光热探测器.ppt

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1、4.8 4.8 光热探测器光热探测器 (Thermal Detector)1 4.8.1 基本原理基本原理 4.8.2 热敏电阻热敏电阻 4.8.3 热释电探测器热释电探测器 2两种主要的热电效应：两种主要的热电效应：温差电效应：温差电效应：温差产生电动势（塞贝克效应）温差产生电动势（塞贝克效应）热电偶和热电堆热电偶和热电堆热释电效应热释电效应 ：辐射变化引起表面电荷变化辐射变化引起表面电荷变化热释电探测器热释电探测器光吸收光吸收温度上升温度上升电学特性变化电学特性变化电参数输出电参数输出光热转换光热转换热电转换热电转换4.8.1 基本原理基本原理 特点：特点：在宽广的波段有均匀的光谱响应在宽

2、广的波段有均匀的光谱响应响应速度慢响应速度慢3对热电探测器的分析可分为两步：对热电探测器的分析可分为两步：第第一一步步是是确确定定温温升升：按按系系统统的的热热力力学学特特性性来来确确定定入入射射辐辐射所引起的温度升高射所引起的温度升高T（共性）（共性）；第第二二步步是是确确定定参参量量变变化化：根根据据温温升升来来确确定定具具体体探探测测器器输输出信号的性能出信号的性能（个性）（个性）。第第一一步步对对各各种种热热电电探探测测器器件件都都适适用用，而而第第二二步步则则随随具具体体器器件件而而异异。首首先先讨讨论论第第一一步步的的内内容容，第第二二步步在在讨论各种类型的探测器时再作分析。讨论各

3、种类型的探测器时再作分析。4光热探测器热回路最简单的模型如图所示：光热探测器热回路最简单的模型如图所示：l 为入射到探测器的辐射功率；为入射到探测器的辐射功率；l为探测器的吸收系数；为探测器的吸收系数；lHC为热容；为热容；G1/R为热导；为热导；lT为入射辐射引起的温升。为入射辐射引起的温升。一、热回路方程热回路方程能能量量守守恒恒：探探测测器器吸吸收收的的辐辐射射应应等等于于单单位位时时间间内内系系统统内内能能的的增增量量和和与与外外界界热热交交换换时时所所损损耗耗的的功功率率之之和和。因因此此，可可建建立立以以下下的的热热回路方程：回路方程：内能的增加内能的增加 与环境热交换与环境热交换

4、 吸收的能量吸收的能量 散热器散热器温度温度T0热导热导G(W/K)热链热链热敏元件热敏元件热容量热容量H(J/K)温度温度T0+T5利用初始条件：利用初始条件：t0时，时，T0，解得，解得:6t T时时，仅剩交变分量（第二项），即：仅剩交变分量（第二项），即：其幅值为：其幅值为：当当不不为为0，当当0，稳定值稳定值式式中中TH/GRC，它它是是热热电电探探测测器器的的热热时时间间常常量量，其其意意义义为为当当 tT时时，热热电电探探测测器器的的温温升升上升为稳定值的上升为稳定值的63。T的数量级约为的数量级约为几毫秒至几秒几毫秒至几秒，比光子器件的时间常量大得多。比光子器件的时间常量大得多。

5、7二、热电探测器的共性二、热电探测器的共性在在相相同同的的入入射射辐辐射射下下，对对于于热热电电探探测测器器总总是是希希望望T尽可能地大。尽可能地大。T随随G和和H的减小而增大。的减小而增大。要减小要减小H就必须减小探测器热敏元件的体积和重量；就必须减小探测器热敏元件的体积和重量；要减小要减小G，必须减小热敏元件与周围环境的热交换。必须减小热敏元件与周围环境的热交换。由由热热时时间间常常量量T的的定定义义可可知知，减减小小G又又会会使使T增增大大（牺牺牲牲探探测测响响应应时时间间）。所所以以在在设设计计和和选选用用热热电电探探测测器器时时须采取折衷方案。另外须采取折衷方案。另外G对探测极限对探

6、测极限也有影响。也有影响。T的考虑8热探测器由于温度起伏引起的温度噪声功率为：热探测器由于温度起伏引起的温度噪声功率为：热探测器由于温度起伏引起的温度噪声功率为：热探测器由于温度起伏引起的温度噪声功率为：l探测器与外界达到热平衡时，所辐射的功率为：探测器与外界达到热平衡时，所辐射的功率为：探测器与外界达到热平衡时，所辐射的功率为：探测器与外界达到热平衡时，所辐射的功率为：推导热探测器的推导热探测器的推导热探测器的推导热探测器的NEPNEP：l探测器与外界达到热平衡时，所辐射的功率为：探测器与外界达到热平衡时，所辐射的功率为：94.8.2 热敏电阻热敏电阻(Bolometer)10u原原理理：吸

7、吸收收辐辐射射，产产生生温温升升，从从而而引引起起材材料料电电阻的变化。阻的变化。u主要材料类型：金属、半导体和超导体。主要材料类型：金属、半导体和超导体。u共共同同点点：都都敏敏感感于于辐辐射射，光光谱谱响响应应基基本本上上与与入入射辐射的波长无关。射辐射的波长无关。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 111.温度系数温度系数aT 表示温度变化表示温度变化1时，热电阻实际阻值的相对变化：时，热电阻实际阻值的相对变化：一.一.工作原理和工作原理和结结构构式中，式中，R为环境温度为热力学温度为环境温度为热力学温度T时测得的实际阻值。时测

8、得的实际阻值。正温度系数（正温度系数（PTC）的热敏电阻温度系数：）的热敏电阻温度系数：负温度系数（负温度系数（NTC）的热敏电阻温度系数：）的热敏电阻温度系数：随温度随温度T变化很大，并变化很大，并与材料常数与材料常数B成正比。成正比。12由由热热敏敏材材料料制制成成的的厚厚度度为为0.01mm左左右右的的薄薄片片电电阻阻粘粘合合在在导导热热能能力力高高的的绝绝缘缘衬衬底底上上，电电阻阻体体两两端端蒸蒸发发金金属属电电极极以以便便与外电路连接；与外电路连接；再再把把衬衬底底同同一一个个热热容容很很大大、导导热热性性能能良良好好的的金金属属相相连连构构成成热热敏敏电电阻阻。（使使用用热热特特性

9、性不不同同的的衬衬底底，可可使使探探测测器器的的时时间间常量由大约常量由大约1ms变为变为50ms）红红外外辐辐射射通通过过探探测测窗窗口口投投射射到到热热敏敏元元件件上上，引引起起元元件件的的电电阻阻变变化化。为为了了提提高高热热敏敏元元件件接接收收辐辐射射的的能能力力（提提高高吸吸收收系系数），常将热敏元件的表面进行数），常将热敏元件的表面进行黑化处理黑化处理。2.结构结构131415（1 1）金属材料）金属材料-正温度系数热敏电阻正温度系数热敏电阻(PTR)由金属材料构成的测辐射热计：由金属材料构成的测辐射热计：一般金属的能带一般金属的能带结构外层无禁带，自由电子密度很大，以致外界光结构

10、外层无禁带，自由电子密度很大，以致外界光作用引起的自由电子密度相对变化较半导体而言可作用引起的自由电子密度相对变化较半导体而言可忽略不计。吸收辐射产生温升后，自由电子浓度的忽略不计。吸收辐射产生温升后，自由电子浓度的增加是微不足道的。相反，增加是微不足道的。相反，因晶格振动的加剧妨碍因晶格振动的加剧妨碍了自由电子作定向运动了自由电子作定向运动，从而，从而电阻温度系数是正电阻温度系数是正的的.Positive Temperature Coefficient(PTC)thermistors 适宜材料有铂、铜、镍、铁等。三、分三、分类类1 1、按原理分、按原理分16由由半半导导体体材材料料制制成成的

11、的测测辐辐射射热热计计：半半导导体体材材料料对对光光的的吸吸收收除除了了直直接接产产生生光光生生载载流流子子的的本本征征吸吸收收和和杂杂质质吸吸收收外外，还还有有不不直直接接产产生生载载流流子子的的晶晶格格吸吸收收和和自自由由电电子子吸吸收收等等，并并且且不不同同程程度度地地转转变变为为热热能能，引引起起晶晶格格振振动动的的加加剧剧，器器件件温温度度的的上上升升，即即器器件件的的电电阻阻值值发发生生变变化化。其其中中部部分分电电子子能能够够从从价价带带跃跃迁迁到到导导带带成成为为自自由由电电子子，使使电电阻阻减减小小，电电阻阻温温度度系系数数是是负负的的。又又因因为为各各种种波波长长的的辐辐射

12、射都都能能被被材材料料吸吸收收，只只是是吸吸收收不不同同波波长长的的辐辐射射，晶晶格格振振动动加加剧剧的的程程度度不不同同而而已已,对对温温升升都有贡献，所以它的光谱响应特性基本上与波长无关。都有贡献，所以它的光谱响应特性基本上与波长无关。（2）半导体电阻材料半导体电阻材料-负温度系数热敏电阻(NTR)Negative Temperature Coefficient(NTC)thermistors半半导导体体类类的的多多为为金金属属氧氧化化物物，例例如如氧氧化化锰锰、氧氧化化镍镍、氧氧化化钴等。钴等。17图图示示分分别别为为半半导导体体和和金金属属（白白金）的温度特性曲线。金）的温度特性曲线。

13、白白金金的的电电阻阻温温度度系系数数为为正正值值，大约为大约为0.37%左右；左右；半半导导体体材材料料热热敏敏电电阻阻的的温温度度系系数数为为负负值值，大大约约为为-3%-6%，约为白金的，约为白金的10倍以上。倍以上。所所以以热热敏敏电电阻阻探探测测器器常常用用半半导导体体材材料料制制作作而而很很少少采采用用贵贵重重的的金属金属18电阻温度系数多为电阻温度系数多为正正电阻温度系数绝对值电阻温度系数绝对值小小电电阻阻变变化化与与温温度度变变化化的的关关系系基本上是基本上是线性的线性的耐高温能力和稳定性较耐高温能力和稳定性较强强多用于温度的模拟测量。多用于温度的模拟测量。金属材料的特点金属材料

14、的特点电阻温度系数多为电阻温度系数多为负负电电阻阻温温度度系系数数绝绝对对值值大大，比比一一般般金金属属电电阻阻大大1010100100倍倍电电阻阻变变化化与与温温度度变变化化的的关关系基本上是系基本上是非线性非线性的的耐高温能力和稳定性较耐高温能力和稳定性较差差多多用用于于辐辐射射探探测测。例例如如防防盗盗报报警警、防防火火系系统统、热热辐辐射体搜索和跟踪等。射体搜索和跟踪等。半导体材料的特点半导体材料的特点19（3）其它类型）其它类型 除除了了热热敏敏电电阻阻类类的的测测辐辐射射热热计计外外，还还有有超超导导测测辐辐射射热热计计、碳测辐射热计和锗测辐射热计。碳测辐射热计和锗测辐射热计。碳碳

15、测测辐辐射射热热计计：已已用用于于极极远远红红外外波波段段的的光光谱谱测测量量。敏敏感感元元件件是是从从碳碳电电阻阻上上切切下下来来的的一一小小块块，致致冷冷到到2.1K时时，其其D*要要比比热热敏电阻测辐射热计高一个数量级。敏电阻测辐射热计高一个数量级。锗锗测测辐辐射射热热计计：敏敏感感元元件件是是锗锗掺掺镓镓单单晶晶，致致冷冷到到2.1K时时，其其D*比比热热敏敏电电阻阻测测辐辐射射热热计计约约高高12个个数数量量级级，它它的的光光谱谱响响应应可延伸到可延伸到1000m以外。以外。超超导导测测辐辐射射热热计计：它它利利用用了了金金属属或或半半导导体体由由正正常常态态向向超超导导态态过过渡渡

16、时时，电电阻阻随随温温度度急急剧剧变变化化的的性性能能。电电阻阻温温度度系系数数可可达达5000。这这种种测测辐辐射射热热计计灵灵敏敏度度很很高高，可可用用以以精精密密测测量量很很弱弱的的辐辐射射如如红红外外辐辐射射和和激激光光的的功功率率。超超导导材材料料多多为为铌铌、钽钽、铅铅或或锡锡的的氮氮化化物物。但但为为保保持持住住转转变变期期温温度度，所所需需制制冷冷量量很很大大，控制复杂，目前仅限于实验室。控制复杂，目前仅限于实验室。202 2、按使用范、按使用范围围分分类类1.1.通用型热敏电阻器通用型热敏电阻器2.2.特点：价格便宜，温度上限偏低，一般在特点：价格便宜，温度上限偏低，一般在1

17、00100度左右，例如圆片形度左右，例如圆片形2.2.热响应速度非常快的热敏电阻器热响应速度非常快的热敏电阻器特点：适合微小型化应用、热响应速度非常快的场合应用的温特点：适合微小型化应用、热响应速度非常快的场合应用的温度传感器，一般装在细针尖里面使用或贴在薄膜上使用。直度传感器，一般装在细针尖里面使用或贴在薄膜上使用。直径非常小，达到了径非常小，达到了l mm l mm 以下，热时间常数约为普通热敏电以下，热时间常数约为普通热敏电阻器的阻器的10 10 分之一。分之一。3.3.高温型热敏电阻器高温型热敏电阻器特点：温度上限可扩展到特点：温度上限可扩展到500500度左右度左右4.微测辐射热计（

18、微测辐射热计（(Microbolometer)）特点：主要用于红外辐射测量特点：主要用于红外辐射测量213.4.4 热释电探测器热释电探测器(Pyroelectric infrared detector)22 热热释释电电器器件件是是一一种种利利用用热热释释电电效效应应制制成成的的热热探探测测器器件件。与与其其它热探测器相比，热释电器件具有以下优点：它热探测器相比，热释电器件具有以下优点：具具有有较较宽宽的的频频率率响响应应，工工作作频频率率接接近近MHz，远远超超其其它它热热探探测测器器的的工工作作频频率率。一一般般热热探探测测器器的的时时间间常常数数典典型型值值在在10.01s范围内，热释

19、电器件的有效时间常数低达范围内，热释电器件的有效时间常数低达10-4310-5 s；热释电器件的探测率高热释电器件的探测率高；热热释释电电器器件件可可以以有有大大面面积积均均匀匀的的敏敏感感面面，而而且且工工作作时时可可以以不外加接偏置电压不外加接偏置电压；与热敏电阻相比，它受环境温度变化的影响更小；与热敏电阻相比，它受环境温度变化的影响更小；热热释释电电器器件件的的强强度度和和可可靠靠性性比比其其它它多多数数热热探探测测器器都都要要好好，易于制作。易于制作。23一、热释电探测器的工作原理一、热释电探测器的工作原理1.热释电效应热释电效应热电晶体材料因热电晶体材料因吸收光辐射能量、产生温升吸收

20、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24热电晶体热电晶体极化强度极化强度P PS S与温度关系与温度关系 温度低温度低温度高温度高居里温度居里温度自发极化强度自发极化强度PS：单位面积上的电荷：单位面积上的电荷量（量（C/m2）温度升高，极化强度减低。温度升高，极化强度减低。25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温升到T2 束缚电荷减少 极化驰豫时间皮秒 “释放释放”电电荷（输出电信号）荷（输出电信号）26 当红外

21、辐射照射到已经极化的热释电晶体时，当红外辐射照射到已经极化的热释电晶体时，引起温度升高，表面电荷减少，相当于热引起温度升高，表面电荷减少，相当于热“释放释放”了部分电荷。释放的电荷变成电信号输出。如果辐了部分电荷。释放的电荷变成电信号输出。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，也不再有电信号输出。电荷，也不再有电信号输出。因此，热释电器件不因此，热释电器件不同于其他光电器件，在恒定辐射作用的情况下输出同于其他光电器件，在恒定辐射作用的情况下输出的电信号为零；只有在交变辐射的作用下才会有信的电信号为零；只有在交变辐射的作用下才会有信号

22、输出。号输出。27面面电电极极结结构构：电电极极置置于于热热释释电电晶晶体体的的前前后后表表面面上上,其其中中一一个个电电极极位位于于光光敏敏面面内内。这这种种电电极极结结构构的的电电极极面面积积较较大大，极极间间距距离离较较少少，因因而而极极间间电电容容较较大大，故故其其不不适适于于高高速速应应用用。此此外外，由由于于辐辐射射要要通通过过电电极极层层才才能能到到达达晶晶体体，所所以以电电极对于待测的辐射波段必须透明。极对于待测的辐射波段必须透明。边边电电极极结结构构：电电极极所所在在的的平平面面与与光光敏敏面面互互相相垂垂直直，电电极极间间距距较较大大，电电极极面面积积较较小小，因因此此极极

23、间间电电容容较较小小。由由于于热热释释电电器器件件的的响响应应速速度度受受极极间间电电容容的的限限制制，因此，在高速运用时以极间电容小的边电极为宜。因此，在高速运用时以极间电容小的边电极为宜。2.2.热释电探测器的基本结构热释电探测器的基本结构283.热释电探测器的工作原理热释电探测器的工作原理 若若在在热热释释电电晶晶体体两两个个相相对对极极板板上上敷敷上上电电极极，两两极极间间接接上上负负载载RL，由温度变化在负载上产生的电流、电压分别为：，由温度变化在负载上产生的电流、电压分别为：dT/dt为为热热释释电电晶晶体体温温度度随随时时间间的的变变化化率率，温温度度变变化化速速率率与与材材料料

24、吸收率和热容有关。吸收率大，热容小，吸收率和热容有关。吸收率大，热容小，则温度变化率大。则温度变化率大。以频率以频率变化的辐射所引起的温度变化变化的辐射所引起的温度变化T(T=Tejt）29如果热释电探测器跨接到放大器输入端，则其可表如果热释电探测器跨接到放大器输入端，则其可表示为如图所示的等效电路示为如图所示的等效电路 lCd，Rd为热释电探测器的电容、电阻为热释电探测器的电容、电阻;lCA和和RA为放大器的电容、电阻。为放大器的电容、电阻。由等效电路可得热释电器件的等效负载阻抗为：由等效电路可得热释电器件的等效负载阻抗为：RRd/RA，CCd+CAi输输入入到到放放大大器器的的瞬瞬时时电电

25、压压为为:30得电压响应度为：得电压响应度为：式式中中，cRC为为电电路路时时间间常常数数，R=RdRA，C=CdCA。H=H/G为为热热时时间间常常数数。c、H的的数数量量级级为为0.110s左左右右。A为为光光敏敏面的面积，面的面积，为吸收系数，为吸收系数，为入射辐射的调制频率。为入射辐射的调制频率。得到电压有效值为：得到电压有效值为：31 (1)当当入入射射为为恒恒定定辐辐射射，即即0时时，Rv=0，说说明明热热释释电电器件对恒定辐射不灵敏；器件对恒定辐射不灵敏；(2)在在低低频频段段1/H、1/c）时，）时，Rv则随则随-1变化。变化。特别注意：恒定光辐射特别注意：恒定光辐射 高频段应用高频段应用 32 图给出了不同负载电阻图给出了不同负载电阻RL下的灵敏度频率特性，由图可下的灵敏度频率特性，由图可见，增大见，增大RL可以提高灵敏度，可以提高灵敏度，但是，频率响应的带宽变得很但是，频率响应的带宽变得很窄。应用时必须考虑灵敏度与窄。应用时必须考虑灵敏度与频率响应带宽的矛盾，根据具频率响应带宽的矛盾，根据具体应用条件，合理选用恰当的体应用条件，合理选用恰当的负载电阻。负载电阻。不同负载电阻不同负载电阻RL下的灵敏度频率特性下的灵敏度频率特性33