红外成像阵列与系统-6幻灯片
75页1、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。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。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。
2、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
3、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.
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