第二章--熱探測器3

1、 熱釋電體：具有熱釋電效應(yīng)的晶體。具有熱電性和壓電性。熱釋電體：具有熱釋電效應(yīng)的晶體。具有熱電性和壓電性。 鐵電體：晶體的自發(fā)極化方向隨外電場而變化的晶體。具有：鐵電體：晶體的自發(fā)極化方向隨外電場而變化的晶體。具有：壓電性、熱電性和鐵電性；壓電性、熱電性和鐵電性；（2）鐵電體的基本性質(zhì)）鐵電體的基本性質(zhì)（a）鐵電體的電滯回線和電疇）鐵電體的電滯回線和電疇圖圖1 電滯回線電滯回線圖圖2 電疇示意圖電疇示意圖 （b）鐵電體的溫度特性居里溫度）鐵電體的溫度特性居里溫度圖圖3 TGS的的Ps與與T的關(guān)系曲線的關(guān)系曲線 式中，式中，介質(zhì)的介電常數(shù)；介質(zhì)的介電常數(shù)； ” 介質(zhì)損耗；介質(zhì)損耗；tan= ”

2、/ 稱為損耗因子。稱為損耗因子。 圖圖4 介電常數(shù)隨溫度介電常數(shù)隨溫度的變化曲線的變化曲線 （c）鐵電體的頻率特性）鐵電體的頻率特性（3）熱釋電材料的性能參數(shù)）熱釋電材料的性能參數(shù)（a）熱釋電系數(shù)）熱釋電系數(shù) 熱釋電系數(shù)：自發(fā)極化強(qiáng)度對溫度的偏導(dǎo)數(shù)（熱釋電系數(shù)：自發(fā)極化強(qiáng)度對溫度的偏導(dǎo)數(shù)（c/(m2K)），），用來描述熱釋電效應(yīng)的強(qiáng)弱。用來描述熱釋電效應(yīng)的強(qiáng)弱。（b）復(fù)介電常數(shù)）復(fù)介電常數(shù)j jj（4）幾種常用的熱釋電材料）幾種常用的熱釋電材料（a）硫酸三甘肽（）硫酸三甘肽（TGS）（b）氧化物單晶：鉭酸鋰（）氧化物單晶：鉭酸鋰（LiTaO3）、鈮酸鍶鋇（）、鈮酸鍶鋇（SBN） TPs3.2

3、熱釋電探測器的基本原理和響應(yīng)度熱釋電探測器的基本原理和響應(yīng)度（1）結(jié)構(gòu)與基本原理）結(jié)構(gòu)與基本原理 熱釋電探測器的基本結(jié)構(gòu)：熱釋電探測器的基本結(jié)構(gòu)： a） 面電極結(jié)構(gòu)面電極結(jié)構(gòu) b）邊電極結(jié)構(gòu)）邊電極結(jié)構(gòu) 圖圖4 熱釋電探測器的結(jié)構(gòu)示意圖熱釋電探測器的結(jié)構(gòu)示意圖工作原理：工作原理： 當(dāng)敏感元吸收紅外輻射后，引起材料的溫度變化，晶體內(nèi)部當(dāng)敏感元吸收紅外輻射后，引起材料的溫度變化，晶體內(nèi)部熱運(yùn)動變化，從而使晶體的自發(fā)極化強(qiáng)度熱運(yùn)動變化，從而使晶體的自發(fā)極化強(qiáng)度Ps發(fā)生變化。結(jié)果在電發(fā)生變化。結(jié)果在電極上便有束縛電荷釋放出來。如果將入射輻射調(diào)制后再照射到熱極上便有束縛電荷釋放出來。如果將入射輻射調(diào)制后

4、再照射到熱釋電體的光敏面上，則材料的自發(fā)極化強(qiáng)度釋電體的光敏面上，則材料的自發(fā)極化強(qiáng)度Ps以及由此引起的面以及由此引起的面束縛電荷便隨調(diào)制頻率束縛電荷便隨調(diào)制頻率f 發(fā)生變化，當(dāng)發(fā)生變化，當(dāng) （為材料的時間常為材料的時間常數(shù)）時，材料體內(nèi)的自由電荷來不及中和面束縛電荷，結(jié)果在材數(shù)）時，材料體內(nèi)的自由電荷來不及中和面束縛電荷，結(jié)果在材料的面電極兩端便出現(xiàn)開路交流電壓，這時如果在兩電極間接上料的面電極兩端便出現(xiàn)開路交流電壓，這時如果在兩電極間接上負(fù)載就會有電流流過。負(fù)載就會有電流流過。 式中式中Ad電極面積電極面積 (對于面電極結(jié)構(gòu)，它與探測器面積相同對于面電極結(jié)構(gòu)，它與探測器面積相同 );熱釋電

5、系數(shù)。熱釋電系數(shù)。dtTdAidp1f（圖圖5 探測器及前放的等效電路圖探測器及前放的等效電路圖 其中其中RP和和CP探測器的等效電阻和電容；探測器的等效電阻和電容；RL和和CA前放的等效電阻和電容。前放的等效電阻和電容。 ip熱釋電探測器的信號電流源；熱釋電探測器的信號電流源；則則熱釋電探測器產(chǎn)生的交變電流為：熱釋電探測器產(chǎn)生的交變電流為：dtTdAidptjePP0設(shè)設(shè) 的交變輻射照射到熱釋電探測器引起的溫升為的交變輻射照射到熱釋電探測器引起的溫升為T(),則則tjePP0 tjtjeHjGPeTT00TAjidp得出信號電流的幅值為得出信號電流的幅值為： 212201TddpGPATAi

6、式中式中TH/G 熱時間常數(shù)。熱時間常數(shù)。 熱釋電探測器與前放輸入回路的總阻抗熱釋電探測器與前放輸入回路的總阻抗則則ip在阻抗在阻抗Z上的電壓，即信號電壓幅值為：上的電壓，即信號電壓幅值為：tjePP0則電流響應(yīng)度和電壓響應(yīng)度的幅值分別為則電流響應(yīng)度和電壓響應(yīng)度的幅值分別為：21221eRZ式中式中R電路總等效電阻，電路總等效電阻， ； eRC電時間常數(shù)；電時間常數(shù)；C電路電容電路電容CCP+CA。LPLPRRRRR21222122011eTdppGRPAZiV 212201TdpiGAPiR212221220111TedpvRGAPVR（a）響應(yīng)度的頻率特性）響應(yīng)度的頻率特性圖圖6 電壓響應(yīng)

7、度隨頻率的變化關(guān)系電壓響應(yīng)度隨頻率的變化關(guān)系 i）當(dāng)）當(dāng)0時，時，RvRi0，說明熱釋電探測器對交變輻射才有響應(yīng)。說明熱釋電探測器對交變輻射才有響應(yīng)。ii）當(dāng)）當(dāng) 時，屬低頻段。時，屬低頻段。Te11及GRARdvGARdi即電壓響應(yīng)度與頻率成正比。即電壓響應(yīng)度與頻率成正比。 iii）當(dāng)）當(dāng) 時，時，Rv的值最大，且與頻率無關(guān)。的值最大，且與頻率無關(guān)。eT11HRARdv熱分界點(diǎn)頻率熱分界點(diǎn)頻率電分界點(diǎn)頻率電分界點(diǎn)頻率iv）當(dāng)）當(dāng) 時，屬高頻段。時，屬高頻段。Te11及HCARdvHARdi即電壓響應(yīng)度與頻率成反比。即電壓響應(yīng)度與頻率成反比。HARdiR RV V( (R Ri i) )R R

8、V VR Ri i圖圖7（b）等效電阻與響應(yīng)度的關(guān)系）等效電阻與響應(yīng)度的關(guān)系要要Rv 高，則選用高，則選用Q1 高的材料；要高的材料；要Ri 高，則選用高，則選用Q2 高的材料。高的材料。 小的材料宜做面電極結(jié)構(gòu)，小的材料宜做面電極結(jié)構(gòu)， 大的材料宜做邊電極結(jié)構(gòu)。大的材料宜做邊電極結(jié)構(gòu)。（c）晶體材料的選擇（材料優(yōu)值）晶體材料的選擇（材料優(yōu)值） 將將Rv和和Ri的表示式改寫為的表示式改寫為 ：RC1C121221eR圖圖8 等效電阻與響應(yīng)度的關(guān)系等效電阻與響應(yīng)度的關(guān)系i）當(dāng)）當(dāng) 時，時，Rv隨等效電阻隨等效電阻R增大而增大；增大而增大；CR1ii）當(dāng)）當(dāng) ，其他參數(shù)不變時，其他參數(shù)不變時，Rv

9、趨于一趨于一恒定值。恒定值。CR12122212211TTeedVvACR21221TTVidCR式中：式中：CV為體積比熱容，單位為為體積比熱容，單位為Jcm-3K-1；d為敏感元厚度；為敏感元厚度；為介電常數(shù)為介電常數(shù). 、 僅與材料有關(guān)，僅與材料有關(guān)， 稱稱Q1為第一材料優(yōu)值；為第一材料優(yōu)值；Q2為第二材料優(yōu)值為第二材料優(yōu)值 。1QCV2QCV（ ）dACHdVdACd3.3 熱釋電探測器的噪聲和探測率熱釋電探測器的噪聲和探測率（1）噪聲）噪聲干擾噪聲：由外部電的或機(jī)械的擾動造成；干擾噪聲：由外部電的或機(jī)械的擾動造成；探測器（含放大器）噪聲：溫度噪聲、介質(zhì)損耗噪聲、熱噪聲、探測器（含放大

10、器）噪聲：溫度噪聲、介質(zhì)損耗噪聲、熱噪聲、 放大器噪聲（電流噪聲和電壓噪聲）放大器噪聲（電流噪聲和電壓噪聲）圖圖9 噪聲等效電路噪聲等效電路噪聲等效電路圖：噪聲等效電路圖：（a）溫度噪聲）溫度噪聲 環(huán)境溫度的起伏，產(chǎn)生探測器溫度的無規(guī)則起伏，從而產(chǎn)生環(huán)境溫度的起伏，產(chǎn)生探測器溫度的無規(guī)則起伏，從而產(chǎn)生溫度噪聲。溫度噪聲。 在帶寬在帶寬f 內(nèi)，噪聲等效功率為內(nèi)，噪聲等效功率為式中式中材料的吸收率；材料的吸收率；k玻爾茲曼常數(shù)；玻爾茲曼常數(shù)；T熱平衡時的絕對溫度；熱平衡時的絕對溫度； G探測器與環(huán)境進(jìn)行熱交換的熱導(dǎo)。探測器與環(huán)境進(jìn)行熱交換的熱導(dǎo)。 則溫度噪聲電流為則溫度噪聲電流為 ： 當(dāng)熱傳導(dǎo)比熱

11、輻射小很多且可忽略時，熱釋電探測器與當(dāng)熱傳導(dǎo)比熱輻射小很多且可忽略時，熱釋電探測器與外界的熱量交換以輻射方式進(jìn)行，則外界的熱量交換以輻射方式進(jìn)行，則式中式中Ri電流響應(yīng)度。電流響應(yīng)度。 fGkTPT241fGkTRiiT24 dAdTTdPG dATG34 44TTTP21516fAkTPdTidTRfAkTi21516即熱探即熱探測器的測器的背景輻背景輻射噪聲射噪聲 （b）介質(zhì)損耗噪聲）介質(zhì)損耗噪聲 是熱釋電探測器在中頻的主要噪聲源。是熱釋電探測器在中頻的主要噪聲源。 原因：晶格熱振動引起的，因而本質(zhì)上也是一種原因：晶格熱振動引起的，因而本質(zhì)上也是一種熱噪聲熱噪聲。介質(zhì)損耗噪聲電流：介質(zhì)損耗

12、噪聲電流：式中式中Cp熱釋電探測器的電容；熱釋電探測器的電容；p熱釋電探測器的功率損耗角。熱釋電探測器的功率損耗角。（c）熱噪聲）熱噪聲 這里主要指敏感元負(fù)載電阻熱噪聲。敏感元負(fù)載電阻主要這里主要指敏感元負(fù)載電阻熱噪聲。敏感元負(fù)載電阻主要取決于柵極偏置電阻。取決于柵極偏置電阻。 熱噪聲電流：熱噪聲電流： 式中式中Rg柵極偏置電阻柵極偏置電阻 。 214ftgCkTipp214gLRfkTi（d）放大器噪聲）放大器噪聲 前置放大器的等效電流噪聲主要來自前放中場效應(yīng)管的柵極前置放大器的等效電流噪聲主要來自前放中場效應(yīng)管的柵極電流的起伏，因此屬于散粒噪聲。電流的起伏，因此屬于散粒噪聲。 噪聲電流：噪

13、聲電流：式中式中e電子電荷；電子電荷；Ig（流過場效應(yīng)管的）柵極電流（等于流過（流過場效應(yīng)管的）柵極電流（等于流過PN結(jié)的擴(kuò)結(jié)的擴(kuò)散電流與漂移電流之和）。散電流與漂移電流之和）。 前置放大器的等效電壓噪聲主要包括場效應(yīng)管的前置放大器的等效電壓噪聲主要包括場效應(yīng)管的1/f 噪聲、噪聲、產(chǎn)生復(fù)合噪聲和溝道的熱噪聲。在較高頻率時，主要是溝道熱噪產(chǎn)生復(fù)合噪聲和溝道的熱噪聲。在較高頻率時，主要是溝道熱噪聲。聲。 噪聲電壓：噪聲電壓： 式中式中Rm晶體管的噪聲等效電阻晶體管的噪聲等效電阻 。 212feIige214fkTRVmA該噪聲在阻抗該噪聲在阻抗Z上的噪聲電流為：上的噪聲電流為：ZViAA122e

14、ApAACCVi則探測器的總噪聲電流為：則探測器的總噪聲電流為： （2）探測率）探測率D*負(fù)載電阻熱噪聲和柵極負(fù)載電阻熱噪聲和柵極電流噪聲為主；電流噪聲為主；介質(zhì)損耗噪聲為主；介質(zhì)損耗噪聲為主；前放噪聲為主。前放噪聲為主。2122222AeLTniiiiiifnif fL Lf fe ef fa a圖圖10 熱釋電探測器各類噪聲源的頻譜圖熱釋電探測器各類噪聲源的頻譜圖 2122222AeLTddNEPNEPNEPNEPNEPfANEPfAD（a）溫度噪聲為主要噪聲時，此時）溫度噪聲為主要噪聲時，此時 21241fGkTRiNEPNEPiTT212214GkTADd顯然，只有溫度噪聲時，顯然，只

15、有溫度噪聲時，NEP和和D*與頻率無關(guān)。與頻率無關(guān)。（b）頻率較低時（以放大器的電流噪聲與負(fù)載電阻的熱噪聲為）頻率較低時（以放大器的電流噪聲與負(fù)載電阻的熱噪聲為主）主） 此時，此時，（c）頻率較高時，（以介質(zhì)損耗噪聲為主）頻率較高時，（以介質(zhì)損耗噪聲為主） 此時，此時， 要提高探測率，應(yīng)尋求要提高探測率，應(yīng)尋求Q3大的材料，還應(yīng)減小敏感元的厚度大的材料，還應(yīng)減小敏感元的厚度d。 2122LeNEPNEPNEP21221TTVidCR又又ieeRiNEPiLLRiNEP2121222121)42()1 (.kTReIdCRANEPfADggTvgdTdTTppvftgCkTdCNEPNEP212

16、12221i)1 ()4(Ri214pVtgkTdCD當(dāng)當(dāng) 時，時， 則則T1dACdP若令若令 第三材料優(yōu)值第三材料優(yōu)值 ，則，則213)(pvtgCQ21213)4(dkTQD（d）高頻時，以前放的電壓噪聲為主（此時忽略其他噪聲）高頻時，以前放的電壓噪聲為主（此時忽略其他噪聲） 則則通過增加吸收率和減小器件的熱導(dǎo)通過增加吸收率和減小器件的熱導(dǎo)G或降溫可改善或降溫可改善D*。 當(dāng)探測器與外界的熱交換以輻射方式進(jìn)行時，當(dāng)探測器與外界的熱交換以輻射方式進(jìn)行時， 3.4 理想探測器及其極限探測率理想探測器及其極限探測率 理想熱探測器是指只存在溫度噪聲的熱探測器。理想熱探測器是指只存在溫度噪聲的熱探測器。此時此時NEP和和D*應(yīng)滿足：應(yīng)滿足： 上式為上式為理想熱探測器的極限探測率理