光热探测器课件.ppt

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1、4.8光热探测器(ThermalDetector)14.8.1基本原理4.8.2热敏电阻4.8.3热释电探测器2两种主要的热电效应：温差电效应：温差产生电动势（塞贝克效应）热电偶和热电堆热释电效应：辐射变化引起表面电荷变化热释电探测器光吸收温度上升电学特性变化——电参数输出光热转换热电转换4.8.1基本原理特点：在宽广的波段有均匀的光谱响应响应速度慢3对热电探测器的分析可分为两步：第一步是确定温升：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（共性）；第二步是确定参量变化：根据温升来确定具体探测器输出信号的性

2、能（个性）。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。4光热探测器热回路最简单的模型如图所示：为入射到探测器的辐射功率；α为探测器的吸收系数；H＝Cθ为热容；G＝1/Rθ为热导；ΔT为入射辐射引起的温升。一、热回路方程能量守恒：探测器吸收的辐射应等于单位时间内系统内能的增量和与外界热交换时所损耗的功率之和。因此，可建立以下的热回路方程：内能的增加与环境热交换吸收的能量散热器温度T0热导G(W/K)热链热敏元件热容量H(J/K)温度T0+ΔT5

3、利用初始条件：t＝0时，ΔT＝0，解得:6t>>τT时，仅剩交变分量（第二项），即：其幅值为：当ω不为0，当ω＝0，稳定值式中τT＝H/G＝RθCθ，它是热电探测器的热时间常量，其意义为当t＝τT时，热电探测器的温升上升为稳定值的63％。τT的数量级约为几毫秒至几秒，比光子器件的时间常量大得多。7二、热电探测器的共性在相同的入射辐射下，对于热电探测器总是希望ΔT尽可能地大。ΔT随G和H的减小而增大。要减小H就必须减小探测器热敏元件的体积和重量；要减小G，必须减小热敏元件与周围环境的热交换。由热时间常量τT的定义可知，减

4、小G又会使τT增大（牺牲探测响应时间）。所以在设计和选用热电探测器时须采取折衷方案。另外G对探测极限也有影响。ΔT的考虑8热探测器由于温度起伏引起的温度噪声功率为：探测器与外界达到热平衡时，所辐射的功率为：推导热探测器的NEP：探测器与外界达到热平衡时，所辐射的功率为：94.8.2热敏电阻(Bolometer)10原理：吸收辐射，产生温升，从而引起材料电阻的变化。主要材料类型：金属、半导体和超导体。共同点：都敏感于辐射，光谱响应基本上与入射辐射的波长无关。吸收辐射—温升---电阻变化热敏电阻在电子电路中的符号111.温

5、度系数aT表示温度变化1℃时，热电阻实际阻值的相对变化：工作原理和结构式中，R为环境温度为热力学温度T时测得的实际阻值。正温度系数（PTC）的热敏电阻温度系数：负温度系数（NTC）的热敏电阻温度系数：随温度T变化很大，并与材料常数B成正比。12由热敏材料制成的厚度为0.01mm左右的薄片电阻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。（使用热特性不同的衬底，可使探测器的时间常量由大约1ms变为50ms）红外辐射通过探测窗口投射到热敏元

6、件上，引起元件的电阻变化。为了提高热敏元件接收辐射的能力（提高吸收系数），常将热敏元件的表面进行黑化处理。2.结构131415（1）金属材料-正温度系数热敏电阻(PTR)由金属材料构成的测辐射热计：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。吸收辐射产生温升后，自由电子浓度的增加是微不足道的。相反，因晶格振动的加剧妨碍了自由电子作定向运动，从而电阻温度系数是正的.PositiveTemperatureCoefficient(PTC)thermistor

7、s适宜材料有铂、铜、镍、铁等。三、分类1、按原理分16由半导体材料制成的测辐射热计：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。其中部分电子能够从价带跃迁到导带成为自由电子，使电阻减小，电阻温度系数是负的。又因为各种波长的辐射都能被材料吸收，只是吸收不同波长的辐射，晶格振动加剧的程度不同而已,对温升都有贡献，所以它的光谱响应特性基本上与波长无关。（2）半导体电阻材料

8、-负温度系数热敏电阻(NTR)NegativeTemperatureCoefficient(NTC)thermistors半导体类的多为金属氧化物，例如氧化锰、氧化镍、氧化钴等。17图示分别为半导体和金属（白金）的温度特性曲线。白金的电阻温度系数为正值，大约为0.37%左右；半导体材料热敏电阻的温度系数为负值，大约为-3%～-6%