第8章_微測輻射熱計焦平面陣列

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

2、來探測的。 傳感器：利用其他敏感量來測量。o探測對象：一個是紅外光（熱輻射），另一個是其他的敏感量（如聲音、壓等）。o材料上：輻射計：利用電導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原理基礎上在別人建立的輻射計原理基礎上構造出第一個輻射計。以后的工作就在于對輻射計構造出第一個輻射計。以后的工作就在于對輻射計的改進上。的改進上。 1978 1978年年JohnsonJohnson提出了適用的硅微型隔熱結構作為提出了適用的硅微型隔熱結構作為室內溫度熱紅外傳感器。室

3、內溫度熱紅外傳感器。 1979 1979年年JohnsonJohnson和和HigashiHigashi構造了構造了原型傳感器原型傳感器。 由機械橋型的由機械橋型的SiSi3 3N N4 4構成，外部為構成，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。 構造這些裝置時，使用各向異性蝕刻法制構造這些裝置時，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，對微型橋路，對IRIR輻輻射很敏感。射很敏感。 原型傳感器原型傳感器: 1982 1982，KruseKruse通過計算表明硅

4、微型機械加通過計算表明硅微型機械加工的微型輻射計可以達到接近室溫下工的微型輻射計可以達到接近室溫下IRIR探測器探測器的性能，并提出了他們作為一個兩維的凝視型的性能，并提出了他們作為一個兩維的凝視型焦平面陣列的構造。焦平面陣列的構造。 1982 1982，ArchArch和和HeiserHeiser對微機械加工的對微機械加工的SiSi3 3N N4 4微型輻射計做了大量的測量。測得的微型輻射計做了大量的測量。測得的D D* * 為為10109 9cmHzcmHz1/21/2/W /W ， D D* *足夠在凝視焦平面中產生一足夠在凝視焦平面中產生一個很好的噪聲等效溫差個很好的噪聲等效溫差 。

5、1983 1983年，帶有微機械加工的測輻射熱計的年，帶有微機械加工的測輻射熱計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) )，被用于一個便攜式，被用于一個便攜式的非致冷攝像機上的非致冷攝像機上 。 成像元件是受單元探測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機構。 最重要的探測器件是電阻型測輻射熱計。8.2 基本原理電阻變化（輻射計）電阻變化（輻射計

6、）熱電結（熱電結（TETE傳感器）傳感器）熱釋電效應熱釋電效應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得化可由以下方式測得: :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號輻輻射射1. 熱紅外傳感器的基本結構熱紅外傳感器的基本結構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抽空的封裝）如果陣列沒有固定在一個抽空的封裝盒里，熱量會流向周圍的大氣。盒里，熱量會流向周圍的大氣。熱熱 傳傳 導：導：2. 熱傳遞的三個方式熱傳遞

7、的三個方式o熱對流是第二種熱傳遞方式。 o 在陣列中熱對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大氣的熱損失往往是熱傳導而不是熱對流。熱熱 對對 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，這種限制對于工作性能影響是非常大。熱熱 輻輻 射：射：一、光熱效應一、光熱效應1、光熱效應、光熱效應：當光照射到理想的黑色吸收體上時，：當光照射到理想的黑色吸收體上時， 黑體將吸收所有波長的全部光能量，并轉換為熱黑體將吸收所有波長的全部光能量，并轉換為熱 能

8、，稱為光熱效應。能，稱為光熱效應。2、光熱探測器原理：、光熱探測器原理：熱能增多導致吸收體的物理、機械性能變化，熱能增多導致吸收體的物理、機械性能變化，如：如：溫度、體積、電阻、熱電動勢等，溫度、體積、電阻、熱電動勢等，通過測量這些通過測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。由光熱效應制由光熱效應制成的光探測器統(tǒng)稱為成的光探測器統(tǒng)稱為光熱探測器。光熱探測器。3、光熱探測器對光輻射的響應過程、光熱探測器對光輻射的響應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 化轉換為相應的電信號，達到探測的目的。化轉換為相應的電信號，達到探測的目的。4、光熱探測器的特點、光熱探測器的特點利用熱敏材料吸收入射輻射的總功率產生溫升來工利用熱敏材料吸收入射輻射的總功率產生溫升來工作的，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，所以各種波長的輻射對于光熱探測器的響應都有貢獻。在很波長的輻射對于光熱探測器的響應都有貢獻。在很寬的波長范圍內，寬的波長范圍內，響應靈敏度與波長無關響應靈敏度與波長無關，但受熱，但受熱時間常數的制約，響應速度較慢。時間常數的制約，響應速度較慢。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 ：入射于探測器的輻射通量（輻射功率）。：入射于探測器的輻射通量（輻射功率）。 ：探測器光敏面對光輻射的吸收系數。：探測器光敏面對光輻射的吸收系數。e ：探測器實際吸收的輻射通量，分為兩個部分：探測器實際吸收的輻射通量，分為兩個部分轉化為內能，表現為溫度升高轉化為內能，表現為溫度升高 ddTCt C 稱為熱容稱為熱容與外界熱交換：傳導、輻射、對流與外界熱交換：傳導、輻射、對流H T H熱傳導系數熱傳導系數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、熱平衡方程的解設入射輻射為：設入射輻射為：

11、je01+et 包含有與時間無關和有關兩部分輻射，所以包含有與時間無關和有關兩部分輻射，所以 eddTCH Tt 的解也包含兩部分的解也包含兩部分0T ：與時間無關的平均溫升；：與時間無關的平均溫升；T ：與時間有關的溫度變化；：與時間有關的溫度變化； eddTCH Tt 可以分解為兩個方程可以分解為兩個方程j00eejjtGtCttTHCHC 00000ddTCH TTtH j0dedtTCH Tt 3、對熱平衡方程的解的討論、對熱平衡方程的解的討論設設 ，稱為熱敏器件的熱時間常數，稱為熱敏器件的熱時間常數 一般為毫秒至秒的數量級，它與器件大小、形狀一般為毫秒至秒的數量級，它與器件大小、形狀

12、 和顏色等有關。和顏色等有關。 TCR CH 如果只考慮與時間有關的項，即有：如果只考慮與時間有關的項，即有： j00eejjtGtCtT tTHCHC 當當 時，解的第一項時，解的第一項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制輻射功率的程度。升滯后調制輻射功率的程度?？紤]溫升的幅值考慮溫升的幅值 01/2221TTTC A、溫升、溫升 與吸收系數與吸收系數 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，有關， 增高，溫增高，溫 升升 下降。下降。T T 低頻時低頻時1T 001/2221TTTHC 即即 與與 成反比，幾乎與成反比，幾乎與 無關無關T H 00TTTCC 當當 時，即高頻或時，即高頻或 很大時，很大時，1TT 所以此時溫升與熱導無關，而與熱容所以此時溫升與熱導無關，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 結論結論：光熱探測器常用于低頻調制輻射的場合，：光熱探測器常用于低頻調制輻射的場合， 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，時間響應變壞，器件的熱慣性變大，時間響應變壞，HT H由初始零值開始隨時間增加，當由初始零值開始隨時間增加，當 時時T t 達到穩(wěn)定值達到穩(wěn)定值 ，當，當 時，時，上升到穩(wěn)定值的上升到穩(wěn)定值的 ，所以稱，所以稱 為熱敏器件的熱時間常數。為熱敏器件的熱時間常數。T T 0H T 1163%e Tt C、 時，方程的解為時，方程的解為0 01TtTeH 三、熱敏器件的最小可探測功率三、熱敏器件的最小可探測功率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 ，將探測器近似為黑體，當它與環(huán)境，將探測器近似為黑體，當它與環(huán)境處于熱平衡時，輻射的總功率為：處于熱平衡時，輻射的總功率為： 4eAT TA2、熱敏器件的熱導、熱敏器件的熱導3ed4dHATT 3、熱敏器件的最小可探測功率、熱敏器件的最小可探測功率 122222241TkT H fTH 當熱敏器件與環(huán)境溫度處于平衡時，在頻帶寬度當熱敏器件與環(huán)境溫度處于平衡時，在頻帶寬度內，熱敏器件的溫度起伏均方根值為：內，熱敏器件的溫度起伏均方根值為： 12200NE222201/22241TTkT H fPHCTTH 1125222416kT H fA kTf 4、歸一化探測率

16、（比探測率）、歸一化探測率（比探測率） 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、結構、熱敏電阻的原理、材料、結構一、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，導致負載兩端電壓的變化，并給出電信改變，導致負載兩端電壓的變化，并給出電信 號的器件，叫做熱敏電阻。號的器件，叫做熱敏電阻。原理：原理：半

17、導體材料對光的吸收有本征吸收、雜半導體材料對光的吸收有本征吸收、雜 質吸收、晶格吸收、自由電子吸收等，并且不質吸收、晶格吸收、自由電子吸收等，并且不 同程度地轉變?yōu)闊崮?，引起晶格振動的加劇，同程度地轉變?yōu)闊崮?，引起晶格振動的加劇?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：金屬材料與半導體材料熱敏電阻材料：金屬材料與半導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，而由半導體材料數，而由半導體材料組成的熱敏電阻具有組成的熱敏電阻具有負溫度特性。負溫度特性。白金的電阻溫度系數大約為白金的電阻溫度系數大約為0.37

18、%左右；半導左右；半導體材料熱敏電阻的溫度系數大約為體材料熱敏電阻的溫度系數大約為-3%-6%，所，所以熱敏電阻探測器常用半導體材料。以熱敏電阻探測器常用半導體材料。結構及外形：結構及外形：熱敏電阻熱敏電阻的結構的結構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熱敏電阻的特點A、熱敏電阻的溫度系數大，靈敏度高，熱敏、熱敏電阻的溫度系數大，靈敏度高，熱敏 電阻的溫度系數常比一般金屬電阻大電阻的溫度系數常比一般金屬電阻大10 100倍。倍。B、結構簡單，體積小，可以測量近似幾何點、結構簡單，體積小，可以測量近似幾何點 的溫度。的溫度。C、電阻率高，熱慣性小，適宜做動態(tài)測量。、電阻率高，熱慣性

19、小，適宜做動態(tài)測量。D、阻值與溫度的變化關系呈非線性。、阻值與溫度的變化關系呈非線性。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、熱敏電阻探測器的參數、熱敏電阻探測器的參數電阻電阻溫度特性溫度特性指熱敏電阻的實際阻值與電阻體溫度之間的關系指熱敏電阻的實際阻值與電阻體溫度之間的關系A、表達式、表達式正溫度系數的熱敏電阻：正溫度系數的熱敏電阻：0eATTRR 負溫度系數的熱敏電阻：負溫度系數的熱敏電阻：eB TTRR 為材料常數。為材料常數。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的常數。的幾何尺寸和材料物理特

20、性有關的常數。0RR 、例：標稱阻值例：標稱阻值 是指環(huán)境溫度為是指環(huán)境溫度為25時的實時的實 際阻值，若際阻值，若 偏離，而偏離，而 不好測量，則：不好測量，則：25R25RT對于正溫度系數的熱敏電阻：對于正溫度系數的熱敏電阻：0eATTRR 298250eARR 29825eATTRR 對于負溫度系數的熱敏電阻：對于負溫度系數的熱敏電阻：/eB TTRR /29825eBRR 1129825eBTTRR B、電阻溫度系數電阻溫度系數 d11/ CdTTTRRT 表示溫度每變化表示溫度每變化 1 時，熱敏電阻的實際時，熱敏電阻的實際阻值的相對變化。阻值的相對變化。對于正溫度系數的熱敏電阻：對

21、于正溫度系數的熱敏電阻：00d11edeATTTATTRARARTR 對于負溫度系數的熱敏電阻：對于負溫度系數的熱敏電阻：/22d11edeB TTTATTRBBRRTRTT A B、C、材料常數、材料常數B又稱為熱靈敏指標。又稱為熱靈敏指標。B值并不是一個嚴格值并不是一個嚴格的常數的常數, 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。對于負溫度系數的熱敏電阻：對于負溫度系數的熱敏電阻：121221lnTTRTTBTTR 11/eB TTRR 22/eB TTRR 對于正溫度系數的熱敏電阻：對于正溫度系數的熱敏電阻：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已知熱敏電阻溫度系數 后，當熱敏電阻接收后，當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 （ 值不大時成立）值不大時成立）T d1dddTTTTTTRRRTRTTTTRRT 冷阻與熱阻冷阻與熱阻A、冷阻冷阻：熱敏電阻在某個溫度下未受輻射時：熱敏電阻在某個溫度下未受輻射時 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、若入射輻射為交流正弦信號 ， 求負載上輸出求負載上輸出bbe4L

23、TUUR 負載上輸出為：負載上輸出為：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 外界對流所造成的熱量損失，常將元件裝外界對流所造成的熱量損失，常將元件裝 入真空殼內。但熱阻增大，響應時間也增入真空殼內。但熱阻增大，響應時間也增 大。為了減小響應時間，常把熱敏電阻貼大。為了減小響應時間，常把熱敏電阻貼 在具有高熱導

24、的襯底上；在具有高熱導的襯底上；(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微測輻射熱計的響應率微測輻射熱計的響應率1 1、微測輻射熱計模型、微測輻射熱計模型填充因子填充因子F Ff f： A=FA=Ff fA AC C 圖4.1 微輻射計模式，Ac整個單元面積，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, ,微測輻射熱計內部耗散的能量為微測輻射熱計內部耗散的能量為W W，輻射熱計與支，輻射熱計與支撐結構之間的熱導為撐結構之間的熱導為g g： g

25、=dW / dT (G) g g由支撐臂及其周圍的空氣的熱導決定由支撐臂及其周圍的空氣的熱導決定, ,也由也由熱輻射決定。熱輻射決定。 1 1、微測輻射熱計模型、微測輻射熱計模型1 1、微測輻射熱計模型、微測輻射熱計模型圖圖4.2 選擇的光學系統(tǒng)，選擇的光學系統(tǒng)，Tt,目標溫度；目標溫度；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光學裝置的光學裝置的F F數定義：數定義： F Fnono=1/2sin=1/2sinSinSin數值孔徑數值孔徑(NA)(NA)。立體角與半錐角的關系：立

26、體角與半錐角的關系：1 1、微測輻射熱計模型、微測輻射熱計模型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、微測輻射熱計模型、微測輻射熱計模型若發(fā)射率為若發(fā)射率為 e e, ,微測輻射熱計前表面微測輻射熱計前表面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為目標溫為目標溫度，度，e e為目標發(fā)射率。為目標發(fā)射率。 由目標溫度由目標溫度T Tt t 變化引起微測輻射熱計溫度變化：變化引起微測輻射熱計溫度變化： tTTtnoetttdTdLFAgTPPT2411 1、微測輻射熱計模型、微測輻射熱計模型表表4.1 4.1 對于目標溫度為對于目標溫度為290K,300K290K,300K以及以及 310K310K時的時的dL/dTdL/dTt t的值（的值（W.cmW.cm-2-2srsr-1-1K K-1-1） 波長間隔波長間隔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、微測輻射熱計模型、微測輻射熱計模型例例: 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、微測輻射熱計模型、微測輻射熱計模型tTTtnoedTdLFAg241對于對于dTt =1時時dT10mK。2 2、微測輻射熱計材料的電阻變化、微測輻射熱計材料的電阻變化電阻溫度系數（電阻溫度系數（TCRTCR）：）：RdTdR如果如果與溫度無關，積分后得與溫度無

30、關，積分后得 ： )(1)()(SSTTTRTR 金屬溫度變化時自由載流子濃度變化很小，但自由載流金屬溫度變化時自由載流子濃度變化很小，但自由載流子運動隨溫度減小而產生一個正的子運動隨溫度減小而產生一個正的，一般為，一般為+0.002K+0.002K-1-1。金屬金屬TCRTCR材料的優(yōu)點：材料的優(yōu)點：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處的很小的觸點處的很小的1/f1/f噪聲。噪聲。金屬材料：金屬材料： 舉例：舉例： 第一個微測輻射熱計陣列使用第一個微測輻射熱計陣列使用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 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，Fno=1Fno=1，30Hz30Hz幀速幀速) )。半導體的半導體的R(T)R(T) 半導體半導體R(T)R(T)的一個特點是其自由載流子濃度由一個帶寬內的一個特點是其自由載流子濃度由一個帶寬內的熱激勵控制：的熱激勵控制： )exp()(0KTERTR其中其中 E E是激

32、勵能量是激勵能量, ,等于等于E Eg g的一半的一半,R,R0 0是一個常數。是一個常數。 對于半導體材料對于半導體材料, ,可以得到可以得到 : :222kTEkTERdTdRg用作用作TCRTCR材料的半導體材料材料的半導體材料 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輻射熱計耦合的薄膜電阻器用于測輻射熱計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)點氧化釩材料的優(yōu)點 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，且對于氧化釩是鈍化劑。是很好的基底，且對于氧化釩是鈍化劑。 3 3、讀出電路、讀出電路, ,方塊電阻合適，加以合適的電觸點使方塊電阻合適，加以合適的電觸點使1/f1/f噪噪聲將足夠低。聲將足夠低。 4 4、在在2525時為時為-0.02K-0.02K-

34、1-1, ,比大多數金屬的比大多數金屬的值高值高5 51010倍。倍。氧化釩材料的缺點氧化釩材料的缺點 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、必須適當地控制沉積條件才能夠得到好的性能，有、必須適當地控制沉積條件才能夠得到好的性能，有些二氧化物中會出現磁滯現象。些二氧化物中會出現磁滯現象。 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、度系數和電阻薄膜片電阻溫度系數和電阻率曲線率曲線8.5 8.5 微輻射計陣列的讀出電路微輻射計陣列的讀出電路 CCD（電荷耦合器件）（電荷耦合器件） MOSEFT（金屬（金屬-氧化物氧化物-半導體場效應管）半導體場效應管） 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. 微輻射計的讀出電路的一般形式微輻射計的讀出電路的一般形式 列多路復合器列多路復合器 行多路行多路復合器復合器 圖圖4.23 微測輻射計的讀出電路的一般形式微測輻射計的讀出電路的一般形式電子像素開關電子像素開關探測器探測器每個像素的偏置時間：每個像素的偏置時間： t=t=1/30/409

36、6=8.11/30/4096=8.1 s s 例例1 1：一個一個64646464的陣列的陣列, ,幀速為幀速為30Hz30Hz，如果一個單獨的微，如果一個單獨的微輻射計在任何瞬間都可以讀出，輻射計在任何瞬間都可以讀出，問：每個像素的偏置時間是多少？問：每個像素的偏置時間是多少？解：解：像素總個數：像素總個數：6464* *646440964096一幀圖像輸出的總時間：一幀圖像輸出的總時間：1/30s1/30s（1 1）同時輸出）同時輸出1414個微輻射計的模擬信號到個微輻射計的模擬信號到1414個外個外部積分器中。部積分器中。2. 微輻射計的讀出電路的改進形式微輻射計的讀出電路的改進形式 （

37、2 2）整行像素同時輸出，幀速提高至）整行像素同時輸出，幀速提高至60Hz60Hz例：例：240*336陣列陣列1/1/（240240* *6060）=70=70 s s每個像素的偏置時間？每個像素的偏置時間？行多行多路復路復合器合器 轉換門轉換門 行存儲器行存儲器 輸出多路轉換器輸出多路轉換器 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 微輻射計設計，制備以及封裝微輻射計設計，制備以及封裝 制造技術制造技術：微型機械技術微型機械技術 是以硅為基礎，選擇蝕刻一定材料來構造微觀隔熱結構的是以硅為基礎，選擇蝕刻一定材料來構造微觀隔

38、熱結構的技術。技術。 4.6.1 4.6.1 微測輻射熱計的結構設計和制作微測輻射熱計的結構設計和制作結構設計：結構設計： 單層結構單層結構 雙層結構雙層結構 圖圖4.27 4.27 單層微輻射計結構單層微輻射計結構 單層結構單層結構 傳感器傳感器 電極電極 像素大小像素大小 硅硅 1.1.單層微測輻射熱計結構單層微測輻射熱計結構7575微米的單層的微輻射計的原型微縮圖形微米的單層的微輻射計的原型微縮圖形 承受加速度為承受加速度為14,000g14,000g1.1.單層微測輻射熱計結構單層微測輻射熱計結構D D* *=10=109 9cmHzcmHz1/21/2W W-1-1缺點：填充系數較差

39、缺點：填充系數較差. . 兩層微輻射計結構兩層微輻射計結構 雙層結構雙層結構 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 雙層的微輻射計結構雙層的微輻射計結構（1 1）填充系數大）填充系數大（2 2） 紅外光吸收率高紅外光吸收率高（在腔體下方產生一個（在腔體下方產生一個共振光學腔）。共振光學腔）。 圖圖4.28 雙層微輻射計結構雙層微輻射計結構. . 兩層微輻射計結構兩層微輻射計結構 3. 3. 雙層微輻射計制造步驟雙層微輻射計制造步驟 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，產生的真空間隙與襯底上的薄片金屬反射層，產生一個一個1/41/4波長的諧振腔波長的諧振腔半導體半導體TCRTCR材料做得足夠厚，以作為一個材料做得足夠厚，以作為一個1/41/4波長吸收器，波長吸收器，提供提供90%90%的吸收率的吸收率 。3. 3. 雙層微輻射計制造步驟雙層微輻射計制造步驟 增強紅外吸收率方法增強紅外吸收率方法: :（1）光學諧振腔）光學諧振腔（2 2）

41、半導體材料厚度）半導體材料厚度適宜波長為多少？適宜波長為多少？ 一個一個240240336336的兩層的微輻射計陣列原型圖的兩層的微輻射計陣列原型圖 8.6.2 8.6.2 封封 裝裝 標準溫度和氣壓下的大氣熱導為標準溫度和氣壓下的大氣熱導為2.52.51010-4-4WcmWcm-1-1K K-1-1，一個面積為一個面積為50502 2 m m2 2，高于襯底，高于襯底2.5 2.5 m 的雙層輻射計在標的雙層輻射計在標準溫度和氣壓下熱導為準溫度和氣壓下熱導為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要大一些熱導要大一些 。(1) (1) 降低氣壓至降低

42、氣壓至50mmHg50mmHg，內封吸氣器，內封吸氣器(2) (2) 充不活潑氣體（低熱導）充不活潑氣體（低熱導） 一個240336 的微輻射計的真空密封形式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線 硅芯片（HIDAD陣列） Al結點的焊盤 銅鎢底盤 Al結點的焊盤 熱敏電阻 TEC焊接金屬 熱穩(wěn)定器 固定孔 排氣管內鋯吸附劑真空壓封無氧高導銅排氣管 兩層的微輻射計陣列的封裝 3 3、微測輻射熱計熱平衡方程、微測輻射熱計熱平衡方程4)2()(TATTgPPIVdtdTcSst 其中其中: :最后一項是最后一項是StefansStefans定律決定的輻射熱，定律決定

43、的輻射熱，g(T-Ts)g(T-Ts)是傳導熱。是傳導熱。 假設假設從從目標目標輻射的輻射的紅外輻射能量紅外輻射能量為為P Pt t； 熱存儲器熱存儲器發(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生熱能量由偏置電壓或電流產生熱能量P=IVP=IV。 則則在溫度在溫度T T時；微測輻射熱計的熱平衡方程為：時；微測輻射熱計的熱平衡方程為： 8.2 .18.2 .1微測輻射熱計的響應率微測輻射熱計的響應率 對應極小溫度變化對應極小溫度變化dTdT，發(fā)射輻射能量增量為，發(fā)射輻射能量增量為 : :4)2(TAPrad 則輻射熱導為：則輻射熱導為： /)2( 4)2(34KWTAdTTAd

44、grad 則輻射熱計的熱導是則輻射熱計的熱導是g gradrad和和g glegleg之和，其中之和，其中g glegleg是支撐腿是支撐腿的熱導。即：的熱導。即： g= g g= glegleg + g + gradrad 例：例：對于一個對于一個50m50m的微測輻射熱計，的微測輻射熱計，g glegleg 值為值為2 21010-7-7W/KW/K，假設假設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吸收凈輻射能把輻射熱能量作為一個吸收凈輻射能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當當t t0 0時，時，Q=0Q=0，對于，對于t0t0時，我們可以解出：時，我們可以解出： 1)(/tSegQTtT溫度響應隨指數熱時間常數溫度響應隨指數熱時間常數 c/gc/g變化。變化。 當當微測輻射熱計溫度微測輻射熱計溫度達到達到平衡平衡時：時：gQTtTS)(gQT 則微輻射熱計溫度響應率為：則微輻射熱計溫度響應率為： gQTT1Fig4.8Fig4.8微測輻射熱計的脈沖輻射響

46、應微測輻射熱計的脈沖輻射響應（2 2）加偏置的熱平衡方程解）加偏置的熱平衡方程解微測輻射熱計總共受熱微測輻射熱計總共受熱W=Q+P W=Q+P 。 圖4.9 微測輻射熱計的V-I曲線 為了描述為了描述V-IV-I曲線的曲率，定義一個曲線的曲率，定義一個熱電參數熱電參數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來測量：來測量：11/ZZRIVVIIVVIIVIVRPPRRP）（）（即斜率即斜率z z： 11RIVZ在在 V-IV-I曲線上任一點上，曲線上任一點上， 為：為： TgQ

47、IVWTTRRW)(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，時，V-I曲線斜率變?yōu)闊o窮大；曲線斜率變?yōu)闊o窮大；o半導體類半導體類 為為-0.02K-1 ，在溫度增加為，在溫度增加為1/ =500C時，時，V-I曲線斜率變?yōu)榍€斜率變?yōu)?； o對于對于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對于對于R=10K，微測輻射熱計需要的電流分別是，微測輻射熱計需要的電流分別是70 A和和22 A時或01|1|TdTdWg/（3 3）V-IV-I曲線的計算曲線的計算 熱平衡方程

48、熱平衡方程(3-13)(3-13)在熱平衡狀態(tài)時：在熱平衡狀態(tài)時：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)是微測輻射熱計電阻的受溫度影響的公是微測輻射熱計電阻的受溫度影響的公式。式。 對于一個類半導體的對于一個類半導體的TCRTCR，微測輻射熱計在，微測輻射熱計在溫度下其穩(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： 半導體的電阻溫度系數半導體的電阻溫度系數 KTETIRVSexp)( 消去消去T T可得可得V-IV-I曲線：曲線：gQIVTKETIRVSS(exp

49、)( T-T T-TS S=(IV+Q)/g=(IV+Q)/g圖4.13 半導體類溫度電阻系數的微輻射計的V-I計算曲線（Q=0,=-0.027K-1,在300K時R=10K,g=1E-7W/K） 當 時微測輻射熱計V-I曲線斜率, RRZ)(1)(1)(圖圖4.14 脈沖偏置下的微輻射計的負載線；脈沖偏置下的微輻射計的負載線；RL,負載電阻，負載電阻，Vb偏置電阻的負載電壓，偏置電阻的負載電壓，V,I 微輻射計的電壓和電流，微輻射計的電壓和電流，R，微，微輻射計的電阻輻射計的電阻（4）脈沖偏置信號或者高輻射信號的響應率）脈沖偏置信號或者高輻射信號的響應率 在輻射功率在輻射功率Q Q下，定量變

50、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下的負載線方程來計算：下的負載線方程來計算： )(STTgQIVtTc其中：)()(TRRTRVVLb)(TRRVILb聯(lián)立等式得：tTTgQTRRTRVcTSbLb)()()(122其中對于半導體材料：其中對于半導體材料：)exp()()(KTETRTRS 以上兩個方程可以用來計算在外加偏置和輻射下的輻以上兩個方程可以用來計算在外加偏置和輻射下的輻射計隨著時間變化的溫度曲線。射計隨著時間變化的溫度曲線。 tTTgQTRRTRVcTSbLb)()()(122舉例舉例 表表4.24.2為微測輻射熱計的參數值為微測輻射熱計的參

51、數值 參數參數 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時時 -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電流響應率電流響應率微測輻射熱微測輻射熱計的溫度計的溫度偏置電壓偏置電壓有效的熱導值有效的熱導值o微測輻射熱計以每秒微測輻射熱計以每秒500000C的速度變化！的速度變化！第三節(jié)第三節(jié) 輻射計的噪聲輻射計的噪聲 o輻射計

52、電阻的噪聲輻射計電阻的噪聲 o偏置電阻的變化偏置電阻的變化o輻射計襯底的溫度變化輻射計襯底的溫度變化 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.輻射計電阻的噪聲輻射計電阻的噪聲 o由于電荷載流子的熱激發(fā)，一個溫度為由于電荷載流子的熱激發(fā)，一個溫度為T的阻抗的阻抗R會產生一個波動的電壓噪聲（會產生一個波動的電壓噪聲（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 由計算可知：室溫條件下，阻值為由計

53、算可知：室溫條件下，阻值為R=1K的電阻在的電阻在f=1Hz帶寬內其帶寬內其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探測中是不可忽略的。由此可見在微弱信號探測中是不可忽略的。在一個有效噪聲帶寬在一個有效噪聲帶寬1/4CeR范圍內，可以認為范圍內，可以認為電壓噪聲有一個均方根值電壓噪聲有一個均方根值(4kTR)1/2 VHz-1/2 1/f 噪聲 流過探測器的電流

54、不是純粹的直流，而是在流過探測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都在變化，這就形成了噪聲。電流隨時都在變化，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.輻射計電阻的噪聲輻射計電阻的噪聲 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，噪聲源無關，1Hz帶寬里帶寬里fkVV22注意：注意：參數參數是與電阻材料、沉積技術、形狀以及電接觸是與電阻材料、沉積技術、形狀以及電接觸有關的。有關的。 由于量子力學原因，由于量

55、子力學原因，1/f噪聲是無法消除的。噪聲是無法消除的。 由于電阻材料結構以及電觸點的不完善之處，在所有由于電阻材料結構以及電觸點的不完善之處，在所有真實的阻抗中測得的真實的阻抗中測得的1/f噪聲水平高于此水平很多數量噪聲水平高于此水平很多數量級。級。 微輻射計的噪聲等效電路是由一個無噪聲微輻射計的噪聲等效電路是由一個無噪聲電阻、兩個不相關的均方根電壓噪聲源及電電阻、兩個不相關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帶寬內的頻率帶寬內的頻率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,電容電容

56、fkVKTR24低頻時電子噪聲的增加是由于低頻時電子噪聲的增加是由于1/f噪聲的增加，噪聲的增加，在高頻時則等于在高頻時則等于Johnson噪聲。噪聲。拐點頻率拐點頻率 ：在在1Hz間隔里，當間隔里，當1/f噪聲功率等于噪聲功率等于Johnson噪聲噪聲功率時的頻率。功率時的頻率。 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噪聲功率結合產生一個總的噪聲功率：噪聲功率結合產生一個總的噪聲功率： )ln()(41)(412212212221ffkVffKTRdffkVffKTRVfftf21

57、2stareTf411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而增加的整個輻射計的均方電壓噪聲為（假而增加的整個輻射計的均方電壓噪聲為（假設設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 微輻射計的偏置電流和噪聲等效電路。微輻射計的偏置電流和噪聲等效電路。R,微輻射計微輻射計的電阻；的電阻；RL,負載電阻；負載電阻；Vb負載電阻的偏置電壓；負載電阻的偏置電壓；vJ, Jo

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

59、gKTfggKTfT4. 4. 輻射通量噪聲輻射通量噪聲 212425322) 1()(8(2)4(xxxxdxeexhhKTccAp由背景輻射光子數的漲落所引起的探測器的噪聲稱為背景由背景輻射光子數的漲落所引起的探測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，且微輻射計有兩個表面，則整個的噪聲功率有相同的

60、噪聲，且微輻射計有兩個表面，則整個的噪聲功率為：為： 212425322) 1()(8(2)4)2(2xxxxdxeexhhKTCACpradgKTKTAp2522)2( 8grad=4（2A） T3在所有的波長下積分，令在所有的波長下積分，令 2324515/2hCK輻射噪聲引起的輻射計溫度波動輻射噪聲引起的輻射計溫度波動為：為：0222)2(11)(dffgfSTlegradradgggcKTcgKTA25)2(4低頻時低頻時, ,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)(由支撐臂熱導由支撐臂熱導gleg引起引起輻射計溫度變化輻射計溫度變