红外成像阵列与系统-6幻灯片

第四章 混合铁电-热电辐射热计阵列4.1 热电探测器原理 1.热电和铁电材料 2. 工作模式 3.信号与噪声 1.热电和铁电材料热电材料 ：结晶对称性差，有内部电学偶极距 即能极化的材料。 热电效应：一种材料的极化与温度依赖关系。 这样，当热电样品内温度缓慢变化时， 表面电荷也随之变化。Ø铁电材料：它是热电材料的一个子集，能自发 极化。当外电场的方向反转时，晶体的自 发极化强度P的方向也跟着发生反转， 通常在某个温度下，有电滞现象。Ø对于铁电材料，极化程度通常反应在它的电容率和介电常数上 。在存在外电场下，D是电位移矢量，0是真空介电常数，E是电场强度，P是极化矢量。 对于很多线性材料而言， 因此 这对于铁电体是无效的，其是非线性的，对于 一个动态电容率的非线性的材料定义为：引入一维Gibbs的自由能量表达：G-D的极小值表示稳定的状态：状态等式：得到介电常数：引入热电系数定义：则电压响应 ：从式（4-7）和（4-10）中， 可见，增加一给定的材料的极化幅 度，能改善其电压响应率。 典型铁电体材料A .二次铁电体B. 一次铁电体A 、二次铁电体二次铁电体相位转变比较简单 ，我们首先考虑它。式（4-11）很 好的表示了一个二次转换， 则状态等式：由此得到二次铁电体的介电常数：（4-13）当E=0时，通过式（4-12）解出了自发极化 矢量Ps（注意到当E=0 时D=Ps）(4-14)居里温度Tc:是一个过渡温度，在没有 外电场时，TC以上的温度不存在热电效 应。对于一个二次的过渡为： TC=T0 由（4-13）（4-14）转换前后介电常数 为 相位转变事实上是两次的S= = (4-17) 在TC 连续。= (4-18)在TC上不连续。这是二次转变的特性。等式（4-19）代表了一个一次转变， (4-20)相应的状态等式为:(4-21)相应的电介质常数则为：（4-22）自发极化由式（4-23）在E=0时，结果为： （4-23）B、一次铁电体与二次转变最明显的不同，就是它是一 个极化与非极化相位同时存在的温度范围。在TC 处，两个相位具有相同的能量值。因此，转变温度TC 为：在T0 之下，非极化相位变得不稳定，T1 温度之上的极化相位变得不稳定，可以算得：当温度从低于T0 的高极化区增加时，极 化慢慢消失。在T0 时，非极化 相位不再不稳定，但是 材料已经是高能极化相 位，没有退磁现象发生 。 当温度回扫到T1 ，材料早就处于高能非 极化相位，因此无自发 极化现象发生。 利用电场能够抑止热磁滞，电场的 存在提高了极化相位变得不稳定的温 度。同时，非极化相位则经历了一个 电场诱发的极化。这些效应抑止了磁 滞，减少并最终消除了极化现象的不 连续性 。从式（4-23）和（4-24）中，TC处的D值为 ：对于极化相位对于非极化相位对于极化相位对于非极化相位2 .工作模式A 本征热电模式 B 诱导热电模式 C.脉冲式热电模式 A 本征热电模式固有的热电模式不需要偏置场 ，但是需要工作温度特别低于转变 温度 B 诱导热电模式在诱导热电模式中，由于外加偏置 电场而使其固有的热电效应增强。 一个外加的电场总是使D增加，因 此总是使电压模式下的响应率增加。电场的存在使工作状态稳定，因此 探测器可以工作在铁电转变温度附近， 而不会有去磁的风险。拓宽了选择材料 的范围C.脉冲式热电模式在脉冲模式下，外加电场是经过调 制的，释放了电容器的电荷。脉冲工作模式的优点是不需要斩波 器。但是因为所有的无斩波器的红外传 感器，有一个相伴而来的动态范围、均 匀性和漂移的问题，实际运用不多。 3.信号与噪声A .响应率任何热探测器的响应率包括两个方面 ：探测器必须吸收入射红外辐射光并将 其转换为温度变化，然后它必须感应到 温度的变化。 入射辐射通量引起的温度变化：其中，如果=0，则 如果我们令: T=T1+T(t) （4-30）则（4-27）变为：(t)通常为一个梯形波，我们为 了方便，用一个正弦波近似，因此:其中是入射辐射功率在斩波器开和 关的相位之间的差值。 得到式（4-31）的解， 其中，= （4-34）而:为热时间常数。 热容由下式给出： 响应率第二个分量是温度转 换为可测的电信号。热电探测器 是非线性的电容，E=E(D,T) （4-37）相关的方程为: V0-V=zdE(D,T)=IdRd (4-38) V=ILRL=QL/CL (4-39)所以V0=zdE(D,T)+ QL/CL (4-40)式（4-40）对时间求偏导:= （4-41）其中 （4-42）电荷保存要求 : （ 4-43 ）联立式4-38，4-39，4-41，4-43 （4-44）其中， C=Cd+CL (4-45)（4-46）得到式4-44的解，（4-47）其中，（4-48）（4-49） 由流经电容的漏电流产生的失调电压是与时 间无关的，因此响应率为（4-50）（4-51） 品质因数 ：B .噪声 三个独立的噪声源限制了大部分 探测器的敏感性。他们是:1. Johnson噪声2.温度波动噪声3.前置放大器的噪声Johnson噪声由阻抗的功率损耗 部分产生，一个理想的电容器在电流 和电压之间产生90度的相位偏转，因 此无功率损耗。则认为它不会产生 Johnson噪声。实际上，任何引起不同相位偏转 的现象都能引起功率损耗，从而有效 的产生真实的阻抗。 漏电容是理想的电容带有一个阻抗，（4-52） 相位角的不同通常用表示，（4-53）如果Rp是常量，则tan是与频率有关的量。 串联电阻可以引起电介质损耗，阻抗为：（4-54）则， （4-55）另一个主要的电介质损失源是由磁畴壁运动生 成的磁畴的变换。Johnson噪声的谱密度 （4-56）其中， C=Cd+CL （4-57）（4-58）可称为电介质的损耗噪声或tan 噪声.温度波动噪声，来源于探测器与其周围环境的 随机的能量交换。功率波动谱密度由下式给出：（4-59） 根据式4-34，相关的温度波动谱为（4-60） 对应式4-59的电压波动谱为（4-61）高通滤波器的对温度波动噪声有抑制作用， 但响应率也会随之下降 4.2实际考虑及设计 铁电材料的选择 热隔离 调制传递函数 读出电路信号 系统电子学 斩波器 最好的材料是其品质因数最大。前置放大器噪声与温度波动噪声相比很小时，材料 的好坏主要取决于响应率品质因数Johnson噪声与温度波动噪声相比很小时,材料的好坏 主要取决于Johnson噪声品质因数。因此这两种品质因数必须很大,以保证温度波动噪声 限制的性能 .实现混合式的热电探测器的阵 列与其周围环境的隔热 。目前主要采用有机台阶的方法。由一个像素吸收的热能不仅仅从 隔热装置流向衬底。同样流向邻近像 素，这就降低了MTF。 解决MTF损耗的主要方法是网状 像素。它是离子铣、激光刻和激光帮 助的化学蚀刻技术。 每个混合铁电探测器阵列包括一个 ROIC，其主要的目的是提供通向单个像素 的通道。早期的读出电路中，每个单元仅仅包括 一个像素和两个开关。一个行顺序寻址位移 器，关闭开关，连接像素到列的址线上。 为了减少噪声，最近的ROIC设计已 经通过了给每个单元加信号处理来修正 。具体是：在探测器和开关之间加低 通滤波器，缓冲器，增益电路。从探测器出来的数据流存在两个不完 善的方面：有效的探测元的响应率不均匀 ，有效失调电压也不均匀。下图显示了一个信号处理流的方框图 带有斩波器的探测器工作如下：当 斩波器的边缘经过一个像素时，像素被 暴露在景物的辐射光下。它的温度开始 相应的发生改变，温度持续变化直到使 景物重新被遮蔽。在景物出现的一瞬间 ，信号被采样 。热探测器的输出电压 ：= （4-62）代表是当景物温度增加单位温度时探测器温度 的上升值。 （4-63）