光電技術(shù)-05熱輻射探測器件

第五章熱輻射探測器件

熱輻射探測器件：利用熱效應(yīng)制成的探測器。

熱效應(yīng)：物體吸收輻射使其溫度發(fā)生變化，從而引起物體的物理、機(jī)械等性能相應(yīng)變化的現(xiàn)象。優(yōu)點(diǎn)：光譜響應(yīng)寬，室溫下工作（大部分），不需要制冷。缺點(diǎn)：探測率低，時(shí)間響應(yīng)速度慢

分類：測輻射熱計(jì)熱釋電探測器測輻射熱電偶和熱電堆工作原理：當(dāng)物體吸收輻射后，溫度便會升高，伴隨產(chǎn)生某種屬性的變化，如體積膨脹、電阻率變化或產(chǎn)生電流、電動(dòng)勢等，通過測量這些性能參數(shù)的變化，計(jì)算獲得輻射的大小。

熱探測器的性能計(jì)算：a）根據(jù)系統(tǒng)的熱學(xué)特性確定由入射輻射所引起的溫度變化。b）利用溫度變化確定其性能，此性能可以通過適當(dāng)?shù)男盘栕兓瘉矸从场?/p>

Cθ－熱容（J/K）；G－熱導(dǎo)(W/K)；α－吸收率；

φe－入射輻射通量，這里假定入射輻射周期地變化

初始條件：

注意：熱敏器件要涂黑。其中為熱時(shí)間常數(shù)。（ms-s的數(shù)量級）導(dǎo)熱體T熱探測器5.1熱輻射的一般規(guī)律1.溫度變化方程

定義溫度響應(yīng)率RT：其中為熱時(shí)間常數(shù)。單位入射通量所引起的探測器的溫升。2.熱探測器的共性分析（1）w與熱力學(xué)參量對探測器性能的影響低頻：高頻：

故熱輻射探測器適用于光輻射為低頻調(diào)制的場合，此時(shí)可以獲得較強(qiáng)的探測信號。

G響應(yīng)速度靈敏度響應(yīng)速度

大多數(shù)熱輻射探測器的光敏面做的比較小巧

3.最小可探測功率或稱溫度等效功率PNE

例如，在常溫環(huán)境下（T=300K），對于黑體（=1），熱敏器件的面積為100mm2,頻帶寬度為，斯特潘-玻爾茲曼系數(shù)J/cm2K4,玻爾茲曼常數(shù)k=1.38×10-23J/K。則由式（5-14）可以得到常溫下熱敏器件的最小可探測功率為5×10-11W左右。只與探測器的溫度有關(guān)。

5.2熱敏電阻與熱電堆探測器

5.2.1熱敏電阻

（熱輻射計(jì)）熱敏電阻：是利用某些熱敏材料的電阻率隨溫度發(fā)生變化的特性而制成的熱輻射探測器件。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，并給出電信號的器件叫做熱敏電阻。按材料可以分為：

金屬導(dǎo)體（鎳、鉍、鉑）半導(dǎo)體（錳、鈷等得氧化物燒結(jié)而成）1.熱敏電阻及其特點(diǎn)

相對于一般的金屬電阻，熱敏電阻具備如下特點(diǎn)：①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10～100倍。②結(jié)構(gòu)簡單，體積小，可以測量近似幾何點(diǎn)的溫度。③電阻率高，熱慣性小，適宜做動(dòng)態(tài)測量。④阻值與溫度的變化關(guān)系呈非線性。⑤不足之處是穩(wěn)定性和互換性較差。2.熱敏電阻的原理、結(jié)構(gòu)及材料

（1）工作原理

半導(dǎo)體材料對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?，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。

原理：熱敏材料吸收光輻射，產(chǎn)生升溫，從而引起材料電阻發(fā)生變化。將熱敏電阻與負(fù)載電阻等構(gòu)成閉合回路，測量負(fù)載電阻兩端的電阻變化，就可探知光輻射的情況。

熱敏電阻的晶格吸收，對任何能量的輻射都可以使晶格振動(dòng)加劇，只是吸收不同波長的輻射，晶格振動(dòng)加劇的程度不同而已，因此，熱敏電阻無選擇性地吸收各種波長的輻射，可以說它是一種無選擇性的光敏電阻。

金屬材料組成的熱敏電阻具有正溫度系數(shù)半導(dǎo)體材料組成的熱敏電阻具有負(fù)溫度特性。

白金的電阻溫度系數(shù)：約為±0.37%半導(dǎo)體材料溫度系數(shù)：約為-3%~-6%熱敏電阻探測器常用半導(dǎo)體材料制作而很少采用貴重的金屬。

紅外輻射通過探測窗口投射到熱敏元件上，引起元件的電阻變化。為了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。

熱敏材料制成的厚度為0.01mm左右的薄片電阻粘合在導(dǎo)熱能力高的絕緣襯底上，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。（2）結(jié)構(gòu)早期：單個(gè)使用，作為惠更斯電橋的一個(gè)臂現(xiàn)在：通常將兩個(gè)性能相似的熱敏電阻安裝在一個(gè)金屬殼內(nèi)（3）材料：金屬導(dǎo)體和半導(dǎo)體3.熱敏電阻的參數(shù)

（1）電阻-溫度特性指實(shí)際阻值與電阻體溫度之間的依賴關(guān)系。RT---絕對溫度T時(shí)的實(shí)際電阻值。R0、R∞---背景環(huán)境溫度下的阻值，與電阻的幾何尺寸和材料物理特性有關(guān)的常數(shù)。①

正溫度系數(shù)的熱敏電阻：

②

負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻：

A、B為材料常數(shù)

aT表示溫度變化1℃時(shí)，熱敏電阻實(shí)際阻值的相對變化

③溫度系數(shù)正溫度系數(shù)的熱敏電阻：負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻：

材料常數(shù)A、B是用來描述熱敏電阻材料物理特性的一個(gè)參數(shù)，又稱為熱靈敏指標(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，一般說來，B值大電阻率也高。負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻器：正溫度系數(shù)的熱敏電阻器：（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（△T不大的情況下），則阻值變化量為

ΔRT=RTaTΔT

（3）熱敏電阻的輸出特性熱敏電阻電路如圖5-5所示，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

（3）熱敏電阻的輸出特性

等效電路負(fù)載電阻電壓增量：（4）冷阻與熱阻

冷阻：RT（5）靈敏度（響應(yīng)率）

定義：單位入射輻射功率下熱敏電阻變換電路的輸出信號電壓稱為靈敏度或響應(yīng)率，它常分為直流靈敏度S0與交流靈敏度SS。直流靈敏度S0為

增加熱敏電阻的靈敏度，可采取的措施：①增加偏壓Ubb，但受熱敏電阻的噪聲以及不損壞元件的限制；②把熱敏電阻的接收面涂黑增加吸收率a；③增加熱阻，其辦法是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，常將元件裝入真殼內(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；④選用αT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αT值。

⑤采用光學(xué)浸沒技術(shù)（6）最小可探測功率

熱敏電阻的最小可探測功率受噪聲的影響。熱敏電阻的噪聲主要有：①

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；②

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)生的噪聲稱為溫度噪聲。將元件裝入真空殼內(nèi)可降低這種噪聲。③

電流噪聲。與光敏電阻的電流噪聲類似，當(dāng)工作頻率f<10Hz時(shí)，應(yīng)該考慮此噪聲。若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，熱敏電阻可探測的最小功率約10-8到10-9w。

5.2.2熱電偶探測器

1.熱電偶的工作原理

熱電偶雖然是發(fā)明于1826年的古老紅外探測器件，然而至今仍在光譜、光度探測儀器中得到廣泛的應(yīng)用。尤其在高、低溫的溫度探測領(lǐng)域的應(yīng)用是其他探測器件無法取代的。

（1）工作原理：溫差熱電效應(yīng)（2）溫差熱電效應(yīng)：兩種材料的金屬A和B組成的一個(gè)回路時(shí)，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ΔE?；芈冯娏鱅=ΔE/R。其中R稱為回路電阻。這一現(xiàn)象稱為溫差熱電效應(yīng)（也稱為塞貝克熱電效應(yīng)）(SeebeckEffect)。

（3）結(jié)構(gòu)：金屬熱電偶

①線狀（或條狀）的實(shí)體：多用于測量溫度。常用材料:鉑、鐒等最大溫差電動(dòng)勢（鉍和銻）：100μV/°C

測溫范圍：-200°C~1000°C

測量精度可達(dá)：1/1000°C

②薄膜型：多用于測量輻射能。

特點(diǎn)：ΔT很小、對材料要求很高、結(jié)構(gòu)非常嚴(yán)格和復(fù)雜、成本昂貴。半導(dǎo)體測輻射熱電偶

特點(diǎn)：成本低、最大溫差電動(dòng)勢高達(dá)500μV/°C

工作原理：熱結(jié)吸收光輻射后，產(chǎn)生升溫，溫升使半導(dǎo)體中載流子的動(dòng)能增加，使多數(shù)載流子由熱加結(jié)向冷結(jié)擴(kuò)散，結(jié)果p型半導(dǎo)體材料的熱結(jié)帶負(fù)電，冷結(jié)帶正電；N型半導(dǎo)體熱結(jié)帶正電，冷結(jié)帶負(fù)電，從而在負(fù)載R上產(chǎn)生溫差電壓信號。檢測到這一電壓信號，就可以探知光輻射的情況。開路電壓UOC

UOC=M12ΔT閉合2.熱電偶的基本特性參數(shù)

交流輻射信號：式中，ω=2πf，f為交流輻射的調(diào)制頻率，τT為熱電偶的的時(shí)間常數(shù)，；其中的RQ，CQ、GQ分別為熱電偶的熱阻、熱容和熱導(dǎo)。熱導(dǎo)GQ與材料的性質(zhì)及周圍環(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，通常稱其為真空熱電偶。

真空熱電偶的基本特性參數(shù)為靈敏度S、比探測率D*、響應(yīng)時(shí)間τ和最小可探測功率NEP等參數(shù)。（1）靈敏度（響應(yīng)率）在直流輻射作用下，熱電偶的靈敏度S0為

在交流輻射信號的作用下，熱電偶的靈敏度S為

提高熱電偶的響應(yīng)率最有效的辦法除選用塞貝克系數(shù)較大的材料外，增加輻射的吸收率α，減小內(nèi)阻Ri，減小熱導(dǎo)GQ等措施都是有效的。對于交流響應(yīng)率，降低工作頻率，減小時(shí)間常數(shù)τT，也會有明顯的提高。但是，熱電偶的響應(yīng)率與時(shí)間常數(shù)是一對矛盾，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)間約為幾毫秒到幾十毫秒左右，常用于探測直流，低頻或恒定調(diào)制的光輻射。

（3）最小可探測功率

熱電偶的最小可探測功率NEP取決于探測器的噪聲，它主要由熱噪聲和溫度起伏噪聲，電流噪聲幾乎被忽略。半導(dǎo)體熱電偶的最小可探測功率NEP一般為10-11W左右。

5.2.3熱電堆探測器

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)起來構(gòu)成如圖5-8所示的熱電堆。

2.熱電堆的靈敏度

熱電堆的靈敏度St為

1.結(jié)構(gòu)原理參考結(jié)：與銅低襯之間熱接觸，電氣絕緣工作結(jié)：與銅低襯之間熱絕緣，電氣接觸式中，為熱電堆中熱電偶的對數(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。從式(5-32)和式（5-33）可以看出，要想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)熱通路長和熱電堆以及膜片的剖面面積比決定。

在相同的電信號檢測條件下，熱電堆能檢測到的最小溫差是單個(gè)熱電偶的1/n。因此，熱電堆對溫度的分辨率能力大大增強(qiáng)。

3.主要特點(diǎn)內(nèi)阻：可以達(dá)幾十千歐，較大，易于與放大器的阻抗匹配溫差電動(dòng)勢：測量誤差：相對誤差：噪聲：內(nèi)阻很大，主要是熱噪聲，溫度噪聲的影響很小4.應(yīng)用光譜、光度測量儀中

5.3熱釋電器件

熱釋電器件是一種利用熱釋電效應(yīng)制成的熱探測器件。與其它熱探測器相比，熱釋電器件具有以下優(yōu)點(diǎn)：①具有較寬的頻率響應(yīng)，工作頻率接近兆赫茲，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其它熱探測器的工作頻率。一般熱探測器的時(shí)間常數(shù)典型值在1~0.01s范圍內(nèi)，而熱釋電器件的有效時(shí)間常數(shù)可低達(dá)10-4~3×10-5s；②熱釋電器件的探測率高，在熱探測器中只有氣動(dòng)探測器的D*才比熱釋電器件稍高，且這一差距正在不斷減??；③熱釋電器件可以有大面積均勻的敏感面，而且工作時(shí)可以不外加接偏置電壓；

5.3.1熱釋電器件的基本工作原理

④與5.2節(jié)討論的熱敏電阻相比，它受環(huán)境溫度變化的影響更??；⑤熱釋電器件的強(qiáng)度和可靠性比其它多數(shù)熱探測器都要好，且制造比較容易。

1.熱釋電效應(yīng)電介質(zhì)內(nèi)部沒有自由載流子，沒有導(dǎo)電能力。但是，它也是由帶電的粒子（價(jià)電子和原子核）構(gòu)成的，在外加電場的情況下，帶電粒子也要受到電場力的作用，使其運(yùn)動(dòng)發(fā)生變化。例如，在如圖5-12所示的電介質(zhì)的上下兩側(cè)加上如圖所示的電場后，電介質(zhì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，從電場的加入到電極化狀態(tài)的建立起來這段時(shí)間內(nèi)電介質(zhì)內(nèi)部的電荷適應(yīng)電場的運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于電荷沿電力線方向的運(yùn)動(dòng)，也是一種電流稱為“位移電流”，該電流在電極化完成即告停止。

鐵電體的自發(fā)極化強(qiáng)度PS（單位面積上的電荷量）與溫度的關(guān)系如圖5-14所示，隨著溫度的升高，極化強(qiáng)度減低，當(dāng)溫度升高到一定值，自發(fā)極化突然消失，這個(gè)溫度常被稱為“居里溫度”或“居里點(diǎn)”。因?yàn)樽园l(fā)極化強(qiáng)度是單位體積內(nèi)的電矩矢量之和，所以有

(5-34)式中，S和d分別是晶體的表面積和厚度。

如5-15(a)所示。由內(nèi)部自由電荷中和表面束縛電荷的時(shí)間常數(shù)為τ＝ερ，ε和ρ分別為晶體的介電常數(shù)和電阻率。

2.熱釋電器件的工作原理

Q=AdΔσ=AdPs

(5-35)ΔQ=Ad(ΔPs/ΔT)ΔT=

AdγΔT

(5-36)式中，γ=ΔPs/ΔT稱為熱釋電系數(shù)，其單位為c/cm2?K，是與材料本身的特性有關(guān)的物理量，表示自發(fā)極化強(qiáng)度隨溫度的變化率。

若在晶體的兩個(gè)相對的極板上敷上電極，在兩極間接上負(fù)載RL，則負(fù)載上就有電流通過。由于溫度變化在負(fù)載上產(chǎn)生的電流可以表示為

(5-37)(5－38)(5－39)(5－40)對于熱釋電系數(shù)為λ，電極面積為A的熱釋電器件，其在以調(diào)制頻率為ω的交變幅射照射下的溫度可以表示為

(5－41)(5－42)(5－43)輸入到放大器的電壓為

式中，τe＝RC為電路時(shí)間常數(shù)，R=Rs∥RL，C=Cs＋CL。τT=CH/G為熱時(shí)間常數(shù)。τe、τT的數(shù)量級為0.1～10s左右。Ad為光敏面的面積，α為吸收系數(shù)，ω為入射輻射的調(diào)制頻率。

5.3.2熱釋電器件的靈敏度光電器件靈敏度：熱釋電器件的電壓靈敏度Sv為輸出電壓的幅值U與入射光功率之比(5－46)分析式(5－46)可以看出

(1)當(dāng)入射為恒定輻射，即ω＝0時(shí)，Sv=0，說明熱釋電器件對恒定輻射不靈敏；(2)在低頻段ω＜1/τT或1/τe時(shí)，靈敏度Sv與ω成正比，為熱釋電器件交流靈敏的體現(xiàn)。(3)當(dāng)τe≠τT時(shí)，通常τe＜τT，在ω＝1/τT~1/τe范圍內(nèi)，Sv與ω?zé)o關(guān)；(4)高頻段（ω＞1/τT、1/τe）時(shí)，Sv則隨ω-1變化。

因此在許多應(yīng)用中，該式的高頻特性近似為

(5－47)即靈敏度與信號的調(diào)制頻率ω成反比。

5.3.3熱釋電器件的噪聲

熱釋電器件的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)電容器，因此輸出阻抗很高，所以它后面常接有場效應(yīng)管，構(gòu)成源極跟隨器的形式，使輸出阻抗降低到適當(dāng)數(shù)值。因此在分析噪聲的時(shí)候，也要考慮放大器的噪聲。這樣，熱釋電器件的噪聲主要有電阻的熱噪聲、溫度噪聲和放大器噪聲等。熱噪聲電壓為

(5－50)當(dāng)ωτe＞＞1時(shí)，上式可簡化為

22(5－51)表明熱噪聲電壓隨調(diào)制頻率的升高而下降。

2.放大器噪聲

式中，k為波耳茲曼常數(shù)，TR為器件的溫度，Δf為系統(tǒng)的帶寬。

=4kTRΔf/Reff

(5－48)電阻的熱噪聲來自晶體的介電損耗和與探測器的并聯(lián)電阻。若等效電阻為Reff，則熱噪聲電流的方均值為1.熱噪聲3.溫度噪聲

(5－53)式中，A為電極的面積，Ad為光敏區(qū)的面積，為溫度起伏的方均值。如果這三種噪聲不相關(guān)，則總噪聲為

Ik=4k(F-1)TΔf/R

(5－52)T----背景溫度。

2考慮統(tǒng)計(jì)平均值時(shí)的信噪功率比為(5－54)如果溫度噪聲是主要噪聲源而忽略其它噪聲時(shí)，噪聲等效功率為(NEP)2＝(4kT2G2Δf/α2A2γ2ω2R)[1+(TN/T)2](5－55)由上式可以看出，熱釋電器件的噪聲等效功率NEP具有隨著調(diào)制頻率的增加而減小的性質(zhì)。

式中，TN＝T＋(F-1)T，稱為放大器的有效輸入噪聲溫度。

4響應(yīng)時(shí)間

熱釋電探測器的響應(yīng)時(shí)間可由式(5－46)求出。由圖5-18可見，熱釋電探測器在低頻段的電壓響應(yīng)度與調(diào)制頻率成正比，在高頻段則與調(diào)制頻率成反比，僅在1/τT~1/τe范圍內(nèi)，Rv與ω?zé)o關(guān)。響應(yīng)度高端半功率點(diǎn)取決于1/τT或1/τe中較大的一個(gè)，因而按通常的響應(yīng)時(shí)間定義，τT和τe中較小的一個(gè)為熱釋電探測器的響應(yīng)時(shí)間。通常τT較大，而

τe與負(fù)載電阻有關(guān)，多在幾秒到幾個(gè)微秒之間。由圖5-18可見，隨著負(fù)載的減小，τe變小，靈敏度也相應(yīng)減小。

5熱釋電探測器的阻抗特性

熱釋電探測器幾乎是一種純?nèi)菪云骷?，由于電容量很小，所以阻抗很高，常?09Ω以上。因此，必須配高阻抗的負(fù)載。常用JFET器件作熱釋電探測器的前置放大器。5.3.4

熱釋電器件的類型1.硫酸三甘肽（TGS）晶體熱釋電器件

它在室溫下的熱釋電系數(shù)較大，介電常數(shù)較小，比探測率D*值較高[D*(500,10,1)1~5×109cmHz1/2W－1]。在較寬的頻率范圍內(nèi)，這類探測器的靈敏度較高，因此，至今仍是廣泛應(yīng)用的熱輻射探測器件。TGS可在室溫下工作，具有光譜響應(yīng)寬、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，是一種性能優(yōu)良的紅外探測器，廣泛應(yīng)用紅外光譜領(lǐng)域。

2.鈮酸鍶鋇(SBN)熱釋電器件

圖5-20所示為LATGS的等效噪聲功率NEP和比探測率D*隨工作頻率f的變化關(guān)系。3.鉭酸鋰（LiTaO3）這種熱釋電器件由于材料中鋇含量的提高而使居里溫度相應(yīng)提高。例如，鋇含量從0.25增加到0.47，其居里溫度相應(yīng)從47°C提高到115°C。SBN探測器在大氣條件下性能穩(wěn)定，無需窗口材料，電阻率高，熱釋電系數(shù)大，機(jī)械強(qiáng)度高，在紅外波段吸收率高，可不必涂黑。工作在500MHz也不出現(xiàn)壓電諧振，可用于快速光輻射的探測。但SNB晶體在鋇含量x<0.4時(shí)，如不加偏壓，在室溫下就趨于退極化。而當(dāng)x>0.6時(shí)，晶體在生長過程會開裂。

在SNB中摻少量La2O2可提高其熱釋電系數(shù)，摻雜的SBN熱釋電器件無退極化現(xiàn)象，D*(500,10,1)達(dá)8.0×108cm·Hz1/2·W－1。摻鑭后其居里溫度有所降低，但極化仍很穩(wěn)定，損耗也有所改善。

這種熱釋電器件具有很吸引人的特性。在室溫下它的熱釋電響應(yīng)約為TGS的一半，但在低于零度或高于45°C時(shí)都比TGS好。

4.壓電陶瓷熱釋電器件

壓電陶瓷器件的特點(diǎn)是熱釋電系數(shù)γ較大，介電常數(shù)ε也較大，二者的比值并不高。其機(jī)械強(qiáng)度高、物理化學(xué)性能穩(wěn)定、電阻率可以控制；能承受的輻射功率超過LiTaO3熱釋電器件；居里溫度高，不易退極化。例如，鋯鈦酸鉛熱釋電器件的Tc高達(dá)365℃，D*（500，1，1）高達(dá)7×108cm·Hz1/2·W－1。此外，這種熱釋電器件容易制造，成本低廉。

該器件的居里溫度Tc高達(dá)620°C，室溫下的響應(yīng)率幾乎不隨溫度變化，可在很高的環(huán)境溫度下工作；且能夠承受較高的輻射能量，不退極化；它的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不需要保護(hù)窗口；機(jī)械強(qiáng)度高；響應(yīng)快（時(shí)間常數(shù)為13×10-12s，極限為1×10-12s；）；適于探測高速光脈沖。已用于測量峰值功率為幾個(gè)千瓦，上升時(shí)間為100ps的Nd:YAG激光脈沖。其D*（500,30,1）達(dá)8.5×108cm·Hz1/2·W－1。

5.聚合物熱釋電器件

有機(jī)聚合物熱釋電材料的導(dǎo)熱小，介電常數(shù)也小；易于加工成任意形狀的薄膜；其物理化學(xué)性能穩(wěn)定，造價(jià)低廉；雖然熱釋電系數(shù)γ不大，但介電系數(shù)ε也小，所以比值γ／ε并不小。在聚合物熱釋電材料中較好的有聚二氟乙烯（PVF2）、聚氟乙烯（PVF）及聚氟乙烯和聚四氟乙烯等共聚物。利用PVF2薄膜已得到D*（500，10，1）達(dá)108cm·Hz1/2·W－1。

6.快速熱釋電探測器

如前所述，由于熱釋電器件的輸出阻抗高，因此需要配以高阻抗負(fù)載，因而其時(shí)間常數(shù)較大，即響應(yīng)時(shí)間較長。這樣的熱釋電器件不適于探測快速變化的光輻射。即使使用補(bǔ)償放大器，其高頻響應(yīng)也僅為103Hz量級。

近年來發(fā)展了快速熱釋電器件?？焖贌後岆娖骷话愣荚O(shè)計(jì)成同軸結(jié)構(gòu)，將光敏元置于阻抗為50Ω的同軸線的一端，采用面電極結(jié)構(gòu)時(shí)，時(shí)間常數(shù)可達(dá)到1ns左右，采用邊電極結(jié)構(gòu)時(shí)，時(shí)間常數(shù)可降至幾個(gè)ps。圖5-21所示為一種快速熱釋電探測器的結(jié)構(gòu)原理圖。光敏元件是SBN晶體薄片，采用邊電極結(jié)構(gòu)，電極Au的厚度為0.1μm，襯底采用Al2O3或BeO陶瓷等導(dǎo)熱良好的材料。輸出用SMA/BNC高頻接頭。這種結(jié)構(gòu)的熱釋電探測器的響應(yīng)時(shí)間為13ps，其最低極限值受晶格振動(dòng)弛豫時(shí)間的限制，約為1ps。不采用同軸結(jié)構(gòu)而采用一般的管腳引線封裝結(jié)構(gòu)，熱釋電探測器的頻響帶寬已擴(kuò)展到幾十兆赫?？焖贌後岆娖骷Ｓ脕頊y量大功率脈沖激光，需要能承受大功率輻射，為此應(yīng)選用損傷閾值高的熱釋電材料和高熱導(dǎo)的襯底材料制造。5.3.5典型熱釋電器件

如圖5-22所示為典型TGS熱釋電器件。把制好的TGS晶體連同襯底貼于普通三極管管座上，上下電極通過導(dǎo)電膠、銦球或細(xì)銅絲與管腳相連，加上窗口后構(gòu)成完整的TGS熱電探測器件。為了降低器件的總熱導(dǎo)，一般采用熱導(dǎo)率較低的襯底。管內(nèi)抽成真空或充氪氣等熱導(dǎo)很低的氣體。為獲得均勻的光譜響應(yīng)，可在熱釋電器件靈敏層的表面涂特殊的漆，增加對入射輻射的吸收。

所有的熱釋電器件同時(shí)又是壓電晶體。因此它對聲頻振動(dòng)很敏感，入射輻射脈沖的熱沖擊會激發(fā)熱釋電晶體的機(jī)械振蕩，