第四章热电探测器件ppt课件.ppt

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1、第四章 热电探测器件,热探测器工作原理 热释电探测器 热敏电阻 热电偶,所谓光子效应，是指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。光子能量的大小，直接影响内部电子状态改变的大小。光子能量是h,h是普朗克常数，是光波频率。所以，光子效应就对光波频率表现出选择性，在光子直接与电子相互作用的情况下，其响应速度一般比较快。,光热效应和光子效应的区别,光热效应和光子效应完全不同。探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测器元件温度上升，温度上升的结果使探测元件的电学性质或

2、其它物理性质发生变化。所以，光热效应与单光子能量h的大小没有直接关系。原则上，光热效应对光波频率没有选择性。只是在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就越强烈，所以广泛用于对红外辐射的探测。因为温度升高是热积累的作用，所以光热效应的响应速度一般比较慢，而且容易受环境温度变化的影响。,热探测器是基于光辐射与物质相互作用的光热效应制成的器件。,1. 器件吸收入射辐射功率产生温升；温升引起材料各种有赖于温度的参量的变化，监测其中一种性能的变化，来探知辐射的存在和强弱。,4.1 热电探测器工作原理,1.热电探测器件工作的物理过程：,这一过程比较慢，一般的响应时间多为毫秒级。另外，热电探测器件是利用热敏

3、材料吸收入射辐射的总功率产生温升来工作的，而不是利用某一部分光子的能量，所以各种波长的辐射对于响应都有贡献。因此，热电探测器件的突出特点是，光谱响应范围特别宽，从紫外到红外几乎都有相同的响应，光谱特性曲线平坦。,优点：不需制冷、在全部波长上具有平坦响应。 缺点：响应较低，响应时间较长。,2. 热电探测器件的特点：,（1） 热探测器的热时间常数：,H：探测器热容量，即探测器升高一度所需热量。 （J/K）G：热导，即探测器单位时间内流向环境的热量流P 与探测器和环境温度差T 的比值。 G =P /T (W/K),几ms几s，如何减小？,3. 热电探测器件的工作参数：,对应于光子探测器的响应时间,探

4、测器通过热导G与周围环境发生热交换,（2） 热探测器的极限探测率：,硫酸三苷酞热释电探测器 D*（500,10,1）可达：, 温度噪声限制极限探测率。,热释电型 热敏电阻型 温差电型,热电探测器件分类,热释电效应是通过所谓的热电材料实现的，热电材料首先是一种电介质，是绝缘体。再详细一点说，它是一种结晶对称性很差的压电晶体，因而在常温下具有自发电极化特性(即固有电偶极距)。由电磁理论可知，在垂直于电极化矢量Ps 的材料表面上出现面束缚电荷，面电荷密度 由于晶体内部自发电极化矢量排列混乱，因而总的Ps并不大。再加上材料表面附近分布的外部自由电荷的中和作用，通常察觉不出有面电荷存在。,4.2 热释电

5、探测器件,热释电效应：,自发极化：大多数电介质在电场中发生极化现象，除去电场则极化现象消失。而有一类极性晶体除去电场后仍能保持极化状态，即“自发极化”。,自发极化强度随温度变化的极性晶体称为热释电晶体。,热释电晶体作为压电晶体中一种，具有非中心对称的晶体结构。自然状态下，在某个方向上正负电荷中心不重合，从而晶体表面存在着一定量的极化电荷（面束缚电荷），即自发极化（面束缚电荷等于自发极化强度） 。因此晶体内的电场不为零，晶体成为极性晶体。温度变化时，引起晶体的正负电荷中心发生位移，因此表面的极化电荷即随之变化。,！注意,热释电传感器KDS209,热释电传感器RE200B,热释电器件是以热释电晶体

6、为电介质的平板 电容器。因热电晶体具有自发极化性质，自 发极化强度能够随着温度变化，结果在垂直 于自发极化方向的晶体两个外表面之间出现 感应电压，即热释电效应，从而可利用这一 感应电压的变化探测光辐射的能量。,4.2.1 结构原理,恒温下温度变化时温度变化时的等效表现,温度恒定时，面束缚电荷被晶体内部或外部的自由电荷所中和，而观察不到它的自发极化现象。因此静态时不能测量自发极化。,热电晶体在温度变化时所显示的热电效应示意图,当温度变化时，晶体表面的极化电荷则随之变化（驰豫时间约1012s），而自由电荷中和面束缚电荷所需时间长（一般在1103秒量级）因此跟不上它的变化，在来不及中和之前，热电体侧

7、表面就呈现出相应于温度变化的面电荷变化，失去电的平衡，这时即显现出晶体的自发极化现象。,光辐射照射时热释电晶体温度升高，自发极化强度降低，因此电极表面感应的电荷减少，相当于“释放”了一部分电荷，因此称为热释电现象。,如果把热电体放进一个电容器极板之间，把一个电流表与电容两端相接，就会有电流流过电流表，这个电流称为短路热释电流。,这一过程的平均作用时间为,所以，探测的辐射必须经过调制，而且只有辐射的调制频率f1/时才有输出。,为晶体的介电系数，为晶体的电导率。,如果没有经过调制的光辐射照射热释电晶体使之温度升高到新的平衡值，则电极表面感应电荷也变到新的平衡值，不再“释放”电荷，也就不再输出信号。

8、,注意,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合部分面积为A 。辐射引起的晶体温度变化为T 。由此，引起表面极化电荷的变化为,若使上式改变一下形式，则为,入射的交变辐射在热释电晶体中产生的电流为：,式中 称为热释电系数。 很显然，如果照射光是恒定的，那么T 为恒定值，Ps亦 为恒定值，电流为零。 所以热释电探测器是一种交流或瞬时响应的器件。,热释电探测器产生的热释电流在负载电阻RL上产生的电压为：,面电极结构 边电极结构,如果垂直于晶轴方向切割出热释电晶体薄片，并镀上电极，可构成热释电探测器的两种结构：,电极面积大，极间距离小，则极间电

9、容大，不适合高速应用,电极所在平面与光敏面垂直，电极面积小，极间距离大，则极间电容小，适合高速应用, 4.2.2 热释电探测器的电路连接,两种热电晶体的特性曲线,硫酸三苷酞（TGS）(a)和钛酸钡（BaTiO3）(b)的自极化强度和温度的关系曲线：,Tc：居里温度 T= Tc 时 Ps=0，晶体发生相变或退极化 T Tc 时极化晶体变成非极化晶体,按热释电器件的等效电路可表示为恒流源 Is 、电容Cs 、电阻Rs 的并联。,：等效电阻、等效电容, 4.2.3 热释电探测器的等效电路,热释探测器输出电压的幅值 与入射光功率 之比，即：, 4.2.4 热释电探测器的特性,1. 响应率 ：,热释电探

10、测器的响应率与频率及负载电阻的关系曲线：,响应率与负载电阻RL 成正比；无带宽特别要求时RL 尽量取大；随负载电阻RL的减小，响应的平坦区变宽，可通过改变负载电阻来展宽工作频带。,2. 噪声等效功率NEP,热释电器件的基本结构是一个电容器，输出阻抗特别高，它的噪声，主要有电阻的热噪声和温度噪声。热噪声来自于晶体的介电损耗和与探测器相并联的电阻。如果其等效电阻为R，则电阻热嗓声电流的均方值为：,k 为波耳兹曼常数，TR 为灵敏元温度，f 为测试系统带宽。,温度噪声来自于灵敏面与外界辐射交换的随机性，其噪声电流的均方值为：,噪声等效功率为：,由上式可以看出，热释电器件的噪声等效功率（NEP），随着

11、调制频率的增加而减小。,3. 响应时间,制作热释电器件的材料要有较大的热释电系数，常用如硫酸三甘肽（TGS）晶体，掺丙胺酸改性后的硫酸三甘肽（LATGS）晶体，钽酸锂（LiTaO3）晶体，锆钛酸铅（PZT）类陶瓷，聚氟乙烯（PVF）和聚二氟乙烯（PVF2）聚合物薄膜等。 不论那种材料都有一个特定温度，称居里温度。当温度高于居里温度时，自发极化矢量为零，只有低于居里温度时，材料才有自发极化性质。正常使用时，都是使器件工作于离居里温度稍低一点的温区。, 4.2.5 热释电探测器件的常用材料,几种热释电探测器的一些参数,根据热释电器件的工作原理它只能测量变化的辐射，入射辐射的脉冲宽度必须小于自发极化

12、矢量的平均作用时间。辐射恒定时无输出。,利用它来测量辐射体温度时，它的直接输出，是背景与热辐射体的温差，而不是热辐射体的实际温度。所以，要确定热辐射体实际温度时，必须另设一个辅助探测器，先测出背景温度，然后再将背景温度与热辐射体的温差相加，即得被测物的实际温度。,另外，因各种热释电材料都存在一个居里温度，所以它只能在低于居里温度的范围内使用。, 4.2.6 热释电探测器件的使用要点,热释电器件的光谱响应范围宽，从紫外到毫米量级的电磁辐射几乎都有相同的响应。而且响应率高，但响应速度都较低（速度与响应率之积为一常量）。具体选用器件时，要扬长避短，综合考虑。,在电子防盗、人体探测器领域中，热释电红外

13、探测器的应用非常广泛 。, 4.2.7 热释电探测器件应用实例,人体都有恒定的体温，一般在37度，会发出特定波长10m左右的红外线，通过菲涅尔滤光片增强后聚集到热释电红外感应源上，探测器接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。,基于热释电红外传感器的报警系统,基于热释电红外传感器的报警系统,300米大区域无线人体热释电探测器,热敏电阻是由电阻温度系数大的材料制成的电阻元件，它是依据吸收光辐射后升温引起的电阻变化还测量光辐射，也称它为测辐射热计。,4.3 热敏电阻（测辐射热计）,电阻温度系数 (T ),温度变化较小时：,指在任意温度下

14、温度变化1(K)时的零负载电阻变化 率， 热敏电阻随温度的变化取决于电阻温度系数。,金属电阻率及其温度系数,热敏电阻有金属的和半导体的两种。,制作热敏电阻灵敏面的材料，金属的多为金、镍、铋等薄膜；半导体的多为金属氧化物，例如氧化锰、氧化镍、氧化钴等。,它们的主要区别是，金属的热敏电阻，电阻温度系数多为正的，绝对值比半导体的小，它的电阻与温度的关系基本上是线性的，耐高温能力较强，所以多用于温度的模拟测量。而半导体的热敏电阻，电阻温度系数多为负的，绝对值比金属的大十多倍，它的电阻与温度的关系是非线性的，耐高温能力较差，所以多用于辐射探测，如防盗报警、防火系统、热辐射体搜索和跟踪等。,4.2.1 热

15、敏电阻的种类,热敏电阻的灵敏面是一层由金属或半导体热敏材料制成的厚约0.01mm的薄片，粘在一个绝缘的衬底上，衬底又粘在一金属散热器上。使用热特性不同的衬底，可使探测器的时间常数由大约1ms变到50ms。 因为热敏材料本身不是很好的吸收体，为了提高吸收系数，灵敏面表面都要进行黑化。,热敏电阻结构示意图,4.2.2 热敏电阻的结构,热敏电阻的物理过程是吸收辐射，产生温升，从而引起材料电阻的变化，其机理很复杂，但对于由半导体材料制成的热敏电阻可定性地解释为，吸收辐射后，材料中电子的动能和晶格的振动能都有增加。因此，其中部分电子能够从价带跃迁到导带成为自由电子，从而使电阻减小，电阻温度系数是负的。,

16、对于由金属材料制成的热敏电阻，因其内部有大量的自由电子，在能带结构上无禁带，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，却妨碍了电子的自由运动，从而电阻温度系数是正的，而且其绝对值比半导体的小。,4.2.3 热敏电阻的工作原理,1. 金属热敏电阻,金属电阻丝的电阻随温度变化的关系为,A 和 B为金属丝电阻在工作温度范围内的电阻温度系数的平均值。,将金、镍、铋等金属电阻丝绕在云母、石英或塑料骨架上。它具有正的电阻温度系数 ，随温度上升而阻值增加。,tC时的电阻值,Rt =R0 ( 1 + At + Bt2 ),0C时的电阻值,对铜丝：A= 410-3(1/C)，B

17、= 0； 铂丝：A=3.9810-3(1/C)，B= 5.84 10-3(1/C)。,2. 半导体热敏电阻,半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、钴、铁等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体，它具有负的电阻温度系数 ，随温度上升而阻值下降。,3. 热敏电阻负载电压,早期的热敏电阻是单个元件接在惠更斯电桥的一个臂上。现在的热敏电阻多为两个相同规格的元件装在一个管壳里，一个作为接收元件，另一个作为补偿元件，接到电桥的两个臂上，可使环境温度的缓慢变化不影响电桥平衡。,工作时，或按上图a接成桥式电路，或按上图b以补偿元件为负载接放大器。图中RT1为接收元件，RT2为补偿元件，R1、R2、R3为普

18、通电阻。,4.2.4 热敏电阻的工作电路,热敏电阻测温范围约为-50+300。测温度时采用的是电桥测量电路。,热敏电阻与补偿电阻并联的电桥测量电路,提高响应率的方法：,热敏电阻响应率:,热敏电阻的频率响应:,限制热敏电阻最小可探测功率的主要因素是：,在室温下，热敏电阻的噪声等效功率可达10-610-9WHz-1/2， 在致冷到液氦温度（4K）时，可达10-1310-14WHz-1/2。,与元件电阻有关的热噪声： 与热敏电阻材料性质有关的电流噪声： 与辐射吸收、发射有关的温度噪声：,热敏电阻的噪声:,热敏电阻的比探测率为：,热敏电阻的比探测率:,除了热敏电阻的测辐射热计外，还有：,超导测辐射热计

19、是利用某些金属或半导体，从正常态变为超导态时，电阻发生巨大变化这一特性来工作的。超导材料多为铌、钽、铅或锡的氮化物，在1520K时变为超导体。在转变期内的温度仅为几分之一开氏温度，电阻温度系数约每度5000%。但保持住转变期温度，所需的致冷量很大，控制复杂，目前这种探测器还不太可能在实验室外使用。,4.2.5 其它测辐射热计,碳测辐射热计已用于极远的红外波段的分光考察。灵敏元件是从碳电阻上切下来的一小块，致冷到2.1K时，其D*要比热敏电阻测辐射热计高一个数量级。,锗测辐射热计的灵敏元件是锗掺镓单晶。致冷到2.1K时，其D*比热敏电阻测辐射热计约高12个数量级，它的光谱响应可延伸致1000m以

20、外。,4.2.5 其它测辐射热计,产品,温控器,应用,汽车发动机传感器,水温感应塞,还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等,典型用途,热敏电阻式冷却液温度传感器一般安装在发动机缸体、缸盖的水套或节温器壳内并伸入水套中,温差电偶也叫热电偶，是最早出现的一种热电探测器件。其工作原理是温差电效应: 由两种不同的导体材料构成的接点，当两个接头处温度不同时，在接点处可产生电动势。这个电动势的大小和方向与接点处两种不同的导体材料的性质和两接点处的温差有关。,4-3 温差电偶（热电偶）探测器,Thomas Johann Seebeck（17801831）,Seebeck的实验仪器，加热其中一端时，指针转动，说

21、明导线产生了磁场。,温差电效应,将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为温差电效应或赛贝克效应。,测量端（热端）,参考端（冷端）,导体A和B的结点在温度T和T0时形成的接触电势分别为：,由于不同的金属材料所具有的自由电子密度不同，当两种不同的金属导体接触时，在接触面上就会发生电子扩散。电子的扩散速率与两导体的电子密度有关并和接触区的温度成正比。 设导体A和B的自由电子密度为NA和NB，且NANB ，电子扩散的结果使A失去电子而带正电，B则因获得电子而带负电，在接触面形成电场。这个电场阻碍了电子继续扩散，达到动态平衡时，在接

22、触区形成一个稳定的电位差，即接触电势。,4.3.1 热电偶测温基本定律,由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。,在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。,1) 均质导体定律,2) 中间导体定律,两种导体A，B分别与参考电极C组成热电偶，如果它们所产生的热电动势为已知，A和B两极配对后的热电动势可用下式求得：,由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极。,3) 参考电极定律,构成温差电偶的材料既可是金属，也可是半导体。结构上既可以是线、条状的实体，也可以是利用真空沉积技术或光

23、刻技术制成的薄膜。实体型的温差电偶多用于测温，薄膜型的温差电堆（由许多个温差电偶串联而成）多用于测量辐射，例如，用来标定各类光源，测量各种辐射量，作为红外分光光度计或红外光谱仪的辐射接收元件等。温差电偶接收辐射一端为热瑞，另一端为冷端。为了提高吸收系数，在热端都装有涂黑的金箔。,温差电偶（堆）的原理性结构图,4.3.2 温差电偶（堆）的原理,由半导体材料构成的温差电偶，热端接收辐射产生温升，半导体中载流子动能增加。从而，多数载流子要从热端向冷端扩散，结果P型材料热端带负电，冷端带正电；而N型材料情况正好相反。温差电势为：,温差电势形成的物理过程,频率为 、功率为 的交变辐射入射到测辐射热电偶的

24、光敏面时，热节点温度变化的幅值为：,其中：,测辐射热电偶的温差电势的幅值为：,为了提高灵敏度，并使工作稳定，常把温差电偶或温差电堆放在真空的外壳里。,4.3.3 真空温差电偶的主要参量,1. 响应率（灵敏度）R,在交变情况下，调制频率低时响应率高。减小调制频率和减小时间常数T 都有利于提高响应率，可是与T 是矛盾的，所以，响应率与带宽之积为一常数的结论，对于温差电偶也成立。,温差电偶的时间常数多为毫秒量级，带宽较窄。多用于测量恒定的辐射或低频辐射。只有少数时间常数小的器件才适用于测量中、高频辐射。,限制热电探测器最小可探测功率的主要因素是热电偶光敏面温度起伏产生的温度噪声和热电偶欧姆电阻的热噪

25、声。最小可探测功率为：,理想的热电探测器件，噪声等效功率为10-11W数量级。而温差电堆，常温、理想情况下噪声等效功率可达10-10W数量级。,2. 噪声等效功率,几种不致冷的热电探测器的性能1-样品 2、6-温差电堆 3-高莱元件4-红外传感元件 5-硫酸三甘肽热释电探测器7-热敏电阻 8-钽酸锂热释电探测器9-铌酸钦热释电探测器 10-陶瓷热释电探测器11-薄膜测热辐射计,由于薄膜技术的发展，已经能够制作出价格低廉的温差电堆，可以制成各种复杂的阵列，且性能可靠。例如用锑、铋材料薄膜制成的器件，不仅具有金属丝温差电堆的某些优点，还有较高的响应率,图中曲线6表示锑铋蒸发薄膜的温差电堆，它的性能

26、虽然比某些热电探测器件低，但它坚固，容易制作，既可以制成单个元件，也可以制成超过100个单元的探测器阵列。因此，它的应用很广泛，已成功地应用于某些航天仪器，包括星际航行仪器。,由半导体材料制成的温差电堆，一般都很脆弱，容易破碎，使用时应避免振动。额定功率小，入射辐射不能很强，应避免通过较大的电流，一般多为微安级。检验时，不宜使用欧姆表测量，免得表内电源烧毁元件中的金箔。保存时不要使输出端短路，以防因电火花等电磁干扰产生的感应电流烧毁元件。另外，工作时环境温度不宜超过60。,4.3.4 使用注意事项,光谱仪的校准（传统、常见） 激光测量 空间探测,4.3.5 主要应用,热电偶温度计,热电偶校验仪

27、 / 温度计,热电探测器的一些参数,热电器件的共同特点是，光谱响应范围宽，从紫外到毫米量级的电磁辐射几乎都有相同的响应。而且响应率都很高，但响应速度都较低，速度与响应率之积为一常量对热探测器也成立。不同类型器件的响应率、机械强度、响应速度和使用条件等则不同。因此，具体选用器件时，要扬长避短，综合考虑。,1）由半导体材料制成的温差电堆，响应率很高，但机械强度较差，使用时必须十分当心。它的功耗很小，测量辐射时，应对所测的辐射强度范围有所估计，不要因电流过大烧毁热端的黑化金箔。保存时，输出端不能短路，要防止电磁感应。,总结：热电探测器件使用要点,2）热敏电阻（测辐射热计），响应率也很高，对灵敏面采取致冷措施后，响应率会进一步提高。但它的机械强度也较差，容易破碎，所以使用时要当心。它要求踉它相接的放大器要有很高的输入阻抗。流过它的偏置电流不能大，免得电流产生的焦耳热影响灵敏面的温度。,3）热释电器件是一种比较理想的热探测器，机械强度、响应率、响应速度都很高。但根据它的工作原理，它只能测量变化的辐射，入射辐射的脉冲宽度必须小于自发极化矢量的平均作用时间。辐射恒定时无输出。利用它来测量辐射体温度时，它的直接输出，是背景与热辐射体的温差，而不是热辐射体的实际温度。另外，因各种热释电材料都存在一个居里温度，所以它只能在低于居里温度的范围内使用。,