第三章非制冷红外焦平面阵列原理
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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。
IS
pAP0 G(1 2 2 )1/ 2
第3章 非制冷红外焦平面阵列原理
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：
VS
ISR
(12R2Ce2)1/2
IS
pAP0 G(1 2 2 )1/ 2
热电探测器的响应率为：
pAR
G (1
2
2 e
)1/
2
(1
2
2
)1/
2
第3章 非制冷红外焦平面阵列原理
3.2.2 . 热电探测器以及铁电辐射计 2. 响应率
eReC (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。
RRT
即： 1 dR
R dT
第3章 非制冷红外焦平面阵列原理
1.电阻温度系数
典型的参数为：
金属：
α＝0.002（℃）－１
半导体： α=-0.02（℃）－１
超导体： α＝2.0（℃）－１
第3章 非制冷红外焦平面阵列原理
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 ＶＳ＝ibΔR=ibαRΔT
第3章 非制冷红外焦平面阵列原理
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
第3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 非制冷红外焦平面阵列原理
4. 热流量公式 讨论： 当1时： T P0
G
当1时： T P0 C
当 0时： TP0(1expt/())
G 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 非制冷红外焦平面阵列原理
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 非制冷红外焦平面阵列原理
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
第3章 非制冷红外焦平面阵列原理
§3.1 热绝缘结构的重要性
1. 热红外传感器的基本结构
支撑腿
传
信
感
号
面积A
器
辐
射
支撑衬底
红外辐射引起的温度变化 可由以下方式测得:
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
第3章 非制冷红外焦平面阵列原理
§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。 热 对 流： 热 辐 射：
温度增加量△Ｔ：
TG(1P202)1/2
有： VS G（ i1b R 2P 02） 1/2
第3章 非制冷红外焦平面阵列原理
2. 响应率Ｒ
响应率：
V PS0 G（ 1ibR22） 1/2
正比于电阻温度系数，反比于热导。
第3章 非制冷红外焦平面阵列原理
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Baidu Nhomakorabea以及
第3章 非制冷红外焦平面阵列原理
第3章 非制冷红外焦平面阵列原理
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
第3章 非制冷红外焦平面阵列原理
3. 噪声等效温差
NETD 0A（ 4 FP 2V/N T） 12
pAR
G
(1
2
2 e
)1/
2
(1
2
2
)1
/
2
第3章 非制冷红外焦平面阵列原理
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。
(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:
C d d T tG T P P 0ex j tp
第3章 非制冷红外焦平面阵列原理
3.2.2 . 热电探测器以及铁电辐射计 1. 热释电效应
图3.4 电介质的极化曲线
极 化 强 度
温度
图3.5 热释电效应
第3章 非制冷红外焦平面阵列原理
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：
d(T) IS pA dt
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
第3章 非制冷红外焦平面阵列原理
4. 热流量公式
1962年Kruse给出电阻测辐射热计的解:
当t>>τ时：
TPG 0exj pjC ( t)
幅值：
TG(1P202)1/2
与吸收率成正比，随增加，温升下降
第3章 非制冷红外焦平面阵列原理
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 0A（ 4 FP 2V/N T） 12
F: 光学系统的光圈数；
A: 像素面积；
VN: 电子噪声； : 响应率；
τ0: 透射率； （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
第3章 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
第3章 非制冷红外焦平面阵列原理
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：
域内极化对温度的曲线的斜率。
IS
pAP0 G(1 2 2 )1/ 2
第3章 非制冷红外焦平面阵列原理
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：
VS
ISR
(12R2Ce2)1/2
IS
pAP0 G(1 2 2 )1/ 2
热电探测器的响应率为：
pAR
G (1
2
2 e
)1/
2
(1
2
2
)1/
2
第3章 非制冷红外焦平面阵列原理
3.2.2 . 热电探测器以及铁电辐射计 2. 响应率
eReC (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。
RRT
即： 1 dR
R dT
第3章 非制冷红外焦平面阵列原理
1.电阻温度系数
典型的参数为：
金属：
α＝0.002（℃）－１
半导体： α=-0.02（℃）－１
超导体： α＝2.0（℃）－１
第3章 非制冷红外焦平面阵列原理
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 ＶＳ＝ibΔR=ibαRΔT
第3章 非制冷红外焦平面阵列原理
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
第3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 非制冷红外焦平面阵列原理
4. 热流量公式 讨论： 当1时： T P0
G
当1时： T P0 C
当 0时： TP0(1expt/())
G 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 非制冷红外焦平面阵列原理
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 非制冷红外焦平面阵列原理
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
第3章 非制冷红外焦平面阵列原理
§3.1 热绝缘结构的重要性
1. 热红外传感器的基本结构
支撑腿
传
信
感
号
面积A
器
辐
射
支撑衬底
红外辐射引起的温度变化 可由以下方式测得:
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
第3章 非制冷红外焦平面阵列原理
§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。 热 对 流： 热 辐 射：
温度增加量△Ｔ：
TG(1P202)1/2
有： VS G（ i1b R 2P 02） 1/2
第3章 非制冷红外焦平面阵列原理
2. 响应率Ｒ
响应率：
V PS0 G（ 1ibR22） 1/2
正比于电阻温度系数，反比于热导。
第3章 非制冷红外焦平面阵列原理
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Baidu Nhomakorabea以及
第3章 非制冷红外焦平面阵列原理
第3章 非制冷红外焦平面阵列原理
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
第3章 非制冷红外焦平面阵列原理
3. 噪声等效温差
NETD 0A（ 4 FP 2V/N T） 12
pAR
G
(1
2
2 e
)1/
2
(1
2
2
)1
/
2
第3章 非制冷红外焦平面阵列原理
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。
(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:
C d d T tG T P P 0ex j tp
第3章 非制冷红外焦平面阵列原理
3.2.2 . 热电探测器以及铁电辐射计 1. 热释电效应
图3.4 电介质的极化曲线
极 化 强 度
温度
图3.5 热释电效应
第3章 非制冷红外焦平面阵列原理
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：
d(T) IS pA dt
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
第3章 非制冷红外焦平面阵列原理
4. 热流量公式
1962年Kruse给出电阻测辐射热计的解:
当t>>τ时：
TPG 0exj pjC ( t)
幅值：
TG(1P202)1/2
与吸收率成正比，随增加，温升下降
第3章 非制冷红外焦平面阵列原理
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 0A（ 4 FP 2V/N T） 12
F: 光学系统的光圈数；
A: 像素面积；
VN: 电子噪声； : 响应率；
τ0: 透射率； （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
第3章 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
第3章 非制冷红外焦平面阵列原理
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：