm2 测量通道 V1≥300mv 参考通道 V2≥150mv ≥3200 V/W ≥1.4 ×108 cmHz1/2/W ≤50 mV (0.2～1.5)V (2～15)V (-30～70)ºC (-40～80)ºC