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1、光辐射探测器件的分类光热探测器件和光子检测器件。光热探器件是利用热敏元件的热效应来探测光，即通过器件吸收光辐射后温度升高，使器件的某一参数发生变化，进而探测出输入光信号的大小。光子检测器是利用器件的光电效应把光信号转变成电信号。通常光电检测器件指的就是光子检测器件。第1页/共29页按工作原理分:探测器件热电探测元件光子探测元件外光电效应内光电效应非放大型放 大 型光电导探测器光磁电探测器光生伏特探测器本征型掺杂型非放大放大型真空光电管充气光电管光电倍增管变像管摄像管像增强器光敏电阻红外探测器光电池光电二极管光电三极管光电场效应管雪崩型光电二极管第2页/共29页按工作波段分 紫外光探测器 可见光
2、探测器 红外光探测器按应用来分换能器将光能转换成电能探测器光信息转换成电信息 非成像型：光电池、光敏电阻、光电二极管、光电三极管、光电倍增管等 成像型：变像管、像增强器、摄像管v光电器件分类:第3页/共29页3.1.1 3.1.1 光热效应光热效应v光热效应：光照射到物体上时,物体将吸收所有波长的全部能量，并转换为热能的过程。v光热探测器：热能导致物体的物理、机械性能（温度、体积、电阻、热电动势等）变化，测量这些变化量可确定光能量或光功率的大小。v光热探测器件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把 光能转变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升，进一步使探测元件的电学性质或
3、其他物理性质发生变化。第4页/共29页v特点：工作时不需要制冷；光谱响应无波长选择性（但由于材料在红外波段的热效应更强，因而光热效应广泛用于红外辐射测量）v应用：已进入某些被光子探测器独占的应用领域和光子探测器无法实现的应用领域，如：红外测温、红外成像、红外遥感、红外制导等。第5页/共29页一、热辐射的一般规律 光热探测器件是将入射到器件上的光辐射能转换成热能，然后再把热能转换成电能的器件。显然，输出信号的形成过程包括两个阶段：第一阶段：辐射能热能（入射辐射引起温升的阶段），是共性的，具有普遍的意义。第二阶段：热能各种形式的电能（各种电信号的输出）。第6页/共29页 热电器件在没有受到辐射作用
4、的情况下，器件与环境温度处于平衡状态，其温度为T0。当辐射功率为 的热辐射入射到器件表面时，令表面的吸收系数为，则器件吸收的热辐射功率为 。式中C Ct t 称为热容，表明内能的增量为温度变化的函数。热交换能量的方式有三种；传导、辐射和对流。设单位时间通过传导损失的能量 式中Gt为器件与环境的热传导系数。光辐射能转换成热能(第一阶段)其中一部分使器件的温度升高，设单位时间器件的内能增量为 i，则有另一部分补偿器件与环境的热交换所损失的能量。第7页/共29页 根据能量守恒原理，器件吸收的辐射功率应等于器件内能的增量与热交换能量之和。即设入射辐射为正弦辐射通量 ，则上式变为与时间无关的平均温升与时
5、间有关的温度变化第8页/共29页 若选取刚开始辐射器件的时间为初始时间，则，此时器件与环境处于热平衡状态，即t=0,T=0。将初始条件代入微分方程并求解，得到热传导的方程为 称为热阻，是温升与辐照通量之间的相角，说明温升滞后调制辐射功率瞬变的程度。式中 称为热敏器件的热时间常数，热时间常数一般为msms至s s的数量级，它与器件的大小、形状和颜色等参数有关。第9页/共29页结论:1.1.热敏器件吸收交变辐射能所引起的温升与吸收系数成正热敏器件吸收交变辐射能所引起的温升与吸收系数成正比比,因此，几乎所有的热敏器件都被涂黑。因此，几乎所有的热敏器件都被涂黑。2.2.工作频率工作频率增高，其温升下降
6、，在低频时（增高，其温升下降，在低频时（），），它与热导它与热导G Gt t 成反比，即成反比，即 可见，减小热导是增高温升、提高灵敏度可见，减小热导是增高温升、提高灵敏度的好方法，但是热导与热时间常数成反比，的好方法，但是热导与热时间常数成反比，提高温升将使器件的时间响应变坏。提高温升将使器件的时间响应变坏。第10页/共29页温升与热导无关，而与热容成反比，且随频率的增高而衰减。3.3.当高频当高频 时，有：时，有：4.4.因此，光热探测器常用于接收低频调制辐射信号。因此，光热探测器常用于接收低频调制辐射信号。同时，应降低器件的热容量。同时，应降低器件的热容量。第11页/共29页二、热电转换
7、(第二阶段)主要有温差电效应和热释电效应1.温差电效应v原理：两种不同的导体材料接成回路，当两个接头处于温度不同时，回路中即产生电流温差电效应。热端冷端温差电偶光光v热电偶热端接收辐射后升温，载流子浓度增加，电子从热端向冷端扩散，从而使P型材料热端带负电，冷端带正电。N型相反。第12页/共29页当红外辐射照射到热电偶热端时，该端温度升高，而冷端温度保持不变，此时，在热电偶回路中将产生热电势，热电势的大小反映了热端吸收红外辐射的强弱。实际应用中常将几个热电偶串联起来组成热电堆来检测红外辐射的强弱。响应时间较长，动态特性较差，被测辐射变化频率一般应在10Hz以下。第13页/共29页2.热释电效应具
8、有极化现象的热释电晶体，也称铁电体，具有非中心对称的晶体结构（自发极化）。-+-（a）恒温下v通常铁电体的表面俘获大气中的浮游电荷而保持电平衡状态。v晶体分子本身具有固有的电偶极矩，因此，晶体存在宏观的电偶极矩。第14页/共29页当有红外线照射到其表面上时，引起铁电体温度迅速升高，极化强度很快下降，极化电荷急剧减少；而表面浮游电荷变化缓慢，跟不上铁电体内部的变化；从温度变化引起极化强度变化到表面重新达到电平衡状态的时间内，在铁电体表面有多余的浮游电荷出现，相当于释放出一部分电荷，称为热释电效应。-+-（a）恒温下-+-（b）温度变化+-（c）温度变化时的等效表现第15页/共29页3.1.2 3
9、.1.2 光热探测器光热探测器一、热敏电阻 1.热敏电阻及其特点 灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10100倍以上，能检测出10-6的温度变化；工作温度范围宽，常温器件适用于-55315，高温器件适用温度高于315（目前最高可达到2000），低温器件适用于-27355；体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度；使用方便，电阻值可在0.1100k间任意选择；易加工成复杂的形状，可大批量生产；稳定性好、过载能力强。凡吸收入射辐射后引起温升而使电阻改变，导致负载电阻两端电压的变化，并给出电信号的器件叫做热敏电阻。第16页/共29页 2.2.热敏电阻的原理、结构及材料 由
10、于半导体材料的晶格吸收，对任何能量的辐射都可以使晶格振动加剧，只是吸收不同波长的辐射，晶格振动加剧的程度不同而已，因此，热敏电阻无选择性地吸收各种波长的辐射，可以说它是一种无选择性的光敏电阻。金属的自由电子密度很大，以致外界光作用引起的自由电子密度相对变化较半导体而言可忽略不计。相反，吸收光以后，使晶格振动加剧，妨碍了自由电子作定向运动。因此，当光作用于金属元件使其温度升高，其电阻值还略有增加，也即由金属材料组成的热敏电阻具有正温度系数(PTC)(PTC)，而由半导体材料组成的热敏电阻具有负温度特性(NTC)(NTC)。第17页/共29页由热敏材料制成的厚度为0.01mm左右的薄片电阻大部分半
11、导体热敏电阻由各种氧化物按一定比例混合，经高温烧结而成。多数热敏电阻具有负的温度系数，即当温度升高时，其电阻值下降，同时灵敏度也下降。由于这个原因，限制了它在高温情况下的使用。第18页/共29页3.应用由于半导体热敏电阻有独特的性能，所以：它不仅可以作为测量元件（如测量温度、流量、液位等），还可以作为控制元件（如热敏开关、限流器）和电路补偿元件热敏电阻广泛用于家用电器、电力工业、通讯、军事科学、宇航等各个领域，发展前景极其广阔。第19页/共29页 二、热释电器件 1.热释电器件的工作原理 设晶体的自发极化矢量为Ps，Ps的方向垂直于电容器的极板平面。接收辐射的极板和另一极板的重迭面积为A。由此
12、引起表面上的束缚极化电荷为Q=APs 若辐射引起的晶体温度变化为T，则相应的束缚电荷变化为Q=A(Ps/T)T=AT式中，=Ps/T称为热释电系数，其单位为c/cm2K，是与材料本身的特性有关的物理量，表示自发极化强度随温度的变化率。第20页/共29页 若在晶体的两个相对的极板上敷上电极，在两极间接上负载RL，则负载上就有电流通过。由于温度变化在负载上产生的电流可以表示为 2.基本电路 热释电器件为电容性元件，输出阻抗特别高（101010 10 ）。第21页/共29页 热释电器件为电容性元件，输出阻抗特别高（101010 10 ）。因此，必须配高阻抗的负载。常用JFET(JFET(juncti
13、on field effect transistor 结晶型场效应晶体管)器件作热释电探测器的前置放大器。常用的电路：用JFET构成源极跟随器，进行阻抗变换。最后，要特别指出，由于热释电材料具有压电特性，因而对微震等应变十分敏感，因此在使用时应注意减震防震。第22页/共29页 热释电器件的电压灵敏度Sv定义为输出电压的幅值U与入射光功率之比，电路时间常数第23页/共29页 (1)当入射为恒定辐射，即0时，Sv=0，说明热释电器件对恒定辐射不灵敏；(2)在低频段1/t或1/e时，灵敏度Sv与成正比，为热释电器件交流灵敏的体现。(3)当et时，通常et，在1/t1/e范围内，Sv与无关；(4)高频
14、段（1/t、1/e）时，Sv则随-1变化。第24页/共29页3.热释电器件的主要材料 硫酸三甘肽（硫酸三甘肽（TGS）晶体）晶体 铌酸锶钡 (SBN)钽酸锂（LiTaO3）有机聚合物：聚二氟乙烯（PVF2）、聚氟乙烯（PVF）及聚氟乙烯和聚四氟乙烯等共聚物 钛锆酸铅 (PZT)陶瓷 第25页/共29页在居里点以下，极化强度PS是温度T的函数。当温度升高到一定值，自发极化突然消失，这个温度常被称为“居里温度”或“居里点”。第26页/共29页热释电探测器的特点是它只在由于外界的辐射而引起它本身的温度变化时，才会给出一个相应的电信号，当温度的变化趋于稳定后，就再没有信号输出，即热释电信号与它本身的温度的变化率成正比。因此，热释电传感器只对运动的人体或物体敏感。常见热释电红外传感器的外形第27页/共29页可在室温下使用、光谱响应宽、工作频率宽，灵敏度与波长无关，容易使用。这种探测器，灵敏度高，探测面广，是一种可靠性很强的探测器。因此广泛应用于各类入侵报警器，自动开关、非接触测温、火焰报警器等。v热释电红外传感器v热释电红外自动节能灯v 第28页/共29页感谢您的观看！第29页/共29页