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1、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）第1页/共18页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）面电极结构 b）边电极结构 图4 热释电探测器的结构示意图第2页/共18页工作原理：当敏感元吸收红外辐射后，引起材料的温度变化
2、，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。第3页/共18页（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
3、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。第4页/共18页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+CA。第5页/共18页（a）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）
4、当 时，属高频段。即电压响应度与频率成反比。图7第6页/共18页（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。（）第7页/共18页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
5、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9 噪声等效电路噪声等效电路图：第8页/共18页（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 第9页/共18页（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
6、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。第10页/共18页（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
7、的噪声电流为：第11页/共18页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。第12页/共18页（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，则第13页/共18页（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.第14页/共18页精品课件！第15页/共18页精品课件！第16页/共18页热释电探测器图片：装配式热电偶图片第17页/共18页感谢您的观看！第18页/共18页