热探测器3知识分享

1、热探测器33.2 热释电探测器的基本原理和响应度热释电探测器的基本原理和响应度（1）结构与基本原理）结构与基本原理 热释电探测器的基本结构：热释电探测器的基本结构： a） 面电极结构面电极结构 b）边电极结构）边电极结构 图图4 热释电探测器的结构示意图热释电探测器的结构示意图工作原理：工作原理： 当敏感元吸收红外辐射后，引起材料的温度变化，晶体内部当敏感元吸收红外辐射后，引起材料的温度变化，晶体内部热运动变化，从而使晶体的自发极化强度热运动变化，从而使晶体的自发极化强度Ps发生变化。结果在电发生变化。结果在电极上便有束缚电荷释放出来。如果将入射辐射调制后再照射到热极上便有束缚电荷释放出来。如

2、果将入射辐射调制后再照射到热释电体的光敏面上，则材料的自发极化强度释电体的光敏面上，则材料的自发极化强度Ps以及由此引起的面以及由此引起的面束缚电荷便随调制频率束缚电荷便随调制频率f 发生变化，当发生变化，当 （为材料的时间常为材料的时间常数）时，材料体内的自由电荷来不及中和面束缚电荷，结果在材数）时，材料体内的自由电荷来不及中和面束缚电荷，结果在材料的面电极两端便出现开路交流电压，这时如果在两电极间接上料的面电极两端便出现开路交流电压，这时如果在两电极间接上负载就会有电流流过。负载就会有电流流过。 式中式中Ad电极面积电极面积 (对于面电极结构，它与探测器面积相同对于面电极结构，它与探测器面

3、积相同 );热释电系数。热释电系数。dtTdAidp1f（图图5 探测器及前放的等效电路图探测器及前放的等效电路图 其中其中RP和和CP探测器的等效电阻和电容；探测器的等效电阻和电容；RL和和CA前放的等效电阻和电容。前放的等效电阻和电容。 ip热释电探测器的信号电流源；热释电探测器的信号电流源；则则热释电探测器产生的交变电流为：热释电探测器产生的交变电流为：dtTdAidptjePP0设设 的交变辐射照射到热释电探测器引起的温升为的交变辐射照射到热释电探测器引起的温升为T(),则则tjePP0 tjtjeHjGPeTT00TAjidp得出信号电流的幅值为得出信号电流的幅值为： 212201T

4、ddpGPATAi式中式中TH/G 热时间常数。热时间常数。 热释电探测器与前放输入回路的总阻抗热释电探测器与前放输入回路的总阻抗则则ip在阻抗在阻抗Z上的电压，即信号电压幅值为：上的电压，即信号电压幅值为：tjePP0则电流响应度和电压响应度的幅值分别为则电流响应度和电压响应度的幅值分别为：21221eRZ式中式中R电路总等效电阻，电路总等效电阻， ； eRC电时间常数；电时间常数；C电路电容电路电容CCP+CA。LPLPRRRRR21222122011eTdppGRPAZiV 212201TdpiGAPiR212221220111TedpvRGAPVR（a）响应度的频率特性）响应度的频率特

5、性图图6 电压响应度随频率的变化关系电压响应度随频率的变化关系 i）当）当0时，时，RvRi0，说明热释电探测器对交变辐射才有响应。说明热释电探测器对交变辐射才有响应。ii）当）当 时，属低频段。时，属低频段。Te11及GRARdvGARdi即电压响应度与频率成正比。即电压响应度与频率成正比。 iii）当）当 时，时，Rv的值最大，且与频率无关。的值最大，且与频率无关。eT11HRARdv热分界点频率热分界点频率电分界点频率电分界点频率iv）当）当 时，属高频段。时，属高频段。Te11及HCARdvHARdi即电压响应度与频率成反比。即电压响应度与频率成反比。HARdiR RV V( (R R

6、i i) )R RV VR Ri i图图7（b）等效电阻与响应度的关系）等效电阻与响应度的关系要要Rv 高，则选用高，则选用Q1 高的材料；要高的材料；要Ri 高，则选用高，则选用Q2 高的材料。高的材料。 小的材料宜做面电极结构，小的材料宜做面电极结构， 大的材料宜做边电极结构。大的材料宜做边电极结构。（c）晶体材料的选择（材料优值）晶体材料的选择（材料优值） 将将Rv和和Ri的表示式改写为的表示式改写为 ：RC1C121221eR图图8 等效电阻与响应度的关系等效电阻与响应度的关系i）当）当 时，时，Rv随等效电阻随等效电阻R增大而增大；增大而增大；CR1ii）当）当 ，其他参数不变时，其

7、他参数不变时，Rv趋于一趋于一恒定值。恒定值。CR12122212211TTeedVvACR21221TTVidCR式中：式中：CV为体积比热容，单位为为体积比热容，单位为Jcm-3K-1；d为敏感元厚度；为敏感元厚度；为介电常数为介电常数. 、 仅与材料有关，仅与材料有关， 称称Q1为第一材料优值；为第一材料优值；Q2为第二材料优值为第二材料优值 。1QCV2QCV（ ）dACHdVdACd3.3 热释电探测器的噪声和探测率热释电探测器的噪声和探测率（1）噪声）噪声干扰噪声：由外部电的或机械的扰动造成；干扰噪声：由外部电的或机械的扰动造成；探测器（含放大器）噪声：温度噪声、介质损耗噪声、热噪

8、声、探测器（含放大器）噪声：温度噪声、介质损耗噪声、热噪声、 放大器噪声（电流噪声和电压噪声）放大器噪声（电流噪声和电压噪声）图图9 噪声等效电路噪声等效电路噪声等效电路图：噪声等效电路图：（a）温度噪声）温度噪声 环境温度的起伏，产生探测器温度的无规则起伏，从而产生环境温度的起伏，产生探测器温度的无规则起伏，从而产生温度噪声。温度噪声。 在带宽在带宽f 内，噪声等效功率为内，噪声等效功率为式中式中材料的吸收率；材料的吸收率；k玻尔兹曼常数；玻尔兹曼常数；T热平衡时的绝对温度；热平衡时的绝对温度； G探测器与环境进行热交换的热导。探测器与环境进行热交换的热导。 则温度噪声电流为则温度噪声电流为

9、 ： 当热传导比热辐射小很多且可忽略时，热释电探测器与当热传导比热辐射小很多且可忽略时，热释电探测器与外界的热量交换以辐射方式进行，则外界的热量交换以辐射方式进行，则式中式中Ri电流响应度。电流响应度。 fGkTPT241fGkTRiiT24 dAdTTdPG dATG34 44TTTP21516fAkTPdTidTRfAkTi21516即热探即热探测器的测器的背景辐背景辐射噪声射噪声 （b）介质损耗噪声）介质损耗噪声 是热释电探测器在中频的主要噪声源。是热释电探测器在中频的主要噪声源。 原因：晶格热振动引起的，因而本质上也是一种原因：晶格热振动引起的，因而本质上也是一种热噪声热噪声。介质损耗

10、噪声电流：介质损耗噪声电流：式中式中Cp热释电探测器的电容；热释电探测器的电容；p热释电探测器的功率损耗角。热释电探测器的功率损耗角。（c）热噪声）热噪声 这里主要指敏感元负载电阻热噪声。敏感元负载电阻主要这里主要指敏感元负载电阻热噪声。敏感元负载电阻主要取决于栅极偏置电阻。取决于栅极偏置电阻。 热噪声电流：热噪声电流： 式中式中Rg栅极偏置电阻栅极偏置电阻 。 214ftgCkTipp214gLRfkTi（d）放大器噪声）放大器噪声 前置放大器的等效电流噪声主要来自前放中场效应管的栅极前置放大器的等效电流噪声主要来自前放中场效应管的栅极电流的起伏，因此属于散粒噪声。电流的起伏，因此属于散粒噪

11、声。 噪声电流：噪声电流：式中式中e电子电荷；电子电荷；Ig（流过场效应管的）栅极电流（等于流过（流过场效应管的）栅极电流（等于流过PN结的扩结的扩散电流与漂移电流之和）。散电流与漂移电流之和）。 前置放大器的等效电压噪声主要包括场效应管的前置放大器的等效电压噪声主要包括场效应管的1/f 噪声、噪声、产生复合噪声和沟道的热噪声。在较高频率时，主要是沟道热噪产生复合噪声和沟道的热噪声。在较高频率时，主要是沟道热噪声。声。 噪声电压：噪声电压： 式中式中Rm晶体管的噪声等效电阻晶体管的噪声等效电阻 。 212feIige214fkTRVmA该噪声在阻抗该噪声在阻抗Z上的噪声电流为：上的噪声电流为：

12、ZViAA122eApAACCVi则探测器的总噪声电流为：则探测器的总噪声电流为： （2）探测率）探测率D*负载电阻热噪声和栅极负载电阻热噪声和栅极电流噪声为主；电流噪声为主；介质损耗噪声为主；介质损耗噪声为主；前放噪声为主。前放噪声为主。2122222AeLTniiiiiifnif fL Lf fe ef fa a图图10 热释电探测器各类噪声源的频谱图热释电探测器各类噪声源的频谱图 2122222AeLTddNEPNEPNEPNEPNEPfANEPfAD（a）温度噪声为主要噪声时，此时）温度噪声为主要噪声时，此时 21241fGkTRiNEPNEPiTT212214GkTADd显然，只有温

13、度噪声时，显然，只有温度噪声时，NEP和和D*与频率无关。与频率无关。（b）频率较低时（以放大器的电流噪声与负载电阻的热噪声为）频率较低时（以放大器的电流噪声与负载电阻的热噪声为主）主） 此时，此时，（c）频率较高时，（以介质损耗噪声为主）频率较高时，（以介质损耗噪声为主） 此时，此时， 要提高探测率，应寻求要提高探测率，应寻求Q3大的材料，还应减小敏感元的厚度大的材料，还应减小敏感元的厚度d。 2122LeNEPNEPNEP21221TTVidCR又又ieeRiNEPiLLRiNEP2121222121)42()1 (.kTReIdCRANEPfADggTvgdTdTTppvftgCkTdC

14、NEPNEP21212221i)1 ()4(Ri214pVtgkTdCD当当 时，时， 则则T1dACdP若令若令 第三材料优值第三材料优值 ，则，则213)(pvtgCQ21213)4(dkTQD（d）高频时，以前放的电压噪声为主（此时忽略其他噪声）高频时，以前放的电压噪声为主（此时忽略其他噪声） 则则通过增加吸收率和减小器件的热导通过增加吸收率和减小器件的热导G或降温可改善或降温可改善D*。 当探测器与外界的热交换以辐射方式进行时，当探测器与外界的热交换以辐射方式进行时， 3.4 理想探测器及其极限探测率理想探测器及其极限探测率 理想热探测器是指只存在温度噪声的热探测器。理想热探测器是指只存在温度噪声的热探测器。此时此时NEP和和D*应满足：应满足： 上式为上式为理想热探测器的极限探测率理想热探测器的极限探测率，即只有温度噪声及辐射热，即只有温度噪声及辐射热损失时热探测器的归一化探测率，它损失时热探测器的归一化探测率，它是所有热探测器的工作极限是所有热探测器的工作极限.2121)(