热电检测器件ppt课件.ppt

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1、1第四章 热电检测器件n利用物质的光电效应把光信号转换成电信号的器件利用物质的光电效应把光信号转换成电信号的器件q响应波长有选择性响应波长有选择性q响应快响应快n热电检测器件热电检测器件气动探测器气动探测器热敏电阻热敏电阻（作用机理分）2第一节 热电检测器件基本原理一、定义 利用热效应（器件吸收入射辐射辐射产生温升温升引起材料物理性质的变化）输出电信号电信号的器件。 特点：从光谱响应角度来看，热探测器又称为无选择性探测器（对全波长有相同的响应率），且室温下不需制冷。二、输出信号的形成过程包括两个阶段：1、辐射能转化为热能（共性）；2、热能转换为电能（个性，不同的器件将不同电信号输出）。3n1.

2、 温度变化方程 初始，器件与环境温度处于平衡状态，其温度为T0。 功率为e的热辐射入射到器件表面时，令表面的吸收系数为a，则器件吸收的热辐射功率为ae ； 根据能量守恒原理，器件吸收的辐射功率应等于器件内能的增量与热交换能量之和。即 式中 CQ 称为热容(广延量，与体积等成正比)， G为器件与环境的热导系数（热交换能量的方式有三种：传导、辐射和对流，模型假设是通过传导方式模型假设是通过传导方式）。 TGdtTdCQea 热辐射的一般规律热辐射的一般规律 4设入射辐射为正弦辐射通量 ，则tje0etjQeTGdtTdCa0设刚开始辐射器件的时间为初始时间（初始条件：t = 0,T = 0）： Q

3、tjQtCGCjGeCjGetTQaa00 称为热敏器件的热时间常数热时间常数， 称为热阻。 QQQTCRGCGRQ1 热敏器件的热时间常数一般为毫秒至秒毫秒至秒的数量级，它与器件的大小、形状和颜色等参数有关。 1、考虑恒定光照= 0时， T由零值开始随时间t增加，当当t t趋于趋于（ t T ）时，）时，TT达到稳定值达到稳定值。等于T时，上升到稳定值的63%，故T被称为器件的热时间常数。 )1 (0TteGtTa50i teWW e0i tW ea探测器每秒吸收的热能0()i tQdTCG TWedta热探测器的热能变化率外界热变换的损失率T00T(t)=(1)1Tti tTQTTWWee

4、Ciiaa0T0t 时入射辐射的功率Tt01222( )sin()(1)TQTWT ttCa 001122222201222( )(1)(1)(1)QTQTTQTR WWT tCWGaa a 11Ttg6 2、交变光t T时，第一项衰减到可忽略，并取其实部幅值实部幅值212T20212201G1）（aaTQTCT可见，热敏器件吸收交变辐射能所引起的温升与吸收系数成正比温升与吸收系数成正比。（几乎几乎所有热敏器件被涂黑）；温升与工作频率温升与工作频率有关有关，增高，温升下降。（1）低频时（ T 1），它与热导G成反比，GT0a减小热导是增高温升、提高灵敏度的好方法，但热导与热时间常数成反比，提高

5、温升将使器件的惯性增大，时间响应变坏。 7(2)当很高（或器件的惯性很大）时， T 1aCT0温升与热导无关，而与热容成反比，且随频率的增高而衰减。 8n2. 热电器件的最小可探测功率 若器件温度为T，接收面积为A，可将探测器近似为黑体（吸收系数与发射系数相等），当它与环境处于热平衡时，单位时间所辐射的能量为 4eTAa由热导的定义 （热交换能量的方式有三种：传导、辐射和对流，模型假设是通模型假设是通过辐射方式过辐射方式，如采取悬挂支架并真空封装等手段实现）3e4TAdTdGa热电器件的主要噪声源：温度（热流起伏）噪声；当热敏器件与环境温度处于平衡时，在频带宽度内，热敏器件的温度起伏均方根值为

6、 212122214TGfkTT9器件工作在低频情况下，若仅需考虑温度噪声，得仅受温度影响的最小可探测功率或称温度等效功率PNE （ NEP）为2152122NE164aafkTAfGkTP理想吸收面a1热敏器件的比探测率为2152116kTPfADNEa与探测器的温度及吸收系数有关。 理想热电检测器件得极限比探测率1.81*101010热敏电阻与热电偶、热电堆探测器热敏电阻与热电偶、热电堆探测器n热敏电阻 （狭义：半导体）1. 热敏电阻及其特点 吸收入射辐射后引起温升而使电阻改变温升而使电阻改变，导致负载电阻两端电压的变化，并给出电信号的器件叫做热敏电阻。相对一般金属（热敏）电阻，（半导体）

7、热敏电阻（半导体）热敏电阻具备如下特点：负温度系数，且绝对值比一般金属电阻大10100倍，灵敏度高结构简单，体积小，可以测量近似几何点的温度。电阻率高，热惯性小，适宜做动态测量。阻值与温度的变化关系呈非线性。耐高温能力不足，稳定性和互换性较差。11 2. 热敏电阻的原理、结构及材料 耐高温能力差耐高温能力差：半导体热敏电阻由各种氧化物按比例混合高温烧结而成。具有负的温度系数，当温度升高时，其电阻值温度升高时，其电阻值下降，同时灵敏度也下降，承压能力下降，可能被击穿下降，同时灵敏度也下降，承压能力下降，可能被击穿。 半导体材料对光（辐射）的吸收，有两个直接效果：（1）产生光生载流子光生载流子的本

8、征吸收和杂质吸收；（2）不直接产生载流子的晶格吸收和自由电子吸收（连续吸收）等，并不同程度地转变为热能，器件的温度上升器件的温度上升： 引起晶格振动的加剧，即器件的电阻值发生增大； 热激发载流子（负温度系数的根本原因）。任何能量的辐射都可以使晶格振动加剧，只是吸收不同波长的辐射，晶格振动加剧的程度不同而已，因此，热敏电阻无选择性地热敏电阻无选择性地吸收各种波长的辐射吸收各种波长的辐射。12 对于金属（正温度系数）：自由电子密度很大，光生载流子相对自由电子可忽略。吸收光以后，金属元件其温度升高，晶格振动加剧，妨碍了自由电子定向运动，电阻增加。 半导体材料热敏电阻的温度系数为负值，大约为-3%-6

9、%，约为白金的10倍以上。显然，半导体材料（负温度系数）与金属不同！显然，半导体材料（负温度系数）与金属不同！13热敏材料厚度厚度为0.01mm左右（相同的入射辐射下得到较大的温升）粘合在导热能力高的绝缘衬底导热能力高的绝缘衬底上，电阻体两端蒸发金属电极以便与外电路连接，再把衬底同一个热容很大、导热性能良好的金属基体热容很大、导热性能良好的金属基体相连。热敏元件的表面进行黑化黑化处理，可提高热敏元件接收辐射的能力。热敏电阻经常两个一起封装使用两个一起封装使用（尽可能相同的参数，尽可能靠近），一个接受辐射，另一个不接受，仅作环境温度补偿使用：构成电桥）。 n热敏电阻探测器结构14n3. 3. 热

10、敏电阻的参数热敏电阻的参数 热敏电阻探测器的主要参数有：（1）电阻-温度特性 热敏电阻实际阻值RT（T）分为正温度系数与负温度系数(具体函数关系跟导电机制有关) ： 正温度系数（指数指数、线性。） 负温度系数（热激活模型热激活模型，二维或三维跳跃导电。） ATTeRR0TBTeRRRT为绝对温度T时的实际电阻值，与电阻的几何尺寸和材料物理特性有关的常数；A、B为材料常数。 15热敏电阻的温度系数aT （温度变化1时，热电阻实际阻值的相对变化） )/1:(1CunitdTdRRTTTa正温度系数的热敏电阻温度系数： aT = A负温度系数的热敏电阻温度系数（注：狭义热敏电阻为半导体材料）21TB

11、dTdRRTTTa给出热敏电阻温度系数的同时，必须指出测量时的温度指出测量时的温度。 16 材料常数B，又称为热灵敏指标。B值并不是一个严格的常数, 随温度的升高而略有增大，B值可按下式计算： n（2）热敏电阻阻值近似近似变化量 211221lg303. 2RRTTTTB 热敏电阻接收入射辐射后温度变化T（非常小）（非常小）： RT=RTaTT 17 （3）热敏电阻的输出特性 初始，无辐照时，UL0辐照后，热敏电阻值改变，负载电阻电压增量 TTRR 21LLRR热敏电阻输出电路如图所示，图中 （相同热敏电阻，一个受光照，一个无），TaURRUUTbbTTbbL44TLRR11LTTRRR（假定

12、： ）（ T非常小非常小 ）18n（4 4）冷阻与热阻）冷阻与热阻 RT，常称为冷阻，相对于吸收辐射功率后的热阻RF设热敏电阻吸收系数为a ，功率为的辐射入射到其上，则（假设为恒定辐射，或者为低频辐射）aTRF因此，辐照后负载电阻电压增量 FTLRUUaa4bb （1/G）19一般辐射为交流正弦信号， ，则jwte022bb14FFTLRUUaa 为热敏电阻的热时间常数热时间常数； ， 分别为其热阻和热容。可见，辐照频率的增加，热敏电阻传递给负载的电压变化率电压变化率减少。热敏电阻时间常数约为110ms，因此频率上限约为20200kHz。 FFFCRFRFCn（5）灵敏度（响应率） 单位入射辐

13、射功率下热敏电阻变换电路的输出信号电压称为灵敏度或响应率，分为直流灵敏度S0与交流灵敏度SAC。20FTRUSaa4bb0交流灵敏度SAC为 22bb14FFTACRUSaa 增加热敏电阻的灵敏度的措施： 增加偏压Ubb，但受热敏电阻的噪声以及不损坏元件的限制； 接收面涂黑增加吸收率a； 增加热阻（减小热导），措施：减少元件接收面积（辐射辐射）及其与外界对流所致热损失，常将元件装入真壳内（对流、传导对流、传导）；不足：热阻增大，响应时间增大。为了减小响应时间，通常把热敏电阻贴在具有高热导的衬底上； 选用aT大（B大）的材料。也可冷却元件工作，以提高aT值。 直流灵敏度S0为 以上为热敏电阻的参

14、数选取提供了依据（P124P125）21n（6）热敏电阻的最小可探测功率 （P124） 最小可探测功率受噪声的影响，热敏电阻的噪声主要有： 热噪声。热敏电阻的热噪声与光敏电阻相似； 温度噪声。环境温度的起伏环境温度的起伏造成元件温度起伏变化产生的噪声称为温度噪声。将元件装入真空壳内可降低这种噪声； 电流噪声。与光敏电阻的电流噪声类似，当工作频率f 10Hz时，此噪声完全可忽略。 热敏电阻可探测最小功率约为10-810-9 W。 225.2.2 热电偶探测器 n1.热电偶的工作原理 热电偶是利用物质温差产生电动势温差产生电动势的效应探测接触温度的。 如图为辐射式温差热电偶的原理图。两种金属材料A

15、和B组成的一个回路，若两金属连接点的温度存在着差异（一端高而另一端低），则在回路中会有电流产生。 即由于温度差而产生电位差U，回路电流I=U/R。R为回路电阻。这一现象称为温差热电效应温差热电效应（也称为塞贝克效应塞贝克效应）( Seebeck Effect)。 a.温差（测温）热电偶温差（测温）热电偶23 测量辐射能的热电偶称为辐射热电偶，与测温热电偶的原理相同，结构不同。如图所示，辐射热电偶的热端装有涂黑的金箔，当入射辐射通量e被金箔吸收后，金箔的温度升高，形成热端，产生温差电势，在回路中将有电流流过。显然，图中结J1为热端，J2为冷端。b.辐射热电偶辐射热电偶入射辐射引起的温升T很小，因

16、此对热电偶材料要求很高，结构也非常严格和复杂，成本昂贵。 目前大多为半导体材料。24P型半导体冷端带正电，N型冷端带负电。开路电压UOC与T关系： UOC=M12T M12为塞贝克常数，又称温差电势率（V/） GRRRMTRRRMU)()(Li0L12LLi12La0为入射辐射通量（W）；a为吸收系数；Ri为热电偶内阻；G为总热导（W/m） （1）辐射热电偶在恒定辐射（ ）作用下，用负载电阻RL将其构成回路，将有电流I流过负载电阻，并产生电压降UL，则GT0, 0a25n2. 热电偶的基本特性参数 （2）入射辐射为交流辐射信号 ，则tj0e 22Li0L12L1)(TGRRRMUa=2f，f为

17、交流辐射调制频率，T为热电偶时间常数 ；RQ，CQ、G分别为热电偶的热阻、热容和热导。G与材料的性质及环境有关，为使其稳定，常将热电偶封装于真空管中，因此，称其为真空热电偶（灵敏度提高，时间常数增大灵敏度提高，时间常数增大）。 QQQQTGCCR灵敏度S、比探测率D*、响应时间和最小可探测功率NEP等26（2）响应时间 GRRRMUS)(LiL120L0a2T2LiL12L1)(aGRRRMUSAC交流辐射信号的作用下，热电偶的灵敏度SAC为 提高热电偶的响应率最有效的办法：选用塞贝克系数较大的材料外；增加辐射的吸收率a；减小内阻Ri；减小热导G等。对于交流响应率，也可降低工作频率，减小时间常

18、数T。 热电偶的响应时间约为几毫秒到几十毫秒左右，因此通常用于探测直流或不超过几十赫兹的低频辐射探测直流或不超过几十赫兹的低频辐射。 直流辐射信号的作用下，热电偶的灵敏度S0为 （1）灵敏度（响应率）27 热电堆探测器 （P117）（3）最小可探测功率 最小可探测功率NEP取决于探测器的噪声，它主要由热噪声和温度起伏噪声，电流噪声几乎被忽略（无偏压）电流噪声几乎被忽略（无偏压）。 半导体热电偶的最小可探测功率NEP一般为10-11W左右。 为了减小热电偶的响应时间，提高灵敏度，常把辐射接收面分为若干块，每块都接一个热电偶，并把它们串联串联起来构成热电堆。（结构如右图） 28n为热电偶的对数（或

19、PN结的个数）；S为热电偶的灵敏度。热电堆的响应时间常数为 thththRC Cth为热电堆的热容量，Rth为热电堆的热阻抗。 要想使高速化和提高灵敏度两者并存；不改变热阻抗的情况下减小热容。热阻抗由导热通路长和热电堆以及膜片的剖面面积比决定。减少多晶硅的间隔，减小膜片的厚度以减少热容。 热电堆的灵敏度 及响应时间热电堆的灵敏度nSS t使用注意事项（P120，短路保存、不能用万用表检测热电偶好坏）29 第四节 热释电器件 热释电器件是利用热释电效应制成的热探测器件。热释电器件具有以下优点：具有较宽的频率响应较宽的频率响应，工作频率接近兆赫兹，远远超过其它热探测器的工作频率。一般热探测器的时间

20、常数典型值在10.01s范围内，热释电器件的有效时间常数可低达10-4 310-5 s；热释电器件的探测率高探测率高，在热探测器中只有气动探测器的D*才比热释电器件稍高，且这一差距正在不断减小； 热释电器件可有大面积均匀敏感面，而且工作时可以不外加接偏置电压； 与热敏电阻相比，它受环境温度变化的影响更小； 热释电器件的强度和可靠性可靠性（固体衬底）比其它多数热探测器都要好，且制造比较容易。 缺点：振动敏感、只能作交流应用30n热释电器件的基本工作原理 1. 热释电效应 电介质内部没有自由载流子，加电场时，正负电荷相对运动，电介质产生极化现象，从电场的加入到电极化状态的建立起来这段时间内，有短暂

21、的“位移电流”，该电流在电极化完成即告停止。 一般电介质，电场除去后极化状态即消失，带电粒子恢复原来状态。而 “铁电体” 电介质在电场除去后仍保持着极化状态，称其为“自发极化自发极化”（非中心对成结构）。31 铁电体的自发极化强度PS（单位面积上的电荷量）随着温度的升高而减低，当温度升高到一定值， PS突然消失，这个温度常被称为“居里温度”或“居里点”。 在居里点以下，极化强度极化强度PS是温度是温度T的函数的函数。利用这一关系制造的热敏探测器称为热释电器件热释电器件。AddAPsPS单位体积内的电矩矢量之和32红外辐射照射到极化后的铁电体上，温度升高温度升高，表面电荷减少，相当于热“释放释放

22、”了部分电荷电荷。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（温度达到平衡），不再释放电荷，也不再有电压信号输出。热释电器件不同于其他器件，在恒定辐射作用的情况下输出的信号电压为零。只有在交变辐射的作用下才会有信号输出交变辐射的作用下才会有信号输出。 33 温度恒定，内部自由电荷中和表面束缚电荷中和表面束缚电荷的时间常数为（ 1s1000s，非退极化时间，非器件工作的时间常数），和为介电常数和电阻率。 在面束缚电荷被中和掉之前，热释电晶体的温度因吸收辐射（ ）而发生变化，PS及束缚电荷面密度随温度T也随之变化（非平衡态，时间短10-12s）。 f134两种电极

23、结构：（a）要求电极对光透明（b）更适宜高速探测应用35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 dTdPPRtTPAUS,ddL 电压响应正比于热释电系数和温度的变化速率dT/dt（材料吸收率大，热容小， 则温度变化率大），与晶体和入射辐射达到平衡的时间无关。若为恒定光照 dT/dt=0，则U=0。2. 热释电器件的工作原理 P称为热释电系数，其单位为c/cm2K，与材料本身的特性有关，表示自发极化强度随温度的变化率。 （P129）衡量器件的三种品质因素：P13036 热释电探测器几乎是一种纯容性器件，阻抗很高，常在109以上。因此，必须配高阻抗的负载高阻抗的负载。常用JFET

24、器件作热释电探测器的前置放大器。 如果将热释电器件跨接到放大器的输入端，其等效电路如图所示。由等效电路可得热释电器件的等效负载电阻为 ：RCiRCiRRL111R(=Rs/RL)和C(=Cs+CL)为热释电器件和放大器的等效电阻和电容。37212221CRRRL对于热释电系数为P，电极面积为A的热释电器件，其在以调制频率为的交变幅射照射下（ ）的温度可以表示为 00tjeTTTTT0为环境温度，T0表示热释电器件接收光辐射后的平均温升tjeddTtTtjCRRTAPUe121222输入到放大器的电压为 21221TGTaTCQ/G为热释电器件热时间常数。38输出电压的幅值为 a2122212e

25、21)(1TGPARUeRC为电路时间常数电路时间常数，R =RsRL，C=CsCL。T =CQ/G为热时间热时间常数常数。e、T的数量级为0.110s左右。A为光敏面的面积，a为吸收系数，为入射辐射的调制频率。 热释电器件的灵敏度 电压灵敏度Sv为输出电压的幅值U与入射光功率之比2122212e21)(1TVGPARSa39几点讨论： (1) 当入射为恒定辐射，即0时，Sv=0，说明热释电器件对恒定辐射不灵敏； (2) 在低频段低频段1/T或1/e时，灵敏度S v与成正比，为热释电器件交流灵敏的体现。 (3) 当e T时，通常eT，在1/T 1/e范围内，Sv与无关； (4) 高频段高频段（

26、1/T、 1/e）时，Sv则随-1变化。 CCPASQVa减小热释电器件的有效电容和热容有利于提高高频段的灵敏度。 40n3 热释电器件的噪声 热释电器件基本结构是电容器，输出阻抗很高，所以它后面常输出阻抗很高，所以它后面常接有场效应管接有场效应管，构成源极跟随器的形式，使输出阻抗降低到适当数值。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电阻的热噪声、温度噪声和放大器噪声热噪声、温度噪声和放大器噪声等。 SV（f , RL）特性：低频段线性，高频段开始双曲线；增大RL可以提高灵敏度，但频率响应的带宽变得很窄。41热噪声电压为 412e2212NJ1)(4kTfRU当e

27、 1时，上式可简化为 22212NJ4kTfRU表明热噪声电压随调制频率的升高而下降热噪声电压随调制频率的升高而下降。 式中，k为波耳兹曼常数，T为器件的温度，f为系统的带宽。 = 4 kTf /Reff 2Ri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1. 热噪声42n3. 3. 温度噪声温度噪声 温度噪声来自热释电器件的灵敏面与外界辐射交换能量的随机性，噪声电流的方均值为 )4(222222222GfkTATAIeTAe为电极的面积，A为热敏区的面积。 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

28、匹配等方面。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)Tf/R T为背景温度。 2n2. 放大器噪声 43 若温度噪声是主要噪声源而忽略其它噪声时，噪声等效功率为 (NEP)2(4kT 2G2f/a2A2P22R) 1+(TN/T)2 由上式可以看出，热释电器件的噪声等效功率NEP具有随着调制具有随着调制频率的增加而减小频率的增加而减小的性质。 TNT(F-1)T，称为放大器的有效输入噪声温度。 GfAPkTRfkTGfAPkTRfFkTRfkTI2222N22222N44 41)-(44如果这三

29、种噪声不相关，则总噪声为 44n4 4 响应时间响应时间 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/T 1/e范围内，Sv与无关。响应度高端半功率点取决于响应度高端半功率点取决于1/T 或或 1/e中较大的一个中较大的一个，T 和和e中较中较小的一个为热释电探测器的响应时间小的一个为热释电探测器的响应时间。通常T较大，而 e与负载电阻有关，多在几秒到几个微秒几秒到几个微秒之间。5 热释电探测器的阻抗特性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，阻抗很高，常在109以上。因此，必须配高阻抗的负载。常用JFET器件（源极跟随器）作热释电探

30、测器的前置放大器。 45热释电材料具有压电特性，在使用时应注意减震防震减震防震。 n5.3.4 热释电器件的类型（三种品质因素P130）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) 15109cmHz1/2W1。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。 46n2. 铌酸锶钡 (SBN) 热释电器件 掺丙乙酸的TGS（LATGS）具有很好的锁定极化特点。温度由居里

31、温度以上降到室温，仍无退极化现象。它的热释电系数也有所提高。掺杂后TGS晶体的介电损耗减小，介电常数下降。前者降低了噪声，后者改进了高频特性。在低频情况下，这种热释电器件的NEP为41011 W/Hz-1/2，相应的D*值为5109cmHz1/2W1。它不仅灵敏度高，而且响应速度也很快。 图5-20所示为LATGS的等效噪声功率NEP和比探测率D*随工作频率f的变化关系。47n3. 3. 钽酸锂（钽酸锂（LiTaOLiTaO3 3） 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47C提高到115C。SBN探测器在大气条件下性能

32、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x0.6时，晶体在生长过程会开裂。 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8.0108cmHz1/2W1。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。 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45C时都比TGS好。 48n4. 压电陶瓷热释电器件 压电陶瓷器件的特点是热释电系数较大，介电常

33、数也较大，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7108cmHz1/2W1。此外，这种热释电器件容易制造，成本低廉。 该器件的居里温度Tc高达620C，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1310-12s，极限为110-12s；）；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:

34、YAG激光脉冲。其D*（500, 30, 1）达8.5108cmHz1/2W1。 49n5. 聚合物热释电器件 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；虽然热释电系数不大，但介电系数也小，所以比值并不小。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108cmHz1/2W1。 l6. 快速热释电探测器 如前所述，由于热释电器件的输出阻抗高，因此需要配以高阻抗负载，因而其时间常数较大，即响应时间较长。这样的热释电器件不适于探测快速变化

35、的光辐射。即使使用补偿放大器，其高频响应也仅为103Hz量级。 50 近年来发展了快速热释电器件。快速热释电器件一般都设计成同轴结构，将光敏元置于阻抗为50的同轴线的一端，采用面电极结构时，时间常数可达到1ns左右，采用边电极结构时，时间常数可降至几个ps。图5-21所示为一种快速热释电探测器的结构原理图。光敏元件是SBN晶体薄片，采用边电极结构，电极Au的厚度为0.1m，衬底采用Al2O3或BeO陶瓷等导热良好的材料。输出用SMA/BNC高频接头。这种结构的热释电探测器的响应时间为13ps，其最低极限值受晶格振动弛豫时间的限制，约为1ps。不采用同轴结构而采用一般的管脚引线封装结构，热释电探

36、测器的频响带宽已扩展到几十兆赫。快速热释电器件常用来测量大功率脉冲激光，需要能承受大功率辐射，为此应选用损伤阈值高的热释电材料和高热导的衬底材料制造。 515.3.5 典型热释电器件 为了降低器件的总热导降低器件的总热导，一般采用热导率较低的衬底。管内抽成真空或充氪气等热导很低的气体。为获得均匀的光谱响应，可在热释电器件灵灵敏层的表面涂特殊的漆敏层的表面涂特殊的漆，增加对入射辐射的吸收。 所有的热释电器件同时又是压电晶体。所有的热释电器件同时又是压电晶体。因此它对声频振动很敏声频振动很敏感感，入射辐射脉冲的热冲击会激发热释电晶体的机械振荡，而产生压电谐振。这意味着在热释电效应上叠加有压电效应，

37、产生虚假信号，使探测器在高频段的应用受到限制。 52 为防止压电谐振防止压电谐振，常采用如下方法：（1）选用声频损耗大的材料，如SBN，在很高的频率下没有发现谐振现象；（2）选取压电效应最小的取向；（3）探测器件要牢靠地固定在底板上；例如可用环氧树脂将LiTaO3粘贴在玻璃板上，再封装成管，会有效地消除谐振；（4）热释电器件在使用时，一定要注意防震。显然，前两种方法限制了器件的选材范围，第3种方法降低了响应度和比探测率。 为了提高热电器件的灵敏度和信噪比提高热电器件的灵敏度和信噪比，常把热释电器件与前置放大器（常为场效应管）做在一个管壳内。如图5-23所示为一种典型的热释电探测器与场效应管放大

38、器组合在一起的结构图。由于热热释电器件本身的阻抗高达释电器件本身的阻抗高达10101012，因此场效应管的输入阻抗应，因此场效应管的输入阻抗应高于高于1010，而且应采用具有较低噪声，较高跨导（，而且应采用具有较低噪声，较高跨导（gm2 000）的）的场效应管作为前置放大器场效应管作为前置放大器。引线要尽可能的短，最好将场效应管的栅极直接焊接到器件的一个管脚上，并一同封装在金属屏蔽壳内。 53带有场效应管放大器的热释电器件的等效电路如图5-24所示。其等效输出阻抗Z、电流和电压灵敏度等参数如5.3.2节所讨论，与工作频率等参数有关。 54本章完结 热探测器是一类基于光辐射与物质相互作用的热效应

39、光辐射与物质相互作用的热效应制成的器件。它的共同特点是，光谱响应范围宽，对于从紫外到毫米量级的光谱响应范围宽，对于从紫外到毫米量级的电磁辐射几乎都有平坦的响应，而且响应度都很高，但响应速度较电磁辐射几乎都有平坦的响应，而且响应度都很高，但响应速度较低低。所以热探测器对于交变光辐射又是一类窄带响应器件。因此，具体选用器件时，要扬长避短，综合考虑。 在热探测器中最受重视的是热释电探测器。它除具有一般热探热释电探测器。它除具有一般热探测器的优点外，还具有探测率高，时间常数小的优点。测器的优点外，还具有探测率高，时间常数小的优点。55思考题与习题 5 5.1 热辐射探测器通常分为哪两个阶段？哪个阶段能

40、够产生热电效应？ 5.2 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？ 5.3 热电器件的最小可探测功率与哪些因素有关？ 5.4 为什么半导体材料的热敏电阻常具有负温度系数？何谓热敏电阻的“冷阻”与“热阻”？ 5.7 一热探测器的光敏面积Ad1mm2，工作温度T = 300K，工作带宽f =10Hz, 若该器件表面的发射率=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=5.6710-12Wcm-1K4，波尔兹曼常数k=1.3810-23JK-1) 。 56 5.8 某热电传感器的探测面积为5mm2，吸收系数=0.8，试计算该

41、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=10-7JK-1，试求在T=300K时热探测器的热时间常数T。（假定热探测器只通过辐射与周围环境交换能量）。 5.17 如果热探测器的光敏面积Ad1mm2，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Ad4mm2，厚度d为0.1mm，体积比热c为1.67Jcm-3K-1， 若视其为黑体，求T=300K时的热时间常数T。若入射光辐射P为10mW，调制频率为1Hz，求输出电流（热释电系数为3.510-8CK-1cm-2 ）。