热辐射探测器件1

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1、第5章热辐射探测器件5.1热辐射的一般规律热辐射探测器件为基于光辐射与物质相互作用的热效应而制成的器件。由于它具有工作时不需要制冷，光谱响应无波长选择性等突出特点，使它的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。热电传感器件是将入射到器件上的辐射能转换成热能，然后再把热能转换成电能的器件。输出信号的形成过程包括两个阶段；第一阶段为将辐射能转换成热能的阶段（入射辐射引起温升的阶段），是共性的，具有普遍的意义。第二阶段是将热能转换成各种形式的电能（各种电信号的输出）阶段

2、。1.温度变化方程热电器件在没有受到辐射作用的情况下，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α，则器件吸收的热辐射功率为αφe；其中一部分使器件的温度升高，另一部分补偿器件与环境的热交换所损失的能量。设单位时间器件的内能增量为Δφi，则有（5-1）上式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（5-2）上式中G为器件与环境的热传导系数。根据能量守恒原理，器件吸收的辐射功率应等于

3、器件内能的增量与热交换能量之和。即（5-3）设入射辐射为正弦辐射通量，则式（5-3）变为（5-4）2.热电器件的最小可探测功率根据斯忒番-玻耳兹曼定律，若器件的温度为T，接收面积为A，并可以将探测器近似为黑体（吸收系数与发射系数相等），当它与环境处于热平衡时，单位时间所辐射的能量为（5-11）由热导的定义（5-12）经证明，当热敏器件与环境温度处于平衡时，在频带宽度内，热敏器件的温度起伏均方根值为（5-13）可以求出热敏器件仅仅受温度影响的最小可探测功率或称温度等效功率PNE为（5-14）由式（

4、5-14）很容易得到热敏器件的比探测率为（5-15）即它只与探测器的温度有关。5.2热敏电阻与热电堆探测器5.2.1热敏电阻1.热敏电阻及其特点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。相对于一般的金属电阻，热敏电阻具备如下特点：①热敏电阻的温度系数大，灵敏度高，热敏电阻的温度系数常比一般金属电阻大10～100倍。②结构简单，体积小，可以测量近似几何点的温度。③电阻率高，热惯性小，适宜做动态测量。④阻值与温度的变化关系呈非线性。⑤不足之处是

5、稳定性和互换性较差。2.热敏电阻的原理、结构及材料大部分半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。半导体材料对光的吸收除了直接产生光生载流子的本征吸收和杂质吸收外，还有不直接产生载流子的晶格吸收和自由电子吸收等，并且不同程度地转变为热能，引起晶格振动的加剧，器件温度的上升，即器件的电阻值发生变化。由于热敏电阻的晶格吸收，对任何能量的辐射都可以使晶格振动加剧，只是

6、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。一般金属的能带结构外层无禁带，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，而由半导体材料组成的热敏电阻具有负温度特性。图5-1所示分别为半导体材料和金属材料（白金）的温度特性

7、曲线。白金的电阻温度系数为正值，大约为±0.37%左右；将金属氧化物（如铜的氧化物，锰-镍-钴的氧化物）的粉末用黏合剂黏合后，涂敷在瓷管或玻璃上烘干，即构成半导体材料的热敏电阻。半导体材料热敏电阻的温度系数为负值，大约为-3%~-6%，约为白金的10倍以上。所以热敏电阻探测器常用半导体材料制作而很少采用贵重的金属。较大的温升）粘合在导热能力高的绝缘衬底上，电阻体两端蒸发金属电极以便与外电路连接，再把衬底同一个热容很大、导热性能良好的金属相连构成热敏电阻。红外辐射通过探测窗口投射到热敏元件上，引起

8、元件的电阻变化。为了提高热敏元件接收辐射的能力，常将热敏元件的表面进行黑化处理。由热敏材料制成的厚度为0.01mm左右的薄片电阻（因为在相同的入射辐射下得到3.热敏电阻的参数热敏电阻探测器的主要参数有：（1）电阻-温度特性热敏电阻的阻温特性是指实际阻值与电阻体温度之间的依赖关系，这是它的基本特性之一。电阻温度特性曲线如图5-1所示。热敏电阻器的实际阻值RT与其自身温度T的关系有正温度系数与负温度系数两种，分别表示为：①正温度系数的热敏电阻（5-16）②负温度系数的热敏电阻（5-17）式中，RT为