第四章-_光電檢測(cè)技術(shù)――熱電器件ppt課件

1、第四章 熱電檢測(cè)器件,第一節(jié) 熱電檢測(cè)器件的基本原理 第二節(jié) 熱電偶與熱電堆 第三節(jié) 熱敏電阻 第四節(jié) 熱釋電探測(cè)器件,本章主要介紹熱輻射探測(cè)器件的 熱輻射探測(cè)器件為基于光輻射與物質(zhì)相互作用的熱效應(yīng)而制成的器件。由于它具有工作時(shí)不需要制冷，光譜響應(yīng)無(wú)波長(zhǎng)選擇性等突出特點(diǎn)，使它的應(yīng)用已進(jìn)入某些被光子探測(cè)器獨(dú)占的應(yīng)用領(lǐng)域和光子探測(cè)器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用領(lǐng)域。,第一節(jié) 熱電檢測(cè)器件的基本原理,一、熱電檢測(cè)器件的共性 熱電傳感器件是將入射到器件上的輻射能轉(zhuǎn)換成熱能，然后再把熱能轉(zhuǎn)換成電能的器件。輸出信號(hào)的形成過(guò)程包括兩個(gè)階段： 第一階段為將輻射能轉(zhuǎn)換成熱能的階段（入射輻射引起溫升的階段），是共性的，具有普遍

2、的意義。,第二階段是將熱能轉(zhuǎn)換成各種形式的電能（各種電信號(hào)的輸出）階段，是個(gè)性階段 1. 溫度變化方程 熱電器件在未受到輻射作用的情況下，器件與環(huán)境溫度處于平衡狀態(tài)，其溫度為T(mén)0。當(dāng)輻射功率為We的熱輻射入射到器件表面時(shí)，令表面的吸收系數(shù)為，,則器件吸收的熱輻射功率為We ；其中一部分使器件的溫度升高，另一部分補(bǔ)償器件與環(huán)境的熱交換所損失的能量。設(shè)單位時(shí)間器件的內(nèi)能（即功率）增量為Wi ，則有 （1） CQ 稱(chēng)為熱容（表示單位溫度下的熱功率） 上式表明：內(nèi)能的增量為溫度變化的函數(shù)。,熱交換能量的方式有三種：傳導(dǎo)、輻射和對(duì)流。設(shè)單位時(shí)間通過(guò)傳導(dǎo)損失的能量 式中GQ為器件與環(huán)境的熱傳導(dǎo)系數(shù)， GQ

3、表示單位溫度下的由熱導(dǎo)損失的功率。,由能量守恒原理，器件吸收的輻射功率應(yīng)等于器件內(nèi)能的增量與熱交換能量之和。即 設(shè)入射正弦輻射能量為 則 (2),若選取剛開(kāi)始輻射器件的時(shí)間為初始時(shí)間，則此時(shí)器件與環(huán)境處于熱平衡狀態(tài)，即t = 0,T = 0。將初始條件代入微分方程(2)，解此方程，得到熱傳導(dǎo)方程為,(3),設(shè) 為熱敏器件的 熱時(shí)間常數(shù)， 稱(chēng)為熱阻 熱敏器件的熱時(shí)間常數(shù)一般為毫秒至秒的數(shù)量級(jí)，它與器件的大小、形狀、顏色等參數(shù)有關(guān)。,當(dāng)時(shí)間 t T時(shí)，(3)式中的第一項(xiàng)衰減到可以忽略的程度，溫度的變化 上式的實(shí)部為正弦變化的函數(shù)。其幅值為 (4),可見(jiàn)，熱敏器件吸收交變輻射能所引起的溫升與吸收系數(shù)

4、成正比。因此，幾乎所有的熱敏器件都被涂黑。另外，它又與工作頻率有關(guān)，增高，其溫升下降，在低頻時(shí)（ T 1），它與熱導(dǎo)GQ成反比， (4)式可寫(xiě)為,可見(jiàn)，減小熱導(dǎo)是增高溫升、提高靈敏度的好方法，但是熱導(dǎo)與熱時(shí)間常數(shù)成反比，提高溫升將使器件的慣性增大，時(shí)間響應(yīng)變壞。(4)式中，當(dāng)頻率很高（或器件的慣性很大）時(shí)， T 1， (4)式可近似為,結(jié)果，溫升與熱導(dǎo)無(wú)關(guān)，而與熱容成反比，且隨頻率的增高而衰減。 當(dāng)= 0時(shí)，由(3)式，得,由初始零值開(kāi)始隨時(shí)間 t 增加，當(dāng)t時(shí)，T 達(dá)到穩(wěn)定值(=W0/GQ); 當(dāng) t =T時(shí)，上升到穩(wěn)定值的63%。故T被稱(chēng)為器件的熱時(shí)間常數(shù)。 二、熱電器件的最小可探測(cè)功率

5、根據(jù)斯忒番-玻耳茲曼定律，若器件的溫度為T(mén)，接收面積為A，,當(dāng)它與環(huán)境處于熱平衡時(shí)，單位時(shí)間所輻射的能量為 由熱導(dǎo)的定義,經(jīng)證明，當(dāng)熱敏器件與環(huán)境溫度處于平衡時(shí)，在頻帶寬度內(nèi)，熱敏器件的溫度起伏均方根值（即溫度噪聲）為 （5） 即(4-14),考慮（4）、（5）式（即書(shū)上的 (4-7)、(4-14)式），可求熱敏器件僅受溫度影響的最小可探測(cè)功率 或溫度等效功率 此式書(shū)上有誤。,由上式，很容易得到熱敏器件的比探測(cè)率 為 只與探測(cè)器的溫度、吸收系數(shù)有關(guān)。,第二節(jié) 熱電偶與熱電堆 熱電偶雖然是發(fā)明于1826年的古老紅外探測(cè)器件，然而至今仍在光譜、光度探測(cè)儀器中得到廣泛的應(yīng)用。尤其在高、低溫的溫度探測(cè)

6、領(lǐng)域的應(yīng)用是其他探測(cè)器件無(wú)法取代的。,一、熱電偶的結(jié)構(gòu)及工作原理 熱電偶是利用物質(zhì)溫差產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)探測(cè)入射輻射的。 如圖5-6所示為輻射式溫差熱電偶的原理圖。兩種材料的金屬A和B組成的一個(gè)回路。,若兩金屬連接點(diǎn)的溫度存在著差異（一端高而另一端低），則在回路中會(huì)有如圖5-6（a）所示的電流產(chǎn)生。 即由于溫度差而產(chǎn)生的電位差E?；芈冯娏?I=E/R 其中R稱(chēng)為回路電阻。 這一現(xiàn)象稱(chēng)為溫差熱電效應(yīng)（也稱(chēng)為塞貝克熱電效應(yīng)）( Seebeck Effect)。,測(cè)量輻射能的熱電偶稱(chēng)為輻射熱電偶，它與測(cè)溫?zé)犭娕嫉脑硐嗤?，結(jié)構(gòu)不同。如圖5-6（b）所示，輻射熱電偶的熱端接收入射輻射，因此在熱端裝有一塊

7、涂黑的金箔，當(dāng)入射輻射能量 We 被金箔吸收后，金箔的溫度升高，形成熱端，產(chǎn)生溫差電勢(shì)，在回路中將有電流流過(guò)。圖5-6（b）用檢流計(jì)G可檢測(cè)出電流為I。顯然，圖中結(jié)J1為熱端，J2為冷端。,由于入射輻射引起的溫升T很小，因此對(duì)熱電偶材料要求很高，結(jié)構(gòu)也非常嚴(yán)格和復(fù)雜，成本昂貴。 圖5-7所示為半導(dǎo)體輻射熱電偶的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中用涂黑的金箔將N型半導(dǎo)體材料和P型半導(dǎo)體材料連在一起構(gòu)成熱結(jié)，另一端（冷端）將產(chǎn)生溫差電勢(shì)，P型半導(dǎo)體的冷端帶正電，N型半導(dǎo)體的冷端帶負(fù)電。,開(kāi)路電壓UOC與入射輻射使金箔產(chǎn)生的溫升T的關(guān)系為 UOC=M12T (6) 式中，M12為塞貝克常數(shù)，又稱(chēng)溫差電勢(shì)率（V/）。,

8、輻射熱電偶在恒定輻射作用下，用負(fù)載電阻RL將其構(gòu)成回路，將有電流I流過(guò)負(fù)載電阻，并產(chǎn)生電壓降UL，則 (7),(7)式中， W0為入射輻射能量（W）； 為金箔的吸收系數(shù)； Ri為熱電偶的內(nèi)阻； M12為熱電偶的溫差電勢(shì)率； G為總熱導(dǎo)（W/m）。,若入射輻射為交流輻射信號(hào) 則產(chǎn)生的交流信號(hào)電壓為 (8) 式中，=2f，f 為交流輻射的調(diào)制頻率， T為熱電偶的時(shí)間常數(shù)，,其中的RQ、CQ、G分別為熱電偶的熱阻、熱容和熱導(dǎo)。 熱導(dǎo)G與材料的性質(zhì)及周?chē)h(huán)境有關(guān)，為使熱電導(dǎo)穩(wěn)定，常將熱電偶封裝在真空管中，因此，通常稱(chēng)其為真空熱電偶。,二、熱電偶的基本特性參數(shù) 真空熱電偶的基本特性參數(shù)為： 靈敏度S、比

9、探測(cè)率D*、響應(yīng)時(shí)間和小可探測(cè)功率NEP等參數(shù)。 1. 靈敏度S(響應(yīng)度） 在直流輻射作用下，熱電偶的靈敏度S0為 (4-22),在交流輻射信號(hào)作用下，熱電偶的靈敏度S為 (4-23) 由 (4-22)式可見(jiàn)，在直流輻射下，提高熱電偶的響應(yīng)率最有效的辦法： 選用塞貝克系數(shù)M12較大的材料， 增加輻射的吸收率， 減小內(nèi)阻Ri， 減小熱導(dǎo)G等,但T=CQ /G變大。,由(4-23)式可見(jiàn)，在交流輻射信號(hào)的作用下，提高熱電偶交流響應(yīng)率最有效的辦法： 降低工作頻率， 減小時(shí)間常數(shù)T。 但是，熱電偶的響應(yīng)率與時(shí)間常數(shù)是一對(duì)矛盾（尤其是在直流輻射或低頻時(shí)），應(yīng)用時(shí)只能兼顧。,2. 響應(yīng)時(shí)間 熱電偶的響應(yīng)時(shí)

10、間約為幾毫秒到幾十毫秒左右，比較大，在BeO襯底上制造Bi-Ag結(jié)熱電偶有望得到更快的時(shí)間響應(yīng)，響應(yīng)時(shí)間可達(dá)到或小于10-7s。 3. 最小可探測(cè)功率Pmin（或NEP） 取決于探測(cè)器的噪聲，主要有熱噪聲和溫度噪聲，電流噪聲幾乎被忽略。半導(dǎo)體熱電偶的 NEP 10-11W 左右。,三、熱電堆探測(cè)器 為了減小熱電偶的 響應(yīng)時(shí)間 提高靈敏度，常把 輻射接收面分為若 干塊，每塊都接一 個(gè)熱電偶，并把它 們串聯(lián)（熱容變?。?。,1. 熱電堆的靈敏度St 式中，n為熱電堆中熱電偶的對(duì)數(shù)（或PN結(jié)的個(gè)數(shù)），S為熱電偶的靈敏度。 熱電堆的響應(yīng)時(shí)間常數(shù)為 式中, 為熱電堆的熱容量， 為熱電堆的熱阻抗。,從上二式

11、可看出：若使高速化和提高靈敏度兩者并存，就要在不改變 的情況下減小熱容 。熱阻抗由導(dǎo)熱通路的長(zhǎng)和熱電堆以及膜片的剖面面積比決定。,四、使用熱電偶的注意事項(xiàng) （1）不許強(qiáng)輻射照射，max幾十微瓦 （2）電流100A，一般在1A以下，不要用萬(wàn)用表來(lái)檢查熱電偶的好壞。 （3）保存時(shí)將兩端短路，并防強(qiáng)烈振動(dòng) （4）防止感應(yīng)電流，尤其是電火花。 （5）使用的環(huán)境溫度不要超過(guò)60 。,第三節(jié) 熱敏電阻,一、熱敏電阻及其特點(diǎn) 凡吸收入射輻射后引起溫升而使電阻改變，導(dǎo)致負(fù)載電阻兩端電壓的變化，并給出電信號(hào)的器件叫做熱敏電阻。 相對(duì)于一般的金屬電阻，熱敏電阻具備特點(diǎn)： 熱敏電阻的溫度系數(shù)大，靈敏度高，熱敏電阻的

12、溫度系數(shù)常比一般金屬電阻大10100倍。,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，可以測(cè)量近似幾何點(diǎn)的溫度。 電阻率高，熱慣性小，適宜做動(dòng)態(tài)測(cè)量。 阻值與溫度的變化關(guān)系呈非線性。 不足之處是穩(wěn)定性和互換性較差。 大部分半導(dǎo)體熱敏電阻由各種氧化物按一定比例混合，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成。多數(shù)熱敏電阻具有負(fù)的溫度系數(shù)，即當(dāng)溫度升高時(shí)，其電阻值下降，同時(shí)靈敏度也下降。,由于這個(gè)原因，限制了它在高溫情況下的使用。 二、熱敏電阻的原理、結(jié)構(gòu)及材料 半導(dǎo)體材料對(duì)光的吸收除了直接產(chǎn)生光生載流子的本征吸收和雜質(zhì)吸收外，還有不直接產(chǎn)生載流子的晶格吸收和自由電子吸收等，并且不同程度地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽鹁Ц裾駝?dòng)的加劇，器件溫度的上升，即器件的電阻值

13、發(fā)生變化。,熱敏電阻的特點(diǎn)： 由于熱敏電阻的晶格吸收，對(duì)任何能量的輻射都可以使晶格振動(dòng)加劇，只是吸收不同波長(zhǎng)的輻射，晶格振動(dòng)加劇的程度不同而已，因此，熱敏電阻無(wú)選擇性地吸收各種波長(zhǎng)的輻射，可以說(shuō)它是一種無(wú)選擇性的光敏電阻。,具有正溫度系數(shù)的金屬材料熱敏電阻： 一般金屬的能帶結(jié)構(gòu)外層無(wú)禁帶，自由電子密度很大，以致外界光作用引起的自由電子密度相對(duì)變化較半導(dǎo)體而言可忽略不計(jì)。相反，吸收光以后，使晶格振動(dòng)加劇，妨礙了自由電子作定向運(yùn)動(dòng)。因此，當(dāng)光作用于金屬元件使其溫度升高，其電阻值還略有增加，即由金屬材料組成的熱敏電阻具有正溫度系數(shù)。,具有負(fù)溫度特性的半導(dǎo)體材料熱敏電阻： 圖5-1分別為半導(dǎo)體和金屬材

14、料（白金）的溫度特性曲線。白金的電阻溫度系數(shù)為正值，大約為0.37%左右；將金屬氧化物（如銅的氧化物，錳-鎳-鈷的氧化物）的粉末用黏合劑黏合后，涂敷在瓷管或玻璃上烘干，即構(gòu)成半導(dǎo)體材料的熱敏電阻，其溫度系數(shù)為負(fù)值，大約為-3% -6%，,約為白金的10倍以上。所以熱敏電阻探測(cè)器常用半導(dǎo)體材料制作而很少采用貴重的金屬。由熱敏材料制成的厚度為0.01mm左右的薄片電阻（因?yàn)樵谙嗤娜肷漭椛湎碌玫捷^大的溫升）粘合在導(dǎo)熱能力高的絕緣襯底上，電阻體兩端蒸發(fā)金屬電極以便與外電路連接，再把襯底同一個(gè)熱容很大、導(dǎo)熱性能良好的金屬相連構(gòu)成熱敏電阻。紅外輻射通過(guò)探測(cè)窗口投射到熱敏元件上，引起元件的電阻變化。,為了

15、提高熱敏元件接收輻射的能力，常將熱敏元件的表面進(jìn)行黑化處理。 三、 熱敏電阻的參數(shù) 1. 電阻-溫度特性 熱敏電阻的阻溫特性是指實(shí)際阻值與電阻體溫度之間的依賴(lài)關(guān)系，這是它的基本特性之一。電阻溫度特性曲線如圖5-1所示。 熱敏電阻器的實(shí)際阻值RT與其自身溫度T的關(guān)系有正溫度系數(shù)與負(fù)溫度系數(shù)兩種，分別表示為：,負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻 (4-27) 正溫度系數(shù)的熱敏電阻 (4-26) 式中，RT為絕對(duì)溫度T時(shí)的實(shí)際電阻值；分別為背景環(huán)境溫度下的阻值,R0、R為與電阻的幾何尺寸和材料物理特性有關(guān)的常數(shù)；A、B為材料常數(shù)。 對(duì)負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻有 對(duì)正溫度系數(shù)的熱敏電阻有,式中，RT為環(huán)境溫度為熱力學(xué)溫

16、度T時(shí)測(cè)得的實(shí)際阻值。由上二式可分別求出正、負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻的溫度系數(shù) aT 。 aT 表示溫度變化1時(shí)，熱電阻實(shí)際阻值的相對(duì)變化為 (4-30) 式中，aT 和 RT 為對(duì)應(yīng)于溫度T ( K )時(shí)的熱電阻的溫度系數(shù)和阻值。,對(duì)于負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻溫度系數(shù)為 (4-32) 對(duì)于正溫度系數(shù)的熱敏電阻溫度系數(shù)為 aT = A (4-31) 在工作溫度范圍內(nèi)，正溫度系數(shù)熱敏電阻的aT在數(shù)值上等于常數(shù)A，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的aT隨溫度T的變化很大，并與材料常數(shù)B成正比。,因此，通常在給出熱敏電阻溫度系數(shù)的同時(shí)，必須指出測(cè)量時(shí)的溫度。 材料常數(shù)B是用來(lái)描述熱敏電阻材料物理特性的一個(gè)參數(shù)，又稱(chēng)為熱靈

17、敏指標(biāo)。在工作溫度范圍內(nèi)，B值并不是一個(gè)嚴(yán)格的常數(shù), 而是隨溫度的升高而略有增大。,一般說(shuō)來(lái)，B值大，電阻率也高，對(duì)于負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻器，B值可按下式計(jì)算： (4-33) 2. 熱敏電阻阻值變化量 已知熱敏電阻溫度系數(shù)aT后，當(dāng)熱敏電阻接收入射輻射后,溫度變化T，,則阻值變化量為 RT=RT aT T (4-35) 式中，RT為溫度T時(shí)的電阻值，上式只有在T不大的條件下才能成立。 3. 熱敏電阻的輸出特性 熱敏電阻電路如圖5-5，圖中 。若在熱敏電阻上加上偏壓Ubb之后，由于輻射的照射使熱敏電阻值改變，因而負(fù)載電阻電壓增量,(4-36) 上式為假定 ， 的條件下得到的。 4. 冷阻與熱阻

18、RT為熱敏電阻在某個(gè) 溫度下的電阻值， 常稱(chēng)為冷阻，如果功 率為W的輻射入射,到熱敏電阻上，設(shè)其吸收系數(shù)為a，則熱敏電阻的熱阻定義為吸收單位輻射功率所引起的溫升， (4-37) (4-36)式可寫(xiě)成 (4-38) 若入射輻射為交流正弦信號(hào) 則負(fù)載上輸出為,式中 為熱敏電阻的熱時(shí)間常數(shù)； 為熱敏電阻， 為熱容。由上式可見(jiàn)，隨輻照頻率的增加，熱敏電阻傳遞給負(fù)載的電壓變化率減少。熱敏電阻的時(shí)間常數(shù)約為110ms，則使用頻率上限 f上1/(2F )，約為20200kHz左右。 5. 靈敏度（響應(yīng)率） 單位入射輻射功率下熱敏電阻變換電路的輸出信號(hào)電壓稱(chēng)為靈敏度或響應(yīng)率，,它常分為直流靈敏度S0與交流靈敏

19、度SAC。 直流靈敏度 (4-40) 交流靈敏度 (4-41) 可見(jiàn)，要增加熱敏電阻的靈敏度，需采取以下措施： 增加偏壓Ubb，但受熱敏電阻的噪聲以及不損壞元件的限制； 把熱敏電阻的接收面涂黑增加吸收率a,增加熱阻，其辦法是減少元件的接收面積及元件與外界對(duì)流所造成的熱量損失，常將元件裝入真空殼內(nèi)，但隨著熱阻的增大，響應(yīng)時(shí)間也增大。為了減小響應(yīng)時(shí)間，通常把熱敏電阻貼在具有高熱導(dǎo)的襯底上； 選用 aT 大的材料，也即選取B值大的材料。當(dāng)然還可使元件冷卻工作，以提高 aT 值。,6. 最小可探測(cè)功率 熱敏電阻的最小可探測(cè)功率受噪聲的影響。熱敏電阻的噪聲主要有： 熱噪聲。熱敏電阻的熱噪聲與光敏電阻阻值的關(guān)系相似為U2NT=4kTRf 溫度噪聲。因環(huán)境溫度的起伏而造成元件溫度起伏變化產(chǎn)生的噪聲稱(chēng)為溫度噪聲。將元件裝入真空殼內(nèi)可降低這種噪聲。, 電流噪聲。與光敏電阻的電流噪聲類(lèi)似，當(dāng)工作頻率f 10kHz時(shí)，此噪聲完全可以忽略不計(jì)。 根據(jù)這些噪聲情況，熱敏電阻可探測(cè)的最小功率約為108 109 W。 （半導(dǎo)體熱電偶的 NEP 10-11W 左右。）,第四節(jié) 熱釋電探測(cè)器件,一、工作原理 介質(zhì)的極化強(qiáng)度隨溫度的變化而改變，引起表面電荷變化的現(xiàn)象。 束縛面電荷密度自發(fā)極化強(qiáng)度 溫度低時(shí)，自發(fā)極化強(qiáng)度大； 溫度高時(shí)，自發(fā)極化強(qiáng)度變小，相當(dāng)于釋放電荷,當(dāng)溫度高于某一特定值時(shí)，自發(fā)極