第二章--热探测器3.ppt

热释电体：具有热释电效应的晶体具有热电性和压电性 铁电体：晶体的自发极化方向随外电场而变化的晶体具有：压电性、热电性和铁电性；（2）铁电体的基本性质（a）铁电体的电滞回线和电畴图1 电滞回线图2 电畴示意图 （b）铁电体的温度特性居里温度图3 TGS的Ps与T的关系曲线 式中，介质的介电常数； ” 介质损耗；tan= ” / 称为损耗因子 图4 介电常数随温度的变化曲线 （c）铁电体的频率特性（3）热释电材料的性能参数（a）热释电系数 热释电系数：自发极化强度对温度的偏导数（c/(m2K)），用来描述热释电效应的强弱b）复介电常数j（4）几种常用的热释电材料（a）硫酸三甘肽（TGS）（b）氧化物单晶：钽酸锂（LiTaO3）、铌酸锶钡（SBN） 3.2 热释电探测器的基本原理和响应度 （1）结构与基本原理 热释电探测器的基本结构： a） 面电电极结结构 b）边电边电 极结结构 图图4 热释电热释电 探测测器的结结构示意图图工作原理： 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以及由此引起的面束缚电荷便随调制频率f 发生变化，当 （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。

式中Ad电极面积 (对于面电极结构，它与探测器面积相同 );热释电系数2）响应度 等效电路图： 图5 探测器及前放的等效电路图 其中RP和CP探测器的等效电阻和电容；RL和CA前放的等效电阻和电容 ip热释电探测器的信号电流源；则热释电探测器产生的交变电流为：设 的交变辐射照射到热释电探测器引起的温升为T(),则 得出信号电流的幅值为：式中TH/G 热时间常数 热释电探测器与前放输入回路的总阻抗 ： 则ip在阻抗Z上的电压，即信号电压幅值为：则电流响应度和电压响应度的幅值分别为：式中R电路总等效电阻， ； eRC电时间常数；C电路电容CCP+CAa）响应度的频率特性图6 电压响应度随频率的变化关系 i）当0时，RvRi0，说明热释电探测器对交变辐射才有响应ii）当 时，属低频段即电压响应度与频率成正比 iii）当 时，Rv的值最大，且与频率无关热分界点频率电分界点频率iv）当 时，属高频段即电压响应度与频率成反比图7（b）等效电阻与响应度的关系要Rv 高，则选用Q1 高的材料；要Ri 高，则选用Q2 高的材料 小的材料宜做面电极结构， 大的材料宜做边电极结构c）晶体材料的选择（材料优值） 将Rv和Ri的表示式改写为 ：图8 等效电阻与响应度的关系i）当 时，Rv随等效电阻R增大而增大；ii）当 ，其他参数不变时，Rv趋于一恒定值。

式中：CV为体积比热容，单位为Jcm-3K-1；d为敏感元厚度；为介电常数. 、 仅与材料有关， 称Q1为第一材料优值；Q2为第二材料优值 ）3.3 热释电探测器的噪声和探测率 （1）噪声干扰噪声：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、热噪声、 放大器噪声（电流噪声和电压噪声） 图图9 噪声等效电电路噪声等效电路图：（a）温度噪声 环境温度的起伏，产生探测器温度的无规则起伏，从而产生温度噪声 在带宽f 内，噪声等效功率为 式中材料的吸收率；k玻尔兹曼常数；T热平衡时的绝对温度； G探测器与环境进行热交换的热导 则温度噪声电流为 ： 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 式中Ri电流响应度 即热探测器的背景辐射噪声 （b）介质损耗噪声 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热噪声介质损耗噪声电流： 式中Cp热释电探测器的电容；p热释电探测器的功率损耗角c）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取决于栅极偏置电阻 热噪声电流： 式中Rg栅极偏置电阻 （d）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电流的起伏，因此属于散粒噪声。

噪声电流：式中e电子电荷；Ig（流过场效应管的）栅极电流（等于流过PN结的扩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1/f 噪声、产生复合噪声和沟道的热噪声在较高频率时，主要是沟道热噪声 噪声电压： 式中Rm晶体管的噪声等效电阻 该噪声在阻抗Z上的噪声电流为：则探测器的总噪声电流为： （2）探测率D* 负载电阻热噪声和栅极电流噪声为主；介质损耗噪声为主；前放噪声为主图10 热释电探测器各类噪声源的频谱图 （a）温度噪声为主要噪声时，此时 显然，只有温度噪声时，NEP和D*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主） 此时， （c）频率较高时，（以介质损耗噪声为主） 此时， 要提高探测率，应寻求Q3大的材料，还应减小敏感元的厚度d 又当 时， 则若令 第三材料优值 ，则（d）高频时，以前放的电压噪声为主（此时忽略其他噪声） 则 通过增加吸收率和减小器件的热导G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， 3.4 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此时NEP和D*应满足： 上式为理想热探测器的极限探测率，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，它是所有热探测器的工作极限.单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式*16精品课件！单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式*17精品课件！热释电探测器图片：装配式热电偶图片。