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1、 5.3 热释电器件 热释电器件是一种利用热释电效应制成的热探测器件。与其它热探测器相比，热释电器件具有以下优点：具有较宽的频率响应，工作频率接近兆赫兹，远远超过其它热探测器的工作频率。一般热探测器的时间常数典型值在10.01s范围内，而热释电器件的有效时间常数可低达10-4310-5s；热释电器件的探测率高，在热探测器中只有气动探测器的D*才比热释电器件稍高，且这一差距正在不断减小；热释电器件可以有大面积均匀的敏感面，而且工作时可以不外加接偏置电压；l5.3.1热释电器件的基本工作原理与5.2节讨论的热敏电阻相比，它受环境温度变化的影响更小；热释电器件的强度和可靠性比其它多数热探测器都要好，
2、且制造比较容易。1.热释电效应 电介质内部没有自由载流子，没有导电能力。但是，它也是由带电的粒子（价电子和原子核）构成的，在外加电场的情况下，带电粒子也要受到电场力的作用，使其运动发生变化。例如，在如图5-12所示的电介质的上下两侧加上如图所示的电场后，电介质产生极化现象，从电场的加入到电极化状态的建立起来这段时间内电介质内部的电荷适应电场的运动相当于电荷沿电力线方向的运动，也是一种电流称为“位移电流”，该电流在电极化完成即告停止。对于一般的电介质，在电场除去后极化状态随即消失，带电粒子又恢复原来状态。而有一类称作为“铁电体”的电介质在外加电场除去后仍保持着极化状态，称其为“自发极化”。图5-
3、13所示为一般的电介质与铁电体电介质的极化曲线。一般的电介质的极化曲线通过中心，而图5-13（b）所示的极化曲线在电场去除后仍保持一定的极化强度。铁电体的自发极化强度PS（单位面积上的电荷量）与温度的关系如图5-14所示，随着温度的升高，极化强度减低，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”。在居里点以下，极化强度PS是温度T的函数。利用这一关系制造的热敏探测器称为热释电器件。当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片时，引起薄片温度升高，表面电荷减少，相当于热“释放”了部分电荷。释放的电荷可用放大器转变成电压输出。如果辐射持续作用，表面电荷将达到新的平衡，不再
4、释放电荷，也不再有电压信号输出。因此，热释电器件不同于其他光电器件，在恒定辐射作用的情况下输出的信号电压为零。只有在交变辐射的作用下才会有信号输出。对于经过单畴化的热释电晶体，在垂直于极化方向的表面上，将由表面层的电偶极子构成相应的静电束缚电荷。面束缚电荷密度与自发极化强度Ps之间的关系可由下式确定。因为自发极化强度是单位体积内的电矩矢量之和，所以有(5-34)式中，S和d分别是晶体的表面积和厚度。如5-15(a)所示。由内部自由电荷中和表面束缚电荷的时间常数为，和分别为晶体的介电常数和电阻率。只要使热释电晶体的温度在面束缚电荷被中和掉之前因吸收辐射而发生变化，晶体的自发极化强度PS就会随温度
5、T的变化而变化，相应的束缚电荷面密度也随之变化，如图5-15(b)所示。l2.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Ad。由此引起表面上的束缚极化电荷为Q=Ad=AdPs(5-35)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=Ad(Ps/T)T=AdT(5-36)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。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(5
6、-37)式中，为热释电晶体的温度随时间的变化率，温度变化速率与材料的吸收率和热容有关，吸收率大，热容小，则温度变化率大。通常热释电器件的电极按照性能的不同要求做成如图5-16所示的面电极和边电极两种结构。在图5-16（a）所示的面电极结构中，电极置于热释电晶体的前后表面上,其中一个电极位于光敏面内。这种电极结构的电极面积较大，极间距离较少，因而极间电容较大，故其不适于高速应用。此外，由于辐射要通过电极层才能到达晶体，所以电极对于待测的辐射波段必须透明。在图5-16（b）所示的边电极结构中，电极所在的平面与光敏面互相垂直，电极间距较大，电极面积较小，因此极间电容较小。由于热释电器件的响应速度受极
7、间电容的限制，因此，在高速运用时以极间电容小的边电极为宜。热释电器件产生的热释电电流在负载电阻RL上产生的电压为(538)可见，热释电器件的电压响应正比于热释电系数和温度的变化速率dT/dt，而与晶体和入射辐射达到平衡的时间无关。如果将热释电器件跨接到放大器的输入端，其等效电路为如图5-17所示。由等效电路可得热释电器件的等效负载电阻为(539)这里，R(=Rs/RL)和C(=Cs+CL)分别为热释电器件和放大器的等效电阻和等效电容。则RL的模值为(540)对于热释电系数为，电极面积为A的热释电器件，其在以调制频率为的交变幅射照射下的温度可以表示为(541)式中，T0为环境温度，T0表示热释电
8、器件接收光辐射后的平均温升，表示与时间相关的温度变化。于是热释电器件的温度变化率为(542)(543)输入到放大器的电压为由热平衡温度方程（参见5.1节）可知式中，HH/G为热释电器件的热时间常数。将(544)代入(543)式，可得输出电压的幅值为式中，eRC为电路时间常数，R=RsRL，C=CsCL。T=CH/G为热时间常数。e、T的数量级为0.110s左右。Ad为光敏面的面积，为吸收系数，为入射辐射的调制频率。5.3.2 热释电器件的灵敏度 根据光电器件灵敏度的定义，热释电器件的电压灵敏度Sv为输出电压的幅值U与入射光功率之比，由式(545)可得电压灵敏度为(546)分析式(546)可以看
9、出(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)高频段（1/T、1/e）时，Sv则随-1变化。因此在许多应用中，该式的高频特性近似为(547)即灵敏度与信号的调制频率成反比。l5.3.3热释电器件的噪声 热释电器件的基本结构是一个电容器，因此输出阻抗很高，所以它后面常接有场效应管，构成源极跟随器的形式，使输出阻抗降低到适当数值。因此在分析噪声的时候，也要考虑放大器的噪声。这样，热释电器件的噪声主要有电阻的热噪声、温度噪声和
10、放大器噪声等。图5-18给出了不同负载电阻RL下的灵敏度频率特性，由图可见，增大RL可以提高灵敏度，但是，频率响应的带宽变得很窄。应用时必须考虑灵敏度与频率响应带宽的矛盾，根据具体应用条件，合理选用恰当的负载电阻。热噪声电压为(550)当e 1时，上式可简化为22(551)表明热噪声电压随调制频率的升高而下降。l2.放大器噪声式中，k为波耳兹曼常数，TR为器件的温度，f为系统的带宽。=4kTRf/Reff (548)电阻的热噪声来自晶体的介电损耗和与探测器的并联电阻。若等效电阻为Reff，则热噪声电流的方均值为1.热噪声l3.3.温度噪声温度噪声 温度噪声来自热释电器件的灵敏面与外界辐射交换能
11、量的随机性，噪声电流的方均值为(553)式中，A为电极的面积，Ad为光敏区的面积，为温度起伏的方均值。如果这三种噪声不相关，则总噪声为 放大器噪声来自放大器中的有源元件和无源器件，及信号源的阻抗和放大器输入阻抗之间噪声的匹配等方面。设放大器的噪声系数为F，把放大器输出端的噪声折到输入端，认为放大器是无噪声的，这时，放大器输入端的噪声电流方均值为 Ik=4k(F-1)Tf/R (552)式中，T为背景温度。2考虑统计平均值时的信噪功率比为(554)如果温度噪声是主要噪声源而忽略其它噪声时，噪声等效功率为(NEP)2(4kT 2G2f/2A222R)1+(TN/T)2(555)由上式可以看出，热释
12、电器件的噪声等效功率NEP具有随着调制频率的增加而减小的性质。式中，TNT(F-1)T，称为放大器的有效输入噪声温度。l4 4 响应时间响应时间 热释电探测器的响应时间可由式(546)求出。由图5-18可见，热释电探测器在低频段的电压响应度与调制频率成正比，在高频段则与调制频率成反比，仅在1/T1/e范围内，Rv与无关。响应度高端半功率点取决于1/T或1/e中较大的一个，因而按通常的响应时间定义，T和e中较小的一个为热释电探测器的响应时间。通常T较大，而e与负载电阻有关，多在几秒到几个微秒之间。由图5-18可见，随着负载的减小，e变小，灵敏度也相应减小。5 热释电探测器的阻抗特性热释电探测器的
13、阻抗特性 热释电探测器几乎是一种纯容性器件，由于电容量很小，所以阻抗很高，常在109以上。因此，必须配高阻抗的负载。常用JFET器件作热释电探测器的前置放大器。如图5-19所示为常用的电路。图中用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。l5.3.4 热释电器件的类型1.硫酸三甘肽（TGS）晶体热释电器件 它在室温下的热释电系数较大，介电常数较小，比探测率D*值较高D*(500,10,1)15109cmHz1/2W1。在较宽的频率范围内，这类探测器的灵敏度较高，因此，至今仍是广泛应用的热辐射探测器件
14、。TGS可在室温下工作，具有光谱响应宽、灵敏度高等优点，是一种性能优良的红外探测器，广泛应用红外光谱领域。l2.铌酸锶钡(SBN)热释电器件 掺丙乙酸的TGS（LATGS）具有很好的锁定极化特点。温度由居里温度以上降到室温，仍无退极化现象。它的热释电系数也有所提高。掺杂后TGS晶体的介电损耗减小，介电常数下降。前者降低了噪声，后者改进了高频特性。在低频情况下，这种热释电器件的NEP为41011W/Hz-1/2，相应的D*值为5109cmHz1/2W1。它不仅灵敏度高，而且响应速度也很快。图5-20所示为LATGS的等效噪声功率NEP和比探测率D*随工作频率f的变化关系。l3.3.钽酸锂（钽酸锂
15、（LiTaOLiTaO3 3）这种热释电器件由于材料中钡含量的提高而使居里温度相应提高。例如，钡含量从0.25增加到0.47，其居里温度相应从47C提高到115C。SBN探测器在大气条件下性能稳定，无需窗口材料，电阻率高，热释电系数大，机械强度高，在红外波段吸收率高，可不必涂黑。工作在500MHz也不出现压电谐振，可用于快速光辐射的探测。但SNB晶体在钡含量x0.6时，晶体在生长过程会开裂。在SNB中掺少量La2O2可提高其热释电系数，掺杂的SBN热释电器件无退极化现象，D*(500,10,1)达8.0108cmHz1/2W1。掺镧后其居里温度有所降低，但极化仍很稳定，损耗也有所改善。这种热释
16、电器件具有很吸引人的特性。在室温下它的热释电响应约为TGS的一半，但在低于零度或高于45C时都比TGS好。l4.压电陶瓷热释电器件 压电陶瓷器件的特点是热释电系数较大，介电常数也较大，二者的比值并不高。其机械强度高、物理化学性能稳定、电阻率可以控制；能承受的辐射功率超过LiTaO3热释电器件；居里温度高，不易退极化。例如，锆钛酸铅热释电器件的Tc高达365，D*（500，1，1）高达7108cmHz1/2W1。此外，这种热释电器件容易制造，成本低廉。该器件的居里温度Tc高达620C，室温下的响应率几乎不随温度变化，可在很高的环境温度下工作；且能够承受较高的辐射能量，不退极化；它的物理化学性质稳
17、定，不需要保护窗口；机械强度高；响应快（时间常数为1310-12s，极限为110-12s；）；适于探测高速光脉冲。已用于测量峰值功率为几个千瓦，上升时间为100ps的Nd:YAG激光脉冲。其D*（500,30,1）达8.5108cmHz1/2W1。l5.聚合物热释电器件 有机聚合物热释电材料的导热小，介电常数也小；易于加工成任意形状的薄膜；其物理化学性能稳定，造价低廉；虽然热释电系数不大，但介电系数也小，所以比值并不小。在聚合物热释电材料中较好的有聚二氟乙烯（PVF2）、聚氟乙烯（PVF）及聚氟乙烯和聚四氟乙烯等共聚物。利用PVF2薄膜已得到D*（500，10，1）达108cmHz1/2W1。
18、l6.快速热释电探测器 如前所述，由于热释电器件的输出阻抗高，因此需要配以高阻抗负载，因而其时间常数较大，即响应时间较长。这样的热释电器件不适于探测快速变化的光辐射。即使使用补偿放大器，其高频响应也仅为103Hz量级。近年来发展了快速热释电器件。快速热释电器件一般都设计成同轴结构，将光敏元置于阻抗为50的同轴线的一端，采用面电极结构时，时间常数可达到1ns左右，采用边电极结构时，时间常数可降至几个ps。图5-21所示为一种快速热释电探测器的结构原理图。光敏元件是SBN晶体薄片，采用边电极结构，电极Au的厚度为0.1m，衬底采用Al2O3或BeO陶瓷等导热良好的材料。输出用SMA/BNC高频接头
19、。这种结构的热释电探测器的响应时间为13ps，其最低极限值受晶格振动弛豫时间的限制，约为1ps。不采用同轴结构而采用一般的管脚引线封装结构，热释电探测器的频响带宽已扩展到几十兆赫。快速热释电器件常用来测量大功率脉冲激光，需要能承受大功率辐射，为此应选用损伤阈值高的热释电材料和高热导的衬底材料制造。5.3.5 典型热释电器件 如图5-22所示为典型TGS热释电器件。把制好的TGS晶体连同衬底贴于普通三极管管座上，上下电极通过导电胶、铟球或细铜丝与管脚相连，加上窗口后构成完整的TGS热电探测器件。为了降低器件的总热导，一般采用热导率较低的衬底。管内抽成真空或充氪气等热导很低的气体。为获得均匀的光谱
20、响应，可在热释电器件灵敏层的表面涂特殊的漆，增加对入射辐射的吸收。所有的热释电器件同时又是压电晶体。因此它对声频振动很敏感，入射辐射脉冲的热冲击会激发热释电晶体的机械振荡，而产生压电谐振。这意味着在热释电效应上叠加有压电效应，产生虚假信号，使探测器在高频段的应用受到限制。为防止压电谐振，常采用如下方法：（1）选用声频损耗大的材料，如SBN，在很高的频率下没有发现谐振现象；（2）选取压电效应最小的取向；（3）探测器件要牢靠地固定在底板上；例如可用环氧树脂将LiTaO3粘贴在玻璃板上，再封装成管，会有效地消除谐振；（4）热释电器件在使用时，一定要注意防震。显然，前两种方法限制了器件的选材范围，第3
21、种方法降低了响应度和比探测率。为了提高热电器件的灵敏度和信噪比，常把热释电器件与前置放大器（常为场效应管）做在一个管壳内。如图5-23所示为一种典型的热释电探测器与场效应管放大器组合在一起的结构图。由于热释电器件本身的阻抗高达10101012，因此场效应管的输入阻抗应高于1010，而且应采用具有较低噪声，较高跨导（gm2000）的场效应管作为前置放大器。引线要尽可能的短，最好将场效应管的栅极直接焊接到器件的一个管脚上，并一同封装在金属屏蔽壳内。带有场效应管放大器的热释电器件的等效电路如图5-24所示。其等效输出阻抗Z、电流和电压灵敏度等参数如5.3.2节所讨论，与工作频率等参数有关。l2.热电
22、偶的基本特性参数若入射辐射为交流辐射信号 ，则产生的交流信号电压为式中，=2f，f为交流辐射的调制频率，T为热电偶的的时间常数，；其中的RQ，CQ、GQ分别为热电偶的热阻、热容和热导。热导GQ与材料的性质及周围环境有关，为使热电导稳定，常将热电偶封装在真空管中，因此，通常称其为真空热电偶。真空热电偶的基本特性参数为灵敏度S、比探测率D*、响应时间和最小可探测功率NEP等参数。（1）灵敏度（响应率）在直流辐射作用下，热电偶的灵敏度S0为（5-29）l5.4热探测器概述 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。它的共同特点是，光谱响应范围宽，对于从紫外到毫米量级的电磁辐射几乎都有
23、平坦的响应，而且响应度都很高，但响应速度较低。所以热探测器对于交变光辐射又是一类窄带响应器件。因此，具体选用器件时，要扬长避短，综合考虑。在热探测器中最受重视的是热释电探测器。它除具有一般热探测器的优点外，还具有探测率高，时间常数小的优点。热电器件的共同特点是，光谱响应范围宽，对于从紫外到毫米量级的电磁辐射几乎都有相同的响应。而且响应度都很高，但响应速度较低。因此，具体选用器件时，要扬长避短，综合考虑。思考题与习题 5 5.1热辐射探测器通常分为哪两个阶段？哪个阶段能够产生热电效应？5.2试说明热容、热导和热阻的物理意义，热惯性用哪个参量来描述？它与RC时间常数有什么区别？5.3热电器件的最小
24、可探测功率与哪些因素有关？5.4为什么半导体材料的热敏电阻常具有负温度系数？何谓热敏电阻的“冷阻”与“热阻”？5.7一热探测器的光敏面积Ad1mm2，工作温度T=300K，工作带宽f=10Hz,若该器件表面的发射率=1，试求由于温度起伏所限制的最小可探测功率Pmin(斯特潘-波尔兹曼常数=5.6710-12Wcm-1K4，波尔兹曼常数k=1.3810-23JK-1)。5.8某热电传感器的探测面积为5mm2，吸收系数=0.8，试计算该热电传感器在室温300k与低温280k时1Hz带宽的最小探测功率PNE、比探测率与热导G。5.16如果热探测器的热容H=10-7JK-1，试求在T=300K时热探测器的热时间常数T。（假定热探测器只通过辐射与周围环境交换能量）。5.17如果热探测器的光敏面积Ad1mm2，试求在热探测器温度分别为77K和300K条件下本振光所产生的散粒噪声等于热噪声时的本振光功率。5.18已知TGS热释电探测器的面积Ad4mm2，厚度d为0.1mm，体积比热c为1.67Jcm-3K-1，若视其为黑体，求T=300K时的热时间常数T。若入射光辐射P为10mW，调制频率为1Hz，求输出电流（热释电系数为3.510-8CK-1cm-2）。