第四章---热电探测器件

第四章热电探测器件热探测器工作原理热释电探测器热敏电阻热电偶所谓光子效应，是指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。光子能量的大小，直接影响内部电子状态改变的大小。光子能量是hν,h是普朗克常数，ν是光波频率。所以，光子效应就对光波频率表现出选择性，在光子直接与电子相互作用的情况下，其响应速度一般比较快。光热效应和光子效应的区别光热效应和光子效应完全不同。探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测器元件温度上升，温度上升的结果使探测元件的电学性质或其它物理性质发生变化。所以，光热效应与单光子能量hν的大小没有直接关系。原则上，光热效应对光波频率没有选择性。只是在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就越强烈，所以广泛用于对红外辐射的探测。因为温度升高是热积累的作用，所以光热效应的响应速度一般比较慢，而且容易受环境温度变化的影响。热探测器是基于光辐射与物质相互作用的光热效应制成的器件。1.器件吸收入射辐射功率产生温升；2.温升引起材料各种有赖于温度的参量的变化，监测其中一种性能的变化，来探知辐射的存在和强弱。§4.1热电探测器工作原理1.热电探测器件工作的物理过程：这一过程比较慢，一般的响应时间多为毫秒级。另外，热电探测器件是利用热敏材料吸收入射辐射的总功率产生温升来工作的，而不是利用某一部分光子的能量，所以各种波长的辐射对于响应都有贡献。因此，热电探测器件的突出特点是，光谱响应范围特别宽，从紫外到红外几乎都有相同的响应，光谱特性曲线平坦。♣优点：不需制冷、在全部波长上具有平坦响应。♣缺点：响应较低，响应时间较长。2.热电探测器件的特点：HHG（1）热探测器的热时间常数：H：探测器热容量，即探测器升高一度所需热量。（J/K）G：热导，即探测器单位时间内流向环境的热量流ΔP与探测器和环境温度差ΔT的比值。G=ΔP/ΔT(W/K)几ms~几s，如何减小？3.热电探测器件的工作参数：对应于光子探测器的响应时间探测器通过热导G与周围环境发生热交换（2）热探测器的极限探测率：12514VdNRDAfVKT2312241012300,1.38105.671010TKkJKWcmKDcmHzW硫酸三苷酞热释电探测器D*（500,10,1）可达：91210cmHzW——温度噪声限制极限探测率。热释电型热敏电阻型温差电型热电探测器件分类热释电效应是通过所谓的热电材料实现的，热电材料首先是一种电介质，是绝缘体。再详细一点说，它是一种结晶对称性很差的压电晶体，因而在常温下具有自发电极化特性(即固有电偶极距)。由电磁理论可知，在垂直于电极化矢量Ps的材料表面上出现面束缚电荷，面电荷密度由于晶体内部自发电极化矢量排列混乱，因而总的Ps并不大。再加上材料表面附近分布的外部自由电荷的中和作用，通常察觉不出有面电荷存在。ssp§4.2热释电探测器件热释电效应：自发极化：大多数电介质在电场中发生极化现象，除去电场则极化现象消失。而有一类极性晶体除去电场后仍能保持极化状态，即“自发极化”。自发极化强度随温度变化的极性晶体称为热释电晶体。热释电晶体作为压电晶体中一种，具有非中心对称的晶体结构。自然状态下，在某个方向上正负电荷中心不重合，从而晶体表面存在着一定量的极化电荷（面束缚电荷），即自发极化（面束缚电荷等于自发极化强度）。因此晶体内的电场不为零，晶体成为极性晶体。温度变化时，引起晶体的正负电荷中心发生位移，因此表面的极化电荷即随之变化。！注意热释电传感器KDS209热释电传感器RE200B热释电器件是以热释电晶体为电介质的平板电容器。因热电晶体具有自发极化性质，自发极化强度能够随着温度变化，结果在垂直于自发极化方向的晶体两个外表面之间出现感应电压，即热释电效应，从而可利用这一感应电压的变化探测光辐射的能量。§4.2.1结构原理a)恒温下b)温度变化时c)温度变化时的等效表现温度恒定时，面束缚电荷被晶体内部或外部的自由电荷所中和，而观察不到它的自发极化现象。因此静态时不能测量自发极化。热电晶体在温度变化时所显示的热电效应示意图当温度变化时，晶体表面的极化电荷则随之变化（驰豫时间约10－12s），而自由电荷中和面束缚电荷所需时间长（一般在1~103秒量级）因此跟不上它的变化，在来不及中和之前，热电体侧表面就呈现出相应于温度变化的面电荷变化，失去电的平衡，这时即显现出晶体的自发极化现象。光辐射照射时热释电晶体温度升高，自发极化强度降低，因此电极表面感应的电荷减少，相当于“释放”了一部分电荷，因此称为热释电现象。如果把热电体放进一个电容器极板之间，把一个电流表与电容两端相接，就会有电流流过电流表，这个电流称为短路热释电流。这一过程的平均作用时间为所以，探测的辐射必须经过调制，而且只有辐射的调制频率f＞1/τ时才有输出。ε为晶体的介电系数，σ为晶体的电导率。如果没有经过调制的光辐射照射热释电晶体使之温度升高到新的平衡值，则电极表面感应电荷也变到新的平衡值，不再“释放”电荷，也就不再输出信号。注意设晶体的自发极化矢量为Ps，Ps的方向垂直于电容器的极板平面。接收辐射的极板和另一极板的重合部分面积为A。辐射引起的晶体温度变化为ΔT。由此，引起表面极化电荷的变化为sQAP若使上式改变一下形式，则为sQAPTTATsPTγ为热释电系数，取决于材料本身特性入射的交变辐射在热释电晶体中产生的电流为：sddPdTiAAdtdt式中γ称为热释电系数。很显然，如果照射光是恒定的，那么T为恒定值，Ps亦为恒定值，电流为零。所以热释电探测器是一种交流或瞬时响应的器件。热释电探测器产生的热释电流在负载电阻RL上产生的电压为：dLLdTViRARdtV正比于热释电系数和温度变化速率，而与时间无关;值取决于材料本身特性；与材料的吸收率和热容有关，吸收率越大，热容越小，则温度变化率就越大。dTdtdTdt面电极结构边电极结构如果垂直于晶轴方向切割出热释电晶体薄片，并镀上电极，可构成热释电探测器的两种结构：VsRLPsΦVsRLΦPs电极面积大，极间距离小，则极间电容大，不适合高速应用电极所在平面与光敏面垂直，电极面积小，极间距离大，则极间电容小，适合高速应用§4.2.2热释电探测器的电路连接两种热电晶体的特性曲线硫酸三苷酞（TGS）(a)和钛酸钡（BaTiO3）(b)的自极化强度和温度的关系曲线：PsT（℃）2060100PsT（℃）01020304050sTdPPdTTc=49℃(a)(b)Tc：居里温度T=Tc时Ps=0，晶体发生相变或退极化TTc时极化晶体变成非极化晶体按热释电器件的等效电路可表示为恒流源Is、电容Cs、电阻Rs的并联。输出电压为：1212222211sHeVPARG：为热时间常数;HHGeCR：电路时间常数。两者数量级为0.1~10s左右,sLsLRRRCCC：等效电阻、等效电容§4.2.3热释电探测器的等效电路热释探测器输出电压的幅值与入射光功率之比，即：VP1212222211VHeVRARGP11He高频段:，Rv则随ω-1变化。时，当，Rv与ω无关，为一常数；eH11He该式表明，低频段:11HeVR00VR热释电探测器对恒定辐射不响应交流响应§4.2.4热释电探测器的特性1.响应率：VRVRAHC所以，在许多应用中，高频近似式：123LLLRRRVR1LR2LR3LR热释电探测器的响应率与频率及负载电阻的关系曲线：响应率与负载电阻RL成正比；无带宽特别要求时RL尽量取大；随负载电阻RL的减小，响应的平坦区变宽，可通过改变负载电阻来展宽工作频带。2.噪声等效功率NEP热释电器件的基本结构是一个电容器，输出阻抗特别高，它的噪声，主要有电阻的热噪声和温度噪声。热噪声来自于晶体的介电损耗和与探测器相并联的电阻。如果其等效电阻为R，则电阻热嗓声电流的均方值为：iR2=4kTRΔf/Rk为波耳兹曼常数，TR为灵敏元温度，Δf为测试系统带宽。温度噪声来自于灵敏面与外界辐射交换的随机性，其噪声电流的均方值为：iT2=4kT2γ2A2ω2Δf/G噪声等效功率为：由上式可以看出，热释电器件的噪声等效功率（NEP），随着调制频率的增加而减小。(NEP)2＝(4kT2GΔf/α2)[1+(TN/T2)·(G/A2γ2ω2R)]3.响应时间热时间常数HHGeCR电路时间常数中较小的为响应时间制作热释电器件的材料要有较大的热释电系数，常用如硫酸三甘肽（TGS）晶体，掺α丙胺酸改性后的硫酸三甘肽（LATGS）晶体，钽酸锂（LiTaO3）晶体，锆钛酸铅（PZT）类陶瓷，聚氟乙烯（PVF）和聚二氟乙烯（PVF2）聚合物薄膜等。不论那种材料都有一个特定温度，称居里温度。当温度高于居里温度时，自发极化矢量为零，只有低于居里温度时，材料才有自发极化性质。正常使用时，都是使器件工作于离居里温度稍低一点的温区。§4.2.5热释电探测器件的常用材料几种热释电探测器的一些参数材料居里温度(K)工作温度(K)热释电系数(cm-2K-1)比热Cp(Jcm-3K-1)1KHz时电阻率(Ωcm)BaTiO33993002×10-8≈2TGS3223003×10-8≈1.8LiTaO38913337×10-8≈23001.9×10-8≈3≈1012Sr1-xBaxNb2O6x=0.33X=0.43353001.1×10-8≈21.2×1083513008.5×10-8≈21.6×108根据热释电器件的工作原理它只能测量变化的辐射，入射辐射的脉冲宽度必须小于自发极化矢量的平均作用时间。辐射恒定时无输出。利用它来测量辐射体温度时，它的直接输出，是背景与热辐射体的温差，而不是热辐射体的实际温度。所以，要确定热辐射体实际温度时，必须另设一个辅助探测器，先测出背景温度，然后再将背景温度与热辐射体的温差相加，即得被测物的实际温度。另外，因各种热释电材料都存在一个居里温度，所以它只能在低于居里温度的范围内使用。§4.2.6热释电探测器件的使用要点热释电器件的光谱响应范围宽，从紫外到毫米量级的电磁辐射几乎都有相同的响应。而且响应率高，但响应速度都较低（速度与响应率之积为一常量）。具体选用器件时，要扬长避短，综合考虑。在电子防盗、人体探测器领域中，热释电红外探测器的应用非常广泛。§4.2.7热释电探测器件应用实例人体都有恒定的体温，一般在37度，会发出特定波长10μm左右的红外线，通过菲涅尔滤光片增强后聚集到热释电红外感应源上，探测器接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。基于热释电红外传感器的报警系统待测目标光学系统（菲涅尔透镜）热释电探测器信号处理报警电路基于热释电红外传感器的报警系统300米大区域无线人体热释电探测器热敏电阻是由电阻温度系数大的材料制成的电阻元件，它是依据吸收光辐射后升温引起的电阻变化还测量光辐射，也称它为测辐射热计。§4.3热敏电阻（测辐射热计）电阻温度系数(αT)温度变化较小时：BTBRRT1BTBdRRdT指在任意温度下温度变化1℃(K)时的零负载电阻变化率，热敏电阻随温度的变化取决于电阻温度系数。金属电阻率及其温度系数物质温度t/℃电阻率Ω.m电阻温度系数aR/℃-1银201.5860.0038(20℃)铜201.6780.00393(20℃)金202.400.00