半导体光电检测器件及应用5.pptx

工作原理：工作原理：是基于光辐射与物质相互作用的热效应而制成的器件。热效应：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。热电传感器件：热电传感器件：是将入射到器件上的辐射能转换成热能，然后将热能转换成电能的器件。第1页/共50页热探测器件又称为无选择性探测器（对全波热探测器件又称为无选择性探测器（对全波长有相同的响应率）长有相同的响应率）特点：工作时不需要制冷，光谱响应无波长特点：工作时不需要制冷，光谱响应无波长选择性等。选择性等。分类：热敏电阻、热电偶检测器、热释电器分类：热敏电阻、热电偶检测器、热释电器件件第2页/共50页3 3对热电探测器的分析可分为两步：对热电探测器的分析可分为两步：第第一一步步是是确确定定温温升升：按按系系统统的的热热力力学学特特性性来来确确定定入入射射辐辐射所引起的温度升高射所引起的温度升高T（共性）（共性）；第第二二步步是是确确定定参参量量变变化化：根根据据温温升升来来确确定定具具体体探探测测器器输输出信号的性能出信号的性能（个性）（个性）。第第一一步步对对各各种种热热电电探探测测器器件件都都适适用用，而而第第二二步步则则随随具具体体器器件件而而异异。首首先先讨讨论论第第一一步步的的内内容容，第第二二步步在在讨论各种类型的探测器时再作分析。讨论各种类型的探测器时再作分析。第3页/共50页4 4两种主要的热电效应：两种主要的热电效应：两种主要的热电效应：两种主要的热电效应：温差电效应：温差电效应：温差电效应：温差电效应：温差产生电动势（塞贝克效应）温差产生电动势（塞贝克效应）温差产生电动势（塞贝克效应）温差产生电动势（塞贝克效应）热电偶和热电堆热电偶和热电堆热电偶和热电堆热电偶和热电堆 热释电效应热释电效应热释电效应热释电效应 ：辐射变化引起表面电荷变化辐射变化引起表面电荷变化辐射变化引起表面电荷变化辐射变化引起表面电荷变化热释电探测器热释电探测器热释电探测器热释电探测器光吸收光吸收温度上升温度上升电学特性变化电学特性变化电参数输出电参数输出光热转换光热转换热电转换热电转换特点：特点：在宽广的波段有均匀的光谱响应在宽广的波段有均匀的光谱响应响应速度慢响应速度慢第4页/共50页热探测器与前面讲述的各种光电器件相比具热探测器与前面讲述的各种光电器件相比具有下列特性：有下列特性：响应率与波长无关，属于无选择性探测器；响应率与波长无关，属于无选择性探测器；受热时间常数（热惯性）的制约，响应速受热时间常数（热惯性）的制约，响应速度比较慢；度比较慢；热探测器的探测率比光子探测器的峰值探热探测器的探测率比光子探测器的峰值探测率低；测率低；可在室温下工作。可在室温下工作。第5页/共50页半导体对光的吸收半导体对光的吸收本征和杂质吸收本征和杂质吸收产生光生载子产生光生载子晶格吸收、自由电子吸收晶格吸收、自由电子吸收不产生光生载子不产生光生载子光电导率变化，光电导率变化，伴随少量的热伴随少量的热能产生能产生热能产生，温热能产生，温升造成电阻值升造成电阻值变化变化光敏电阻光敏电阻热敏电阻热敏电阻第6页/共50页7 7热敏电阻热敏电阻(Bolometer)第7页/共50页8 8u原原理理：吸吸收收辐辐射射，产产生生温温升升，从从而而引引起起材材料料电电阻的变化。阻的变化。u主要材料类型：金属、半导体和超导体。主要材料类型：金属、半导体和超导体。u共共同同点点：都都敏敏感感于于辐辐射射，光光谱谱响响应应基基本本上上与与入入射辐射的波长无关。射辐射的波长无关。吸收辐射吸收辐射温升温升-电阻变化电阻变化热敏电阻热敏电阻在电子电路中的符号在电子电路中的符号 第8页/共50页1.1.温度系数温度系数温度系数温度系数a aT T 表示温度变化表示温度变化表示温度变化表示温度变化11时，热电阻实际阻值的相对变化：时，热电阻实际阻值的相对变化：时，热电阻实际阻值的相对变化：时，热电阻实际阻值的相对变化：一.一.工作原理和结构工作原理和结构式中，式中，R为环境温度为热力学温度为环境温度为热力学温度T时测得的实际阻值。时测得的实际阻值。正温度系数（正温度系数（PTC）的热敏电阻温度系数）的热敏电阻温度系数：负温度系数（负温度系数（NTC）的热敏电阻温度系数：）的热敏电阻温度系数：随温度随温度T变化很大，并变化很大，并与材料常数与材料常数B成正比。成正比。第9页/共50页1010 由由由由热热热热敏敏敏敏材材材材料料料料制制制制成成成成的的的的厚厚厚厚度度度度为为为为0.01mm0.01mm左左左左右右右右的的的的薄薄薄薄片片片片电电电电阻阻阻阻粘粘粘粘合合合合在在在在导导导导热热热热能能能能力力力力高高高高的的的的绝绝绝绝缘缘缘缘衬衬衬衬底底底底上上上上，电电电电阻阻阻阻体体体体两两两两端端端端蒸蒸蒸蒸发发发发金金金金属属属属电电电电极极极极以以以以便便便便与外电路连接；与外电路连接；与外电路连接；与外电路连接；再再再再把把把把衬衬衬衬底底底底同同同同一一一一个个个个热热热热容容容容很很很很大大大大、导导导导热热热热性性性性能能能能良良良良好好好好的的的的金金金金属属属属相相相相连连连连构构构构成成成成热热热热敏敏敏敏电电电电阻阻阻阻。（使使使使用用用用热热热热特特特特性性性性不不不不同同同同的的的的衬衬衬衬底底底底，可可可可使使使使探探探探测测测测器器器器的的的的时时时时间间间间常量由大约常量由大约常量由大约常量由大约1ms1ms变为变为变为变为50ms50ms）红红红红外外外外辐辐辐辐射射射射通通通通过过过过探探探探测测测测窗窗窗窗口口口口投投投投射射射射到到到到热热热热敏敏敏敏元元元元件件件件上上上上，引引引引起起起起元元元元件件件件的的的的电电电电阻阻阻阻变变变变化化化化。为为为为了了了了提提提提高高高高热热热热敏敏敏敏元元元元件件件件接接接接收收收收辐辐辐辐射射射射的的的的能能能能力力力力（提提提提高高高高吸吸吸吸收收收收系系系系数），常将热敏元件的表面进行数），常将热敏元件的表面进行数），常将热敏元件的表面进行数），常将热敏元件的表面进行黑化处理黑化处理黑化处理黑化处理。2.结构结构第10页/共50页（1 1）金属材料）金属材料-正温度系数热敏电阻正温度系数热敏电阻正温度系数热敏电阻正温度系数热敏电阻(PTR)(PTR)由金属材料构成的测辐射热计：由金属材料构成的测辐射热计：一般金属的能带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，增加是微不足道的。相反，因晶格振动的加剧妨碍因晶格振动的加剧妨碍了自由电子作定向运动了自由电子作定向运动，从而，从而电阻温度系数是正电阻温度系数是正的的.Positive Temperature Coefficient(PTC)thermistors 适宜材料有铂、铜、镍、铁等。分分 类类1 1、按原理分、按原理分第11页/共50页1212由由半半导导体体材材料料制制成成的的测测辐辐射射热热计计：半半导导体体材材料料对对光光的的吸吸收收除除了了直直接接产产生生光光生生载载流流子子的的本本征征吸吸收收和和杂杂质质吸吸收收外外，还还有有不不直直接接产产生生载载流流子子的的晶晶格格吸吸收收和和自自由由电电子子吸吸收收等等，并并且且不不同同程程度度地地转转变变为为热热能能，引引起起晶晶格格振振动动的的加加剧剧，器器件件温温度度的的上上升升，即即器器件件的的电电阻阻值值发发生生变变化化。其其中中部部分分电电子子能能够够从从价价带带跃跃迁迁到到导导带带成成为为自自由由电电子子，使使电电阻阻减减小小，电电阻阻温温度度系系数数是是负负的的。又又因因为为各各种种波波长长的的辐辐射射都都能能被被材材料料吸吸收收，只只是是吸吸收收不不同同波波长长的的辐辐射射，晶晶格格振振动动加加剧剧的的程程度度不不同同而而已已,对对温温升升都有贡献，所以它的光谱响应特性基本上与波长无关。都有贡献，所以它的光谱响应特性基本上与波长无关。（2 2）半导体电阻材料半导体电阻材料半导体电阻材料半导体电阻材料-负温度系数热敏电阻负温度系数热敏电阻(NTR)(NTR)Negative Temperature Coefficient(NTC)thermistors半半导导体体类类的的多多为为金金属属氧氧化化物物，例例如如氧氧化化锰锰、氧氧化化镍镍、氧氧化化钴等。钴等。第12页/共50页图图示示分分别别为为半半导导体体和和金金属属（白白金）的温度特性曲线。金）的温度特性曲线。白白金金的的电电阻阻温温度度系系数数为为正正值值，大约为大约为0.37%左右；左右；半半导导体体材材料料热热敏敏电电阻阻的的温温度度系系数数为为负负值值，大大约约为为-3%-6%，约为白金的约为白金的10倍以上。倍以上。所所以以热热敏敏电电阻阻探探测测器器常常用用半半导导体体材材料料制制作作而而很很少少采采用用贵贵重重的的金属金属第13页/共50页1414 电阻温度系数多为电阻温度系数多为电阻温度系数多为电阻温度系数多为正正正正 电阻温度系数绝对值电阻温度系数绝对值电阻温度系数绝对值电阻温度系数绝对值小小小小 电电电电阻阻阻阻变变变变化化化化与与与与温温温温度度度度变变变变化化化化的的的的关关关关系系系系基本上是基本上是基本上是基本上是线性的线性的线性的线性的 耐高温能力和稳定性较耐高温能力和稳定性较耐高温能力和稳定性较耐高温能力和稳定性较强强强强 多用于温度的模拟测量。多用于温度的模拟测量。多用于温度的模拟测量。多用于温度的模拟测量。金属材料金属材料的特点的特点电阻温度系数多为电阻温度系数多为负负电电阻阻温温度度系系数数绝绝对对值值大大，比比一一般般金金属属电电阻阻大大1010100100倍倍电电阻阻变变化化与与温温度度变变化化的的关关系基本上是系基本上是非线性非线性的的耐高温能力和稳定性较耐高温能力和稳定性较差差多多用用于于辐辐射射探探测测。例例如如防防盗盗报报警警、防防火火系系统统、热热辐辐射体搜索和跟踪等。射体搜索和跟踪等。半导体材料的特点半导体材料的特点第14页/共50页1515（3）其它类型）其它类型 除除了了热热敏敏电电阻阻类类的的测测辐辐射射热热计计外外，还还有有超超导导测测辐辐射射热热计计、碳测辐射热计和锗测辐射热计。碳测辐射热计和锗测辐射热计。碳碳测测辐辐射射热热计计：已已用用于于极极远远红红外外波波段段的的光光谱谱测测量量。敏敏感感元元件件是是从从碳碳电电阻阻上上切切下下来来的的一一小小块块，致致冷冷到到2.1K时时，其其D*要要比比热热敏电阻测辐射热计高一个数量级。敏电阻测辐射热计高一个数量级。锗锗测测辐辐射射热热计计：敏敏感感元元件件是是锗锗掺掺镓镓单单晶晶，致致冷冷到到2.1K时时，其其D*比比热热敏敏电电阻阻测测辐辐射射热热计计约约高高12个个数数量量级级，它它的的光光谱谱响响应应可延伸到可延伸到1000m以外以外。超超导导测测辐辐射射热热计计：它它利利用用了了金金属属或或半半导导体体由由正正常常态态向向超超导导态态过过渡渡时时，电电阻阻随随温温度度急急剧剧变变化化的的性性能能。电电阻阻温温度度系系数数可可达达5000。这这种种测测辐辐射射热热计计灵灵敏敏度度很很高高，可可用用以以精精密密测测量量很很弱弱的的辐辐射射如如红红外外辐辐射射和和激激光光的的功功率率。超超导导材材料料多多为为铌铌、钽钽、铅铅或或锡锡的的氮氮化化物物。但但为为保保持持住住转转变变期期温温度度，所所需需制制冷冷量量很很大大，控制复杂，目前仅限于实验室。控制复杂，目前仅限于实验室。第15页/共50页16162 2、按使用范围分类、按使用范围分类1.1.通用型热敏电阻器通用型热敏电阻器特点：价格便宜，温度上限偏低，一般在特点：价格便宜，温度上限偏低，一般在100100度左右，例如圆片形度左右，例如圆片形2.2.热响应速度非常快的热敏电阻器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，达到了径非常小，达到了l mm l mm 以下，热时间常数约为普通热敏电以下，热时间常数约为普通热敏电阻器的阻器的10 10 分之一。分之一。3.3.高温型热敏电阻器高温型热敏电阻器特点：温度上限可扩展到特点：温度上限可扩展到500500度左右度左右4.微测辐射热计（微测辐射热计（(Microbolometer)）特点：主要用于红外辐射测量特点：主要用于红外辐射测量第16页/共50页1717热敏电阻应用范围家用电器（如空调机、微波炉、电风扇、电家用电器（如空调机、微波炉、电风扇、电取暖炉等）的温度控制与温度检测取暖炉等）的温度控制与温度检测 办公自动办公自动化设备（如复印机、打印机等）的温度检测化设备（如复印机、打印机等）的温度检测或温度补偿。或温度补偿。工业、医疗、环保、气象、食工业、医疗、环保、气象、食品加工设备的温度控制与检验。品加工设备的温度控制与检验。仪表线圈、仪表线圈、集成电路、石英晶体振荡器和热电偶的温度集成电路、石英晶体振荡器和热电偶的温度补偿。热敏电阻特点补偿。热敏电阻特点 稳定性好、可靠性高。稳定性好、可靠性高。阻值范围宽：阻值范围宽：0.11000K 阻值精度高阻值精度高。第17页/共50页热敏电阻使用说明热敏电阻使用说明1.自身的发热进行补偿 2.温度特性的非线性：根据器件手册，建立温度-阻值之间的查找表，利用查表的方式进行对应的温度计算 3.稳定性和老化：正温度系数热敏电阻器和临界温度热敏电阻器特性的均匀性要差于负温度系数热敏电阻器 第18页/共50页1919热电偶又称温差电偶，热电偶又称温差电偶，1826年就出现。其工作年就出现。其工作原理是热电效应。原理是热电效应。热电偶是温度测量中应用最普遍的测温器件，热电偶是温度测量中应用最普遍的测温器件，它的特点是测温范围宽，性能稳定，有足够的它的特点是测温范围宽，性能稳定，有足够的测量精度，能够满足工业过程温度测量的需要；测量精度，能够满足工业过程温度测量的需要；结构简单，动态响应好；输出为电信号，可以结构简单，动态响应好；输出为电信号，可以远传，便于集中检测和自动控制。远传，便于集中检测和自动控制。热电偶检测器第19页/共50页热电偶的结构示意图两种不同的导体A 和B 两端相互紧密地连接在一起，组成一个闭合回路，当两接触点温度不等（T T0）时，回路中就会产生电动势，从而形成热电流，这一现象称为热电效应，回路中产生的电动势称为热电势热电偶工作原理第20页/共50页热电势由两部分组成：接触电势-温差电势热电势第21页/共50页温差电势热电极A 和B 紧密连接在一起，由于电极材料的成分不同，其电子密度也不同，于是在接触面上便产生自由电子的扩散现象接触电势源第22页/共50页温差电势温差电势是由于同一导体的两端温度不同，即存在着温度梯度而产生的热电势T、T0 为电极两端的热力学温度；A、B 为电极的汤姆逊系数第23页/共50页2424T+T+T TJ J1 1B BA AJ J2 2I IG G c c辐射热电偶辐射热电偶T+T+T TN NP PT TT TR RL LI I+_ _涂黑金箔涂黑金箔半导体辐射半导体辐射热电偶热电偶采用金属材料制成，用于探测入射辐射，温升小，对材料的要求高，结构严格且复杂，成本高。P型半导体冷端带正电，N型半导体冷端带负电，最小可检测功率一般为10-11W。第24页/共50页第三导体的引入在实际应用中，热电偶回路中需接入测量仪表相当于在热电偶回路中接入第三导体在A、B 材料组成的热电偶回路中接入第三导体C第25页/共50页热电偶冷端温度误差及其补偿热电偶利用导体结点间的温差电动势实现对温度的测量，因此，冷端的温度必须保持恒定，或者通过其它方式对其温度变化进行补偿，才能实现对待测温度的准确测量补偿方法恒温法冷端补偿器法第26页/共50页恒温法冷端0度恒温第27页/共50页冷端补偿器法工业上，常采用简便的冷端补偿器法。冷端补偿器是一个四臂电桥，其中三个桥臂电阻的温度系数为零，另一桥臂采用铜电阻RCu（其值随温度变化），放置于热电偶的冷结点处第28页/共50页热电偶具有以下特性:（1）若热电偶两电极材料相同，则无论两结点温度如何，总热电势为零；（2）若热电偶两结点温度相同，则尽管A、B 材料不同，回路中的总电势等于零；（3）热电偶产生的热电势只与材料和结点温度有关 与电极的尺寸、形状等无关，电极材料相同的热电偶可以互换；（4）热电偶A、B 的结点温度为T1、T3 时的热电势 等于此热电偶在结点温度为T1、T2与T2、T3 两个不同状态下的热电势之和;（5）当热电极A、B 选定后，热电势EAB(T,T0)是两结点温度T 和T0 的函数差第29页/共50页热电偶的应用热电偶的应用钨铼系热电偶主要应用在超高温的测量中钨铼系热电偶200-300,其上限主要受绝缘材料的限制；就其电极材料本身的耐温情况来看，其测温上限可高达2800，它们适用于惰性气体及氢气之中，在真空中也可短期使用第30页/共50页热电偶的应用热电偶的应用铠装热电偶具有良好的机械性能，抗震抗冲击，适合各种条件下的工业现场使用，尤适于高压容器内的温度测量常见热电偶铠装第31页/共50页3232热电堆工作原理 热电堆提高了热电偶的响应时间和灵敏度。其结构是多个热电偶串联。热电堆的灵敏度为每个热电偶灵敏度的和。总结：热电偶型红外辐射探测器的时间常数较大，总结：热电偶型红外辐射探测器的时间常数较大，响应时间长，动态特性差，被测辐射变化频率一般响应时间长，动态特性差，被测辐射变化频率一般应在应在10Hz10Hz以下。以下。第32页/共50页热电偶检测器 热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一，热电偶工作原理是基热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一，热电偶工作原理是基热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一，热电偶工作原理是基热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一，热电偶工作原理是基于赛贝克于赛贝克于赛贝克于赛贝克(seeback)(seeback)效应效应效应效应,即两种不同成分的导体两端连接成回路，即两种不同成分的导体两端连接成回路，即两种不同成分的导体两端连接成回路，即两种不同成分的导体两端连接成回路，如两连接端温度不同，则在回路内产生热电流的物理现象。如两连接端温度不同，则在回路内产生热电流的物理现象。如两连接端温度不同，则在回路内产生热电流的物理现象。如两连接端温度不同，则在回路内产生热电流的物理现象。热电偶的优点：热电偶的优点：热电偶的优点：热电偶的优点：测量精度高。测量精度高。测量精度高。测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。响。响。响。测量范围广。测量范围广。测量范围广。测量范围广。常用的热电偶从常用的热电偶从常用的热电偶从常用的热电偶从-50+1600-50+1600均可测量，某些特殊均可测量，某些特殊均可测量，某些特殊均可测量，某些特殊热电偶最低可测到热电偶最低可测到热电偶最低可测到热电偶最低可测到-269-269（如金铁镍铬），最高可达（如金铁镍铬），最高可达（如金铁镍铬），最高可达（如金铁镍铬），最高可达+2800+2800（如（如（如（如钨钨钨钨-铼）。铼）。铼）。铼）。构造简单，使用方便。构造简单，使用方便。构造简单，使用方便。构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和接头的限制，外有保护套管，用起来非常方便而且不受大小和接头的限制，外有保护套管，用起来非常方便而且不受大小和接头的限制，外有保护套管，用起来非常方便而且不受大小和接头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。适合高低温环境温度测量。如：在陶瓷生产中热电适合高低温环境温度测量。如：在陶瓷生产中热电偶是热工监测与测试的计量工具。偶是热工监测与测试的计量工具。第33页/共50页热热释电探测器释电探测器(Pyroelectric infrared detector)第34页/共50页 热释电探测器原理 极性晶体极性晶体 极性晶体在外电场和应力均为零的情况下，晶体内正负电荷的中心并不重合，而是呈现电偶极矩，也就是说，晶体本身具有自发的电极化。第35页/共50页热释电效应温度产生变化，晶体中离子间的距离和电偶极距的角度发生变化，从而导致自发极化强度和面束缚电荷产生变化，在垂直于极轴的两个端面之间产生微小的电压，在有外部回路时，产生电流，可响应快速的温度变化，这种现象被称为热释电效应。第36页/共50页 当红外辐射照射到已经极化的热释电晶体时，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，相当于热引起温度升高，表面电荷减少，相当于热“释放释放”了部分电荷。释放的电荷变成电信号输出。如果辐了部分电荷。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。电荷，也不再有电信号输出。因此，热释电器件不因此，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的电信号为零；只有在交变辐射的作用下才会有信号输出。号输出。第37页/共50页热释电晶体的自发极化强度PS（单位面积上的电荷量）与温度的关系，利用这一关系制造的热敏探测器称为热释电器件 第38页/共50页面面电电极极结结构构：电电极极置置于于热热释释电电晶晶体体的的前前后后表表面面上上,其其中中一一个个电电极极位位于于光光敏敏面面内内。这这种种电电极极结结构构的的电电极极面面积积较较大大，极极间间距距离离较较少少，因因而而极极间间电电容容较较大大，故故其其不不适适于于高高速速应应用用。此此外外，由由于于辐辐射射要要通通过过电电极极层层才才能能到到达达晶晶体体，所所以以电电极对于待测的辐射波段必须透明。极对于待测的辐射波段必须透明。边边电电极极结结构构：电电极极所所在在的的平平面面与与光光敏敏面面互互相相垂垂直直，电电极极间间距距较较大大，电电极极面面积积较较小小，因因此此极极间间电电容容较较小小。由由于于热热释释电电器器件件的的响响应应速速度度受受极极间间电电容容的的限限制制，因此，在高速运用时以极间电容小的边电极为宜。因此，在高速运用时以极间电容小的边电极为宜。热释电探测器的基本结构热释电探测器的基本结构第39页/共50页硫酸三甘肽（TGS）晶体热释电器件 热释电系数较大，介电常数较小，探测率D*值较高，在较宽的频率范围内，灵敏度较高可在室温下工作，具有光谱响应宽、灵敏度高，是一种性能优良的红外探测器，广泛应用红外光谱领域 常见热释电探测器种类 第40页/共50页掺丙乙酸的TGS（LATGS）锁定极化特点，即温度由居里温度以上降到室温，仍无退极化现象。掺杂后TGS晶体的介电损耗减小，介电常数下降，前者降低了噪声，后者改进了高频特性。第41页/共50页铌酸锶钡(SBN)热释电器件 钡含量的提高而使居里温度相应提高，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，可用于快速光辐射的探测。在钡含量x0.6时，晶体在生长过程会开裂 第42页/共50页钽酸锂（LiTaO3）在室温下它的响应约为TGS的一半，但在低于零度或高于45时都比TGS好。居里温度高，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，适于探测高速光脉冲。第43页/共50页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，这种热释电器件容易制造，成本低廉 第44页/共50页聚合物热释电器件 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，所以两者比值并不小。第45页/共50页 热释电探测器的应用热释电探测器应用 空中与地面侦察、入侵报警、战地观察、火情观测、医用热成像、环境污染监视 艾托斯D卫星上装备有使用热释电晶体TGS的垂直温度分布辐射计 云雨6号卫星上所使用的压力调制辐射计和地球平衡测量仪 第46页/共50页4747 热热释释电电器器件件是是一一种种利利用用热热释释电电效效应应制制成成的的热热探探测测器器件件。与与其其它热探测器相比，热释电器件具有以下优点：它热探测器相比，热释电器件具有以下优点：具具有有较较宽宽的的频频率率响响应应，工工作作频频率率接接近近MHz，远远超超其其它它热热探探测测器器的的工工作作频频率率。一一般般热热探探测测器器的的时时间间常常数数典典型型值值在在10.01s范围内，热释电器件的有效时间常数低达范围内，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的探测率高；热热释释电电器器件件可可以以有有大大面面积积均均匀匀的的敏敏感感面面，而而且且工工作作时时可可以以不外加接偏置电压不外加接偏置电压；与热敏电阻相比，它受环境温度变化的影响更小；与热敏电阻相比，它受环境温度变化的影响更小；热热释释电电器器件件的的强强度度和和可可靠靠性性比比其其它它多多数数热热探探测测器器都都要要好好，易于制作。易于制作。第47页/共50页各种光电检测器件的性能比较1、接收光信号的方式光信号的有无：光信号的有无：是由被测对象原因而形成投射到光电器件上的光是由被测对象原因而形成投射到光电器件上的光信号截断或通过而产生。如光电开关、光电报警等。这时的光电器件不考信号截断或通过而产生。如光电开关、光电报警等。这时的光电器件不考虑线性，但要考虑灵敏度。虑线性，但要考虑灵敏度。光信号按一定频率交替变化：光信号按一定频率交替变化：这种光信号的输入是有一定这种光信号的输入是有一定频率的，必须使所选器件的上限截止频率（最好是最佳工作频率）大于输频率的，必须使所选器件的上限截止频率（最好是最佳工作频率）大于输入信号的频率才能测出输入信号的变化。入信号的频率才能测出输入信号的变化。光信号的幅度大小：光信号的幅度大小：当被测对象因对光的反射率、透过率变化当被测对象因对光的反射率、透过率变化或是被测对象本身光辐射的强度变化时，光信号幅度大小也随之改变。为或是被测对象本身光辐射的强度变化时，光信号幅度大小也随之改变。为准确测出幅度大小的变化，必须选择线性好、响应快的器件。如光电二极准确测出幅度大小的变化，必须选择线性好、响应快的器件。如光电二极管或管或PMT PMT 等。等。光信号的色度差异：光信号的色度差异：当被测对象本身光辐射的色温存在差异或当被测对象本身光辐射的色温存在差异或表面颜色变化时，必须选择合适的光谱特性的光电器件等。表面颜色变化时，必须选择合适的光谱特性的光电器件等。第48页/共50页2、各种光电检测器件的性能比较在动态特性方面，即频率响应与时间响应，光电倍增管和光电二极管最好；在光电线性方面，光电倍增管、光电二极管、光电池为最好；在灵敏度方面，以光电倍增管、雪崩光电二极管、光敏电阻和光电三极管为最好；输出电流大的器件有大面积光电池、光敏电阻、雪崩光电二极管与光电三极管；稳定性方面以光电二极管、光电池为最好外加电压最低的是光电二极管、光电三极管，光电池不需外加电源。第49页/共50页3、光电检测器件的应用选择光电检测器件的选择必须和辐射信号源及光学系统在光谱特性上匹配。光电检测器件的光电转换特性必须和入射辐射能量相匹配。光电检测器件参数的选择必须和光信号的调制形式、信号频率及波形匹配，以便得到没有频率失真的输出波形和良好的时间响应。光电检测器件必须和输入电路在电特性上良好地匹配，以保证有足够大的转换系数、线性范围、信噪比及快速的动态响应等。为使器件具有长期工作的可靠性，必须注意选好器件的规格和使用的环境条件。第50页/共50页