1、25 热电探测器,251 基本原理 252 热电偶和热电堆 253 测辐射热计 254 热释电探测器,三种主要的热敏效应,温差电效应：温差产生电动势热电偶和热电堆电阻温度效应：辐射引起电阻率变化测辐射热计(Bolometer)热释电效应 ：辐射变化引起表面电荷变化热释电探测器,原理：热电探测器是不同于光子探测器的另一类探测器。它是基于光辐射与物质相互作用的热敏效应制作的器件。这是一类研究得最早并且最早得到实际应用的探测器。优点：由于它具有不需致冷（超导测辐射热计？）、在很宽的光谱波段有平坦的响应两大持点，至今仍有广泛应用，甚至在某些领域中它是光子探测器所不能替代的。缺点：热电探测器的主要缺点是
2、探测率较低和时间常量较大。要同时获得灵敏度高、响应快的性能是困难的。新型热电探测器热释电探测器的出现及其近年来的发展，逐步解决了这一矛盾。在具体讨论各种器件之前，首先讨论热电探测器的基本原理。,251 基本原理,对热电探测器的分析可分为两步：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度升高T；第二步是根据温升来确定具体探测器输出信号的性能。第一步对各种热电探测器件都适用，而第二步则随具体器件而异。首先讨论第一步的内容，第二步在讨论各种类型的探测器时再作分析。,热电探测器热回路最简单的模型如图所示：,为入射到探测器的辐射功率，若探测器的吸收系数为，则探测器实际吸收的辐射功率为 HC为热容
3、；G1/R为热导；T0为环境温度，探测器吸收辐射后其温度为TT0+T；其中T为入射辐射引起的温升。,一、热回路方程,能量守恒：探测器吸收的辐射应等于单位时间内系统内能的增量和与外界热交换时所损耗的功率之和。因此，可建立以下的热回路方程：,利用初始条件：t0时，T0，解得:上式右边第一项为直流分量。当时间tT，如果只考虑交变分量，为：,其幅值为：,式中TH/GRC，它是热电探测器的热时间常量，其意义为当 tT时，热电探测器的温升上升为稳定值的63。T的数量级约为几毫秒至几秒，比光子器件的时间常量大得多。,当0，,二、热电探测器的共性,在相同的入射辐射下，对于热电探测器总是希望T尽可能地大。由T式
4、 看出，T随G和H的减小而增大。要减小H就必须减小探测器热敏元件的体积和重量；要减小G，必须减小热敏元件与周围环境的热交换。当H值已达到最小值时，由热时间常量T的定义可知，G的减小就会使T增大（牺牲探测响应时间）。所以在设计和选用热电探测器时须采取折衷方案。另外G对探测极限也有影响。,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，则根据斯持藩玻尔兹曼定律,设探测器的光敏面积为A，发射率为,当探测器与外界达到热平衡时，它所辐射的总功率为: P=AT4 其中为斯特藩玻尔兹曼常量，T为温度。,三、
5、最小可探测功率(NEP),如果探测温度有一个微小的增量T， 则总辐射功率的增量为: 所以，只由辐射交换所产生的热导G为,由21节可知，限制热电探测器的极限是由于温度噪声，温度噪声功率为:,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，由,G越大，NEP越大,例：如果所有的入射辐射全为探测器所吸收（黑体1 ），热敏面积A1cm2，T290K，频带宽度1Hz，56710-12(Wcm-2K-4)，k1.3810-23J/K，则 计算得：NEP5.110-11W 常温下热敏器件的最小可探测功率,3.5.2 热电偶和热电堆,热电偶是最古老的热电探测器之一，至今它仍得到广泛的应
6、用和发展。热电偶的基本原理是基于温差电效应。两种不同材料或材料相同而逸出功不同的物体，当它们构成回路时，如果两个接触点的温度不同，回路中就会产生温差电动势。只要两触点间的温差不变，温差电动势将得到保持。,一、温差电效应,第一效应：塞贝克效应（seebeck ）：两种不同导体组成的开路中，如果导体的两个结点存在温度差，这开路中将产生电动势E。这就是塞贝克效应。由于塞贝克效应而产生的电动势称作温差电动势（ 1821年，德国物理学家塞贝克 ）。 第二效应：帕尔贴效应（peltire ）：两种不同的导体构成闭合回路，当回路中存在直流电流时，两个接头之间将产生温差，两个接头处分别发生了吸放热现象。帕尔帖
7、效应可以视为塞贝克效应的反效应。第三效应：汤姆逊效应：电流通过具有温度梯度的均匀导体时，导体将吸收或放出热量。这就是汤姆逊效应。,“温差导致的金属磁化” ？,“磁场由电流产生”,Thomas Johann Seebeck（17801831）,塞贝克效应（seebeck ）,由于不同的金属材料所具有的自由电子密度不同，当两种不同的金属导体接触时，在接触面上就会发生电子扩散。电子的扩散速率与两导体的电子密度有关并和接触区的温度成正比。 设导体A和B的自由电子密度为NA和NB，且有NANB，电子扩散的结果使导体A失去电子而带正电，导体B则因获得电子而带负电，在接触面形成电场。这个电场阻碍了电子继续扩
8、散，达到动态平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差，即接触电势。,半导体电子致冷元件热电致冷器（Thermo Electric cooling，简称TEC）,TEC套件（TEC直流电源），可作为CPU和GPU的散热器,帕尔贴效应（peltire ）,TEC基本工作过程：当一块N型半导体和一块P型半导体结成电偶时，只要在这个电偶回路中接入一个直流电源，电偶上就会流过电流，发生能量转移，在一个接点上放热（或吸热），在另一个接点上相反地吸热（或放热）。 在TEC制冷片中，半导体通过金属导流片连接构成回路，当电流由N通过P时，电场使N中的电子和P中的空穴反向流动，他们产生的能量来自晶格的热能，于是在导流
9、片上吸热，而在另一端放热，产生温差。,帕尔帖效应的物理解释：电荷载体在导体中运动形成电流。由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，便释放出多余的能量；相反，从低能级向高能级运动时，从外界吸收能量。能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出。,既可以用于致热，也可以致冷,温差电动势的大小和方向与两种不同的导体材料的性质和两接点处的温度有关。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，也可以是薄膜。实体型的温差热电偶多用于接触测温，薄膜型的温差热电堆(由许多个温差热电偶串联而成)多用于辐射测量。例如用来标定各类光源，测量各种辐射量，
10、作为红外分光光度计或红外光谱仪的辐射接收元件等。,二、杂项,热电堆的原理性结构如图所示,许多个热电偶串联起来即成为热电堆。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。以C1型热电堆为例，它是由12个热电偶串联而成的，装在一个经过改装了的晶体管外壳里，热端的总面积为0.79mm2，总电阻为2k。,由半导体材料构成的热电偶，回路中温差电势的形成过程如图所示。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。,1. 温差电势率当冷端开路时，开路电压为 式中，M为比例系数，
11、称塞贝克常量，也称温差电势率，单位为V/,T为温度增量。通常半导体材料构成的热电偶比金属材料的温差电势率高（铋和锑温差电势为100V/C,而半导体电偶可达500V/C ,铂铑），,三、热电偶的基本参数,2. 电压响应率（灵敏度） 冷端接负载RL所产生的电压降为： 式中Ri为内阻（1）如果入射于热端的辐射是恒定的（=0）， 将T代入上式中， 则：,热电堆的响应率： ，n为热电堆中热电偶的对数,（2）如果入射辐射是交变量，则 因为G与材料性质和环境有关，所以为了使G较小，提高灵敏度，并使工作稳定，常把热电偶和热电堆放在真空的外壳里。,热电堆的响应率： ，n为热电堆中热电偶的对数,由上两式可知，要使
12、热电偶的响应率高应：选用温差电势大的材料，增大吸收系数；内阻要小，热导和热容也要小。在交变情况下，调制频率低时比调制频率高时的响应率高。减小调制频率和热时间常量T即都有利于提高响应率，可是与T是矛盾的，所以响应率与带宽之积为一常量的结论对于热电偶也成立。,热电偶的时间常量多为毫秒量级，带宽较窄。多用于测量恒定的辐射或低频辐射。只有少数时间常量小的器件才适用于高频辐射测量。限制热电探测器最小可探测功率的主要因素是温度噪声和热噪声。理想的热电探测器件，噪声等效功率为l10-11W数量级。而热电堆在常温理想情况下NEP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热电准，可以制
13、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，不仅具有金属丝热电准的某些优点，还有较高的响应率。,热电堆的缺点是容易损坏，时间常量大，输出阻抗低，需要特殊设计的低噪声放大器；为了使热电堆和放大器达到噪声匹配，需要变压器耦合，从而使放大器变得笨重、昂贵。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以免表内电源烧毁元件中的金箔。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。工作时环境温度不宜超过60。,253 测辐射热计(Bolometer),原理：测辐射热计是基于某些导体材料吸收入射辐射，温度发生变化
14、而使其电阻值发生变化，引起负载两端电压变化从而输出电信号的器件，也称为热敏电阻测辐射热计。 它的主要类型有金属、半导体和超导体。共同点：都敏感于辐射，光谱响应基本上与入射辐射的波长无关。,一. 金属电阻材料高温度系数、高电阻率。这样在同样条件下可加快反应速度，提高灵敏度，减小体积和重量。化学、物理性能稳定。以保证在使用温度范围内热电阻的测量准确性。良好的输出特性。即必须有线性的或者接近线性的输出。良好的工艺性，以便于批量生产、降低成本。适宜材料有铂、铜、镍、铁等。,二半导体电阻材料按物理特性，可分为三类：负温度系数热敏电阻(NTR)；正温度系数热敏电阻(PTR)；临界温度系数热敏电阻(CTR)
15、。,制作测辐射热计光敏面的材料，金属类的多为镍、铋等薄膜，半导体类的多为金属氧化物，例如氧化锰、氧化镍、氧化钴等。除了热敏电阻类的测辐射热计外，还有超导测辐射热计、硅测辐射热计和锗测辐射热计。,碳测辐射热计已用于极远红外波段的光谱测量。敏感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。锗测辐射热计的敏感元件是锗掺镓单晶，致冷到2.1K时，其D*比热敏电阻测辐射热计约高12个数量级，它的光谱响应可延伸到1000nm以外。,一般来说，金属测辐射热计的电阻温度系数多为正的，绝对值比半导体的小，它的电阻变化与温度变化的关系基本上是线性的，耐高温能力较强，所
16、以多用于温度的模拟测量。而半导体的测辐射热计，电阻温度系数多为负的，绝对值比金属的大十多倍。它的电阻变化与温度变化的关系是非线性的，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。,测辐射热计的物理过程：吸收辐射，产生温升，从而引起材料电阻的变化。由半导体材料制成的测辐射热计：吸收辐射后材料中电子的动能与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。又因为各种波长的辐射都能被材料吸收，对温升都有贡献，所以它的光谱响应特性基本上与波长无关。由金属材料构成的测辐射热计：因其内部有大量自由电子，在能带结
17、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。,测辐射热计结构示意图它的光敏面是一层由金属或半导体热敏材料制成的薄片；厚约0.01mm，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量由大约1ms变为50ms。为了提高吸收系数，光敏面部要进行黑化。,三. 测辐射热计结构,早期的测辐射热计是单个元件，接在惠更斯电桥的一个臂上。现在的测辐射热计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
18、度的缓慢变化不影响电桥平衡。,四. 测辐射热计测量原理,工作时，接成桥式电路（左图）或以补偿元件为负载接放大器（右图）。,图中RT1为接收元件，RT2为补偿元件，R1，R2，R3为普通电阻。,由电阻温度系数：则 相应的电压响应率为:,对于右图，如果有入射辐射，则测辐射热计的电阻，将因温升而产生一微量变化dRT，于是所产生的信号电压为:,由公式可知：要测辐射热计的电压响应率大，则：i、T、RT、都要大；G、H都要小。但这些量都要受诸多因素制约，只能折衷选取，而不能任意增减。,(1)由电路图可知，要求放大器的输入阻抗要远大于RT，这就限制了RT不能任意大。另外，假如RT很大，则它的引线的杂散电容和
19、放大器的输入电阻等所构成的时间常量就有可能大于热时间常量。这时，将使频率特性变坏。(2) T决定于材料，通过致冷可提高T。 对于大多数金属，T 1T。 对于大多数半导体，在某有限温区内T300T。(3) 为了提高吸收系数，光敏面要黑化。(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，热时间常量要变大，频率特性变坏。有时为了提高频率特性，宁可牺牲一些响应率，而把测辐射热计粘在一块热导率很大的衬底上，以取得小的热时间常量。(5) I 不能太大，因i较大，产生的焦耳热会使元件温度提高，如果T是负值，可能因为RT变小而产生破坏性的热击穿。另外i大后噪声也随之增大。这样，就限制了i的取值。
20、,限制测辐射热计噪声等效功率的主要因素是热噪声和温度噪声。在室温下：测辐射热计的噪声等效功率可达10-610-9w在致冷到液氦温度(3K)时，可达10-1310-14w。,254 热释电探测器,一、热释电探测器的工作原理热释电晶体吸收交变频率为的入射辐射后，其温度和自发极化强度也按频率而变化，从而导致晶体表面电荷密度也按频率而变化。在晶体的相对两面敷上电极，如果接上负载就有电流流过。,由交变的入射辐射引起的温度变化而产生的电流可表示为：Ps为热释电晶体的极化矢量，为材料的热释电系数，dT/dt为热释电晶体的温度随时间的变化率。由此可写出热释电探测器加上负载电阻RL上的电压为,由上式看出，热释电
21、探测器的响应正比于和温度变化速度dTdt，而与晶体和入射辐射达到平衡的时间无关。值取决于材料本身的特性；而温度变化速率与材料的吸收率和热容有关，吸收率愈大，热容愈小，则温度变化速率就愈大。,如果热释电探测器跨接到放大器输入端，则其可表示为如图所示的等效电路,Cd，Rd为热释电探测器的电容、电阻，CA和RA为放大器的电容、电阻。,对于热释电系数为，电极面积为Ad的热释电探测器，以频率变化的辐射所引起的温度变化T(T=|T|ejt）产生的交变电荷为:于是上述的热释电电流为,输入到放大器的电压为:式中ERC为电时间常量，RRd十RA，CCdCA，将id代入上式，则,得电压响应率为,讨论： (1)当0
22、，入射辐射为恒定时， RV0， 说明热释电探测器对恒定辐射不响应。 (2)当1/E和1/T时， RV与成正比。这种情况在频率极低时出现。,(3)当1/T1/E时，RV与无关。这只是在假定，H，G，C和R等量均与频率无关的条件下才成立。在实际材料中某些量与频率有关，但不是很明显。当RA1/E和1/T时，则 Rv与成反比实际上E和T通常都在100.1s范围内，所需频率都在l0Hz以上，在某些情况下工作频率在1MHz以上，将ERC，T=H/g代入此式表明，减小热释电探测器的有效电容和热容有利于高频工作。,二、噪声等效功率 热释电探测器在考虑到放大器的噪声时，主要有电阻的热噪声、温度噪声和放大器噪声三
23、个分量。 电阻的热噪声来自于晶体的介电损耗与探测器相关联的电阻。如果等效电阻为R，则电阻热噪声电流的均方值为 式中TR为灵敏元件温度。,放大器噪声来自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，把放大器输出端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，T为背景温度。,温度噪声来自敏感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。这三种噪声一般是不相关的，则总噪声为 TN=TR+(F-1)T，称为放大器有效输入噪声温度。,信噪功率比为 ：噪声等效功率为：热释
24、电的噪声等效功率随调制频率的增加而减小。,三、热释电探测器的阻抗特性热释电探测器是一种几乎纯电容器件。由于其电容量很小所以热释电探测器的阻抗非常高。这就要求必须配以高阻抗负载(热释电探测器负载阻抗一般约为109)。由于空气潮湿、表面脏物等原因，普通电阻不易达到这样高的阻值。因此通常采用真空密封电阻。,由于结型场效应晶体管(JFET)的输入阻抗高，噪声又小，所以常用JFET作热释电探测器的前置放大器。一种常用的连接方法。,四、几种常用的热释电探测器1TGS(硫酸三甘肽)晶体及其探测器 TGS属水溶性晶体，物理化学性能稳定性差，其居里温度Tc较低(仅为49)，因此不能承受大的辐射功率。例如在几毫瓦
25、CO2激光作用下就发生分解。故现在不用纯TGS单晶材料制作探测器。掺丙胺酸改性后的硫酸三甘肽(LATGS)能给出很好的锁定极化效果。当温度升高到居里点以上再冷却到室温，仍无退化现象。掺杂后晶体介电损耗变小，介电常量下降。前者降低了噪声，后者改进了高频性能。在低频情况下D*值为5109琼斯。由于TGS是发展最早、工艺最成熟、D*值最高的热释电探测器，因此它是至今仍使用得相当广泛的探测器。,2SBN(铌酸锶钡)热释电探测器这种热释电探测器通过调节钡含量可使居里温度Tc达到110，在大气条件下性能稳定，无需窗口材料保护，电阻率高，热释电系数大，机械强度高，在红外波段(10nm以上)吸收率高，不必涂黑
26、。在500MHz未出现明显的压电谐振，故可用于快速探测。在SBN中掺入镧系元素可使性能得到改善，无退极化现象。其D*(500，30，1)达8.5108琼斯。,3LiTaO3(钽酸锂)热释电探测器这种探测器在室温下的热释电响应率约为TGS的一半，但在低于0高于45时都比TGS好。这种材料的居里温度Tc高达620，在室温下响应率几乎不随温度变化，可在高温下工作，能承受高的辐射能量，且不退极化其物理化学性能稳定，不需保护窗口，机械强度高，响应快(时间常量约13l 0-12s)，适于探测高速激光脉冲，其D*(500,30，1)已达8.5l08琼斯。,4PZT(钛锆酸铅)压电陶瓷热释电探测器这种探测器的
27、大，但亦大，故二者的比值并不高。机械强度大，物理化学性能稳定，电阻率可用掺杂来控制，所承受的辐射功率超过LiTaO3探测器。居里温度高达360，不易退极化，D*(500，l，1)达7l08琼斯。易制造，成本低。,以上介绍的几种探测器是按材料分类而定的。从响应元结构上区分有面电极、边电极，并联互补、串联互补面吸收、体吸收，悬空、带衬底，单元、多元，线阵和列阵等形式。从封装及光学设计上区分有简单单元、带有阻抗变换、带前置放大器和与CCD混成等。根据不同应用目的，热释电探测器又分为入侵报警、光谱基准测量、总能量探测、快速测量、电学定标和列阵式几种类型。总之，热释电探测器不仅保持了热探测器的共同优点即
28、室温宽波段工作，而且在很宽的频率和温度范围内具有较高的探测率，能承受较大的辐射功率并具有较小的时间常量等特点因此得到了广泛应用。,热探测器是一类基于光辐射与物质相互作用的热效应制成的器件。它的光谱响应范围宽而且是平坦的，但对于交变光信号交变频率来说，热探测器是一种窄带响应器件，其响应速度一般较低，而且速度与响应率之积为一常量的结论对热探测器也成立。因此，选用器件时要综合考虑。 由半导体材料制成的温差热电堆，响应率高，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，不要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。测辐射热计，响应率也较高，光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，易破碎。流过它的偏置电流不能大，避免电流产生的焦耳热影响灵敏面的温度。 热释电器件是目前最受重视的热探测器，其机械强度、响应率、响应速度都很高。在使用这类器件时要特别注意以下几点；只能测量交变辐射，对恒定辐射无响应；机械振动会引起振动噪声使用时应避免振动；热释电探测器输出阻抗高(10101015)，在使用时必须接以高阻抗负载和高输入阻抗的放大器。,小 结,
