【2017年整理】热电检测器件.pptVIP

第四章 热电检测器件;第一节 热电检测器件基本原理 一、定义 利用热效应（器件吸收入射辐射产生温升引起材料物理性质的变化）输出电信号的器件。 特点：从光谱响应角度来看，热探测器又称为无选择性探测器（对全波长有相同的响应率），且室温下不需制冷。 二、输出信号的形成过程包括两个阶段： 1、辐射能转化为热能（共性）； 2、热能转换为电能（个性，不同的器件将不同电信号输出）。 ;1. 温度变化方程;设入射辐射为正弦辐射通量 ，则;探测器每秒吸收的热能; 2、交变光t τT时，第一项衰减到可忽略，并取其实部幅值;(2)当ω很高（或器件的惯性很大）时， ωτT 1;2. 热电器件的最小可探测功率;器件工作在低频情况下，若仅需考虑温度噪声，得仅受温度影响的最小可探测功率或称温度等效功率PNE （ NEP）为;热敏电阻与热电偶、热电堆探测器; 2. 热敏电阻的原理、结构及材料 ; 对于金属（正温度系数）：自由电子密度很大，光生载流子相对自由电子可忽略。吸收光以后，金属元件其温度升高，晶格振动加剧，妨碍了自由电子定向运动，电阻增加。 ;热敏材料厚度为0.01mm左右（相同的入射辐射下得到较大的温升）粘合在导热能力高的绝缘衬底上，电阻体两端蒸发金属电极以便与外电路连接，再把衬底同一个热容很大、导热性能良好的金属基体相连。热敏元件的表面进行黑化处理，可提高热敏元件接收辐射的能力。热敏电阻经常两个一起封装使用（尽可能相同的参数，尽可能靠近），一个接受辐射，另一个不接受，仅作环境温度补偿使用：构成电桥）。 ;3. 热敏电阻的参数 ;热敏电阻的温度系数aT （温度变化1℃时，热电阻实际阻值的相对变化） ; 材料常数B，又称为热灵敏指标。B值并不是一个严格的常数, 随温度的升高而略有增大，B值可按下式计算： ; （3）热敏电阻的输出特性 ;（4）冷阻与热阻 ;一般辐射为交流正弦信号， ，则;交流灵敏度SAC为 ;（6）热敏电阻的最小可探测功率 （P124）;5.2.2 热电偶探测器 ; 测量辐射能的热电偶称为辐射热电偶，与测温热电偶的原理相同，结构不同。如图所示，辐射热??偶的热端装有涂黑的金箔，当入射辐射通量Φe被金箔吸收后，金箔的温度升高，形成热端，产生温差电势，在回路中将有电流流过。显然，图中结J1为热端，J2为冷端。;P型半导体冷端带正电，N型冷端带负电。开路电压UOC与ΔT关系： UOC=M12ΔT M12为塞贝克常数，又称温差电势率（V/℃） ;2. 热电偶的基本特性参数 ;（2）响应时间 ; 热电堆探测器 （P117）;n为热电偶的对数（或PN结的个数）；S为热电偶的灵敏度。 热电堆的响应时间常数为 ; 第四节 热释电器件 ;热释电器件的基本工作原理 ; 铁电体的自发极化强度PS（单位面积上的电荷量）随着温度的升高而减低，当温度升高到一定值， PS突然消失，这个温度常被称为“居里温度”或“居里点”。 在居里点以下，极化强度PS是温度T的函数。利用这一关系制造的热敏探测器称为热释电器件。 ;红外辐射照射到极化后的铁电体上，温度升高，表面电荷减少，相当于热“释放”了部分电荷。释放的电荷可用放大器转变成电压输出。如果辐射持续作用，表面电荷将达到新的平衡（温度达到平衡），不再释放电荷，也不再有电压信号输出。 热释电器件不同于其他器件，在恒定辐射作用的情况下输出的信号电压为零。只有在交变辐射的作用下才会有信号输出。 ; 温度恒定，内部自由电荷中和表面束缚电荷的时间常数为τ＝ερ（ 1s－1000s，非退极化时间，非器件工作的时间常数），ε和ρ为介电常数和电阻率。 ;两种电极结构： （a）要求电极对光透明 （b）更适宜高速探测应用;热释电器件产生的热释电电流在负载电阻RL上产生的电压为 ; 热释电探测器几乎是一种纯容性器件，阻抗很高，常在109Ω以上。因此，必须配高阻抗的负载。常用JFET器件作热释电探测器的前置放大器。 ;对于热释电系数为P，电极面积为A的热释电器件，其在以调制频率为ω的交变幅射照射下（ ）的温度可以表示为 ; 输出电压的幅值为 ;几点讨论： ;3 热释电器件的噪声 ;热噪声电压为 ;3. 温度噪声 ; 若温度噪声是主要噪声源而忽略其它噪声时，噪声等效功率为 (NEP)2＝(4kT 2G2Δf/a2A2P2ω2R) [1+(TN/T)2] 由上式可以看出，热释电器件的噪声等效功率NEP具有随着调制频率的增加而减小的性质。 ;4 响应时间 ;热释电材料具有压电特性，在