第四章热电探测器

第四章热电探测器1第一页，共四十七页，编辑于2023年，星期五

热电探测器件的工作原理：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。响应过程比较慢，一般的响应时间多为毫秒级。光谱响应范围宽，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水平线。特点：一、热电探测器件概述2第二页，共四十七页，编辑于2023年，星期五热电检测器件的共性：

对热电探测器件的分析分为两步。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。热电探测器件与普通的温度计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，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。

一、热电探测器件概述3第三页，共四十七页，编辑于2023年，星期五热电检测器件的共性：一定功率的热辐射照射到探测器表面，一部分功率使器件温度升高，另一部分用于与环境的热交换。热交换的方式有辐射交换和热传导(对流可以忽略)两种形式。上式的解为：4第四页，共四十七页，编辑于2023年，星期五热电检测器件的共性：当时间足够长时，第二项为零，取第一项实部的幅值即为辐射引起的热探测器的温度增加T=RQCQ=CQ/GQRQ为热阻1、与吸收系数成正比；2、与入射功率成正比；3、与工作频率成反比；涂黑5第五页，共四十七页，编辑于2023年，星期五热电检测器件的共性：当在低频工作时，即wT<<1，则此时，热点检测器件吸收交变辐射能引起的温升与热导G成反比；但T=CQ/GQ减小热导可提高温升和灵敏度矛盾当在高频工作时，即wT>>1，则此时，热点检测器件吸收交变辐射能引起的温升与热导G无关，与热容成反比；T》T6第六页，共四十七页，编辑于2023年，星期五热电探测器的类型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。热电偶热电堆一、热电探测器件概述7第七页，共四十七页，编辑于2023年，星期五二、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。两种不同金属导线组成一闭合回路，若两接点温度不同，回路中就有电流和电动势产生。这一效应称为温差电效应，即塞贝克热电效应。8第八页，共四十七页，编辑于2023年，星期五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，称为测温热电偶；薄膜型的温差电堆多用于测量辐射，称为辐射热电偶。二、温差电偶9第九页，共四十七页，编辑于2023年，星期五热电偶用于测温：热电偶用于制冷：珀尔帖效应：两种不同的金属构成闭合回路，当回路中存在直流电流时，两个接头之间将产生温差。10第十页，共四十七页，编辑于2023年，星期五半导体温差电偶的原理性结构图

温差电偶接收辐射一端称为热端，另一端称为冷端。为了提高吸收系数，在热端都装有涂黑的金箔。

二、温差电偶11第十一页，共四十七页，编辑于2023年，星期五辐射热电偶冷端开路时，开路电压为：

Uoc=MΔT 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。

又

为了减小G，提高灵敏度，将热电偶真空封装二、温差电偶12第十二页，共四十七页，编辑于2023年，星期五真空温差电偶的主要参量有：灵敏度（响应率）R、响应时间常数τ、噪声等效功率NEP等。1、温差电偶的响应率为：R＝UL/ΦUL：冷端负载上所产生的电压降。Φ：入射于探测器的辐射通量。2、热电偶的响应时间比较长，约为几毫秒到几十毫秒，因此它只能探测直流状态或低频状态的辐射。3、热电偶的最小可探测功率决定于噪声，它的噪声主要是热噪声和温度起伏噪声。二、温差电偶13第十三页，共四十七页，编辑于2023年，星期五热电堆14第十四页，共四十七页，编辑于2023年，星期五热电偶使用注意事项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。工作时环境温度不宜超过60℃。15第十五页，共四十七页，编辑于2023年，星期五三、热敏电阻物理过程：吸收辐射，产生温升，引起材料电阻的变化，导致负载电阻两端电压的变化，从而得到电信号。16第十六页，共四十七页，编辑于2023年，星期五1、分类及特点：三、热敏电阻金属热敏电阻制作材料：金、镍、铋等金属薄膜；特点：电阻温度系数多为正的，绝对值比半导体的小，电阻与温度的关系基本上是

线性的，耐高温能力较强。用于温度的模拟测量半导体热敏电阻制作材料：氧化锰、氧化镍等金属氧化物；特点：电阻温度系数多为负的，绝对值比金属的大，电阻与温度的关系是非线性的，

耐高温能力较差。用于辐射探测17第十七页，共四十七页，编辑于2023年，星期五2、热敏电阻结构18第十八页，共四十七页，编辑于2023年，星期五温度补偿措施19第十九页，共四十七页，编辑于2023年，星期五辐射热敏电阻一般是金属封装的20第二十页，共四十七页，编辑于2023年，星期五21第二十一页，共四十七页，编辑于2023年，星期五22第二十二页，共四十七页，编辑于2023年，星期五23第二十三页，共四十七页，编辑于2023年，星期五24第二十四页，共四十七页，编辑于2023年，星期五25第二十五页，共四十七页，编辑于2023年，星期五4、热敏电阻的工作电路工作时，按下图接成桥式电路。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：Us=idRTi：电流26第二十六页，共四十七页，编辑于2023年，星期五5、新型热敏电阻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。27第二十七页，共四十七页，编辑于2023年，星期五四、热释电检测器件电介质：能够被极化的介质。导体电阻率：10-6~10-3欧姆•厘米半导体电阻率：10-3~1012绝缘体电阻率：1012欧姆•厘米以上电介质电阻率：超过1010欧姆•厘米所有的绝缘体都是电介质；某些电介质不是绝缘体。28第二十八页，共四十七页，编辑于2023年，星期五升高到一定温度时，自发极化突然消失，这个温度称为“居里温度”压电晶体：当挤压或拉伸时，晶体的两端就会产生不同的电荷。这种效应被称为压电效应。能产生压电效应的晶体就叫压电晶体。水晶（α-石英）是一种有名的压电晶体。

自发极化：在一定温度范围内、单位晶胞内正负电荷中心不重合，形成电偶极子，呈现偶极矩。这种在无外电场作用下存在的极化现象称为自发极化。

铁电晶体和热释电晶体都具有自发极化特性。29第二十九页，共四十七页，编辑于2023年，星期五四、热释电检测器件

热释电晶体的自发极化强度随温度升高而降低的特性。1、检测原理：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。30第三十页，共四十七页，编辑于2023年，星期五热电晶体在温度变化时所显示的热电效应示意图1、检测原理：31第三十一页，共四十七页，编辑于2023年，星期五温度恒定时，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。所以，所探测的辐射必须是变化的。入射辐射不变化，则无电信号输出。跟其它光电探测器的最大区别1、检测原理：32第三十二页，共四十七页，编辑于2023年，星期五2、热释电器件的电极结构面电极结构：电极面积大，极间距离小，因而电容较大，不适于高速应用；而且入射面电极需透明；边电极结构：电极面较小，极间距离大，因此极间电容小，适于高速应用。33第三十三页，共四十七页，编辑于2023年，星期五按热释电器件的基本结构，其等效电路可表示为恒流源Is。3、热释电器件的等效电路34第三十四页，共四十七页，编辑于2023年，星期五热释电器件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，构成源极限随器的形式，使输出阻抗降低到适当数值。35第三十五页，共四十七页，编辑于2023年，星期五五、热释电器件的类型1、硫酸三甘酞（TGS）热释电器件优点：这类器件最早制造，工艺成熟，具有在大面积、宽频率范围内灵敏度高的优点，所以至今仍得到广泛使用。

缺点：①居里温度为49度，因此不能承受大的辐射功率；②有退极化现象。36第三十六页，共四十七页，编辑于2023年，星期五五、热释电器件的类型2、铌酸锶钡（BaxSr1-xNb2O5)热释电器件优点：在大气条件下性能稳定，无需窗口材料保护，热释电系数大，机械性能好，容易制成薄片，在500MHZ下无明显的压点谐振，可用于快速测量。改变组分x，可使居里温度发生变化。

缺点：晶体生长较为困难。37第三十七页，共四十七页，编辑于2023年，星期五五、热释电器件的类型3、钽酸锂（LT)热释电器件优点：居里温度可达620度，能承受高能量辐射，可用于激光的测量。机械强度高，物理化学性能稳定，不需保护窗口；相应速度快，可达到10-12s，适于探测高速脉冲，是一种极有前途的探测激光脉冲的热释电监测器件。38第三十八页，共四十七页，编辑于2023年，星期五五、热释电器件的类型3、铌酸锂热释电器件优点：高居里温度Tc=1200度；介电常数很小；电阻率相当高；最易于用在高频、大能量输入的情况。缺点：热释电系数略小。39第三十九页，共四十七页，编辑于2023年，星期五热电器件的共同特点：1、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。2、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的结论对热探测器也成立。3、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。五、热电器件性能总结40第四十页，共四十七页，编辑于2023年，星期五1）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，防止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。41第四十一页，共四十七页，编辑于2023年，星期五2）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。它要求跟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。42第四十二页，共四十七页，编辑于2023年，星期五3）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。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