热辐射器件(热释电探测器)

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1、热探测器主要介绍热探测器的工作原理、基本特性以及热探测器件的工作电路和典型应用。¡1热辐射的一般规律¡2热释电探测器¡3热敏电阻¡4测辐射热电偶、热电堆§6-1热探测器的一般原理¡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ΔT；—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。§6-2热释电探测器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：①具有较宽的频率

2、响应，工作频率接近MHz，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1~0.01s范围内，而热释电器件的有效时间常数可低达10-4~3×10-5s；②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；③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；④与热敏电阻相比，它受环境温度变化的影响更小；⑤热释电器件的强度和可靠性比其它多数热探测器都要好，且制造比较容易。一热释电效应1．热释电材料¡极性晶类，晶体内正、负电荷中心并不重合，晶体原子具有一定电矩；也就是说晶体本身具有自发极化特性

3、。但介质中的电偶极子排列杂乱,宏观不显极性。2．热释电材料单畴极化¡对热释电材料施加直流电场自发极化矢量将趋向于一致排列（形成单畴极化），v总的电极化矢量vPs加大。当电场去掉后，总的Ps仍能保持下来。v¡由于保持下来的Ps，将在材料表面吸v附表面电荷，其面电荷密度s=Psv单畴化后的热电体，其电极化矢量P值是温s度的函数3．热释电效应定义¡某些物质（如硫酸三甘肽、铌酸锂等）吸收光辐射后将其转换成热能，这个热能使晶体的温度升高，温度变化将引起居里温度以下的自发极化强度的变化，从而在晶体的特定方向上引起表面电荷的变化，这就是热释电效应。v光辐射T↑Ps↓σ光辐射→T↑→

4、极化强度矢量变化→晶体表面上出现所测量出的电荷4．热释电材料最高工作温度¡当T↑＝Tc（居里温度时），单畴极化强v度消失Ps＝0热释电现象消失¡即当T＜Tc时，才有热释电现象¡居里温度Tc——评价热释电探测器的品质因数，希望Tc越高越好。铁电体的自发极化强度P（单位面积上的电荷量）与温度的关系S如图所示，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。注意：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

5、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。二热释电探测器的电路连接图（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。图（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

6、的响应速度受极间电容的限制，因此，在高速运用时以极间电容小的边电极为宜。三热释电探测器的工作原理分析1、热释电探测器的输出电流当红外辐射照射到已有自发极化强度的热释电晶体上时，引起晶体的温度升高，而导致表面电荷减少，这相当于“释放”了一部分电荷，释放的电荷可以用放大器转变成输出电压。如果红外辐射继续照射使晶体的温度升高到新的平衡值，那么这时候表面电荷也就达到新的平衡浓度，不再释放电荷，也就不再有输出信号。热释电探测器的电极面积为Ad，Ps为热释电晶体的极化矢量DQ=ADs=ADPddsæDPsö热释改变上式，得：DQ=Adç÷DT电系èDTø数热释电探测器输出电流：i

7、=limDQ=dQ=AæçdPsö÷dT=AgdTdddDt®0DtdtèdTødtdt2、热释电探测器的输出电压ædTöV=id´RL=çgAd÷RLèdtø当沿着垂直于P的方向将晶体切成薄片，并在表面淀积金属电s极时，随着温度的变化，两电极间就会出现一个与热释电系数和温度变化速率成正比的电压¡如果将热释电探测器跨接到放大器的输入端，等效电路图为四热释电探测器的结构热释电外形和内部结构如图所示。实用的热释电由敏感元件、场效应管、高阻电阻、滤波片等组成，并向壳内充入氮气封装起来。敏感元件用红外热释电材料制成很小的薄片，再在薄片两面镀上电极六．常用的热