《熱電探測(cè)器》PPT課件.ppt

1、第三章 熱電探測(cè)器件,熱電探測(cè)器件工作的物理過(guò)程如下:,器件吸收入射輻射功率產(chǎn)生溫升,溫升引起材料各種有賴于溫度的參量的變化,監(jiān)測(cè)其中一種性能的變化，來(lái)探知輻射的存在和強(qiáng)弱,與其它光電器件相比,熱電探測(cè)器件具有下列特性: 1.響應(yīng)率與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，光譜響應(yīng)范圍特別寬，屬無(wú)選擇性探測(cè)器； 2.受熱時(shí)間常數(shù)的制約,響應(yīng)速度慢,為毫秒級(jí)； 熱電探測(cè)器件大致分為溫差電型、熱敏電阻型、氣動(dòng)型和熱釋電型四類。 本章首先討論熱電探測(cè)器件的共同原理，然后再分別介紹以上各種具體器件。,各種不同類型的熱電探測(cè)器件的性能,3.1 基本原理,對(duì)熱電探測(cè)器件的分析，可分為兩步： 第一步是按系統(tǒng)的熱力學(xué)特性來(lái)確定入射輻射所引

2、起的溫升，這種分析對(duì)各種熱電探測(cè)器件都適用； 第二步是根據(jù)溫升來(lái)確定具體探測(cè)器件輸出信號(hào)的性能。 在相同的入射輻射下，希望得到大的溫升，就是說(shuō)，探測(cè)器與外界的熱耦合和熱容以及調(diào)制頻率等要小，這點(diǎn)是熱電探測(cè)器件與普通的溫度計(jì)的重要區(qū)別。二者雖然都有隨溫度變化的性能，但熱電探測(cè)器件所需要的，不是要與外界有盡量好的熱接觸，必須達(dá)到熱平衡，而是要與入射輻射有最佳的相互作用，同時(shí)又要盡量少的與外界發(fā)生熱接觸。,時(shí)間常數(shù)： 熱容，探測(cè)元每溫升1K所需的熱量，JK1。 G 熱導(dǎo)，單位時(shí)間下降單位溫度所散失的熱量， JK1S-1。 的數(shù)量級(jí)約為幾毫秒至幾秒，這比光電器件的時(shí)間常數(shù)大得多。因此，熱電探測(cè)器件在某

3、些應(yīng)用領(lǐng)域中，所處的地位不如光電探測(cè)器件。但是，對(duì)系統(tǒng)中各種相互制約的因素進(jìn)行綜合考慮以后，這一缺點(diǎn)也許不那么嚴(yán)重。 為使探測(cè)器的熱容小，應(yīng)盡量使探測(cè)器的結(jié)構(gòu)小、重量輕，同時(shí)要兼顧結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。后面提到的熱釋電器件就是一種靈敏度高和機(jī)械強(qiáng)度好的熱電探測(cè)器。 熱導(dǎo)G對(duì)于探測(cè)器靈敏度和時(shí)間常數(shù)的影響正好相反，G小，靈敏度高，但響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。所以，在設(shè)計(jì)和選用熱電探測(cè)器件時(shí)須采取折衷方案。另外G對(duì)探測(cè)極限也有影響。,探測(cè)器與外界的熱耦合，主要有輻射交換和熱傳導(dǎo)兩種形式。其中，輻射交換的熱導(dǎo)率最小。如果只考慮輻射交換，不計(jì)因支架和引線等引起的熱傳導(dǎo)時(shí)，熱導(dǎo)率的極限值可根據(jù)斯忒藩-波耳茲曼定律來(lái)估算。設(shè)當(dāng)探測(cè)

4、器與外界達(dá)到熱平衡時(shí)，它所輻射的總通量為 其中為斯忒藩-波耳茲曼常數(shù)，T為溫度，探測(cè)器的靈敏面面積為A，發(fā)射率為 對(duì)上式兩邊進(jìn)行微分， 由輻射交換所產(chǎn)生的熱導(dǎo)G為 另外，根據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，探測(cè)器與外界達(dá)到熱平衡時(shí)，探測(cè)器的功率起伏均方根值為 式中，k為波耳茲曼常數(shù)，G為熱導(dǎo)；f為測(cè)試系統(tǒng)的頻帶寬度。,實(shí)際上， 就是探測(cè)器因溫度起伏所產(chǎn)生的噪聲。 若式中的G取最小值，即G ，并取f1Hz，則 將是可能取值中最小的，即 按最小可探測(cè)功率（NEP）的定義輸出端信噪比為1時(shí)，入射功率的有效值，有 則 此式表示了熱電探測(cè)器件可能達(dá)到的最佳性能。如果所有的入射輻射全為探測(cè)器所吸收，即=1，則上式可變?yōu)?式中，

5、 若假定A1 ；T290K；f1Hz，則 此值可作為衡量實(shí)際探測(cè)器性能的比較基準(zhǔn)。 為了與習(xí)慣保持一致，通常也使用NEP的倒數(shù)，即探測(cè)率D作為探測(cè)器探測(cè)最小光信號(hào)能力的指標(biāo) D=1/NEP 對(duì)于探測(cè)器，D越大越好。由于探測(cè)器的NEP常與探測(cè)器的面積Ad和測(cè)量系統(tǒng)帶寬f乘積的平方根成正比，比較各種探測(cè)器的性能時(shí)，需除去Ad和f差別的影響，因此用歸一化參數(shù)表示，歸一化的等效噪聲功率和探測(cè)率如下,3.2 溫差電偶,溫差電偶也叫熱電偶，是最早出現(xiàn)的一種熱電探測(cè)器件。其工作原理是溫差電效應(yīng)。,例如，由兩種不同的導(dǎo)體材料構(gòu)成的接點(diǎn)，在接點(diǎn)處可產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。這個(gè)電動(dòng)勢(shì)的大小和方向與該接點(diǎn)處兩種不同的導(dǎo)體材料的

6、性質(zhì)和兩接點(diǎn)處的溫差有關(guān)。如果把這兩種不同的導(dǎo)體材料接成回路，當(dāng)兩個(gè)接頭處溫度不同時(shí)，回路中即產(chǎn)生電流。這種現(xiàn)象稱為溫差電效應(yīng)或塞貝克效應(yīng)。,構(gòu)成溫差電偶的材料，既可以是金屬，也可以是半導(dǎo)體。 在結(jié)構(gòu)上既可以是線、條狀的實(shí)體，也可以是利用真空沉積技 術(shù)或光刻技術(shù)制成的薄膜。實(shí)體型的溫差電偶多用于測(cè)溫，薄 膜型的溫差電堆（由許多個(gè)溫差電偶串聯(lián)而成）多用于測(cè)量輻 射，例如，用來(lái)標(biāo)定各類光源，測(cè)量各種輻射量，作為紅外分 光光度計(jì)或紅外光譜儀的輻射接收元件等。,溫差電偶原理 熱電偶原理圖示于右圖。溫差電偶接收輻射一端稱為熱瑞，另一端稱為冷端。為了提高吸收系數(shù)，在熱端都裝有涂黑的金箔。,由半導(dǎo)體材料構(gòu)成

7、的溫差電偶，熱 端接收輻射產(chǎn)生溫升，半導(dǎo)體中載 流子動(dòng)能增加。從而，多數(shù)載流子 要從熱端向冷端擴(kuò)散，結(jié)果P型材料 熱端帶負(fù)電，冷端帶正電；而N型材 料情況正好相反。 當(dāng)冷端開(kāi)路時(shí)，開(kāi)路電壓為 式中，M為比例系數(shù)，稱塞貝克常數(shù)，也稱溫差電勢(shì)率，單位 為V/；T為溫度增量。 因G與材料性質(zhì)和環(huán)境有關(guān)，所以為了使G較小，提高靈敏 度，并使工作穩(wěn)定，常把溫差電偶或溫差電堆放在真空的外殼 里。,溫差電勢(shì)形成的物理過(guò)程,真空溫差電偶的主要參量有：靈敏度（也叫響應(yīng)率）R、響應(yīng)時(shí)間常數(shù)、噪聲等效功率NEP或比探測(cè)率D*等。 溫差電偶的響應(yīng)率為 ：冷端負(fù)載上所產(chǎn)生的電壓降。 ：入射于探測(cè)器的輻射通量。 要使溫差

8、電偶的響應(yīng)率高，應(yīng)選用溫差電勢(shì)大的材料，并增大吸收系數(shù)。同時(shí)，內(nèi)阻要小，熱導(dǎo)也要小。在交變情況下，調(diào)制頻率低時(shí)比調(diào)制頻率高時(shí)的響應(yīng)率高。減小調(diào)制頻率和減小時(shí)間常數(shù) 都有利于提高響應(yīng)率，可是與 是矛盾的，所以，響應(yīng)率與帶寬之積為一常數(shù)的結(jié)論，對(duì)于溫差電偶也成立。溫差電偶的時(shí)間常數(shù)多為毫秒量級(jí)，帶寬較窄。多用于測(cè)量恒定的輻射或低頻輻射。只有少數(shù)時(shí)間常數(shù)小的器件才適用于測(cè)量中、高頻輻射。,熱電探測(cè)器件最小可探測(cè)功率的主要限制因素是溫度噪聲和約翰遜噪聲。理想的熱電探測(cè)器件，噪聲等效功率為 W數(shù)量級(jí)。而溫差電堆，常溫、理想情況下噪聲等效功率可達(dá) W數(shù)量級(jí)。,由于薄膜技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)能夠制作出價(jià)格低廉的溫

9、差電堆，可以制成各種復(fù)雜的陣列，而且性能可靠。例如，用銻、鉍材料薄膜制成的器件，不僅具有金屬絲溫差電堆的某些優(yōu)點(diǎn)，還有較高的響應(yīng)率。,曲線6表示銻鉍蒸發(fā)薄膜的溫差電堆，它的性能雖然比某些熱電探測(cè)器件低，但它堅(jiān)固，容易制作，既可以制成單個(gè)元件，也可以制成超過(guò)100個(gè)單元的探測(cè)器陣列。因此，它的應(yīng)用很廣泛，已成功地應(yīng)用于某些航天儀器，包括星際航行儀器。 由半導(dǎo)體材料制成的溫差電堆，一般都很脆弱，容易破碎，使用時(shí)應(yīng)避免振動(dòng)。其次是額定功率小，入射輻射不能很強(qiáng)，應(yīng)避免通過(guò)較大的電流，一般多為微安級(jí)。檢驗(yàn)時(shí)，不宜使用歐姆表測(cè)量，免得表內(nèi)電源燒毀元件中的金箔。再次是，保存時(shí)不要使輸出端短路，以防因電火花等

10、電磁干擾產(chǎn)生的感應(yīng)電流燒毀元件。另外，工作時(shí)環(huán)境溫度不宜超過(guò)60。,3.3熱敏電阻（測(cè)輻射熱計(jì)）,熱敏電阻是由電阻溫度系數(shù)大的導(dǎo)體材料制成的電阻元件，也稱它為測(cè)輻射熱計(jì)。 1.熱敏電阻的分類及其區(qū)別 熱敏電阻有金屬的和半導(dǎo)體的兩種。制作熱敏電阻靈敏面的材料，金屬的多為金、鎳、鉍等薄膜；半導(dǎo)體的多為金屬氧化物，例如氧化錳、氧化鎳、氧化鈷等。,而半導(dǎo)體的熱敏電阻，電阻溫度系數(shù)多為負(fù)的，絕對(duì)值比金屬的大十多倍，它的電阻與溫度的關(guān)系是非線性的，耐高溫能力較差，所以多用于輻射探測(cè)，例如，防盜報(bào)警、防火系統(tǒng)、熱輻射體搜索和跟蹤等。,它們的主要區(qū)別是，金屬的熱敏電阻，電阻溫度系數(shù)多為正的，絕對(duì)值比半導(dǎo)體的小

11、，它的電阻與溫度的關(guān)系基本上是線性的，耐高溫能力較強(qiáng)，所以多用于溫度的模擬測(cè)量。,2.原理 熱敏電阻的物理過(guò)程是吸收輻射，產(chǎn)生溫升，從而引起材料電阻的變化，其機(jī)理很復(fù)雜。 由半導(dǎo)體材料制成的熱敏電阻可定性地解釋為，吸收輻射后，材料中電子的動(dòng)能和晶格的振動(dòng)能都有增加。因此，其中部分電子能夠從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶成為自由電子，從而使電阻減小，電阻溫度系數(shù)是負(fù)的。 對(duì)于由金屬材料制成的熱敏電阻，因其內(nèi)部有大量的自由電子，在能帶結(jié)構(gòu)上無(wú)禁帶，吸收輻射產(chǎn)生溫升后，自由電子濃度的增加是微不足道的。相反，因晶格振動(dòng)的加劇，卻妨礙了電子的自由運(yùn)動(dòng)，從而電阻溫度系數(shù)是正的，而且其絕對(duì)值比半導(dǎo)體的小。,3.結(jié)構(gòu) 熱敏電

12、阻的靈敏面是一層由金屬或半導(dǎo)體熱敏材料制成的厚約0.01mm的薄片，粘在一個(gè)絕緣的襯底上，襯底又粘在一金屬散熱器上。,熱敏電阻結(jié)構(gòu)示意圖,使用熱特性不同的襯底，可使探測(cè)器的時(shí)間常數(shù)由大約1ms變到50ms。因?yàn)闊崦舨牧媳旧聿皇呛芎玫奈阵w，為了提高吸收系數(shù)，靈敏面表面都要進(jìn)行黑化。早期的熱敏電阻是單個(gè)元件接在惠更斯電橋的一個(gè)臂上?，F(xiàn)在的熱敏電阻多為兩個(gè)相同規(guī)格的元件裝在一個(gè)管殼里，一個(gè)作為接收元件，另一個(gè)作為補(bǔ)償元件，接到電橋的兩個(gè)臂上，可使溫度的緩慢變化不影響電橋平衡。,工作時(shí)，或按上圖a接成橋式電路，或按上圖b以補(bǔ)償元件為負(fù) 載接放大器。圖中 為接收元件， 為補(bǔ)償元件， 、 、 為普通電阻

13、。對(duì)于圖b，如果有入射輻射，則熱敏電阻的電 阻將因溫升而產(chǎn)生一微量變化 ，于是所產(chǎn)生的信號(hào)電壓為 i：電流 如果入射輻射使元件產(chǎn)生的溫升為T(mén)，則元件的電 阻溫度系數(shù)為：,熱敏電阻的接電電路,則 熱敏電阻的電壓響應(yīng)率為： 由上式可知，要使熱敏電阻的電壓響應(yīng)率大，電流 i、電阻溫度系數(shù)、熱敏電阻 、吸收系數(shù)都要大，熱導(dǎo)G、熱輻射的交變頻率、熱容 都要小，但這些量是受諸因素制約的，只能折中選取，而不能任意增減。,1）由于要求放大器的輸入阻抗要遠(yuǎn)大于 ，這就限制了 不 能任意的大。另外，假如 很大，那它和引線的雜散電容和放大器輸入電容等所構(gòu)成的電路時(shí)間常數(shù)就有可能大于熱時(shí)間常數(shù)。這時(shí)，將使頻率特性變壞

14、。 2）決定于材料。對(duì)于大多數(shù)金屬，l/T。對(duì)于大多數(shù)半導(dǎo)體，在某有限溫區(qū)內(nèi)3000/ 。所以，通過(guò)致冷可提高。 3）為了提高，要使靈敏面表面黑化。 4）為了減小G，可使接收元件裝在一個(gè)真空的外殼里。但G小，熱時(shí)間常救 （ /G）要變大，頻率特性要變壞。所以，權(quán)衡利弊，有的為了提高頻率特性，寧可犧牲一些響應(yīng)率，而把熱敏電阻粘在一塊熱導(dǎo)率很大的襯底上以取得小的時(shí)間常數(shù)。,5）i不能很大，因i若較大，產(chǎn)生的焦耳熱會(huì)使元件溫度提高，如果是負(fù)，還可能因?yàn)?變小而產(chǎn)生破壞性的熱擊穿。另外，i大了噪聲也要隨之增大。所以，這就限制了i的取值。 限制熱敏電阻最小可探測(cè)功率的主要因素是與元件電阻有 關(guān)的約翰遜噪

15、聲和與輻射吸收、發(fā)射有關(guān)的溫度噪聲。在室溫 下，熱敏電阻的噪聲等效功率可達(dá) W ，在 致冷到液氦溫度（3K）時(shí)，可達(dá) W 。,4.其它類型測(cè)輻射熱計(jì) 除了熱敏電阻的測(cè)輻射熱計(jì)外，還有超導(dǎo)測(cè)輻射熱計(jì)、碳測(cè)輻射熱計(jì)和鍺測(cè)輻射熱計(jì)等。 超導(dǎo)測(cè)輻射熱計(jì)是利用某些金屬或半導(dǎo)體，從正常態(tài)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)時(shí)，電阻發(fā)生巨大變化這一特性來(lái)工作的。超導(dǎo)材料多為鈮、鉭、鉛或錫的氮化物，在1520K時(shí)變?yōu)槌瑢?dǎo)體。在轉(zhuǎn)變期內(nèi)的溫度僅為幾分之一開(kāi)氏溫度，電阻溫度系數(shù)約每度5000%。但保持住轉(zhuǎn)變期溫度，所需的致冷量很大，控制復(fù)雜，目前這種探測(cè)器還不太可能在實(shí)驗(yàn)室外使用。 碳測(cè)輻射熱計(jì)已用于極遠(yuǎn)的紅外波段的分光考察。靈敏元件是從

16、碳電阻上切下來(lái)的一小塊，致冷到2.1K時(shí)，其 要比熱敏電阻測(cè)輻射熱計(jì)高一個(gè)數(shù)量級(jí)。 鍺測(cè)輻射熱計(jì)的靈敏元件是鍺摻鎵單晶。致冷到2.1K時(shí)，其 比熱敏電阻測(cè)輻射熱計(jì)約高12個(gè)數(shù)量級(jí)，它的光譜響應(yīng)可延伸致1000m以外。,熱釋電器件是一個(gè)以熱電晶體為電介質(zhì)的平板電容器。因熱電晶體具有自發(fā)極化性質(zhì)，自發(fā)極化矢量能夠隨著溫度變化，所以入射輻射可引起電容器電容的變化，從而可利用這一特性來(lái)探測(cè)變化的輻射。 1.結(jié)構(gòu)原理 熱電晶體是壓電晶體中的一種，具有非中心對(duì)稱的晶體結(jié)構(gòu)。自然狀態(tài)下，在某個(gè)方向上正負(fù)電荷中心不重合，從而晶體表面存在著一定量的極化電荷，稱為自發(fā)極化。晶體溫度變化時(shí)，可引起晶體的正負(fù)電荷中心

17、發(fā)生位移，因此表面上的極化電荷即隨之變化。,3.4 熱釋電器件,熱電晶體在溫度變化時(shí)所顯示的熱電效應(yīng)示意圖 恒溫下 b) 溫度變化時(shí) c) 溫度變化時(shí)的等效表現(xiàn),溫度恒定時(shí)，因晶體表面吸附有來(lái)自于周?chē)諝庵械漠愋噪姾桑^察不到它的自發(fā)極化現(xiàn)象。當(dāng)溫度變化時(shí)，晶體表面的極化電荷則隨之變化，而它周?chē)奈诫姾梢蚋簧纤淖兓ル姷钠胶?，這時(shí)即顯現(xiàn)出晶體的自發(fā)極化現(xiàn)象。這一過(guò)程的平均作用時(shí)間為/，式中，為晶體的介電系數(shù)，為晶體的電導(dǎo)率。所以，所探測(cè)的輻射必須是變化的，而且只有輻射的調(diào)制頻率f1/時(shí)才有輸出。,圖中晶體的自發(fā)極化矢量為 ，即單位體積內(nèi)由自發(fā)極化產(chǎn)生的電矩，其方向垂直于電容器的極板

18、平面。接收輻射的極板和另一極板的重合部分面積為A。,輻射引起的晶體溫度變化為T(mén)。由此，引起表面極化電荷的變化為 Q = A 若使上式改變一下形式，則為 Q = A( /T)T = AT 式中，= /T稱熱釋電系數(shù)。,硫酸三甘酞（TGS） 鈦酸鋇（BaTiO3）,制作熱釋電器件的常用材料有，硫酸三甘肽（TGS）晶體，摻丙胺酸改性后的硫酸三甘肽（LATGS）晶體，鉭酸鋰(LiTaO3）晶體，鋯鈦酸鉛（PZT）類陶瓷，聚氟乙烯（PVF）和聚二氟乙烯（PVF2）聚合物薄膜等。但不論那種材料，都有一個(gè)特定溫度，稱居里溫度。當(dāng)溫度高于居里溫度時(shí)，自發(fā)極化矢量為零，只有低于居里溫度時(shí)，材料才有自發(fā)極化性質(zhì)。

19、正常使用時(shí)，都是使器件工作于離居里溫度稍遠(yuǎn)一點(diǎn),熱釋電系數(shù)變化平穩(wěn)的溫區(qū)。,按熱釋電器件的基本結(jié)構(gòu)，其等效電路可表示為恒流源Is 其中 輸出電壓為 式中， 為熱時(shí)間常數(shù)， = /G； 為電路時(shí)間常數(shù)， =CR，R= ，C= 。 、 的數(shù)量級(jí)為0.110s左 右。由上式得電壓響應(yīng)率為 ：,熱釋電器件的等效電路,該式表明： 低頻段（1/ 、 1/ ）時(shí)，Rv，0時(shí)，Rv0； 時(shí)，設(shè) ，在 1/ 1/ 范圍內(nèi)，Rv與無(wú)關(guān)，為一常數(shù)； 高頻段（1/ 、1/ ）時(shí)，Rv則隨-1變化。所以，在許多應(yīng)用中，該式的高頻近似式為 Rv = A/ C,2.噪聲、信噪比和噪聲等效功率 因熱釋電器件的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)電

20、容器，輸出阻抗特別 高，所以它后面常接有場(chǎng)效應(yīng)管，構(gòu)成源極限隨器的形式，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，它的噪聲，主要有電阻的熱噪聲、溫 度噪聲和放大器噪聲三個(gè)分量。 電阻的熱噪聲來(lái)自于晶體的介電損耗和與探測(cè)器相并聯(lián)的 電阻。如果其等效電阻為R，則電阻熱嗓聲電流的均方值為 式中，k為波耳茲曼常數(shù)， 為靈敏元溫度，f為測(cè)試系統(tǒng)帶 寬。,放大器噪聲來(lái)自于放大器中的有源元件和無(wú)源元件，以及 信號(hào)源的源阻抗和放大器輸入阻抗之間噪聲是否匹配等方面。 如果放大器的噪聲系數(shù)為F，把放大器輸出喘的噪聲折合到輸 入端，認(rèn)為放大器是無(wú)噪聲的，這時(shí)，放大器輸入端附加的噪 聲電流均方值為 式中，T為背景溫度。 溫度噪聲來(lái)自于靈敏面與外界輻射交換的隨機(jī)性，其噪聲 電流的均方值為 式中， 為溫度起伏的均方值。 如果這三種噪聲是不相關(guān)的，則總噪聲為 式中， ，稱放大器有效輸入噪聲溫度。,考慮統(tǒng)計(jì)平均值時(shí)信噪功率比為 所以，噪聲等效功率為 由上