光热探测器教材

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1、3.2 光热探测器 (Thermal Detector)(Thermal Detector) 1 基本原理 热敏电阻 热释电探测器 2 光吸收温度上升 电学特性变化 电参数输出 光热转换热电转换 基本原理 对热电探测器的分析可分为两步： 第一步是确定温升：按系统的热力学特 性来确定入射辐射所引起的温度升高T （共性）； 第二步是确定参量变化：根据温升来确 定具体探测器输出信号的性能（个性） 。 3 两种主要的热电效应 ： 温差电效应：当两种不同的材料两端并联熔接时， 如果两个接头的温度不同，并联回路中就会产生电 动势，称为温差电动势，回路中就有电流流通。 热端接收辐射后升温， 载流子浓度增加，

2、电子 从热端向冷端扩散，从 而使P型材料热端带负 电，冷端带正电。N型 相反。 热端冷端 光 4 当红外辐射照射到热端时，该端温度升高， 而冷端温度保持不变，此时，在回路中将产 生热电势，热电势的大小反映了热端吸收红 外辐射的强弱。 特点：响应时间较长，动态特性较差，被测 辐射变化频率一般应在10Hz以下。 5 热释电效应 压电晶体：是一种十分有趣的晶体，当你对它挤压或拉 伸时，它的两端就会产生不同的电荷，这种效应叫做压 电效应，能产生压电效应的晶体，称为压电晶体，最常 见的是水晶。 极化：指事物在一定条件下发生两极分化，使其性质相 对于原来状态有所偏离的现象。 电偶极矩：连接+Q和Q两个点电

3、荷的直线称为电偶极 子的轴线，从Q指向+Q的矢径l和电量Q的乘积定义为 电偶极子的电矩，也称电偶极矩 。 电偶极子：是两个相距很近的等量异号点电荷组成的系 统 ，是一个实体，它在距离充分大于本身几何尺寸的 一切点处产生的电场强度都和一对等值异号的分开的点 电荷所产生的电场强度相同。 6 晶体分子本身具有固有的电偶极矩，因此，晶体 存在宏观的电偶极矩，在垂直于自发极化矢量的 晶体表面产生面束缚电荷。 通常晶体的表面俘获大气中的浮游电荷而保持电 平衡状态。 - + + + + + - - - - 恒温下 7 当有红外线照射到其表面上时，引起铁电体温度 迅速升高，极化强度很快下降，极化电荷急剧减 少

4、； 而表面浮游电荷变化缓慢，跟不上晶体内部的变 化； 从温度变化引起极化强度变化到表面重新达到电 平衡状态的时间内，在晶体表面有多余的浮游电 荷出现，相当于释放出一部分电荷，称为热释电 效应。 - + + + + + - - - - （a）恒温下 - + + + + + - - - - （b）温度变化 + + + + - - - - （c）温度变化时 的等效表现 8 3.2.1热敏电阻 (Bolometer) 9 1. 热敏电阻及其特点 灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10100倍以上， 能检测出10-6的温度变化； 工作温度范围宽，常温器件适用于-55315，高温器件 适用温度高于315

5、（目前最高可达到2000），低温器件适 用于-273-55； 体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物 体内血管的温度； 使用方便，电阻值可在0.1100k间任意选择； 易加工成复杂的形状，可大批量生产； 稳定性好、过载能力强。 凡吸收入射辐射后引起温升而使电阻改变，导致负载电阻 两端电压的变化，并给出电信号的器件叫做热敏电阻。 10 u主要材料类型：金属、半导体和超导体。 u共同点：都敏感于光辐射，光谱响应基本 上与入射辐射的波长无关。 热敏电阻 在电子电路中的符号 11 2. 热敏电阻的原理、结构及材 料 由于半导体材料的晶格吸收，对任何能量的辐射都可以 使晶格振动加剧，只是吸

6、收不同波长的辐射，晶格振动加剧 的程度不同而已，因此，热敏电阻无选择性地吸收各种波长 的辐射，可以说它是一种无选择性的光敏电阻。 金属的自由电子密度很大，以致外界光作用引起的自由 电子密度相对变化较半导体而言可忽略不计。相反，吸收光 以后，使晶格振动加剧，妨碍了自由电子作定向运动。因此 ，当光作用于金属元件使其温度升高，其电阻值还略有增加 ，也即由金属材料组成的热敏电阻具有正温度系数(PTC)，而 由半导体材料组成的热敏电阻具有负温度特性(NTC)。 12 温度系数aT 表示温度变化1时，热电阻实际阻值的相对变化 ： 工作原理 式中，R为环境温度为热力学温度T时测得的实际阻值。 正温度系数（P

7、TC）的热敏电阻温度系数： 负温度系数（NTC）的热敏电阻温度系数： 随温度T变化很大，并 与材料常数B成正比。 13 由热敏材料制成的厚度为0.01mm左右的薄片电阻粘合 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相连构 成热敏电阻。（使用热特性不同的衬底，可使探测器的 时间常量由大约1ms变为50ms） 红外辐射通过探测窗口投射到热敏元件上，引起元件的 电阻变化。为了提高热敏元件接收辐射的能力（提高吸 收系数），常将热敏元件的表面涂上发黑的材料。 结构 14 15 （1）金属材料-正温度系数热敏电阻(PTR) 由金属材料

8、构成的测辐射热计：一般金属的能带 结构外层无禁带，自由电子密度很大，以致外界光 作用引起的自由电子密度相对变化较半导体而言可 忽略不计。吸收辐射产生温升后，自由电子浓度的 增加是微不足道的。相反，因晶格振动的加剧妨碍 了自由电子作定向运动，从而电阻温度系数是正的 . Positive Temperature Coefficient (PTC) thermistors 适宜材料有适宜材料有铂铂、铜铜、镍镍、铁铁等。等。 3、分类类 按原理分 16 由半导体材料制成的测辐射热计：半导体材料对光的吸收 除了直接产生光生载流子的本征吸收和杂质吸收外，还有 不直接产生载流子的晶格吸收和自由电子吸收等，并

9、且不 同程度地转变为热能，引起晶格振动的加剧，器件温度的 上升，即器件的电阻值发生变化。其中部分电子能够从价 带跃迁到导带成为自由电子，使电阻减小，电阻温度系数 是负的。又因为各种波长的辐射都能被材料吸收，只是吸 收不同波长的辐射，晶格振动加剧的程度不同而已,对温升 都有贡献，所以它的光谱响应特性基本上与波长无关。 （2） 半导体电阻材料-负温度系数热敏电阻(NTR) Negative Temperature Coefficient (NTC) thermistors 半导体类的多为金属氧化物，例如氧化锰、氧化镍、氧化 钴等。 17 图示分别为半导体和金属（白 金）的温度特性曲线。 白金的电阻

10、温度系数为正值， 大约为0.37%左右； 半导体材料热敏电阻的温度系 数为负值，大约为-3%-6%， 约为白金的10倍以上。 所以热敏电阻探测器常用半导 体材料制作而很少采用贵重的 金属 18 电阻温度系数多为正 电阻温度系数绝对值小 电阻变化与温度变化的关 系基本上是线性的 耐高温能力和稳定性较强 多用于温度的模拟测量。 金属材料的特点 电阻温度系数多为负 电阻温度系数绝对值大 ，比一般金属电阻大10 100倍 电阻变化与温度变化的 关系基本上是非线性的 耐高温能力和稳定性较 差 多用于辐射探测。例如 防盗报警、防火系统、 热辐射体搜索和跟踪等 。 半导体材料的特点 19 按使用范围围分类类

11、 1. 通用型热敏电阻器 2. 特点：价格便宜，温度上限偏低，一般在100度左右，例如圆片形 2.热响应速度非常快的热敏电阻器 特点：适合微小型化应用、热响应速度非常快的场合应用的温 度传感器，一般装在细针尖里面使用或贴在薄膜上使用。直 径非常小，达到了l mm 以下，热时间常数约为普通热敏电 阻器的10 分之一。 3. 高温型热敏电阻器 特点：温度上限可扩展到500度左右 4. 微测辐射热计 特点：主要用于红外辐射测量 20 4. 应用 由于半导体热敏电阻有独特的性能，所以 ： 它不仅可以作为测量元件（如测量温度、 流量、液位等）， 还可以作为控制元件（如热敏开关、限流 器）和电路补偿元件

12、热敏电阻广泛用于家用电器、电力工业、 通讯、军事科学、宇航等各个领域，发展 前景极其广阔。 21 3.2.2 热释电探测器 22 热释电器件是一种利用热释电效应制成的热探测器件。与其 它热探测器相比，热释电器件具有以下优点： 具有较宽的频率响应，工作频率接近MHz，远超其它热探 测器的工作频率。一般热探测器的时间常数典型值在10.01s 范围内，热释电器件的有效时间常数低达10-4310-5 s； 热释电器件的探测率高； 热释电器件可以有大面积均匀的敏感面，而且工作时可以 不外加接偏置电压； 与热敏电阻相比，它受环境温度变化的影响更小； 热释电器件的强度和可靠性比其它多数热探测器都要好， 易于

13、制作。 23 一、热释电探测器的工作原理 1. 热释电效应 热电晶体材料因吸收光辐射能量、产生温升，导致 晶体表面电荷发生变化的现象，称为热释电效应。 热电晶体：具有非中心对称的极性晶体 24 热电晶体 极化强度PS与温度关系 温度低 温度高 居里温度 自发极化强度PS决定了单位面积上的 电荷量（C/m2），即PS变化时，面电 荷密度发生变化。 温度升高，极化强度减低。 单位体积内的电偶极矩的 总和 ，称为极化强度。 居里温度决定了材料的铁磁性，当 小于居里温度时，存在自发极化， 当达到居里温度时，自发极化突然 消失，不出现热释电现象。 25 恒温T1 电荷中和时间：秒小时 热“释电”的物理过

14、 程 温升到T2 束缚电荷减少 极化驰豫时间皮秒 “释放” 电荷 （输出电信号） 26 当红外辐射照射到已经极化的热释电晶体时， 引起温度升高，表面电荷减少，相当于热“释放” 了部分电荷。释放的电荷变成电信号输出。如果辐 射持续作用，表面电荷将达到新的平衡，不再释放 电荷，也不再有电信号输出。因此，热释电器件不 同于其他光电器件，在恒定辐射作用的情况下输出 的电信号为零；只有在交变辐射的作用下才会有信 号输出。 27 面电极结构：电极置于热释电晶体的上下表面上, 其中一个电极位于光敏面 内。 这种电极结构的电极面积较大，极间距离较少，因而极间电容较大， 故其不适于高速应用。此外，由于辐射要通过

15、电极层才能到达晶体，所以电 极对于待测的辐射波段必须透明。 边电极结构：电极所在的平面与光敏面互相垂直，电极间距较大，电极面积 较小，因此极间电容较小。由于热释电器件的响应速度受极间电容的限制， 因此，在高速运用时以极间电容小的边电极为宜。 2.热释电探测器的基本结构 28 热释电器件的工作原理 设晶体的自发极化矢量为Ps，Ps的方向垂直于电容器的 极板平面。接收辐射的极板和另一极板的重迭面积为A。由 此引起表面上的束缚极化电荷为 Q =APs 若辐射引起的晶体温度变化为T，则相应的束缚电荷变化为 Q =A(Ps/T)T = AT 式中， = Ps/T称为热释电系数，其单位为c/cm2K，是与材 料本身的特性有关的物理量，表示自发极化强度随温度的变化 率。 29 若在热释电晶体两个相对极板上加上电极，两极间接上负 载RL，由温度变化在负载上产生的电流、电压分别为： d（T）/dt为热释电晶体温度随时间的变化率，温度变化速率 与材料吸收率和热容有关。吸收率大，热容小， 则温度变化率 大。 以频率变化的辐射所引起的温度变化T(T=Tejt） 30 如果热释电探测器跨接到放大器输入端，则其可 表示为如图所示的等效电路 lCS，RS为热释电探测器的电容、电阻; lCL和RL为放大器的电容、电阻。 由等效电路可得热释电器件的等效负载阻抗为： RRS/R