光电传感技术论文 热释电探测器及其应用

光电传感技术
热释电探测器及其应用
院系电子工程学院光电子技术系
班级光信息0802
姓名 xxxx
学号 xxxxx
班内序号08
考核成绩
摘要 论述了热释电电探测器的结构及工作原理。

推导出热释电电流，电流响应率，电压响应率的解析表达式，介绍了热点是探测器的红外探测，图像装置及其他应用，推导了热点是探测器在线开关和离走开关的工作原理、电路设计及应用。

对热释电材料进行了分类，对热释电材料、热释电传感器、热释电探测器的性能作了介绍。

关键词 热释电探测器、在线开关、离走开关、热释电材料。

热释电探测器是本世纪70年代迅速发展起来的新型探测器，这种探测器具有室温工作、不需制冷、光谱响应无波长选择性、探测度高等特点，现已广泛应用于入侵报警、火灾报警、气体分析、自动门风诸多领域。

1. 热释电传感器
热释电探测器的结构由热释电晶体、电极、吸收层、底衬、FET 和负载电阻组成．吸收层上方的硅窗口材料只允许特定波段的红外辐射入射到吸收层上．
热释电探测器具有自极化效应，晶体处于低于Curie 温度的恒温环境时，其自极化强度保持不变，即极化电荷面密度保持不变，这些电荷被空气中的带电离子中和，当红外辐射入射晶体，被晶体吸收后，晶体温度升高，自极化强度变小，即电荷面密度变小．这样，晶体表面存在多余的中和电荷，这些电荷以电压或电流的形式输出，该输出信号可用来探测辐射．相反，当截断该辐射时，晶体温度降低，自极化强度增大，有相反方向的电流或电压输出。

若在dt 时间内，热释电晶体温度变化dAT 所引起的极化强度变化为dP ，则与极轴垂直的晶体表面产生的电流面密度可表达为
dt T d dt J ∆==dp th w τ1>> （1）
T
d ∆dp 称热电系数，用P 表示，这样，J 可表示为
dt T
d p J ∆= （2）
入射辐射是角频率为w 的正弦调制光，功率幅度为0W ，该辐射可表示为()jwt e W t W 0=，
探测器吸收率为n ．此时，探测器温度上升量T ∆由下式确定
T G dt T d C e aW jwt ∆+∆=0 （3）
其中，C 为晶体的热容量，G 为晶体与周围环境的热导率，用Lap1ace 变换方法解方程并
利用初始条件0=t ，0=∆T 得
()jwt
e jwC G aW t T +=∆0 （4）
因此热释电晶体产生的电流可表示为
jwt
jwe jwC G pAaW dt T d pA I +=∆=0 （5）
式中，A 为电极面积。

1.1 电流响应度
电流响应度定义为探测器的输出信号电流与入射光功率之比，它可表示为
()2201||||th i w G pAaw W I R τ+== （A/W ） （6）
当th w τ1
>>时，(6)式简化为
C pAa
I R = (7)
(7)式在频率为几Hz 已经成立，因此它通常作为R ，的表达式．用d 表示晶体厚度，f 表示
比热，则上式可写为
cd pa
R I = （8）
决定R ，的材料参数可定义为材料电流响应度
c p R tm =，这样
d a R R I Im = （9）
因此对一定材料的探测器，可通过选择a ，d 来设计电流响应度。

（8）式指出，当调制频率
th w τ1>> 时，电流响应度与调制频率无关，但它跟热释电材料的厚度成反比．
1．2 电压响应度
电压响应度定义为探测器的输出信号电压与入射光功率之比，它可表示为 ()()2122212811||th d th V w G w G apAw R ττ++=()d d I d d v jwC G R jwC G W W V R +=+==001
（10）
其中
d C ，d G 分别为热释电元的等效电容、等效电导，G C C C th d d
e ==ττ, 当 1
,12222>>>>e th w w ττ时，上式简化为 d I
d V wC R wCC apA R == (11)
由此可知， V R 与调制角频率 w 及探测器的电容成反比，d C 可写为
d A
C d γεε0= （12）
2 热释电传感器的材料选择及原理
2.1热释电材料的选择
热释电材料的发现较早，可追溯到2300年前，但最近20年来它们才被广泛应用，一些与热释电探测器应用相关的重要特性如下：
1)热释电材料对其温度变化响应，而不是对温度本身响应；
2)它们几乎可探测任何波长的辐射，从软性x射线到远红外，甚至粒子；
3)用光学滤波器可设计不同工作波长的探测器；
4)材料呈电容性，热损极小，不需致冷；
5)介质本身的热噪声占主导地位，因此有些热释电材料的信噪比较低；
6)用Czocharlski方法可制出廉价的热释电晶体．
目前，热释电材料主要可分为单晶材料和金属氧化物陶瓷及薄膜材料。

晶体的自
发极化随温度发生的变化是其热释电效应的来源。

采用具有低电学噪声特性、优异的频率特性的热释电材料制作的具有优异性能的热释电红外探测器和热释电-铁电非致冷红外焦平面阵列探测范围宽、可在室温下工作、成本低!易于小型化、易于推广应用，正好补偿了光量子探测器及其红外焦平面阵列探测范围主要在近、中红外波段!必须配备制冷设备、价格昂贵、成本高、难于实现系统进一步的小型化和大批量应用等不足之处。

因此，可以设想，随着热释电材料、热释电-铁电非致冷红外焦平面阵列、室温探测器和热成像器件的进一步研究开发与进展，热释电材料及其应用器件将会有广阔的市场。

热释电晶体对温度变化非常敏感，能探测到10 ℃的温度变化．因此，它非常适
于交直流发动机、功率变换及类似场合的过载传感应用．高Curie温度的热释电材料能用来探测高温环境中的火灾．图3是典型的热释电探测器信号处理电路的原理框图．热释电探测器的基本原理基于热释电效应。

当一些晶体受热时，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。

通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电
子所中和，其自发极化电矩不能表现出来。

当温度变化时，晶体结构中的正负电荷重
心相对移位，自发极化发生变化，晶体表面就会产生电荷耗尽，电荷耗尽的状况正比于极化程度，下图表示了热释电效应形成的原理。

能产生热释电效应的晶体称之为热释电体或热释电元件，其常用的材料有单晶(LiTaO3 等)、压电陶瓷（PZT等）及高分子薄膜（PVFZ等）[2]热释电传感器利用的正是热释电效应，是一种温度敏感传感器。

它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，元件两个表面做成电极，当传感器监测范围内温度有ΔT的变化时，热释电效应会在两个电极上会产生电荷ΔQ，即在两电极之间产生一微弱电压ΔV。

由于它的输出阻抗极高，所以传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。

热释电效应所产生的电荷ΔQ会跟空气中的离子所结合而消失，当环境温度稳定不变时，ΔT=0，传感器无输出。

当人体进入检测区时，因人体温度与环境温度有差别，产生ΔT，则有信号输出；若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有输出，所以这种传感器能检测人体或者动物的活动。

3 热释电探测器的应用及未来发展方向
目前主要应用领域：
1．红外探测；火灾报警、气体分析、入侵报警、光热探测、污染探测、位置传感、太阳能电池研究和工程分析．
2．图象装置：森林火警探测、热释电光导摄象管、生物医学图象及自然资源监控．3．其它：温差探测、微波探测、x射线探测．
两种新应用：
热释电探测器已被广泛应用，尤其在一些不需致冷、要求功耗低的场合，它已取代了部分光子探测器、这里讨论热释电探测器的两种最新应用．
我们所用的热释电探测器中(如图4)，红外辐射入射探测器时，热释电材料两电极间有正
电压输出，这样探测器输出电压较高．当人体离开探测区，及相当于截断入射辐射后，两地板间有负电压输出，探测器输出电压较低、利用此基本原理，计图5所示的相应信号处理电路，可制成在线开关(即人体进入工作区时，开关关闭；离开工作区时，开关断开)，这种开关可用作办公桌台灯、风扇等设施的自动开关及一些类似应用．图5所示的信号处理电路由放大电路、高电压比较器、低电压比较器、逻辑判决电路、驱动
电路及光耦组成．．
利用上述原理，可以制作离走开关，即当人体进入监视区时，虽然探测器有高电压输出，但
通过比较电路，开关不关闭，直到有较低电压输出时，开关才关闭，由于有定时电路，开关将关
闭一段时间再断开．其相应信号处理电路如图6所示，由放大电路、比较电路、定时电路、驱动电
路及光耦组成．
本文论述了热释电探测器的的工作原理，推导出探测器电流响应度、电压响应度的解析表
达式，介绍了热释电探测器的目前应用，提出并详细讨论了热释电探测器的一种新应用．随着
新型结梅及新材料的探测器的出现，热释电探测器将会有更加广阔的应用．。