热辐射器件(热释电探测器).pdf

热探测器1 热辐射的一般规律热辐射的一般规律主要介绍热探测器的工作原理主要介绍热探测器的工作原理、基本特性以及基本特性以及主要介绍热探测器的工作原理主要介绍热探测器的工作原理、基本特性以及基本特性以及热探测器件的工作电热探测器件的工作电热探测器件的工作电热探测器件的工作电 路和典型应用路和典型应用。路和典型应用路和典型应用。2 热释电探测器热释电探测器3 热敏电阻热敏电阻4 测辐射热电偶测辐射热电偶、热电堆热电堆对热电探测器的分析可分为两步：第一步是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；6 6 6 6-1 1 1 1 热探测器的一般原理热探测器的一般原理热探测器的一般原理热探测器的一般原理第二步是根据温升来确定具体探测器输出信号的性能。第一步对各种热电探测器件都适用，而第二步则随具体器件而异。首先讨论第一步的内容，第二步在讨论各种类型的探测器时再作分析。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，远远超过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，而热释电器件的有效时间常数可低达10-4 310-5 s；热释电器件的探测率高，在热探测器中只有气动探测器的D*6 6 6 6-2 2 2 2 热释电探测器热释电探测器热释电探测器热释电探测器热释电器件的探测率高，在热探测器中只有气动探测器的D*才比热释电器件稍高，且这一差距正在不断减小；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，且制造比较容易。一一一一热释电效应热释电效应热释电效应热释电效应1 1 1 1热释电材料热释电材料热释电材料热释电材料 极性晶类极性晶类，晶体内正晶体内正、极性晶类极性晶类，晶体内正晶体内正、负电荷中心并不重合负电荷中心并不重合，负电荷中心并不重合负电荷中心并不重合，晶体原子具有一定电矩晶体原子具有一定电矩；晶体原子具有一定电矩晶体原子具有一定电矩；晶体原子具有一定电矩晶体原子具有一定电矩；晶体原子具有一定电矩晶体原子具有一定电矩；也就是说晶体本身具有也就是说晶体本身具有也就是说晶体本身具有也就是说晶体本身具有自发极化特性自发极化特性。自发极化特性自发极化特性。但介质但介质但介质但介质中的电偶极子排列杂乱中的电偶极子排列杂乱中的电偶极子排列杂乱中的电偶极子排列杂乱,宏观不显极性宏观不显极性。宏观不显极性宏观不显极性。2 2热释电材料单畴极化热释电材料单畴极化 对热释电材料施加直流电场自发极化矢对热释电材料施加直流电场自发极化矢对热释电材料施加直流电场自发极化矢对热释电材料施加直流电场自发极化矢量将趋向于一致排列量将趋向于一致排列（形成单畴极化形成单畴极化），），量将趋向于一致排列量将趋向于一致排列（形成单畴极化形成单畴极化），），总的电极化矢量总的电极化矢量总的电极化矢量总的电极化矢量加大加大。当电场去掉后当电场去掉后，加大加大。当电场去掉后当电场去掉后，总的总的总的总的仍能保持下来仍能保持下来。仍能保持下来仍能保持下来。sPvsPv由于保持下来的由于保持下来的，将在材料表面吸将在材料表面吸附表面电荷附表面电荷，其其面电荷密度面电荷密度sPvsPv=s单畴化后的热电体单畴化后的热电体，其电极化矢量其电极化矢量值是温值是温度的函数度的函数sPv3 3热释电效应定义热释电效应定义 某些物质某些物质（如硫酸三甘肽如硫酸三甘肽、铌酸锂等铌酸锂等）吸收光吸收光某些物质某些物质（如硫酸三甘肽如硫酸三甘肽、铌酸锂等铌酸锂等）吸收光吸收光辐射后将其转换成热能辐射后将其转换成热能，这个热能使晶体的温这个热能使晶体的温辐射后将其转换成热能辐射后将其转换成热能，这个热能使晶体的温这个热能使晶体的温度升高度升高，温度变化将引起居里温度以下的自发温度变化将引起居里温度以下的自发度升高度升高，温度变化将引起居里温度以下的自发温度变化将引起居里温度以下的自发极化强度的变化极化强度的变化，从而在晶体的特定方向上引从而在晶体的特定方向上引极化强度的变化极化强度的变化，从而在晶体的特定方向上引从而在晶体的特定方向上引起表面电荷的变化起表面电荷的变化，这就是热释电效应这就是热释电效应。起表面电荷的变化起表面电荷的变化，这就是热释电效应这就是热释电效应。起表面电荷的变化起表面电荷的变化，这就是热释电效应这就是热释电效应。起表面电荷的变化起表面电荷的变化，这就是热释电效应这就是热释电效应。光辐射光辐射光辐射光辐射T T 光辐射光辐射光辐射光辐射T T 极化强度矢量变化极化强度矢量变化极化强度矢量变化极化强度矢量变化 晶体表面上出现所测量出的电荷晶体表面上出现所测量出的电荷晶体表面上出现所测量出的电荷晶体表面上出现所测量出的电荷sPv4 4 4 4热释电材料最高工作温度热释电材料最高工作温度热释电材料最高工作温度热释电材料最高工作温度 当当当当T T T T TcTcTcTc（居里温度时居里温度时），），单畴极化强单畴极化强（居里温度时居里温度时），），单畴极化强单畴极化强度消失度消失度消失度消失0 0 0 0热释电现象消失热释电现象消失热释电现象消失热释电现象消失 即当即当即当即当T T T TTcTcTcTc时时，才有热释电现象才有热释电现象时时，才有热释电现象才有热释电现象 居里温度居里温度居里温度居里温度TcTcTcTc评价热释电探测器的品质评价热释电探测器的品质评价热释电探测器的品质评价热释电探测器的品质因数因数，希望希望因数因数，希望希望TcTcTcTc越高越好越高越好。越高越好越高越好。sPv因数因数，希望希望因数因数，希望希望TcTcTcTc越高越好越高越好。越高越好越高越好。铁电体的自发极化强度PS（单位面积上的电荷量）与温度的关系如图所示，随着温度的升高，极化强度减低，当温度升高到一定值，自发极化突然消失，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。注意：当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片时，引起薄片温度升高，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压输出。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，也不再有电压信号输出。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信号电压为零。只有在交变辐射的作用下才会有信号输出。图（a）所示的面电极结构中，电极置于热释电晶体的前后表面上,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，极间距离较二二二二热释电探测器的电路连接热释电探测器的电路连接热释电探测器的电路连接热释电探测器的电路连接少，因而极间电容较大，故其不适于高速应用。图（b）所示的边电极结构中，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。三三三三热释电探测器的工作原理分析热释电探测器的工作原理分析热释电探测器的工作原理分析热释电探测器的工作原理分析当红外辐射照射到已有自发极化强度的热释电晶体上时当红外辐射照射到已有自发极化强度的热释电晶体上时，引起晶引起晶当红外辐射照射到已有自发极化强度的热释电晶体上时当红外辐射照射到已有自发极化强度的热释电晶体上时，引起晶引起晶体的温度升高体的温度升高，而导致表面电荷减少而导致表面电荷减少，这相当于这相当于“释放释放”了一部了一部体的温度升高体的温度升高，而导致表面电荷减少而导致表面电荷减少，这相当于这相当于“释放释放”了一部了一部分电荷分电荷，释放的电荷可以用放大器转变成输出电压释放的电荷可以用放大器转变成输出电压。如果红外辐如果红外辐分电荷分电荷，释放的电荷可以用放大器转变成输出电压释放的电荷可以用放大器转变成输出电压。如果红外辐如果红外辐射继续照射使晶体的温度升高到新的平衡值射继续照射使晶体的温度升高到新的平衡值，那么这时候表面电那么这时候表面电射继续照射使晶体的温度升高到新的平衡值射继续照射使晶体的温度升高到新的平衡值，那么这时候表面电那么这时候表面电荷也就达到新的平衡浓度荷也就达到新的平衡浓度，不再释放电荷不再释放电荷，也就不再有输出信号也就不再有输出信号荷也就达到新的平衡浓度荷也就达到新的平衡浓度，不再释放电荷不再释放电荷，也就不再有输出信号也就不再有输出信号1 1、热释电探测器的输出电流热释电探测器的输出电流、热释电探测器的输出电流热释电探测器的输出电流荷也就达到新的平衡浓度荷也就达到新的平衡浓度，不再释放电荷不再释放电荷，也就不再有输出信号也就不再有输出信号荷也就达到新的平衡浓度荷也就达到新的平衡浓度，不再释放电荷不再释放电荷，也就不再有输出信号也就不再有输出信号。热释电探测器的电极面积为热释电探测器的电极面积为热释电探测器的电极面积为热释电探测器的电极面积为A Ad d，P Ps s为热释电晶体的极化矢量为热释电晶体的极化矢量为热释电晶体的极化矢量为热释电晶体的极化矢量sddPAAQD=D=Ds改变上式改变上式，得得：改变上式改变上式，得得：TTPAQsdDDD=D热释电探测器输出电流热释电探测器输出电流：热释电探测器输出电流热释电探测器输出电流：dtdTAdtdTdTdPAdtdQtQidsdtdg=DD=D0lim热释热释热释热释电系电系电系电系数数数数2 2、热释电探测器的输出电压热释电探测器的输出电压、热释电探测器的输出电压热释电探测器的输出电压LdLdRdtdTARiV=g当沿着垂直于当沿着垂直于当沿着垂直于当沿着垂直于P P P Ps s s s的方向将晶体切成薄片的方向将晶体切成薄片，并在表面淀积金属电并在表面淀积金属电的方向将晶体切成薄片的方向将晶体切成薄片，并在表面淀积金属电并在表面淀积金属电极时极时，随着温度的变化随着温度的变化，两电极间就会出现一个与热释电系数两电极间就会出现一个与热释电系数极时极时，随着温度的变化随着温度的变化，两电极间就会出现一个与热释电系数两电极间就会出现一个与热释电系数 如果将热释电探测器跨接到放大器的输入端如果将热释电探测器跨接到放大器的输入端，等效电路图为等效电路图为如果将热释电探测器跨接到放大器的输入端如果将热释电探测器跨接到放大器的输入端，等效电路图为等效电路图为极时极时，随着温度的变化随着温度的变化，两电极间就会出现一个与热释电系数两电极间就会出现一个与热释电系数极时极时，随着温度的变化随着温度的变化，两电极间就会出现一个与热释电系数两电极间就会出现一个与热释电系数和温度变化速率成正比的电压和温度变化速率成正比的电压和温度变化速率成正比的电压和温度变化速率成正比的电压四四四四 热释电探测器的结构热释电探测器的结构热释电探测器的结构热释电探测器的结构热释电外形和内部结构如图所示热释电外形和内部结构如图所示。实用的热释电由敏感元件实用的热释电由敏感元件、场效场效热释电外形和内部结构如图所示热释电外形和内部结构如图所示。实用的热释电由敏感元件实用的热释电由敏感元件、场效场效应管应管、高阻电阻高阻电阻、滤波片等组成滤波片等组成，并向壳内充入氮气封装起来并向壳内充入氮气封装起来。敏敏应管应管、高阻电阻高阻电阻、滤波片等组成滤波片等组成，并向壳内充入氮气封装起来并向壳内充入氮气封装起来。敏敏感元件用红外热释电材料制成很小的薄片感元件用红外热释电材料制成很小的薄片，再在薄片两面镀上电极再在薄片两面镀上电极感元件用红外热释电材料制成很小的薄片感元件用红外热释电材料制成很小的薄片，再在薄片两面镀上电极再在薄片两面镀上电极六六常用的热释电探测器常用的热释电探测器六六常用的热释电探测器常用的热释电探测器1.1.硫酸三甘肽硫酸三甘肽（TGSTGS）晶体热释电器件晶体热释电器件它在室温下的热释电系数较大它在室温下的热释电系数较大，介电常数较小介电常数较小，比探测率比探测率D*值值较高较高D*(500,10,1)15109cmHz1/2W1。在较宽的频率在较宽的频率范围内范围内，这类探测器的灵敏度较高这类探测器的灵敏度较高，因此因此，至今仍是广泛应用至今仍是广泛应用的热辐射探测器件的热辐射探测器件。TGS可在室温下工作可在室温下工作，具有光谱响应宽具有光谱响应宽、灵敏度高等优点灵敏度高等优点，是一种性能优良的红外探测器是一种性能优良的红外探测器，广泛应用红广泛应用红外光谱领域外光谱领域。掺丙乙酸的掺丙乙酸的TGS（LATGS）具有很好的锁定极化特点具有很好的锁定极化特点。温度温度由居里温度以上降到室温由居里温度以上降到室温，仍无退极化现象仍无退极化现象。它的热释电系数也有它的热释电系数也有所提高所提高。掺杂后掺杂后TGS晶体的介电损耗减小晶体的介电损耗减小，介电常数下降介电常数下降。前者降前者降低了噪声低了噪声，后者改进了高频特性后者改进了高频特性。在低频情况下在低频情况下，这种热释电器件这种热释电器件的的NEP为为41011W/Hz-1/2，相应的相应的D*值为值为5109cmHz1/2W1。它它不仅灵敏度高不仅灵敏度高，而且响应速度也很快而且响应速度也很快。这种热释电器件由于材料中钡含量的提高而使居里温度相应提高。例如，钡含量从0.25增加到0.47，其居里温度相应从47C提高到115C。SBN探测器在大气条件下性能稳定，无需窗口材料，电阻率高，热释电系数大，机械强度高，在红外波段吸收率高，可不必涂黑。工作在500MHz也不出现压电谐振，可用于快速光辐射的探测。但SNB晶体在钡含量x0.6时，晶体在生长过程会开裂。在SNB中掺少量La2O2可提高其热释电系数，掺杂的SBN热释电器件无退极化现象，D*(500,10,1)达8.0108cmHz1/2W1。掺镧后其居里温度有所降低，但极化仍很稳定，损耗也有所改善。这种热释电器件具有很吸引人的特性。在室温下它的热释电响应约为TGS的一半，但在低于零度或高于45C时都比TGS好。该器件的居里温度Tc高达620C，室温下的响应率几乎不随温度变化，可在很高的环境温度下工作；且能够承受较高的辐射能量，不退极化；它的物理化学性质稳定，不需要保护窗口；机械强度高；响应快（时间常数为1310-12s，极限为110-12s；）；适于探测高速光脉冲。已用于测量峰值功率为几个千瓦，上升时间为100ps的Nd:YAG激光脉冲。其D*（500,30,1）达8.5108cmHz1/2W1。4.压电陶瓷热释电器件压电陶瓷器件的特点是热释电系数较大，介电常数也较大，二者的比值并不高。其机械强度高、物理化学性能稳定、电阻率可以控制；能承受的辐射功率超过LiTaO3热释电器件；居里温度高，不易退极化。例如，锆钛酸铅热释电器件的Tc高达365，D*（500，1，1）高达7108cmHz1/2W1。此外，这种热释电器件容易制造，成本低廉。5.聚合物热释电器件有机聚合物热释电材料的导热小，介电常数也小；易于加工成任意形状的薄膜；其物理化学性能稳定，造价低廉；虽然热释电系数不大，但介电系数也小，所以比值并不小。在聚合物热释电材料中较好的有聚二氟乙烯（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）达108cmHz1/2W1。达108cmHz1/2W1。l6.快速热释电探测器如前所述，由于热释电器件的输出阻抗高，因此需要配以高阻抗负载，因而其时间常数较大，即响应时间较长。这样的热释电器件不适于探测快速变化的光辐射。即使使用补偿放大器，其高频响应也仅为103Hz量级。近年来发展了快速热释电器件。快速热释电器件一般都设计成同轴结构，将光敏元置于阻抗为50的同轴线的一端，采用面电极结构时，时间常数可达到1ns左右，采用边电极结构时，时间常数可降至几个ps。图所示为一种快速热释电探测器的结构原理图。光敏元件是SBN晶体薄片，采用边电极结构，电极Au的厚度为0.1m，衬底采用Al2O3或BeO陶瓷等导热良好的材料。输出用SMA/BNC高频接头。这种结构的热释电探测器的响应时间为13ps，其最低极限值受晶格振动弛豫时间的限制，约为1ps。不采用同轴结构而采用一般的管脚引线封装结构，热释电探测器的频响带宽已扩展到几十兆赫。快速热释电器件常用来测量大功率脉冲激光，需要能承受大功率辐射，为此应选用损伤阈值高的热释电材料和高热导的衬底材料制造。