3-5-4热释电器件

因此在许多应用中，该式的高频特性近似为 ： S Ad HC
即灵敏度与信号的调制频率ω成反比。
不同负载电阻RL下的灵敏度频率特性。
由图可见，增大RL可以提高灵敏度，但是，频率响应的带宽变得 很窄。应用时必须考虑灵敏度与频率响应带宽的矛盾，根据具体 应用条件，合理选用恰当的负载电阻。
二、 热释电器件的噪声
热释电器件的基本结构是一个电容器，输出 阻抗很高，所以它后面常接有场效应管，构成源 极跟随器的形式，使输出阻抗降低到适当数值。
因此，在分析噪声的时候，也要考虑放大器的噪 声。这样，热释电器件的噪声主要有：
热噪声、温度噪声、放大器噪声
1. 热噪声
电阻的热噪声来自晶体的介电损耗和与探测器的并联电阻。
若等效电阻为Reff，则热噪声电流的方均值为
在SNB中掺少量La2O2可提高其热释电系数，掺杂的SBN热释 电器件无退极化现象，D*(500, 10 ,1) 达8.0×108cm·Hz1/2·W－1。掺 镧后其居里温度有所降低，但极化仍很稳定，损耗也有所改善。
3. 钽酸锂（LiTaO3）
这种热释电器件具有很吸引人的特性。在室温下它的热释电 响应约为TGS的一半，但在低于零度或高于45°C时都比TGS好。
4. 压电陶瓷（PZT）热释电器件
特点是热释电系数γ较大，介电常数ε也较大，二者的比值并不高。 其机械强度高、物理化学性能稳定、电阻率可以控制；能承受的 辐射功率超过LiTaO3热释电器件；居里温度高，不易退极化。例 如，锆钛酸铅热释电器件的Tc高达365℃，D*（500，1，1）高达 7×108cm·Hz1/2·W－1。此外，这种热释电器件容易制造，成本低 廉。
2. 铌酸锶钡 (SBN)热释电器件
这种热释电器件由于材料中钡含量的提高而使居里温度相应提 高。例如，钡含量从0.25增加到0.47，其居里温度相应从47°C提高 到115°C。SBN探测器在大气条件下性能稳定，无需窗口材料，电 阻率高，热释电系数大，机械强度高，在红外波段吸收率高，可不 必涂黑。工作在500MHz也不出现压电谐振，可用于快速光辐射的 探测。但SNB晶体在钡含量x<0.4时，如不加偏压，在室温下就趋于 退极化。而当x>0.6时，晶体在生长过程会开裂。
热释电器件的电压灵敏度Sv 分析：
AR
SvΒιβλιοθήκη Baidu

G(1


2
2 T
)1
/2
(1


2
2 e
)1
/2
(1) 当入射为恒定辐射，即ω＝0时，Sv=0，说明热释电器件对恒 定辐射不灵敏；
(2) 在低频段ω＜1/τT或1/τe时，灵敏度S v与ω成正比，为热释电器 件交流灵敏的体现。
(3) 当τe ≠ τT时，通常τe＜τT，在ω＝1/τT ~ 1/τe范围内，Sv与ω无关； (4) 高频段（ω＞1/τT、 1/τe）时，Sv则随ω-1变化。
三、热释电探测器的阻抗特性
热释电探测器几乎是一种纯容性器件，由于电容量很小，所 以阻抗很高，常在109Ω以上。因此，必须配高阻抗的负载。常用 JFET器件作热释电探测器的前置放大器。
用JFET构成源极跟随器，进行阻抗变换。
四、热释电器件的类型
1. 硫酸三甘肽（TGS）晶体热释电器件
它在室温下的热释电系数较大，介电常数较小， 比探测率D*值较高[D*(500, 10 ,1) 1~5×109cmHz1/2W－1]。 在较宽的频率范围内，这类探测器的灵敏度较高， 因此，至今仍是广泛应用的热辐射探测器件。 TGS可在室温下工作，具有光谱响应宽、灵敏度高等优点， 是一种性能优良的红外探测器，广泛应用红外光谱领域。
制造比较容易。
一、 热释电器件的基本工作原理
1. 热释电效应 电介质 的极化——“位移电流”
一般的电介质，在电场除去后极化状态随即消失，带电粒子又恢复 原来状态。而有一类称作为“铁电体”的电介质在外加电场除去后 仍保持着极化状态，称其为“自发极化”。
自发极化强度PS： 单位面积上的电荷量
随着温度的升高，极化强度减低。 当温度升高到一定值，自发极化突然消失，这个温度常被称为“居 里温度”或“居里点”。
思考题与习题
1 热辐射探测器通常分为哪两个阶段？哪个阶段能够产生热 电效应？
2 试说明热容、热导和热阻的物理意义，热惯性用哪个参量 来描述？它与RC时间常数有什么区别？
3 热电器件的最小可探测功率与哪些因素有关？
4 一热探测器的光敏面积Ad＝1mm2，工作温度T = 300K，工 作带宽Δf =10Hz, 若该器件表面的发射率ε=1，试求由于温度起 伏所限制的最小可探测功率Pmin(斯特潘-波尔兹曼常数 σ=5.67×10-12W·cm-1·K4，波尔兹曼常数k=1.38×10-23J·K-1) 。
3.5.3 热释电器件
热释电器件是一种利用热释电效应制成的热探测器件。优点：
① 具有较宽的频率响应，工作频率接近兆赫兹，
远远超过其它 热探测器的工作频率。
一般热探测器:1~0.01s
热释电器件:10-4 ~ 3×10-5 s
② 热释电器件的探测率高；
③ 热释电器件可以有大面积均匀的敏感面，
而且工作时可以不外加接偏置电压； ④ 它受环境温度变化的影响更小； ⑤ 热释电器件的强度和可靠性比其它多数热探测器都要好，且
信噪功率比为
SNR
I
2 S
I
2 N
Φ2/(4kT 2GΔf/ 2
4kTNG2Δf/ 2 2A22R)
噪声等效功率为
NEP

[
4k
T2Gf
2
(1

TN T2
G
Ad2 2
2R
)]1/
2
热释电器件的噪声等效功率NEP随着调制频率的增加而减小。
4 响应时间
热释电探测器在低频段的电压响应度与调制频率成正比， 在高频段则与调制频率成反比， 仅在1/τT ~ 1/τe范围内，Rv与ω无关。 热释电探测器的响应时间：在几秒到几个微秒之间。
在居里点以下，极化强度PS是温度T的函数——热释电器件。
当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片时，引起薄片温度 升高，表面电荷减少，相当于热“释放”了部分电荷。释放的电 荷可用放大器转变成电压输出。如果辐射持续作用，表面电荷将 达到新的平衡，不再释放电荷，也不再有电压信号输出。
因此，在恒定辐射作用的情况下输出的信号电压为零。
U
id RL


Ad
dT dt

RL
可见，热释电器件的电压响应正比于热释电系数和温度的变化速率
dT/dt，而与晶体和入射辐射达到平衡的时间无关。
如果将热释电器件跨接到放大器的输入端，其等效电路如图。
由等效电路可得热释电器件的 等效负载电阻为
RL

1
R
1
iC

R
1 iRC
温度噪声的方均值为
2
IT


2
Ad2
2
(
4k
T 2Δf G
)
如果这三种噪声不相关，则总噪声为
I
2 N
4kTΔf R
4kT(F -1)Δf R
4kT 2 2 Ad2 2f
G
4kTNf 4kT 2 2 Ad2 2f
R
G
式中，TN＝T＋(F-1)T， 称为放大器的有效输入噪声温度。
R(=Rs//RL)和C(=Cs+CL):热释电器件的等效电阻和等效电容。
则RL的模值为
R
RL 1 2R2C2 1 2
对于热释电系数为γ ，电极面积为A的热释电器件，其在以调制频 率为ω的交变幅射照射下的温度可以表示为
T T ejt T0
式中，T0为环境温度，于是热释电器件的温度变化率为
2. 放大器噪声
放大器噪声来自放大器中的有源元件和无源器件，及 信号源的阻抗和放大器输入阻抗之间噪声的匹配等。
设放大器的噪声系数为F，把放大器输出端的噪声折到 输入端，认为放大器是无噪声的，这时，放大器输入 端的噪声电流方均值为
Ik = 4k(F-1)TΔf/R 2
式中，T为背景温度。
3. 温度噪声
iR2 = 4 kTRΔf /Reff
式中，k为波耳兹曼常数，TR为器件的温度，Δf为系统的带宽。
热噪声电压为
1
U 2 NJ

(4kTRΔf ) 2
1


2
2 e
1 4
当ω2τ2e ＞＞1时，上式可简化为
1
U2 NJ


4kTRΔf


2
表明热噪声电压随调制频率的升高而下降。
5.17 如果热探测器的光敏面积Ad＝1mm2，试求在热探测器温 度分别为77K和300K条件下本振光所产生的散粒噪声等于热噪声 时的本振光功率。
5.18 已知TGS热释电探测器的面积Ad＝4mm2，厚度d为 0.1mm ， 体 积 比 热 c’ 为 1.67J·cm-3·K-1 ， 若 视 其 为 黑 体 ， 求 T=300K时的热时间常数τT。若入射光辐射Pω为10mW，调制频率 为1Hz，求输出电流（热释电系数γ为3.5×10-8C·K-1cm-2 ）。
若在晶体的两个相对的极板上敷上电极，在两极间接上负载RL， 则负载上就有电流通过。由于温度变化在负载上产生的电流为
is

dQ dt

Ad
dT dt
式中，dT/dt为热释电晶体的温度随时间的变化率，
温度变化速率与材料的吸收率和热容有关，吸收率大，热容小， 则温度变化率大。
通常热释电器件的电极按照性能的不同要求做成面电极和边 电极两种结构。
dT dt

T
e jt
输入到放大器的电压为
U Ad ΔT
R
1 2R2C 2
12
e jt
由
ΔT

G
P0
1


2
2 T
1
2
可得输出电压的幅值为
U

Ad R
G(1
2
2 e
)1
2
1

2
2 T
1
2
P0
式中，τe＝RC为电路时间常数，R =Rs∥RL，C=Cs＋CL。 τT 为热时间常数。τe、τT的数量级为0.1～10s左右。 Ad为光敏面的面积，α为吸收系数，ω为入射辐射的调制频率。
5.8 某热电传感器的探测面积为5mm2，吸收系数α=0.8，试计
算该热电传感器在室温300k与低温280k时1Hz带宽的最小探测功 率PNE、比探测率与热导G。
5.16 如果热探测器的热容H=10-7J·K-1，试求在T=300K时热探 测器的热时间常数τT。（假定热探测器只通过辐射与周围环境交 换能量）。
5. 聚合物薄膜热释电器件
有机聚合物热释电材料的导热小，介电常数也小；易于加工成
任意形状的薄膜；其物理化学性能稳定，造价低廉；虽然热释电系
数γ不大，但介电系数ε也小，所以比值γ／ε并不小。在聚合物热释 电材料中较好的有聚二氟乙烯（PVF2）、聚氟乙烯（PVF）及聚氟 乙烯和聚四氟乙烯等共聚物。利用PVF2薄膜已得到D*（500，10，1） 达108cm·Hz1/2·W－1。
只有在交变辐射的作用下才会有信号输出。
在垂直于极化方向的表面上，面束缚电荷密度σ与自发极化强度
Ps之间的关系：
Ps

sd
Sd

式中，S和d分别是晶体的表面积和厚度。
只要使热释电晶体的温度在面束缚电荷被中和掉之前因吸收辐
射而发生变化，晶体的自发极化强度PS就会随温度T的变化而
变化，相应的束缚电荷面密度σ也随之变化。
面电极结构中:电极置于热释电晶体的前后表面上, 其中一个电极 位于光敏面内。 电极面积较大，极间距离较少，因而电容较大， 故其不适于高速应用。
边电极结构中:电极所在的平面与光敏面互相垂直，电极间距较大， 电极面积较小，因此极间电容较小。因此，适于高速运用
热释电器件产生的热释电电流在负载电阻RL上产生的电压为
2. 热释电器件的工作原理
设晶体的自发极化矢量为Ps，Ps的方向垂直于电容器的极板平面。 接收辐射的极板和另一极板的重迭面积为Ad。由此引起表面上的束 缚极化电荷为：
Q = Adσ=AdPs 若辐射引起的晶体温度变化为ΔT，则相应的束缚电荷变化为
ΔQ =Ad(ΔPs/ΔT)ΔT = AdγΔT 式中，γ = ΔPs/ΔT称为热释电系数，其单位为c/cm2∙K， 与材料的特性有关的物理量，表示自发极化强度随温度的变化率。
该器件的居里温度Tc高达620°C，室温下的响应率几乎不随温 度变化，可在很高的环境温度下工作；且能够承受较高的辐射能量， 不退极化；它的物理化学性质稳定，不需要保护窗口；机械强度高； 响应快（时间常数为13×10-12s，极限为1×10-12s；）；适于探测高 速光脉冲。已用于测量峰值功率为几个千瓦，上升时间为100ps的 Nd:YAG激光脉冲。其D*（500, 30, 1）达8.5×108cm·Hz1/2·W－1。