【教学课件】第06章热探测器.ppt

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1、光电效应光电效应光热效应光热效应光电探测器光电探测器包括所有将光辐射能（红外、可见及紫包括所有将光辐射能（红外、可见及紫外光辐射）转变为电信号的一类器件。外光辐射）转变为电信号的一类器件。光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering第第0606章章 热探测器热探测器Thermal Detector利用光热效应（利用光热效应（Photothermal Effect）制作的器件）制作的器件称为热探测器，也称热电探测器。称为热探测器，也称热电探测器。光热效应光热效应 6.1 热探测器的基本原理及特性热探测器的基本原

2、理及特性光热效应光热效应 例：例：温差电效应温差电效应 实验证明：实验证明：A、B两端均有电动势，若将两端均有电动势，若将A置于置于热热端端，B置于置于冷端冷端，则，则A端电动势高于端电动势高于B端，回路中会端，回路中会产生产生电流电流。光辐射光辐射 温温 升升 电动势变化电动势变化光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering第第0606章章 热探测器热探测器Thermal Detector利用光热效应（利用光热效应（Photothermal Effect）制作的器件）制作的器件称为热探测器，也称热电探测器。

3、称为热探测器，也称热电探测器。光热效应光热效应 吸收辐射吸收辐射光能转换为热能，光能转换为热能，温升温升某种某种参量变化参量变化（电动势、电阻、电容、容积（电动势、电阻、电容、容积）探知辐射探知辐射的存在和强弱的存在和强弱光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering第第0606章章 热探测器热探测器Thermal Detector利用光热效应（利用光热效应（Photothermal Effect）制作的器件）制作的器件称为热探测器，也称热电探测器。称为热探测器，也称热电探测器。热电偶和热电堆热电偶和热电堆 测

4、辐射热计测辐射热计*气动探测器气动探测器热释电探测器热释电探测器6.1 热探测器的基本原理及特性热探测器的基本原理及特性光热效应光热效应 吸收辐射吸收辐射光能转换为热能，光能转换为热能，温升温升某种某种参量变化参量变化（电动势、电阻、电容、容积（电动势、电阻、电容、容积）探知辐射探知辐射的存在和强弱的存在和强弱两步分析两步分析1.1.确定温升确定温升 （共性）（共性）2.2.确定参量变化确定参量变化 （个性）（个性）光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering6.1 热探测器的基本原理及特性热探测器的基本原理

5、及特性光热效应光热效应 热流方程及其求解热流方程及其求解热探测器的共性分析热探测器的共性分析热流方程及其求解热流方程及其求解1.1.热流方程热流方程内能的增加内能的增加 与环境热交换与环境热交换 吸收的能量吸收的能量 2.2.热探测器的温升热探测器的温升 仅考虑仅考虑 交变温升交变温升 热流方程及其求解热流方程及其求解热探测器的共性分析热探测器的共性分析1.1.调制频率及热学参量调制频率及热学参量（1 1）适用于低频适用于低频（2 2）热响应时间热响应时间毫秒几秒量级毫秒几秒量级 （3）热导热导G的影响的影响:灵敏度灵敏度，响应时间响应时间1.1.调制频率及热学参量调制频率及热学参量讨论：热导

6、讨论：热导G对探测能力的影响对探测能力的影响1.1.调制频率及热学参量调制频率及热学参量讨论：热导讨论：热导G对探测能力的影响对探测能力的影响2006年年7 月月12日日 瑞士洛桑田径超级大奖赛，男子瑞士洛桑田径超级大奖赛，男子110米栏，米栏，冠军，冠军，12秒秒88，打破沉睡，打破沉睡13年之久的年之久的12秒秒91的世界纪录。的世界纪录。成绩成绩努力努力极限极限1.1.调制频率及热学参量调制频率及热学参量热导热导G 热传导热传导 -细导线细导线 热对流热对流 -真真 空空 热辐射热辐射 减小到零？减小到零？热导热导G 受受 热辐射热辐射的限制的限制 存在存在热导极限值热导极限值GR 热导

7、的极限热导的极限探测极限探测极限热导极限值热导极限值GR求求热导极限值热导极限值GR辐射出射度辐射出射度 黑体辐射出射度黑体辐射出射度辐射的总通量：辐射的总通量：1.1.调制频率及热学参量调制频率及热学参量辐射热导辐射热导 ：热导极限值热导极限值热探测器的共性分析热探测器的共性分析 探测极限探测极限（常温）（常温）温度噪声温度噪声 均方根值均方根值热导极限值热导极限值 噪声等效功率噪声等效功率2.2.热探测器的噪声等效功率热探测器的噪声等效功率辐射热导辐射热导 ：温度噪声均方根值温度噪声均方根值 ：热探测器的共性分析热探测器的共性分析2.2.热探测器的噪声等效功率热探测器的噪声等效功率物理意义

8、：物理意义：衡量实际热探测器性能的衡量实际热探测器性能的比较基准比较基准 1.由于由于GR存在，存在，NEP存在极限存在极限2.实际的实际的NEP值比上述数据大？值比上述数据大？热探测器的探测极限热探测器的探测极限热探测器的共性分析热探测器的共性分析实际的实际的D*值比上述数据小值比上述数据小2.2.热探测器的噪声等效功率热探测器的噪声等效功率热探测器的共性分析热探测器的共性分析热探测器热探测器理想理想D*值：值：热探测器的共性分析热探测器的共性分析热探测器热探测器实际实际D*值：值：3.3.热探测器与光子探测器的比较热探测器与光子探测器的比较热探测器的共性分析热探测器的共性分析光光子子探探测

9、测器器热热探探测测器器3.3.热探测器与光子探测器的比较热探测器与光子探测器的比较热探测器的共性分析热探测器的共性分析光光子子探探测测器器热热探探测测器器3.3.热探测器与光子探测器的比较热探测器与光子探测器的比较热探测器的共性分析热探测器的共性分析光子探测器光子探测器热探测器热探测器工作机理工作机理响应时间响应时间比探测率比探测率光谱响应光谱响应光子电子光子电子光热电光热电nsms mss 峰值峰值D*1091016峰值峰值D*108109波长选择性 平坦性平坦性 光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineerin

10、g第第0606章章 热探测器热探测器Thermal Detector热探测器的基本原理及特性热探测器的基本原理及特性热电偶和热电堆热电偶和热电堆 测辐射热计测辐射热计*气动探测器气动探测器热释电探测器热释电探测器6.2 6.2 热电偶和热电堆热电偶和热电堆热电偶（热电偶（Thermocoup）又称为温差电偶又称为温差电偶热探测器：热探测器：吸收辐射吸收辐射T某个量变化某个量变化测量测量热电堆（热电堆（Thermopile）又称为温差电堆又称为温差电堆基本原理：基本原理：温差电效应：温差电效应：T T例例1 1：热电堆：热电堆实物照片实物照片6.2 6.2 热电偶和热电堆热电偶和热电堆 热电偶结

11、构：热电偶结构：温差热电偶：温差热电偶：辐射热电偶：辐射热电偶：材材 料：料：金属铂、铹金属铂、铹温差电动势：温差电动势：100V/材材 料：料：半导体半导体温差电动势：温差电动势：500V/对比：对比：原理结构、接触和非接触、测量对象原理结构、接触和非接触、测量对象6.2 6.2 热电偶和热电堆热电偶和热电堆 热电偶的等效热导：热电偶的等效热导：6.2 6.2 热电偶和热电堆热电偶和热电堆热流方程 热流模型 热电偶的热流方程 热电偶的等效热导：热电偶的等效热导：6.2 6.2 热电偶和热电堆热电偶和热电堆 热电偶的 热流方程 热电偶的 输出电压 珀耳帖温差热效应 热电偶和热电堆比较：热电偶和

12、热电堆比较：6.2 6.2 热电偶和热电堆热电偶和热电堆冷端冷端热端热端热电堆的内阻 热电堆的温差电动势 可达几十千欧，阻抗匹配 测量误差，测量分辨率 问题：热电堆提高光电灵敏度？热电偶和热电堆比较：热电偶和热电堆比较：6.2 6.2 热电偶和热电堆热电偶和热电堆冷端冷端热端热端热电堆的内阻 热电堆的温差电动势 可达几十千欧，阻抗匹配 测量误差，测量分辨率 冷端温度冷端温度补偿补偿问题问题热电偶热电偶(热电堆热电堆)主要参数主要参数例：例：电压灵敏度电压灵敏度热响应时间常数热响应时间常数噪声等效功率噪声等效功率 内阻内阻6.2 6.2 热电偶和热电堆热电偶和热电堆 比探测率比探测率6.2 6.

13、2 热电偶和热电堆热电偶和热电堆薄膜型热电堆薄膜型热电堆D*5109 cmHz1/2/W。而在常温下，热。而在常温下，热探测器探测器D*的极限值可达到的极限值可达到1.81010cmHz1/2/W，薄膜型，薄膜型热电堆热电堆D*低于极限值的主要原因是下列因素不能忽略低于极限值的主要原因是下列因素不能忽略 （）A 热传导热传导 B 热辐射热辐射 C 热传导和热辐射热传导和热辐射 D 以上都不是以上都不是冷端冷端热端热端2009年光学工程专业硕士生年光学工程专业硕士生入学考试光电技术试题入学考试光电技术试题光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Scie

14、nce and Engineering6.2 6.2 热电偶和热电堆热电偶和热电堆应用举例应用举例面向定量化红外遥感的热电堆探测器定标技术面向定量化红外遥感的热电堆探测器定标技术电磁炉非接触式测温方案电磁炉非接触式测温方案光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering第第0606章章 热探测器热探测器Thermal Detector热探测器的基本原理及特性热探测器的基本原理及特性热电偶和热电堆热电偶和热电堆 测辐射热计测辐射热计*气动探测器气动探测器热释电探测器热释电探测器6.3 6.3 测辐射热计测辐射热计B

15、olometer 又称为热敏电阻又称为热敏电阻热探测器：吸收辐射热探测器：吸收辐射T某个量变化某个量变化测量测量吸收辐射吸收辐射温升温升-电阻变化电阻变化热敏电阻热敏电阻在电子电路中的符号在电子电路中的符号 热敏电阻实物照片热敏电阻实物照片材料：材料：金属或半导体金属或半导体 6.3 6.3 测辐射热计测辐射热计金金 属属：线性线性-模拟量测量，例如，温度模拟量测量，例如，温度半导体半导体：非线性非线性-辐射探测，例如，火灾报辐射探测，例如，火灾报警警材料：材料：6.3 6.3 测辐射热计测辐射热计半导体半导体金金 属属PTC（Positive Temperature Coefficient）

16、NTC（Negative Temperature Coefficient）结构：结构：环境温度变化环境温度变化补偿补偿 6.3 6.3 测辐射热计测辐射热计光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering第第0606章章 热探测器热探测器Thermal Detector热探测器的基本原理及特性热探测器的基本原理及特性热电偶和热电堆热电偶和热电堆 测辐射热计测辐射热计*气动探测器气动探测器热释电探测器热释电探测器6.4 热释电探测器热释电探测器 Pyroelectric Detector幕帘式幕帘式红外探测器红外探

17、测器吸顶式吸顶式红外探测器红外探测器热释电红外探测器模块热释电红外探测器模块 菲涅尔透镜菲涅尔透镜 6.4 热释电探测器热释电探测器 Pyroelectric Detector6.4 热释电探测器热释电探测器 热释电探测器热释电探测器是一种利用热释电效应制成的是一种利用热释电效应制成的光辐射探测器件。光辐射探测器件。TC 热释电探测器主要特性参数热释电探测器主要特性参数热释电探测器应用举例热释电探测器应用举例热释电探测器结构原理热释电探测器结构原理热释电探测器结构原理热释电探测器结构原理1.1.热释电效应热释电效应6.4 热释电探测器热释电探测器 热电晶体材料因热电晶体材料因吸收光辐射能量、产

18、生温升吸收光辐射能量、产生温升，导致，导致晶体晶体表面电荷发生表面电荷发生变化的现象，称为热释电效应。变化的现象，称为热释电效应。热电晶体热电晶体：具有：具有非中心对称非中心对称的极性晶体的极性晶体1.1.热释电效应热释电效应热热“释电释电”的物理过的物理过程程热电晶体热电晶体极化强度与温度关系极化强度与温度关系 温度低温度低温度高温度高1.1.热释电效应热释电效应恒温T1电荷中和时间：秒小时热热“释电释电”的物理过的物理过程程热电晶体热电晶体温升到T2 束缚电荷减少 极化驰豫时间皮秒1.1.热释电效应热释电效应热热“释电释电”的物理过的物理过程程热电晶体热电晶体 “释放释放”电电荷荷 恒温T

19、1电荷中和时间：秒小时温升到T2 束缚电荷减少 极化驰豫时间皮秒1.1.热释电效应热释电效应温升 等效结果晶体表面“释放”了电荷 热释电效应热释电效应输出电信号输出电信号恒温T1电荷中和时间：秒小时温升到T2 束缚电荷减少 极化驰豫时间皮秒1.1.热释电效应热释电效应热热“释电释电”的物理过的物理过程程恒温T1电荷中和时间：秒小时温升到T2 束缚电荷减少 极化驰豫时间皮秒问题1设想温度设想温度T1T2T1T2T1 快速变化快速变化 释放电荷将如何变化？释放电荷将如何变化？1.1.热释电效应热释电效应热热“释电释电”的物理过的物理过程程恒温T1电荷中和时间：秒小时温升到T2 束缚电荷减少 极化驰

20、豫时间皮秒问题2设想维持温度设想维持温度T2足够长时间（恒温）足够长时间（恒温）释放电荷将如何变化？释放电荷将如何变化？1.1.热释电效应热释电效应热热“释电释电”的物理过的物理过程程热电晶体热电晶体维持维持T2 时间足够长时间足够长 已释放电荷？已释放电荷？交流调制辐射交流调制辐射恒温T1电荷中和时间：秒小时2.2.热释电探测器的基本结构热释电探测器的基本结构6.4 热释电探测器热释电探测器 热释电探测器几乎是一种热释电探测器几乎是一种纯容性器件纯容性器件，阻抗高达，阻抗高达1010，必须配以高阻抗的负载，必须配以高阻抗的负载 结型场效应结型场效应管管（JFET）2.2.热释电探测器的基本结

21、构热释电探测器的基本结构热释电热释电JFET组件：组件：阻抗变换阻抗变换，低阻抗输出低阻抗输出实际电路：实际电路：热释电探测器几乎是一种热释电探测器几乎是一种纯容性器件纯容性器件，阻抗高达，阻抗高达1010，必须配以高阻抗的负载必须配以高阻抗的负载 结型场效应管结型场效应管（JFET）6.4 热释电探测器热释电探测器 3.3.热释电探测器的工作原理热释电探测器的工作原理等效电路：等效电路：热释电探测器热释电探测器图形符号图形符号 6.4 热释电探测器热释电探测器 3.3.热释电探测器的工作原理热释电探测器的工作原理基本原理：基本原理：辐射通量辐射通量信号电压信号电压6.4 热释电探测器热释电探

22、测器 热响应时间常数：热响应时间常数：电路响应时间常数：电路响应时间常数：3.3.热释电探测器的工作原理热释电探测器的工作原理基本原理：基本原理：辐射通量辐射通量信号电压信号电压热释电器件的主要特性参数热释电器件的主要特性参数1.1.电压灵敏度电压灵敏度灵敏度与频率关系灵敏度与频率关系:三个工作频率段三个工作频率段特别注意：恒定光辐射特别注意：恒定光辐射 6.4 热释电探测器热释电探测器 热释电器件的主要特性参数热释电器件的主要特性参数1.1.电压灵敏度电压灵敏度灵敏度与频率关系灵敏度与频率关系:三个工作频率段三个工作频率段高频段应用高频段应用 6.4 热释电探测器热释电探测器 热释电器件的主

23、要特性参数热释电器件的主要特性参数2 2热释电探测器的响应时间热释电探测器的响应时间高频段应用高频段应用 6.4 热释电探测器热释电探测器 热时间常数,例如：1s电时间常数，例如：1ms 高端半功率点（0.707）高频段高频段:时间常数小的为主时间常数小的为主3.3.热释电探测器的居里温度热释电探测器的居里温度 硫酸三甘肽硫酸三甘肽（TGS）材料）材料 当晶体温度达到某一特定温当晶体温度达到某一特定温度度Tc时，自发极化强度变为时，自发极化强度变为零，零，Tc称为称为居里温度居里温度。注意：注意：居里温度与居里温度与 最高最高工作工作温度温度 表表61热释电器件的主要特性参数热释电器件的主要特

24、性参数4.4.噪声电流和噪声等效功率噪声电流和噪声等效功率热释电探测器噪声热释电探测器噪声:=电阻热噪声电阻热噪声+放大器噪声放大器噪声+温度噪声温度噪声热释电器件的主要特性参数热释电器件的主要特性参数噪声电流表达式的推导在第十章后讲授噪声电流表达式的推导在第十章后讲授光电科学与工程学院光电科学与工程学院College Of Optoelectric Science and Engineering热释电器件的主要特性参数热释电器件的主要特性参数表表6 61 1 国产热释电探测器的特性参数国产热释电探测器的特性参数 电压灵敏度电压灵敏度 比探测率比探测率 居里温度居里温度 工作波长工作波长 紫外

25、远红外紫外远红外 热释电探测器热释电探测器应用举例应用举例例例1 1 热成像摄像机热成像摄像机（军事和医疗应用）军事和医疗应用）热像仪的机芯（热释电探测器热释电探测器）例例2 云雨云雨6号气象卫星号气象卫星 使用两个使用两个TGS 测量：测量：85km处大气温度分布处大气温度分布 太阳和地球的辐射太阳和地球的辐射热释电探测器热释电探测器应用举例应用举例612 画简图，分别表示光电导探测器、光伏探测画简图，分别表示光电导探测器、光伏探测器、光电子发射探测器和热探测器的光谱响应、响器、光电子发射探测器和热探测器的光谱响应、响应时间和比探测率等参数的大致范围。应时间和比探测率等参数的大致范围。时间时

26、间nssmss10sPCPVPMTThermal Detector 光谱光谱0.38可见光可见光 0.76红外光红外光PCPVPMTThermal Detector 紫外光紫外光1000 m612 画简图，分别表示光电导探测器、光伏探测画简图，分别表示光电导探测器、光伏探测器、光电子发射探测器和热探测器的光谱响应、响器、光电子发射探测器和热探测器的光谱响应、响应时间和比探测率等参数的大致范围。应时间和比探测率等参数的大致范围。D*107PCPVPMTThermal Detector 1081091011101510161013612 画简图，分别表示光电导探测器、光伏探测器、光电子发射探测画简图，分别表示光电导探测器、光伏探测器、光电子发射探测器和热探测器的光谱响应、响应时间和比探测率等参数的大致范围。器和热探测器的光谱响应、响应时间和比探测率等参数的大致范围。时间时间nssmss10sPCPVPMTThermal Detector 光谱光谱0.38可可见光光0.76红外光外光PCPVPMTThermal Detector 紫外光紫外光1000 mD*107PCPVPMTThermal Detector 1081091011101510161013