第8章_微測(cè)輻射熱計(jì)焦平面陣列

1、第八章 微測(cè)輻射熱計(jì)紅外成像器件8 8.1 .1 引言引言8.2 8.2 微測(cè)輻射熱計(jì)的工作原理微測(cè)輻射熱計(jì)的工作原理8.3 8.3 微測(cè)輻射熱計(jì)的噪聲微測(cè)輻射熱計(jì)的噪聲8.4 8.4 微測(cè)輻射熱計(jì)的信噪比微測(cè)輻射熱計(jì)的信噪比8.5 8.5 微測(cè)輻射熱計(jì)的讀出電路微測(cè)輻射熱計(jì)的讀出電路8.6 8.6 微測(cè)輻射熱計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制備以及微測(cè)輻射熱計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制備以及封裝封裝o一種探測(cè)入射紅外光引起自身溫度升高的傳感器。使用一種電導(dǎo)率隨著溫度變化的材料來測(cè)量溫度的改變量。這樣通過溫度的改變量來測(cè)定入射紅外光的大小。1、什么是紅外熱輻射計(jì)o原理上：輻射計(jì)：利用入射的紅外光使輻射計(jì)探測(cè)材料溫度發(fā)生變化

2、來探測(cè)的。 傳感器：利用其他敏感量來測(cè)量。o探測(cè)對(duì)象：一個(gè)是紅外光（熱輻射），另一個(gè)是其他的敏感量（如聲音、壓等）。o材料上：輻射計(jì)：利用電導(dǎo)率隨著溫度變化的材料。傳感器：如壓力傳感器可利用壓電陶瓷等。2、紅外熱輻射計(jì)與其他傳感器的區(qū)別8.1 引言 1881 1881年年LangleyLangley在別人建立的輻射計(jì)原理基礎(chǔ)上在別人建立的輻射計(jì)原理基礎(chǔ)上構(gòu)造出第一個(gè)輻射計(jì)。以后的工作就在于對(duì)輻射計(jì)構(gòu)造出第一個(gè)輻射計(jì)。以后的工作就在于對(duì)輻射計(jì)的改進(jìn)上。的改進(jìn)上。 1978 1978年年JohnsonJohnson提出了適用的硅微型隔熱結(jié)構(gòu)作為提出了適用的硅微型隔熱結(jié)構(gòu)作為室內(nèi)溫度熱紅外傳感器。室

3、內(nèi)溫度熱紅外傳感器。 1979 1979年年JohnsonJohnson和和HigashiHigashi構(gòu)造了構(gòu)造了原型傳感器原型傳感器。 由機(jī)械橋型的由機(jī)械橋型的SiSi3 3N N4 4構(gòu)成，外部為構(gòu)成，外部為100100 m m大大小小厚為厚為1 1 m m，帶有金屬薄膜溫度敏感電阻器。，帶有金屬薄膜溫度敏感電阻器。 構(gòu)造這些裝置時(shí)，使用各向異性蝕刻法制構(gòu)造這些裝置時(shí)，使用各向異性蝕刻法制成的硅片來制作隔熱的成的硅片來制作隔熱的SiSi3 3N N4 4微型橋路，對(duì)微型橋路，對(duì)IRIR輻輻射很敏感。射很敏感。 原型傳感器原型傳感器: 1982 1982，KruseKruse通過計(jì)算表明硅

4、微型機(jī)械加通過計(jì)算表明硅微型機(jī)械加工的微型輻射計(jì)可以達(dá)到接近室溫下工的微型輻射計(jì)可以達(dá)到接近室溫下IRIR探測(cè)器探測(cè)器的性能，并提出了他們作為一個(gè)兩維的凝視型的性能，并提出了他們作為一個(gè)兩維的凝視型焦平面陣列的構(gòu)造。焦平面陣列的構(gòu)造。 1982 1982，ArchArch和和HeiserHeiser對(duì)微機(jī)械加工的對(duì)微機(jī)械加工的SiSi3 3N N4 4微型輻射計(jì)做了大量的測(cè)量。測(cè)得的微型輻射計(jì)做了大量的測(cè)量。測(cè)得的D D* * 為為10109 9cmHzcmHz1/21/2/W /W ， D D* *足夠在凝視焦平面中產(chǎn)生一足夠在凝視焦平面中產(chǎn)生一個(gè)很好的噪聲等效溫差個(gè)很好的噪聲等效溫差 。

5、1983 1983年，帶有微機(jī)械加工的測(cè)輻射熱計(jì)的年，帶有微機(jī)械加工的測(cè)輻射熱計(jì)的紅外成像儀演示于眾紅外成像儀演示于眾(Wood 1983)(Wood 1983)。 1992 1992年，年，240240336336元陣列的元陣列的NETDNETD值為值為39mk(Fno=1, 30Hz39mk(Fno=1, 30Hz幀速幀速) )，被用于一個(gè)便攜式，被用于一個(gè)便攜式的非致冷攝像機(jī)上的非致冷攝像機(jī)上 。 成像元件是受單元探測(cè)器吸收的輻射光所影響。 入射光能量下溫度增加的熱流量公式，溫度的增加依賴于探測(cè)機(jī)構(gòu)。 最重要的探測(cè)器件是電阻型測(cè)輻射熱計(jì)。8.2 基本原理電阻變化（輻射計(jì)）電阻變化（輻射計(jì)

6、）熱電結(jié)（熱電結(jié)（TETE傳感器）傳感器）熱釋電效應(yīng)熱釋電效應(yīng)氣體壓力變化氣體壓力變化等等紅外輻射引起的溫度變紅外輻射引起的溫度變化可由以下方式測(cè)得化可由以下方式測(cè)得: :支撐襯底支撐襯底面積面積A傳傳感感器器支撐腿支撐腿信信號(hào)號(hào)輻輻射射1. 熱紅外傳感器的基本結(jié)構(gòu)熱紅外傳感器的基本結(jié)構(gòu)o 1 1）熱量敏感區(qū)沿支撐物向襯底）熱量敏感區(qū)沿支撐物向襯底; ;o 2 2）相鄰像素之間橫向熱流通；）相鄰像素之間橫向熱流通；o 3 3）如果陣列沒有固定在一個(gè)抽空的封裝）如果陣列沒有固定在一個(gè)抽空的封裝盒里，熱量會(huì)流向周圍的大氣。盒里，熱量會(huì)流向周圍的大氣。熱熱 傳傳 導(dǎo)：導(dǎo)：2. 熱傳遞的三個(gè)方式熱傳遞

7、的三個(gè)方式o熱對(duì)流是第二種熱傳遞方式。 o 在陣列中熱對(duì)流不是一種很重要的熱傳遞方式。如果熱成像陣列包裝并未抽空，則從熱敏感元件流經(jīng)大氣的熱損失往往是熱傳導(dǎo)而不是熱對(duì)流。熱熱 對(duì)對(duì) 流：流：o熱輻射是第三種熱傳遞方式。o敏感元件向周圍輻射熱量，周圍環(huán)境也向其輻射熱量。對(duì)熱成像陣列這是理想狀況。o如果主要熱損失是輻射性的，則陣列是受背景限制，這種限制對(duì)于工作性能影響是非常大。熱熱 輻輻 射：射：一、光熱效應(yīng)一、光熱效應(yīng)1、光熱效應(yīng)、光熱效應(yīng)：當(dāng)光照射到理想的黑色吸收體上時(shí)，：當(dāng)光照射到理想的黑色吸收體上時(shí)， 黑體將吸收所有波長(zhǎng)的全部光能量，并轉(zhuǎn)換為熱黑體將吸收所有波長(zhǎng)的全部光能量，并轉(zhuǎn)換為熱 能

8、，稱為光熱效應(yīng)。能，稱為光熱效應(yīng)。2、光熱探測(cè)器原理：、光熱探測(cè)器原理：熱能增多導(dǎo)致吸收體的物理、機(jī)械性能變化，熱能增多導(dǎo)致吸收體的物理、機(jī)械性能變化，如：如：溫度、體積、電阻、熱電動(dòng)勢(shì)等，溫度、體積、電阻、熱電動(dòng)勢(shì)等，通過測(cè)量這些通過測(cè)量這些變化可確定光能量或光功率大小。變化可確定光能量或光功率大小。由光熱效應(yīng)制由光熱效應(yīng)制成的光探測(cè)器統(tǒng)稱為成的光探測(cè)器統(tǒng)稱為光熱探測(cè)器。光熱探測(cè)器。3、光熱探測(cè)器對(duì)光輻射的響應(yīng)過程、光熱探測(cè)器對(duì)光輻射的響應(yīng)過程吸收光輻射能量使器件自身溫度發(fā)生變化。吸收光輻射能量使器件自身溫度發(fā)生變化。依賴某種溫度敏感特性把輻射能引起的溫度變依賴某種溫度敏感特性把輻射能引起的

9、溫度變 化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，達(dá)到探測(cè)的目的?；D(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，達(dá)到探測(cè)的目的。4、光熱探測(cè)器的特點(diǎn)、光熱探測(cè)器的特點(diǎn)利用熱敏材料吸收入射輻射的總功率產(chǎn)生溫升來工利用熱敏材料吸收入射輻射的總功率產(chǎn)生溫升來工作的，而不是利用某一部分光子的能量作的，而不是利用某一部分光子的能量，所以各種，所以各種波長(zhǎng)的輻射對(duì)于光熱探測(cè)器的響應(yīng)都有貢獻(xiàn)。在很波長(zhǎng)的輻射對(duì)于光熱探測(cè)器的響應(yīng)都有貢獻(xiàn)。在很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，響應(yīng)靈敏度與波長(zhǎng)無關(guān)響應(yīng)靈敏度與波長(zhǎng)無關(guān)，但受熱，但受熱時(shí)間常數(shù)的制約，響應(yīng)速度較慢。時(shí)間常數(shù)的制約，響應(yīng)速度較慢。二、溫度變化方程二、溫度變化方程光輻射引起溫升的過程光輻射引起溫升

10、的過程1、熱平衡方程、熱平衡方程e ：入射于探測(cè)器的輻射通量（輻射功率）。：入射于探測(cè)器的輻射通量（輻射功率）。 ：探測(cè)器光敏面對(duì)光輻射的吸收系數(shù)。：探測(cè)器光敏面對(duì)光輻射的吸收系數(shù)。e ：探測(cè)器實(shí)際吸收的輻射通量，分為兩個(gè)部分：探測(cè)器實(shí)際吸收的輻射通量，分為兩個(gè)部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，表現(xiàn)為溫度升高轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，表現(xiàn)為溫度升高 ddTCt C 稱為熱容稱為熱容與外界熱交換：傳導(dǎo)、輻射、對(duì)流與外界熱交換：傳導(dǎo)、輻射、對(duì)流H T H熱傳導(dǎo)系數(shù)熱傳導(dǎo)系數(shù)1RH 稱為熱阻稱為熱阻所以，在熱平衡狀態(tài)下有：所以，在熱平衡狀態(tài)下有： eddTCH Tt 2、熱平衡方程的解、熱平衡方程的解設(shè)入射輻射為：設(shè)入射輻射為：

11、je01+et 包含有與時(shí)間無關(guān)和有關(guān)兩部分輻射，所以包含有與時(shí)間無關(guān)和有關(guān)兩部分輻射，所以 eddTCH Tt 的解也包含兩部分的解也包含兩部分0T ：與時(shí)間無關(guān)的平均溫升；：與時(shí)間無關(guān)的平均溫升；T ：與時(shí)間有關(guān)的溫度變化；：與時(shí)間有關(guān)的溫度變化； eddTCH Tt 可以分解為兩個(gè)方程可以分解為兩個(gè)方程j00eejjtGtCttTHCHC 00000ddTCH TTtH j0dedtTCH Tt 3、對(duì)熱平衡方程的解的討論、對(duì)熱平衡方程的解的討論設(shè)設(shè) ，稱為熱敏器件的熱時(shí)間常數(shù)，稱為熱敏器件的熱時(shí)間常數(shù) 一般為毫秒至秒的數(shù)量級(jí)，它與器件大小、形狀一般為毫秒至秒的數(shù)量級(jí)，它與器件大小、形狀

12、 和顏色等有關(guān)。和顏色等有關(guān)。 TCR CH 如果只考慮與時(shí)間有關(guān)的項(xiàng)，即有：如果只考慮與時(shí)間有關(guān)的項(xiàng)，即有： j00eejjtGtCtT tTHCHC 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，解的第一項(xiàng)時(shí)，解的第一項(xiàng)Tt 0e0jHtCHC j01/222e1tTTC jj00eej1jttTTT tHCC所以所以幅值幅值 01/2221TTT tC 幅角幅角tanarctanTT 是溫升與輻照通量之間的是溫升與輻照通量之間的相角相角，說明器件溫，說明器件溫升滯后調(diào)制輻射功率的程度。升滯后調(diào)制輻射功率的程度。考慮溫升的幅值考慮溫升的幅值 01/2221TTTC A、溫升、溫升 與吸收系數(shù)與吸收系數(shù) 成正比，所以，幾成正比

13、，所以，幾 乎所有的熱敏器件都被涂黑。乎所有的熱敏器件都被涂黑。T B、溫升、溫升 與工作頻率與工作頻率 有關(guān)，有關(guān)， 增高，溫增高，溫 升升 下降。下降。T T 低頻時(shí)低頻時(shí)1T 001/2221TTTHC 即即 與與 成反比，幾乎與成反比，幾乎與 無關(guān)無關(guān)T H 00TTTCC 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，即高頻或時(shí)，即高頻或 很大時(shí)，很大時(shí)，1TT 所以此時(shí)溫升與熱導(dǎo)無關(guān)，而與熱容所以此時(shí)溫升與熱導(dǎo)無關(guān)，而與熱容 成成反比，且隨反比，且隨 增高而衰減。增高而衰減。C 結(jié)論結(jié)論：光熱探測(cè)器常用于低頻調(diào)制輻射的場(chǎng)合，：光熱探測(cè)器常用于低頻調(diào)制輻射的場(chǎng)合， 盡量降低盡量降低 ，減小熱容量。，減小熱容量。T 減小

14、減小 可提高溫升，但可提高溫升，但 減小使減小使 變大，變大，器件的熱慣性變大，時(shí)間響應(yīng)變壞，器件的熱慣性變大，時(shí)間響應(yīng)變壞，HT H由初始零值開始隨時(shí)間增加，當(dāng)由初始零值開始隨時(shí)間增加，當(dāng) 時(shí)時(shí)T t 達(dá)到穩(wěn)定值達(dá)到穩(wěn)定值 ，當(dāng)，當(dāng) 時(shí)，時(shí)，上升到穩(wěn)定值的上升到穩(wěn)定值的 ，所以稱，所以稱 為熱敏器件的熱時(shí)間常數(shù)。為熱敏器件的熱時(shí)間常數(shù)。T T 0H T 1163%e Tt C、 時(shí)，方程的解為時(shí)，方程的解為0 01TtTeH 三、熱敏器件的最小可探測(cè)功率三、熱敏器件的最小可探測(cè)功率1、熱敏器件的輻射功率、熱敏器件的輻射功率由斯忒番由斯忒番玻耳茲曼定律，若器件的溫度為玻耳茲曼定律，若器件的溫度

15、為 ，接，接收面積為收面積為 ，將探測(cè)器近似為黑體，當(dāng)它與環(huán)境，將探測(cè)器近似為黑體，當(dāng)它與環(huán)境處于熱平衡時(shí)，輻射的總功率為：處于熱平衡時(shí)，輻射的總功率為： 4eAT TA2、熱敏器件的熱導(dǎo)、熱敏器件的熱導(dǎo)3ed4dHATT 3、熱敏器件的最小可探測(cè)功率、熱敏器件的最小可探測(cè)功率 122222241TkT H fTH 當(dāng)熱敏器件與環(huán)境溫度處于平衡時(shí)，在頻帶寬度當(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為：內(nèi)，熱敏器件的溫度起伏均方根值為： 12200NE222201/22241TTkT H fPHCTTH 1125222416kT H fA kTf 4、歸一化探測(cè)率

16、（比探測(cè)率）、歸一化探測(cè)率（比探測(cè)率） 1122*516NEA fDPkT 例如：例如： ，2300 K=1A100mm1HzTf 、 、 、15211165.5 10WNEA kTfP 11122*10251.8 10cm Hz /W16NEA fDPkT *,DT ff *,Dff 或或1、熱敏電阻的原理、材料、結(jié)構(gòu)、熱敏電阻的原理、材料、結(jié)構(gòu)一、熱敏電阻一、熱敏電阻定義：凡吸收入射輻射后引起溫升而使電阻值定義：凡吸收入射輻射后引起溫升而使電阻值 改變，導(dǎo)致負(fù)載兩端電壓的變化，并給出電信改變，導(dǎo)致負(fù)載兩端電壓的變化，并給出電信 號(hào)的器件，叫做熱敏電阻。號(hào)的器件，叫做熱敏電阻。原理：原理：半

17、導(dǎo)體材料對(duì)光的吸收有本征吸收、雜半導(dǎo)體材料對(duì)光的吸收有本征吸收、雜 質(zhì)吸收、晶格吸收、自由電子吸收等，并且不質(zhì)吸收、晶格吸收、自由電子吸收等，并且不 同程度地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，引起晶格振?dòng)的加劇，同程度地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，引起晶格振?dòng)的加劇， 器件溫度的上升，即器件的電阻值發(fā)生變化。器件溫度的上升，即器件的電阻值發(fā)生變化。材料：金屬材料與半導(dǎo)體材料熱敏電阻材料：金屬材料與半導(dǎo)體材料熱敏電阻金屬材料組成的熱敏金屬材料組成的熱敏電阻具有正溫度系電阻具有正溫度系數(shù)，而由半導(dǎo)體材料數(shù)，而由半導(dǎo)體材料組成的熱敏電阻具有組成的熱敏電阻具有負(fù)溫度特性。負(fù)溫度特性。白金的電阻溫度系數(shù)大約為白金的電阻溫度系數(shù)大約為0.37

18、%左右；半導(dǎo)左右；半導(dǎo)體材料熱敏電阻的溫度系數(shù)大約為體材料熱敏電阻的溫度系數(shù)大約為-3%-6%，所，所以熱敏電阻探測(cè)器常用半導(dǎo)體材料。以熱敏電阻探測(cè)器常用半導(dǎo)體材料。結(jié)構(gòu)及外形：結(jié)構(gòu)及外形：熱敏電阻熱敏電阻的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)熱敏電阻熱敏電阻的幾種外的幾種外形形熱敏電阻的特點(diǎn)熱敏電阻的特點(diǎn)A、熱敏電阻的溫度系數(shù)大，靈敏度高，熱敏、熱敏電阻的溫度系數(shù)大，靈敏度高，熱敏 電阻的溫度系數(shù)常比一般金屬電阻大電阻的溫度系數(shù)常比一般金屬電阻大10 100倍。倍。B、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，可以測(cè)量近似幾何點(diǎn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，可以測(cè)量近似幾何點(diǎn) 的溫度。的溫度。C、電阻率高，熱慣性小，適宜做動(dòng)態(tài)測(cè)量。、電阻率高，熱慣性

19、小，適宜做動(dòng)態(tài)測(cè)量。D、阻值與溫度的變化關(guān)系呈非線性。、阻值與溫度的變化關(guān)系呈非線性。E、不足之處是穩(wěn)定性和互換性較差。、不足之處是穩(wěn)定性和互換性較差。2、熱敏電阻探測(cè)器的參數(shù)、熱敏電阻探測(cè)器的參數(shù)電阻電阻溫度特性溫度特性指熱敏電阻的實(shí)際阻值與電阻體溫度之間的關(guān)系指熱敏電阻的實(shí)際阻值與電阻體溫度之間的關(guān)系A(chǔ)、表達(dá)式、表達(dá)式正溫度系數(shù)的熱敏電阻：正溫度系數(shù)的熱敏電阻：0eATTRR 負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻：負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻：eB TTRR 為材料常數(shù)。為材料常數(shù)。A B、 分別為背景環(huán)境下的阻值，是與電阻分別為背景環(huán)境下的阻值，是與電阻的幾何尺寸和材料物理特性有關(guān)的常數(shù)。的幾何尺寸和材料物理特

20、性有關(guān)的常數(shù)。0RR 、例：標(biāo)稱阻值例：標(biāo)稱阻值 是指環(huán)境溫度為是指環(huán)境溫度為25時(shí)的實(shí)時(shí)的實(shí) 際阻值，若際阻值，若 偏離，而偏離，而 不好測(cè)量，則：不好測(cè)量，則：25R25RT對(duì)于正溫度系數(shù)的熱敏電阻：對(duì)于正溫度系數(shù)的熱敏電阻：0eATTRR 298250eARR 29825eATTRR 對(duì)于負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻：對(duì)于負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻：/eB TTRR /29825eBRR 1129825eBTTRR B、電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù) d11/ CdTTTRRT 表示溫度每變化表示溫度每變化 1 時(shí)，熱敏電阻的實(shí)際時(shí)，熱敏電阻的實(shí)際阻值的相對(duì)變化。阻值的相對(duì)變化。對(duì)于正溫度系數(shù)的熱敏電阻：對(duì)

21、于正溫度系數(shù)的熱敏電阻：00d11edeATTTATTRARARTR 對(duì)于負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻：對(duì)于負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻：/22d11edeB TTTATTRBBRRTRTT A B、C、材料常數(shù)、材料常數(shù)B又稱為熱靈敏指標(biāo)。又稱為熱靈敏指標(biāo)。B值并不是一個(gè)嚴(yán)格值并不是一個(gè)嚴(yán)格的常數(shù)的常數(shù), 而是隨溫度的升高而略有增大。而是隨溫度的升高而略有增大。對(duì)于負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻：對(duì)于負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻：121221lnTTRTTBTTR 11/eB TTRR 22/eB TTRR 對(duì)于正溫度系數(shù)的熱敏電阻：對(duì)于正溫度系數(shù)的熱敏電阻：12121lnTTRATTR 110eATTRR 220eATTR

22、R 熱敏電阻的阻值變化量熱敏電阻的阻值變化量已知熱敏電阻溫度系數(shù)已知熱敏電阻溫度系數(shù) 后，當(dāng)熱敏電阻接收后，當(dāng)熱敏電阻接收入射輻射后溫度變化入射輻射后溫度變化 ，則阻值變化量為：，則阻值變化量為： T T TTTRRT （ 值不大時(shí)成立）值不大時(shí)成立）T d1dddTTTTTTRRRTRTTTTRRT 冷阻與熱阻冷阻與熱阻A、冷阻冷阻：熱敏電阻在某個(gè)溫度下未受輻射時(shí)：熱敏電阻在某個(gè)溫度下未受輻射時(shí) 的電阻值。的電阻值。eTR B、熱阻熱阻：吸收單位輻射功率所引起的溫升。：吸收單位輻射功率所引起的溫升。C、若入射輻射為交流正弦信號(hào)、若入射輻射為交流正弦信號(hào) ， 求負(fù)載上輸出求負(fù)載上輸出bbe4L

23、TUUR 負(fù)載上輸出為：負(fù)載上輸出為：je0et B、提高熱敏電阻靈敏度的措施、提高熱敏電阻靈敏度的措施(1)增加偏壓增加偏壓，但受熱敏電阻的噪聲以及不損，但受熱敏電阻的噪聲以及不損 壞元件的限制；壞元件的限制；(2)把熱敏電阻的接收面涂黑把熱敏電阻的接收面涂黑增加吸收率增加吸收率 ；(3)增加熱阻增加熱阻：減少元件的接收面積及元件與：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)。但熱阻增大，響應(yīng)時(shí)間也增入真空殼內(nèi)。但熱阻增大，響應(yīng)時(shí)間也增 大。為了減小響應(yīng)時(shí)間，常把熱敏電阻貼大。為了減小響應(yīng)時(shí)間，常把熱敏電阻貼 在具有高熱導(dǎo)

24、的襯底上；在具有高熱導(dǎo)的襯底上；(4)選用選用B值大的材料值大的材料。還可使元件冷卻工作。還可使元件冷卻工作 以提高以提高 值。值。 T 8.2 .18.2 .1微測(cè)輻射熱計(jì)的響應(yīng)率微測(cè)輻射熱計(jì)的響應(yīng)率1 1、微測(cè)輻射熱計(jì)模型、微測(cè)輻射熱計(jì)模型填充因子填充因子F Ff f： A=FA=Ff fA AC C 圖4.1 微輻射計(jì)模式，Ac整個(gè)單元面積，A,前表面面積 假定表面的發(fā)射率為假定表面的發(fā)射率為e e, ,熱容為熱容為C,C,在溫度在溫度T T下下, ,微測(cè)輻射熱計(jì)內(nèi)部耗散的能量為微測(cè)輻射熱計(jì)內(nèi)部耗散的能量為W W，輻射熱計(jì)與支，輻射熱計(jì)與支撐結(jié)構(gòu)之間的熱導(dǎo)為撐結(jié)構(gòu)之間的熱導(dǎo)為g g： g

25、=dW / dT (G) g g由支撐臂及其周圍的空氣的熱導(dǎo)決定由支撐臂及其周圍的空氣的熱導(dǎo)決定, ,也由也由熱輻射決定。熱輻射決定。 1 1、微測(cè)輻射熱計(jì)模型、微測(cè)輻射熱計(jì)模型1 1、微測(cè)輻射熱計(jì)模型、微測(cè)輻射熱計(jì)模型圖圖4.2 選擇的光學(xué)系統(tǒng)，選擇的光學(xué)系統(tǒng)，Tt,目標(biāo)溫度；目標(biāo)溫度；Tp 封裝盒溫度，封裝盒溫度，Ts，傳，傳感器溫度感器溫度圖圖4.3 光線幾何錐角形狀。光線幾何錐角形狀。 半錐角半錐角 020)cos1 (2sindd光學(xué)裝置的光學(xué)裝置的F F數(shù)定義：數(shù)定義： F Fnono=1/2sin=1/2sinSinSin數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑(NA)(NA)。立體角與半錐角的關(guān)系：立

26、體角與半錐角的關(guān)系：1 1、微測(cè)輻射熱計(jì)模型、微測(cè)輻射熱計(jì)模型224sinnotFLALAP以一半錐角以一半錐角入射到傳感器的前表面入射到傳感器的前表面A A上的黑體上的黑體紅外輻射功紅外輻射功率率P Pt t L L為單位面積單位立體角的紅外輻射功率。為單位面積單位立體角的紅外輻射功率。1 1、微測(cè)輻射熱計(jì)模型、微測(cè)輻射熱計(jì)模型若發(fā)射率為若發(fā)射率為 e e, ,微測(cè)輻射熱計(jì)前表面微測(cè)輻射熱計(jì)前表面A A吸收的紅外能量：吸收的紅外能量：24noeFLAQL L可由普郎克定律給出：可由普郎克定律給出：21) 1)/(exp(252teKThcdhcL 傳播紅外光波波段在傳播紅外光波波段在 1 1

27、和和 2 2之間之間, T, Tt t為目標(biāo)溫為目標(biāo)溫度，度，e e為目標(biāo)發(fā)射率。為目標(biāo)發(fā)射率。 由目標(biāo)溫度由目標(biāo)溫度T Tt t 變化引起微測(cè)輻射熱計(jì)溫度變化：變化引起微測(cè)輻射熱計(jì)溫度變化： tTTtnoetttdTdLFAgTPPT2411 1、微測(cè)輻射熱計(jì)模型、微測(cè)輻射熱計(jì)模型表表4.1 4.1 對(duì)于目標(biāo)溫度為對(duì)于目標(biāo)溫度為290K,300K290K,300K以及以及 310K310K時(shí)的時(shí)的dL/dTdL/dTt t的值（的值（W.cmW.cm-2-2srsr-1-1K K-1-1） 波長(zhǎng)間隔波長(zhǎng)間隔1 12 2(m) 290K 300K 310K (m) 290K 300K 310K

28、 3 34 8.9E-7 1.3E-7 1.9E-6 4 8.9E-7 1.3E-7 1.9E-6 4 45 4.0E-6 5.5E-6 7.2E-6 5 4.0E-6 5.5E-6 7.2E-6 8 810 3.1E-5 3.5E-5 3.9E-5 10 3.1E-5 3.5E-5 3.9E-5 10 1012 2.6E-5 2.8E-5 3.1E-5 12 2.6E-5 2.8E-5 3.1E-5 12 1214 1.9E-5 2.1E-5 2.2E-5 14 1.9E-5 2.1E-5 2.2E-5 1 1、微測(cè)輻射熱計(jì)模型、微測(cè)輻射熱計(jì)模型例例: 已知已知 g=10g=10-7-7W/

29、KW/K， A=50mA=50m2 2 =0.8 =0.8， F Fnono =1 =1 1 1=8m=8m。 2 2=12m=12m T Tt t=300K =300K 解解：從表：從表4.14.1中得到中得到dL/dTdL/dTt t=3.5=3.51010-5-5 W.cmW.cm-2-2srsr-1-1K K-1-1 ，1 1、微測(cè)輻射熱計(jì)模型、微測(cè)輻射熱計(jì)模型tTTtnoedTdLFAg241對(duì)于對(duì)于dTt =1時(shí)時(shí)dT10mK。2 2、微測(cè)輻射熱計(jì)材料的電阻變化、微測(cè)輻射熱計(jì)材料的電阻變化電阻溫度系數(shù)（電阻溫度系數(shù)（TCRTCR）：）：RdTdR如果如果與溫度無關(guān)，積分后得與溫度無

30、關(guān)，積分后得 ： )(1)()(SSTTTRTR 金屬溫度變化時(shí)自由載流子濃度變化很小，但自由載流金屬溫度變化時(shí)自由載流子濃度變化很小，但自由載流子運(yùn)動(dòng)隨溫度減小而產(chǎn)生一個(gè)正的子運(yùn)動(dòng)隨溫度減小而產(chǎn)生一個(gè)正的，一般為，一般為+0.002K+0.002K-1-1。金屬金屬TCRTCR材料的優(yōu)點(diǎn)：材料的優(yōu)點(diǎn)：可以取得可控的沉積以及在金屬膜和可以取得可控的沉積以及在金屬膜和觸點(diǎn)處的很小的觸點(diǎn)處的很小的1/f1/f噪聲。噪聲。金屬材料：金屬材料： 舉例：舉例： 第一個(gè)微測(cè)輻射熱計(jì)陣列使用第一個(gè)微測(cè)輻射熱計(jì)陣列使用Ni-FeNi-Fe金屬薄片，其金屬薄片，其TCRTCR為為+0.0023K+0.0023K

31、-1-1，NETDNETD為為0.250(75m0.250(75m像素，像素，F(xiàn) Fnono=1=1，30Hz30Hz幀速）幀速） Ti Ti薄片（薄片（=+0.0042k=+0.0042k），用于），用于128128128128陣列中，顯陣列中，顯示出其示出其NETDNETD值為值為0.7(50m0.7(50m像素，像素，F(xiàn)no=1Fno=1，30Hz30Hz幀速幀速) )。半導(dǎo)體的半導(dǎo)體的R(T)R(T) 半導(dǎo)體半導(dǎo)體R(T)R(T)的一個(gè)特點(diǎn)是其自由載流子濃度由一個(gè)帶寬內(nèi)的一個(gè)特點(diǎn)是其自由載流子濃度由一個(gè)帶寬內(nèi)的熱激勵(lì)控制：的熱激勵(lì)控制： )exp()(0KTERTR其中其中 E E是激

32、勵(lì)能量是激勵(lì)能量, ,等于等于E Eg g的一半的一半,R,R0 0是一個(gè)常數(shù)。是一個(gè)常數(shù)。 對(duì)于半導(dǎo)體材料對(duì)于半導(dǎo)體材料, ,可以得到可以得到 : :222kTEkTERdTdRg用作用作TCRTCR材料的半導(dǎo)體材料材料的半導(dǎo)體材料 1 1、使用、使用SiSiGeGe和和Si-GeSi-Ge作為作為TCRTCR材料。材料。 2 2、TeTe和和BiBi的薄膜電阻器用于測(cè)輻射熱計(jì)耦合的薄膜電阻器用于測(cè)輻射熱計(jì)耦合與薄膜微型天線（與薄膜微型天線（-0.003-0.003到到-0.01K-0.01K-1-1 ）。3 3、Ni-Co-MnNi-Co-Mn的熱敏電阻薄膜（的熱敏電阻薄膜（-0.04K-

33、0.04K-1-1）；）；GaAs GaAs 材料（材料（-0.09K-0.09K-1-1）氧化釩材料的優(yōu)點(diǎn)氧化釩材料的優(yōu)點(diǎn) 1 1、濺射多晶氧化釩、濺射多晶氧化釩(VO(VO2 2,V,V2 2O O3 3和和V V2 2O O5 5) )膜片（膜片（5050100nm100nm）容易容易. . 2 2、SiSi3 3N N4 4是很好的基底，且對(duì)于氧化釩是鈍化劑。是很好的基底，且對(duì)于氧化釩是鈍化劑。 3 3、讀出電路、讀出電路, ,方塊電阻合適，加以合適的電觸點(diǎn)使方塊電阻合適，加以合適的電觸點(diǎn)使1/f1/f噪噪聲將足夠低。聲將足夠低。 4 4、在在2525時(shí)為時(shí)為-0.02K-0.02K-

34、1-1, ,比大多數(shù)金屬的比大多數(shù)金屬的值高值高5 51010倍。倍。氧化釩材料的缺點(diǎn)氧化釩材料的缺點(diǎn) 1 1、TCRTCR仍然限制在仍然限制在-0.06K-0.06K-1-1，比起其它材料要低一些。，比起其它材料要低一些。 2 2、必須適當(dāng)?shù)乜刂瞥练e條件才能夠得到好的性能，有、必須適當(dāng)?shù)乜刂瞥练e條件才能夠得到好的性能，有些二氧化物中會(huì)出現(xiàn)磁滯現(xiàn)象。些二氧化物中會(huì)出現(xiàn)磁滯現(xiàn)象。 圖圖4.4 VO4.4 VO2 2薄膜片電阻隨著溫度變化的曲線薄膜片電阻隨著溫度變化的曲線圖圖4.5 4.5 混合混合VOxVOx薄膜片電阻溫度曲線薄膜片電阻溫度曲線圖圖4.6 4.6 混合混合VOxVOx薄膜片電阻溫

35、度系數(shù)和電阻薄膜片電阻溫度系數(shù)和電阻率曲線率曲線8.5 8.5 微輻射計(jì)陣列的讀出電路微輻射計(jì)陣列的讀出電路 CCD（電荷耦合器件）（電荷耦合器件） MOSEFT（金屬（金屬-氧化物氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管）半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管） CID（電荷注入器件）（電荷注入器件） CIM（電荷成像矩陣）（電荷成像矩陣）1. 1. 微輻射計(jì)的讀出電路的一般形式微輻射計(jì)的讀出電路的一般形式 列多路復(fù)合器列多路復(fù)合器 行多路行多路復(fù)合器復(fù)合器 圖圖4.23 微測(cè)輻射計(jì)的讀出電路的一般形式微測(cè)輻射計(jì)的讀出電路的一般形式電子像素開關(guān)電子像素開關(guān)探測(cè)器探測(cè)器每個(gè)像素的偏置時(shí)間：每個(gè)像素的偏置時(shí)間： t=t=1/30/409

36、6=8.11/30/4096=8.1 s s 例例1 1：一個(gè)一個(gè)64646464的陣列的陣列, ,幀速為幀速為30Hz30Hz，如果一個(gè)單獨(dú)的微，如果一個(gè)單獨(dú)的微輻射計(jì)在任何瞬間都可以讀出，輻射計(jì)在任何瞬間都可以讀出，問：每個(gè)像素的偏置時(shí)間是多少？問：每個(gè)像素的偏置時(shí)間是多少？解：解：像素總個(gè)數(shù)：像素總個(gè)數(shù)：6464* *646440964096一幀圖像輸出的總時(shí)間：一幀圖像輸出的總時(shí)間：1/30s1/30s（1 1）同時(shí)輸出）同時(shí)輸出1414個(gè)微輻射計(jì)的模擬信號(hào)到個(gè)微輻射計(jì)的模擬信號(hào)到1414個(gè)外個(gè)外部積分器中。部積分器中。2. 微輻射計(jì)的讀出電路的改進(jìn)形式微輻射計(jì)的讀出電路的改進(jìn)形式 （

37、2 2）整行像素同時(shí)輸出，幀速提高至）整行像素同時(shí)輸出，幀速提高至60Hz60Hz例：例：240*336陣列陣列1/1/（240240* *6060）=70=70 s s每個(gè)像素的偏置時(shí)間？每個(gè)像素的偏置時(shí)間？行多行多路復(fù)路復(fù)合器合器 轉(zhuǎn)換門轉(zhuǎn)換門 行存儲(chǔ)器行存儲(chǔ)器 輸出多路轉(zhuǎn)換器輸出多路轉(zhuǎn)換器 積分器積分器 序列輸出序列輸出 圖圖4.25 4.25 大規(guī)模陣列的讀出電路大規(guī)模陣列的讀出電路8.6 8.6 微輻射計(jì)設(shè)計(jì)，制備以及封裝微輻射計(jì)設(shè)計(jì)，制備以及封裝 制造技術(shù)制造技術(shù)：微型機(jī)械技術(shù)微型機(jī)械技術(shù) 是以硅為基礎(chǔ)，選擇蝕刻一定材料來構(gòu)造微觀隔熱結(jié)構(gòu)的是以硅為基礎(chǔ)，選擇蝕刻一定材料來構(gòu)造微觀隔

38、熱結(jié)構(gòu)的技術(shù)。技術(shù)。 4.6.1 4.6.1 微測(cè)輻射熱計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制作微測(cè)輻射熱計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制作結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)： 單層結(jié)構(gòu)單層結(jié)構(gòu) 雙層結(jié)構(gòu)雙層結(jié)構(gòu) 圖圖4.27 4.27 單層微輻射計(jì)結(jié)構(gòu)單層微輻射計(jì)結(jié)構(gòu) 單層結(jié)構(gòu)單層結(jié)構(gòu) 傳感器傳感器 電極電極 像素大小像素大小 硅硅 1.1.單層微測(cè)輻射熱計(jì)結(jié)構(gòu)單層微測(cè)輻射熱計(jì)結(jié)構(gòu)7575微米的單層的微輻射計(jì)的原型微縮圖形微米的單層的微輻射計(jì)的原型微縮圖形 承受加速度為承受加速度為14,000g14,000g1.1.單層微測(cè)輻射熱計(jì)結(jié)構(gòu)單層微測(cè)輻射熱計(jì)結(jié)構(gòu)D D* *=10=109 9cmHzcmHz1/21/2W W-1-1缺點(diǎn)：填充系數(shù)較差

39、缺點(diǎn)：填充系數(shù)較差. . 兩層微輻射計(jì)結(jié)構(gòu)兩層微輻射計(jì)結(jié)構(gòu) 雙層結(jié)構(gòu)雙層結(jié)構(gòu) 傳感器傳感器 電極電極 像素大小像素大小 硅硅 圖圖4.27 4.27 雙層的微輻射計(jì)結(jié)構(gòu)雙層的微輻射計(jì)結(jié)構(gòu)（1 1）填充系數(shù)大）填充系數(shù)大（2 2） 紅外光吸收率高紅外光吸收率高（在腔體下方產(chǎn)生一個(gè)（在腔體下方產(chǎn)生一個(gè)共振光學(xué)腔）。共振光學(xué)腔）。 圖圖4.28 雙層微輻射計(jì)結(jié)構(gòu)雙層微輻射計(jì)結(jié)構(gòu). . 兩層微輻射計(jì)結(jié)構(gòu)兩層微輻射計(jì)結(jié)構(gòu) 3. 3. 雙層微輻射計(jì)制造步驟雙層微輻射計(jì)制造步驟 1.利用硅圓片制作利用硅圓片制作讀出電路（晶體管讀出電路（晶體管和接觸界面的金屬和接觸界面的金屬化）化）2 沉積犧牲層沉積犧牲層3

40、 沉積氧化釩沉積氧化釩和氮化硅和氮化硅4 再選擇蝕刻圓再選擇蝕刻圓片，留下自支撐片，留下自支撐橋路橋路 晶體管晶體管硅圓片硅圓片 犧牲層犧牲層自支撐橋路自支撐橋路近似近似2.52.5 m m的真空間隙與襯底上的薄片金屬反射層，產(chǎn)生的真空間隙與襯底上的薄片金屬反射層，產(chǎn)生一個(gè)一個(gè)1/41/4波長(zhǎng)的諧振腔波長(zhǎng)的諧振腔半導(dǎo)體半導(dǎo)體TCRTCR材料做得足夠厚，以作為一個(gè)材料做得足夠厚，以作為一個(gè)1/41/4波長(zhǎng)吸收器，波長(zhǎng)吸收器，提供提供90%90%的吸收率的吸收率 。3. 3. 雙層微輻射計(jì)制造步驟雙層微輻射計(jì)制造步驟 增強(qiáng)紅外吸收率方法增強(qiáng)紅外吸收率方法: :（1）光學(xué)諧振腔）光學(xué)諧振腔（2 2）

41、半導(dǎo)體材料厚度）半導(dǎo)體材料厚度適宜波長(zhǎng)為多少？適宜波長(zhǎng)為多少？ 一個(gè)一個(gè)240240336336的兩層的微輻射計(jì)陣列原型圖的兩層的微輻射計(jì)陣列原型圖 8.6.2 8.6.2 封封 裝裝 標(biāo)準(zhǔn)溫度和氣壓下的大氣熱導(dǎo)為標(biāo)準(zhǔn)溫度和氣壓下的大氣熱導(dǎo)為2.52.51010-4-4WcmWcm-1-1K K-1-1，一個(gè)面積為一個(gè)面積為50502 2 m m2 2，高于襯底，高于襯底2.5 2.5 m 的雙層輻射計(jì)在標(biāo)的雙層輻射計(jì)在標(biāo)準(zhǔn)溫度和氣壓下熱導(dǎo)為準(zhǔn)溫度和氣壓下熱導(dǎo)為2.52.51010-5-5W/KW/K，比典型的支撐臂的，比典型的支撐臂的熱導(dǎo)要大一些熱導(dǎo)要大一些 。(1) (1) 降低氣壓至降低

42、氣壓至50mmHg50mmHg，內(nèi)封吸氣器，內(nèi)封吸氣器(2) (2) 充不活潑氣體（低熱導(dǎo)）充不活潑氣體（低熱導(dǎo)） 一個(gè)240336 的微輻射計(jì)的真空密封形式Kyocera 常規(guī)封裝常規(guī)封裝 允許焊接的外圍金屬增透鍺窗口熱源導(dǎo)線 硅芯片（HIDAD陣列） Al結(jié)點(diǎn)的焊盤 銅鎢底盤 Al結(jié)點(diǎn)的焊盤 熱敏電阻 TEC焊接金屬 熱穩(wěn)定器 固定孔 排氣管內(nèi)鋯吸附劑真空壓封無氧高導(dǎo)銅排氣管 兩層的微輻射計(jì)陣列的封裝 3 3、微測(cè)輻射熱計(jì)熱平衡方程、微測(cè)輻射熱計(jì)熱平衡方程4)2()(TATTgPPIVdtdTcSst 其中其中: :最后一項(xiàng)是最后一項(xiàng)是StefansStefans定律決定的輻射熱，定律決定

43、的輻射熱，g(T-Ts)g(T-Ts)是傳導(dǎo)熱。是傳導(dǎo)熱。 假設(shè)假設(shè)從從目標(biāo)目標(biāo)輻射的輻射的紅外輻射能量紅外輻射能量為為P Pt t； 熱存儲(chǔ)器熱存儲(chǔ)器發(fā)出的發(fā)出的能量能量為為P Ps s ； 由偏置電壓或電流產(chǎn)生熱能量由偏置電壓或電流產(chǎn)生熱能量P=IVP=IV。 則則在溫度在溫度T T時(shí)；微測(cè)輻射熱計(jì)的熱平衡方程為：時(shí)；微測(cè)輻射熱計(jì)的熱平衡方程為： 8.2 .18.2 .1微測(cè)輻射熱計(jì)的響應(yīng)率微測(cè)輻射熱計(jì)的響應(yīng)率 對(duì)應(yīng)極小溫度變化對(duì)應(yīng)極小溫度變化dTdT，發(fā)射輻射能量增量為，發(fā)射輻射能量增量為 : :4)2(TAPrad 則輻射熱導(dǎo)為：則輻射熱導(dǎo)為： /)2( 4)2(34KWTAdTTAd

44、grad 則輻射熱計(jì)的熱導(dǎo)是則輻射熱計(jì)的熱導(dǎo)是g gradrad和和g glegleg之和，其中之和，其中g(shù) glegleg是支撐腿是支撐腿的熱導(dǎo)。即：的熱導(dǎo)。即： g= g g= glegleg + g + gradrad 例：例：對(duì)于一個(gè)對(duì)于一個(gè)50m50m的微測(cè)輻射熱計(jì)，的微測(cè)輻射熱計(jì)，g glegleg 值為值為2 21010-7-7W/KW/K，假設(shè)假設(shè)A=50A=5050m50m2 2,=0.8,T=25,=0.8,T=25的話。則由等式算出的話。則由等式算出g gradrad的值為的值為2 21010-8-8W/KW/K。4 4、熱平衡方程的解、熱平衡方程的解 （1 1）無偏置的

45、熱平衡方程）無偏置的熱平衡方程 把輻射熱能量作為一個(gè)吸收凈輻射能把輻射熱能量作為一個(gè)吸收凈輻射能Q Q來表示，即：來表示，即： 4)2(TAPPQSt則熱平衡方程變?yōu)椋簞t熱平衡方程變?yōu)椋?(sTTgQdtdTc當(dāng)當(dāng)t t0 0時(shí)，時(shí)，Q=0Q=0，對(duì)于，對(duì)于t t0 0時(shí)，我們可以解出：時(shí)，我們可以解出： 1)(/tSegQTtT溫度響應(yīng)隨指數(shù)熱時(shí)間常數(shù)溫度響應(yīng)隨指數(shù)熱時(shí)間常數(shù) c/gc/g變化。變化。 當(dāng)當(dāng)微測(cè)輻射熱計(jì)溫度微測(cè)輻射熱計(jì)溫度達(dá)到達(dá)到平衡平衡時(shí)：時(shí)：gQTtTS)(gQT 則微輻射熱計(jì)溫度響應(yīng)率為：則微輻射熱計(jì)溫度響應(yīng)率為： gQTT1Fig4.8Fig4.8微測(cè)輻射熱計(jì)的脈沖輻

46、射響應(yīng)微測(cè)輻射熱計(jì)的脈沖輻射響應(yīng)（2 2）加偏置的熱平衡方程解）加偏置的熱平衡方程解微測(cè)輻射熱計(jì)總共受熱微測(cè)輻射熱計(jì)總共受熱W=Q+P W=Q+P 。 圖4.9 微測(cè)輻射熱計(jì)的V-I曲線 為了描述為了描述V-IV-I曲線的曲率，定義一個(gè)曲線的曲率，定義一個(gè)熱電參數(shù)熱電參數(shù)作為作為電阻的變化電阻的變化比比能量損耗的變化能量損耗的變化: : RWWRRWWWRRlnln/ 假定假定V-IV-I曲線是用固定小的曲線是用固定小的Q Q來測(cè)量：來測(cè)量：11/ZZRIVVIIVVIIVIVRPPRRP）（）（即斜率即斜率z z： 11RIVZ在在 V-IV-I曲線上任一點(diǎn)上，曲線上任一點(diǎn)上， 為：為： T

47、gQIVWTTRRW)(dTdWg/式中： 例：o金屬類的金屬類的 為為+0.002K-1,在溫度增加為在溫度增加為1/ =5000C時(shí)，時(shí)，V-I曲線斜率變?yōu)闊o窮大；曲線斜率變?yōu)闊o窮大；o半導(dǎo)體類半導(dǎo)體類 為為-0.02K-1 ，在溫度增加為，在溫度增加為1/ =500C時(shí)，時(shí)，V-I曲線斜率變?yōu)榍€斜率變?yōu)?； o對(duì)于對(duì)于g=10-7,分別需要大約分別需要大約500*10-7W 和和50*10-7W的焦耳的焦耳能能o對(duì)于對(duì)于R=10K，微測(cè)輻射熱計(jì)需要的電流分別是，微測(cè)輻射熱計(jì)需要的電流分別是70 A和和22 A時(shí)或01|1|TdTdWg/（3 3）V-IV-I曲線的計(jì)算曲線的計(jì)算 熱平衡

48、方程熱平衡方程(3-13)(3-13)在熱平衡狀態(tài)時(shí)：在熱平衡狀態(tài)時(shí)：0=Q+I0=Q+I2 2R(T)-g(T-TR(T)-g(T-TS S) )T-TT-TS S=(IV+Q)/g=(IV+Q)/g其中其中R(T)是微測(cè)輻射熱計(jì)電阻的受溫度影響的公是微測(cè)輻射熱計(jì)電阻的受溫度影響的公式。式。 對(duì)于一個(gè)類半導(dǎo)體的對(duì)于一個(gè)類半導(dǎo)體的TCRTCR，微測(cè)輻射熱計(jì)在，微測(cè)輻射熱計(jì)在溫度下其穩(wěn)態(tài)溫度下其穩(wěn)態(tài)V-IV-I曲線由下列等式給出：曲線由下列等式給出： 半導(dǎo)體的電阻溫度系數(shù)半導(dǎo)體的電阻溫度系數(shù) KTETIRVSexp)( 消去消去T T可得可得V-IV-I曲線：曲線：gQIVTKETIRVSS(e

49、xp)( T-T T-TS S=(IV+Q)/g=(IV+Q)/g圖4.13 半導(dǎo)體類溫度電阻系數(shù)的微輻射計(jì)的V-I計(jì)算曲線（Q=0,=-0.027K-1,在300K時(shí)R=10K,g=1E-7W/K） 當(dāng) 時(shí)微測(cè)輻射熱計(jì)V-I曲線斜率, RRZ)(1)(1)(圖圖4.14 脈沖偏置下的微輻射計(jì)的負(fù)載線；脈沖偏置下的微輻射計(jì)的負(fù)載線；RL,負(fù)載電阻，負(fù)載電阻，Vb偏置電阻的負(fù)載電壓，偏置電阻的負(fù)載電壓，V,I 微輻射計(jì)的電壓和電流，微輻射計(jì)的電壓和電流，R，微，微輻射計(jì)的電阻輻射計(jì)的電阻（4）脈沖偏置信號(hào)或者高輻射信號(hào)的響應(yīng)率）脈沖偏置信號(hào)或者高輻射信號(hào)的響應(yīng)率 在輻射功率在輻射功率Q Q下，定

50、量變化可以使用熱平衡方下，定量變化可以使用熱平衡方程以及溫度程以及溫度T T下的負(fù)載線方程來計(jì)算：下的負(fù)載線方程來計(jì)算： )(STTgQIVtTc其中：)()(TRRTRVVLb)(TRRVILb聯(lián)立等式得：tTTgQTRRTRVcTSbLb)()()(122其中對(duì)于半導(dǎo)體材料：其中對(duì)于半導(dǎo)體材料：)exp()()(KTETRTRS 以上兩個(gè)方程可以用來計(jì)算在外加偏置和輻射下的輻以上兩個(gè)方程可以用來計(jì)算在外加偏置和輻射下的輻射計(jì)隨著時(shí)間變化的溫度曲線。射計(jì)隨著時(shí)間變化的溫度曲線。 tTTgQTRRTRVcTSbLb)()()(122舉例舉例 表表4.24.2為微測(cè)輻射熱計(jì)的參數(shù)值為微測(cè)輻射熱計(jì)

51、的參數(shù)值 參數(shù)參數(shù) 值值 R(Ts) 20K R(Ts) 20K R RL L 0 0 V Vb b 1V 1V t 100s t 100s 脈沖周期脈沖周期T 30ms T 30ms Ts 300K Ts 300K 在在300K300K時(shí)時(shí) -0.02K-0.02K-1-1 c 10 c 10-9-9J/K J/K g 10 g 10-7-7W/K W/K Q 1nW Q 1nW電流響應(yīng)率電流響應(yīng)率微測(cè)輻射熱微測(cè)輻射熱計(jì)的溫度計(jì)的溫度偏置電壓偏置電壓有效的熱導(dǎo)值有效的熱導(dǎo)值o微測(cè)輻射熱計(jì)以每秒微測(cè)輻射熱計(jì)以每秒500000C的速度變化！的速度變化！第三節(jié)第三節(jié) 輻射計(jì)的噪聲輻射計(jì)的噪聲 o輻

52、射計(jì)電阻的噪聲輻射計(jì)電阻的噪聲 o偏置電阻的變化偏置電阻的變化o輻射計(jì)襯底的溫度變化輻射計(jì)襯底的溫度變化 o入射紅外輻射通量的噪聲入射紅外輻射通量的噪聲 o前置放大器噪聲前置放大器噪聲 1.1.輻射計(jì)電阻的噪聲輻射計(jì)電阻的噪聲 o由于電荷載流子的熱激發(fā)，一個(gè)溫度為由于電荷載流子的熱激發(fā)，一個(gè)溫度為T的阻抗的阻抗R會(huì)產(chǎn)生一個(gè)波動(dòng)的電壓噪聲（會(huì)產(chǎn)生一個(gè)波動(dòng)的電壓噪聲（Johnson噪聲）噪聲） 圖圖3.18 一電阻的一電阻的Johnson噪聲等效電路，噪聲等效電路，Vn,電壓噪聲；電壓噪聲；R,電阻；電阻；C,電容電容fKTRVVV4 )(22Johnson噪聲噪聲 由計(jì)算可知：室溫條件下，阻值為

53、由計(jì)算可知：室溫條件下，阻值為R=1K的電阻在的電阻在f=1Hz帶寬內(nèi)其帶寬內(nèi)其Johnson噪聲電壓的均方值約為噪聲電壓的均方值約為4nVHz-1/2。 工作帶寬工作帶寬f=5000Hz的系統(tǒng)，放大器增益為的系統(tǒng)，放大器增益為104倍，倍，則在放大器的輸出端可約有則在放大器的輸出端可約有28mV熱噪聲均方根電壓值，熱噪聲均方根電壓值，由此可見在微弱信號(hào)探測(cè)中是不可忽略的。由此可見在微弱信號(hào)探測(cè)中是不可忽略的。在一個(gè)有效噪聲帶寬在一個(gè)有效噪聲帶寬1/4CeR范圍內(nèi)，可以認(rèn)為范圍內(nèi)，可以認(rèn)為電壓噪聲有一個(gè)均方根值電壓噪聲有一個(gè)均方根值(4kTR)1/2 VHz-1/2 1/f 噪聲 流過探測(cè)器的

54、電流不是純粹的直流，而是在流過探測(cè)器的電流不是純粹的直流，而是在直流上疊加著一些微小的電流起伏，微小的起伏直流上疊加著一些微小的電流起伏，微小的起伏電流隨時(shí)都在變化，這就形成了噪聲。電流隨時(shí)都在變化，這就形成了噪聲。 這種噪聲功率近似與這種噪聲功率近似與f成反比，所以稱為成反比，所以稱為1.1.輻射計(jì)電阻的噪聲輻射計(jì)電阻的噪聲 這種噪聲源代表為一種附加電壓源，與這種噪聲源代表為一種附加電壓源，與Johnson噪聲源無關(guān)，噪聲源無關(guān)，1Hz帶寬里帶寬里fkVV22注意：注意：參數(shù)參數(shù)是與電阻材料、沉積技術(shù)、形狀以及電接觸是與電阻材料、沉積技術(shù)、形狀以及電接觸有關(guān)的。有關(guān)的。 由于量子力學(xué)原因，由

55、于量子力學(xué)原因，1/f噪聲是無法消除的。噪聲是無法消除的。 由于電阻材料結(jié)構(gòu)以及電觸點(diǎn)的不完善之處，在所有由于電阻材料結(jié)構(gòu)以及電觸點(diǎn)的不完善之處，在所有真實(shí)的阻抗中測(cè)得的真實(shí)的阻抗中測(cè)得的1/f噪聲水平高于此水平很多數(shù)量噪聲水平高于此水平很多數(shù)量級(jí)。級(jí)。 微輻射計(jì)的噪聲等效電路是由一個(gè)無噪聲微輻射計(jì)的噪聲等效電路是由一個(gè)無噪聲電阻、兩個(gè)不相關(guān)的均方根電壓噪聲源及電電阻、兩個(gè)不相關(guān)的均方根電壓噪聲源及電阻的無噪聲自身電容阻的無噪聲自身電容C組成的。組成的。 Johnson噪聲噪聲圖圖3.19 在在1Hz帶寬內(nèi)的頻率帶寬內(nèi)的頻率f下的電阻噪聲等效電路，下的電阻噪聲等效電路，R,電阻；電阻；C,電容

56、電容fkVKTR24低頻時(shí)電子噪聲的增加是由于低頻時(shí)電子噪聲的增加是由于1/f噪聲的增加，噪聲的增加，在高頻時(shí)則等于在高頻時(shí)則等于Johnson噪聲。噪聲。拐點(diǎn)頻率拐點(diǎn)頻率 ：在在1Hz間隔里，當(dāng)間隔里，當(dāng)1/f噪聲功率等于噪聲功率等于Johnson噪聲噪聲功率時(shí)的頻率。功率時(shí)的頻率。 kneefkVKTR24KTRkVfknee42即：即：在帶限在帶限f1至至f2（ f2 f1 ）中，）中， 1/f噪聲功率和噪聲功率和Johnson噪聲功率結(jié)合產(chǎn)生一個(gè)總的噪聲功率：噪聲功率結(jié)合產(chǎn)生一個(gè)總的噪聲功率： )ln()(41)(412212212221ffkVffKTRdffkVffKTRVfftf

57、212stareTf411上限噪聲帶限上限噪聲帶限f2： 下限噪聲帶限下限噪聲帶限f1：由于外加電阻由于外加電阻RL而增加的整個(gè)輻射計(jì)的均方電壓噪聲為（假而增加的整個(gè)輻射計(jì)的均方電壓噪聲為（假設(shè)設(shè)RL的的1/f噪聲可以忽略）：噪聲可以忽略）： 22122122)()ln()(4LLbLLRRRRffkVffRRRRKTV2.2.偏置電阻的噪聲偏置電阻的噪聲 噪聲等效電路噪聲等效電路 偏置電路偏置電路 圖圖3.21 微輻射計(jì)的偏置電流和噪聲等效電路。微輻射計(jì)的偏置電流和噪聲等效電路。R,微輻射計(jì)微輻射計(jì)的電阻；的電阻；RL,負(fù)載電阻；負(fù)載電阻；Vb負(fù)載電阻的偏置電壓；負(fù)載電阻的偏置電壓；vJ,

58、Johnson 噪聲源；噪聲源；v1/f,1/f噪聲源噪聲源無偏置時(shí)無偏置時(shí), ,溫度為溫度為T T的微測(cè)輻射熱計(jì)與環(huán)境間熱平衡可表示的微測(cè)輻射熱計(jì)與環(huán)境間熱平衡可表示為：為：)(sTTgQdtdTCCkTT/22可以計(jì)算出由于可以計(jì)算出由于g g（g glegleg+g+gradrad）的影響，微測(cè)輻射熱計(jì)）的影響，微測(cè)輻射熱計(jì)3. 3. 熱導(dǎo)噪聲熱導(dǎo)噪聲 如果熱噪聲為唯一存在的噪聲，則輻射計(jì)的噪聲等效功率如果熱噪聲為唯一存在的噪聲，則輻射計(jì)的噪聲等效功率3. 熱導(dǎo)噪聲熱導(dǎo)噪聲 這個(gè)溫度噪聲有一個(gè)功率密度為這個(gè)溫度噪聲有一個(gè)功率密度為cKTgidealNEP/)(2222222114)(14

59、)(gKTfggKTfT4. 4. 輻射通量噪聲輻射通量噪聲 212425322) 1()(8(2)4(xxxxdxeexhhKTccAp由背景輻射光子數(shù)的漲落所引起的探測(cè)器的噪聲稱為背景由背景輻射光子數(shù)的漲落所引起的探測(cè)器的噪聲稱為背景噪聲或光子噪聲。噪聲或光子噪聲。KThx/入射光以立體角入射光以立體角照在面積為溫度為的黑體的表面，照在面積為溫度為的黑體的表面，則光輻射功率則光輻射功率P P的變化量的變化量 ： 22)(ppp由于物體的發(fā)射率與吸收率相同，表面積由于物體的發(fā)射率與吸收率相同，表面積A A的出射輻射功率下的出射輻射功率下有相同的噪聲，且微輻射計(jì)有兩個(gè)表面，則整個(gè)的噪聲功率有相

60、同的噪聲，且微輻射計(jì)有兩個(gè)表面，則整個(gè)的噪聲功率為：為： 212425322) 1()(8(2)4)2(2xxxxdxeexhhKTCACpradgKTKTAp2522)2( 8grad=4（2A） T3在所有的波長(zhǎng)下積分，令在所有的波長(zhǎng)下積分，令 2324515/2hCK輻射噪聲引起的輻射計(jì)溫度波動(dòng)輻射噪聲引起的輻射計(jì)溫度波動(dòng)為：為：0222)2(11)(dffgfSTlegradradgggcKTcgKTA25)2(4低頻時(shí)低頻時(shí), ,每單位帶寬下輻射噪聲功率變化：每單位帶寬下輻射噪聲功率變化：radfgKTpfS22042)(由支撐臂熱導(dǎo)由支撐臂熱導(dǎo)gleg引起引起輻射計(jì)溫度變化輻射計(jì)溫