第四章 热电探测器件

第四章热电探测器件第1页，共63页，2023年，2月20日，星期三热电探测器件工作的物理过程是，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。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，光谱特性曲线近似为一条平线。第2页，共63页，2023年，2月20日，星期三第3页，共63页，2023年，2月20日，星期三第4页，共63页，2023年，2月20日，星期三热电探测器件大致分为温差电型、热敏电阻型、气动型和热释电型四类。基本原理对热电探测器件的分析，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升，这种分析对各种热电探测器件都适用；第二步是根据温升来确定具体探测器件输出信号的性能。第5页，共63页，2023年，2月20日，星期三在相同的入射辐射下，希望得到大的温升，就是说，探测器与外界的热耦合和热容以及调制频率等要小，这点是热电探测器件与普通的温度计的重要区别。二者虽然都有随温度变化的性能，但热电探测器件所需要的，不是要与外界有尽量好的热接触，必须达到热平衡，而是要与入射辐射有最佳的相互作用，同时又要尽量少的与外界发生热接触。第6页，共63页，2023年，2月20日，星期三热电探测器件的时间常数定义为:τ的数量级约为几毫秒至几秒，这比光电器件的时间常数大得多。因此，热电探测器件在某些应用领域中，所处的地位不如光电探测器件。但是，对系统中各种相互制约的因素进行综合考虑以后，这一缺点也许不那么严重。第7页，共63页，2023年，2月20日，星期三

为使探测器的热容小，应尽量使探测器的结构小、重量轻，同时要兼顾结构强度。后面提到的热释电器件就是一种灵敏度高和机械强度好的热电探测器。

热导G对于探测器灵敏度和时间常数的影响正好相反，G小，灵敏度高，但响应时间长。所以，在设计和选用热电探测器件时须采取折衷方案。另外G对探测极限也有影响。其作用可作如下的估算。第8页，共63页，2023年，2月20日，星期三探测器与外界的热耦合，主要有辐射交换和热传导两种形式。其中，辐射交换的热导率最小。如果只考虑辐射交换，不计因支架和引线等引起的热传导时，热导率的极限值可根据斯忒藩-波耳兹曼定律来估算。设探测器的灵敏面面积为A，发射率为η，当探测器与外界达到热平衡时，它所辐射的总通量为AησT4（其中σ为斯忒藩-波耳兹曼常数，T为温度）。如果探测器温度有一个微小的增量dT，则总辐射通量的增量为4AησT3dT。所以，只由辐射交换所产生的热导G为第9页，共63页，2023年，2月20日，星期三

另外，根据统计计算，探测器与外界达到热平衡时，探测器的功率起伏均方根值为式中，k为波耳兹曼常数，G为热导；Δf为测试系统的频带宽度。实际上，ΔWT就是探测器因温度起伏所产生的噪声。

第10页，共63页，2023年，2月20日，星期三若式中的G取最小值，即G＝GR，并取Δf＝1Hz，则ΔWT将是可能取值中最小的，即按最小可探测功率（NEP）的定义——输出端信噪比为1时，入射功率的有效值，有第11页，共63页，2023年，2月20日，星期三式中，σ＝5.67×l0-12W·cm-2·K-4；k＝1.38×10-23·K-1。若假定A＝1cm2；T＝290K；Δf＝1Hz，则NEP＝5.1×l0-11W此值可作为衡量实际探测器性能的比较基准。第12页，共63页，2023年，2月20日，星期三温差电偶

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。例如，由两种不同的导体材料构成的接点，在接点处可产生电动势。这个电动势的大小和方向与该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。如果把这两种不同的导体材料接成回路，当两个接头处温度不同时，回路中即产生电流。这种现象称为温差电效应或塞贝克效应。第13页，共63页，2023年，2月20日，星期三两种不同材料组成的热电偶温度高的一端称为热端，温度低的一端称为冷端。第14页，共63页，2023年，2月20日，星期三

测量辐射能的热电偶称为辐射热电偶，它与一般测量温度用的热电偶原理是相同的。辐射热电偶的热端是用来接收入射辐射的，所以在热端装有一块涂黑的金箔。当入射的辐射通量被金箔吸收后，金箔温度升高，形成热端，在回路中就有电流流过。第15页，共63页，2023年，2月20日，星期三辐射热电偶J1为热端J2为冷端。第16页，共63页，2023年，2月20日，星期三

构成温差电偶的材料，既可以是金属，也可以是半导体。在结构上既可以是线、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。第17页，共63页，2023年，2月20日，星期三

半导体材料具有较高的温差电位差，高的可达500µV/oC。半导体热电偶结构：将两种半导体材料构成两个结，其中一个结涂以黑金箔，增加对辐射的吸收能力，作为热端。第18页，共63页，2023年，2月20日，星期三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。当冷端开路时，开路电压为式中，M为比例系数，称塞贝克常数，也称温差电势率，单位为V/℃；ΔT为温度增量。第19页，共63页，2023年，2月20日，星期三真空温差电偶的主要参量有：灵敏度（也叫响应率）R、响应时间常数τ、噪声等效功率NEP或比探测率D*等。温差电偶的响应率为：UL：冷端负载上所产生的电压降。Φ：入射于探测器的辐射通量。第20页，共63页，2023年，2月20日，星期三要使温差电偶的响应率高，应选用温差电势大的材料，并增大吸收系数。同时，内阻要小，热导也要小。在交变情况下，调制频率低时比调制频率高时的响应率高。减小调制频率ω和减小时间常数τT都有利于提高响应率，可是ω与τT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。第21页，共63页，2023年，2月20日，星期三为了减小热电偶的响应时间，常把辐射接受面分成若干块，每块接上一个热电偶，并把这些热电偶串接起来，这样就成了热电堆。热电堆的结构为：在镀金的铜基体上，蒸镀一层绝缘层，在绝缘层上蒸发工作结和参考结。参考结和铜基体之间电绝缘，但保持热接触。工作结和铜基体之间，既保持电绝缘，也保持热绝缘。热电材料敷在绝缘层上。把这些热电偶串接起来或并接起来，称为热电堆。目前国外热电堆的商品指标为：D*=108，τT=10ms。第22页，共63页，2023年，2月20日，星期三热电堆结构第23页，共63页，2023年，2月20日，星期三热电探测器件最小可探测功率的主要限制因素是温度噪声和约翰逊噪声。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10-9W数量级。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，而且性能可靠。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。第24页，共63页，2023年，2月20日，星期三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-薄膜测热辐射计第25页，共63页，2023年，2月20日，星期三上图中曲线6表示锑铋蒸发薄膜的温差电堆，它的性能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。其次是额定功率小，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。再次是，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℃。第26页，共63页，2023年，2月20日，星期三热电偶热电堆使用注意事项：辐射热电偶与光电倍增管一样，不能受强辐射照射，它允许的最大辐射通量为几十微瓦。流过热电偶的电流一般在1µA以下，决不能超过100µA，因而千万不能用万用表来检查热电偶的好坏，否则会烧毁金箔，损坏热电偶。在保存时应注意热避免电偶的两个输出端短路，并避免强烈振动。防止感应电流，尤其是电火花。使用的环境温度不应超过60oC。第27页，共63页，2023年，2月20日，星期三热敏电阻（测辐射热计）

热敏电阻是由电阻温度系数大的导体材料制成的电阻元件，也称它为测辐射热计。第28页，共63页，2023年，2月20日，星期三

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，例如，防盗报警、防火系统、热辐射体搜索和跟踪等。第29页，共63页，2023年，2月20日，星期三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。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。第30页，共63页，2023年，2月20日，星期三不同材料热敏电阻的温度特性第31页，共63页，2023年，2月20日，星期三

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。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，可使温度的缓慢变化不影响电桥平衡。第32页，共63页，2023年，2月20日，星期三热敏电阻结构示意图第33页，共63页，2023年，2月20日，星期三热敏电阻的接电电路第34页，共63页，2023年，2月20日，星期三工作时，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为普通电阻。对于图b，如果有入射辐射，则热敏电阻的电阻将因温升而产生一微量变化dRT，于是所产生的信号电压为i：电流第35页，共63页，2023年，2月20日，星期三如果入射辐射使元件产生的温升为ΔT，则元件的电阻温度系数为则热敏电阻的电压响应率为：第36页，共63页，2023年，2月20日，星期三

由上式可知，要使热敏电阻的电压响应率大，电流i、电阻温度系数α、热敏电阻RT、吸收系数η都要大，热导G、热辐射的交变频率ω、热容CH都要小，但这些量是受诸因素制约的，只能折中选取，而不能任意增减。第37页，共63页，2023年，2月20日，星期三1）由于要求放大器的输入阻抗要远大于RT，这就限制了RT不能任意的大。另外，假如RT很大，那它和引线的杂散电容和放大器输入电容等所构成的电路时间常数就有可能大于热时间常数。这时，将使频率特性变坏。

2）α决定于材料。对于大多数金属，α≈l/T。对于大多数半导体，在某有限温区内α≈3000/T2。所以，通过致冷可提高α。

3）为了提高η，要使灵敏面表面黑化。第38页，共63页，2023年，2月20日，星期三4）为了减小G，可使接收元件装在一个真空的外壳里。但G小，热时间常救τT（＝CH/G）要变大，频率特性要变坏。所以，权衡利弊，有的为了提高频率特性，宁可牺牲一些响应率，而把热敏电阻粘在一块热导率很大的衬底上以取得小的时间常数。

5）i不能很大，因i若较大，产生的焦耳热会使元件温度提高，如果α是负，还可能因为RT变小而产生破坏性的热击穿。另外，i大了噪声也要随之增大。所以，这就限制了i的取值。第39页，共63页，2023年，2月20日，星期三限制热敏电阻最小可探测功率的主要因素是与元件电阻有关的约翰逊噪声和与辐射吸收、发射有关的温度噪声。在室温下，热敏电阻的噪声等效功率可达10-6～10-9W·Hz-1/2，在致冷到液氦温度（3K）时，可达10-13～10-14W·Hz-1/2。第40页，共63页，2023年，2月20日，星期三除了热敏电阻的测辐射热计外，还有超导测辐射热计、碳测辐射热计和锗测辐射热计等。超导测辐射热计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15～20K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。第41页，共63页，2023年，2月20日，星期三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1～2个数量级，它的光谱响应可延伸致1000μm以外。第42页，共63页，2023年，2月20日，星期三热释电器件热释电器件是一个以热电晶体为电介质的平板电容器。因热电晶体具有自发极化性质，自发极化矢量能够随着温度变化，所以入射辐射可引起电容器电容的变化，从而可利用这一特性来探测变化的辐射。第43页，共63页，2023年，2月20日，星期三结构原理热电晶体是压电晶体中的一种，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，称为自发极化。晶体温度变化时，可引起晶体的正负电荷中心发生位移，因此表面上的极化电荷即随之变化。从而使偶极矩发生变化，也就是自发极化强度和面束缚电荷发生变化，在垂直于极轴的两个端面之间出现极小的电压变化，即产生了热释电效应。第44页，共63页，2023年，2月20日，星期三热电晶体在温度变化时所显示的热电效应示意图a)恒温下

b)温度变化时

c)温度变化时的等效表现第45页，共63页，2023年，2月20日，星期三温度恒定时，因晶体表面吸附有来自于周围空气中的异性电荷，而观察不到它的自发极化现象。当温度变化时，晶体表面的极化电荷则随之变化，而它周围的吸附电荷因跟不上它的变化，失去电的平衡，这时即显现出晶体的自发极化现象。这一过程的平均作用时间为τ＝ε/σ，式中，ε为晶体的介电系数，σ为晶体的电导率。所以，所探测的辐射必须是变化的，而且只有辐射的调制频率f＞1/τ时才有输出。第46页，共63页，2023年，2月20日，星期三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ΔT。由此，引起表面极化电荷的变化为若使上式改变一下形式，则为式中，λ=Δps/ΔT称热释电系数。第47页，共63页，2023年，2月20日，星期三按热释电器件的基本结构，其等效电路可表示为恒流源Is。热释电器件的等效电路第48页，共63页，2023年，2月20日，星期三其中输出电压为式中，τT为热时间常数，τT=CH/G；τe为电路时间常数，τe=CR，R=Rs∥RL，C=Cs＋CL。τe、τT的数量级为0.1～10s左右。第49页，共63页，2023年，2月20日，星期三由上式得电压响应率为该式表明，低频段（ω＜1/τT、1/τe）时，Rv∝ω，ω→0时，Rv→0；τe≠τT时，设τe＜τT，在ω＝1/τT～1/τe范围内，Rv与ω无关，为一常数；高频段（ω＞1/τT、1/τe）时，Rv则随ω-1变化。所以，在许多应用中，该式的高频近似式为第50页，共63页，2023年，2月20日，星期三第51页，共63页，2023年，2月20日，星期三制作热释电器件的常用材料有，硫酸三甘肽（TGS）晶体，掺α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。但不论哪种材料，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远一点的温区。第52页，共63页，2023年，2月20日，星期三噪声、信噪比和噪声等效功率因热释电器件的基本结构是一个电容器，输出阻抗特别高，所以它后面常接有场效应管，构成源极跟随器的形式，使输出阻抗降低到适当数值。因此，在分析噪声的时候，也要考虑放大器的噪声。这样，它的噪声，主要有电阻的热噪声、温度噪声和放大器噪声三个分量。第53页，共63页，2023年，2月20日，星期三电阻的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式中，k为波耳兹曼常数，TR为灵敏元温度，Δf为测试系统带宽。第54页，共63页，2023年，2月20日，星期三放大器噪声来自于放大器中的有源元件和无源元件，以及信号源的源阻抗和放大器输入阻抗之间噪声是否匹配等方面。如果放大器的噪声系数为F，把放大器输出喘的噪声折合到输入端，认为放大器是无噪声的，这时，放大器输入端附加的噪声电流均方值为式中，T为背景温度。第55页，共63页，2023年，2月20日，星期三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式中，为温度起伏的均方值。第56页，共63页，2023年，2月20日，星期三如果这三