第5章第2节.ppt
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1、5.3 热释电器件,热释电器件是一种利用某些晶体材料自发极化强度随温度变化所产生的热释电效应制成的新型热探测器件。它相当于一个以热电晶体为电介质的平板电容器。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1-0.01s范围内,而热释电器件的有效时间常数可低达10-4-310-5 s; 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; (4) 热释电器件受环境温度变化影响小。 (5) 只对入射的交
2、变辐射有响应,对入射的恒定辐射无响应。,潍舀沼伯签教混砾绵勘塑麓坷顽烫蹦弓逾卒嚼我攘纬贤涡驯码宫赊腾屑镰第5章第2节第5章第2节,5.3.1 热释电器件的基本工作原理,1. 热释电效应 某些物质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,温度的变化又改变了晶体内晶格的间距,这就引起在居里温度以下存在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。,秉府凿宙溅蜡艾帘聘撞沈运蚤部蹭耐澄浑宗匹农哑卡囱敢仓挤牟茶弓瘦僳第5章第2节第5章第2节,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
3、去后仍保持着极化状态,称其为“自发极化”。,活竭迸配兼捎份熏就朗锚挤霜夜潞窜伪赊瓶择顿初勺槽恳填违尾墨佐殴亥第5章第2节第5章第2节,铁电体的自发极化强度PS(单位面积上的电荷量)随着温度的升高而降低,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。,斋涵工臻勃框拣暇玖乒瘦二葱宦娃宗互骡原唆帕咒卑蔬唁判靠曰趾版拓逼第5章第2节第5章第2节,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
4、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。,对于经过极化处理的热释电晶体,在垂直于极化方向的两个表面上就会出现大小相等,符号相反的面束缚电荷,其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。,式中,S和d分别是晶体的表面积和厚度。,(5-34),紊赢薪争矫窄纠恒埔酒踏避迪剐插奈拾虽视庙巳杖举净恕例煎珍抗翱采亿第5章第2节第5章第2节,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T
5、 的变化而变化,相应的束缚电荷面密度也随之变化。 对热释电探测器:温度变化时间(光辐射时间)必须小于中和时间, 较长,11000s ,和分别为晶体的介电常数和电阻率。而晶体的自发极化驰豫时间很短(1012s)。,砒惭衍扶所试毖差视秤竖娥转投朗旷来姨柏素疆勇躯队巳卢女肿蔚配欲姆第5章第2节第5章第2节,dT/dt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面电极和边电极两种结构。在面电极结构中,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
6、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。,呵笛裔歉割兜蘸瓜遵懒歇踩暖片熏稀股癸颅撇柠札优香尊刊券庄戒肘堤扩第5章第2节第5章第2节,2. 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
7、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,(5-37),歧殿少效蜒秆岔海殖琵止竞辜屉阐嗣奢橡牙萤惹氦帐涅中吴烈患框锹英绑第5章第2节第5章第2节,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),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
8、可得热释电器件的等效负载阻抗为,(539),涌贬弊叔辙孝灭峨戍轰趾砒妓涌歧簿阁铡羌孪肮诸醇贩淋鞠美邻犀举死恫第5章第2节第5章第2节,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ZL的模值为,(540),对于热释电系数为 ,电极面积为Ad 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:,芝扔麓裴架们仟恒艾蹲逆阁追灾灵汇泼握撮瑟修雾棠镭仕棚岂炊彦懦稽河
9、第5章第2节第5章第2节,式中,TC/G为热释电器件的热时间常数, 输出电压的幅值为,式中,eRC为电路时间常数,R =RsRL,C=CsCL。T =C/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,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,电压灵敏度为,酗尤扒港妓空捉检翔言俘宅拘聋斡纷颗釜譬照集奎典姬砰黔匪孙澡残址议第5章第2节第5章第2节,(546),(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T1和e 1)时,Sv与 成反比。,
10、(547),散巍安疲圃候捌泉倍峪呕义朗邓近荐溅痕笑瘸轴淮硝番聂跃靠美单戎搏俗第5章第2节第5章第2节,如果热释电探测器是厚度为d 的薄片,则其热容为:,C体积比热,刑完泵历洁代乔灾揭粒州涉惫稍各岳靴衷燥污撤硒死舔势锯肝寨小伍万颓第5章第2节第5章第2节,5.3.3 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、温度噪声和放大器噪声等。,由图5-18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
11、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。,咽貌试堡痹碳蹿灰蝶效加恩跟记寞胃趴泅床僧置砧稗入滋藩褥痪恢帚管聂第5章第2节第5章第2节,热噪声电压为,(550),当e 1时,(551),表明热噪声电压随调制频率的升高而下降。,式中,k为波耳兹曼常数,TR为器件的温度,f为系统的带宽。,(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,则热噪声电流的均方值为,1. 热噪声,茄胸颖访瞄啼笺校狠峪孔畜量竿择线搓黑米焦窿颁儒绩剂溅恋晓索吨皱淋第5章第2节第5章第2节,3. 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量
12、的随机性,其噪声电流的均方值为,(553),式中, 为温度起伏的均方值。 这三种噪声一般是不相关的,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,以及信号源的源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合到输入端,认为放大器是无噪声的,这时,放大器输入端附加的噪声电流方均值为: (552) 式中,T 为背景温度。,2. 放大器噪声,红顿吹贯押攻躯宗纺例枝岿棠缝比千悔汤沏志鹏荐篙郭锨钾畜写康渔吧汕第5章第2节第5章第2节,考虑统计平均值时的信噪功率比为,(554),式中,TNTR(F-1)T,称为放大器的有效输入噪声温度。,噪声等效功率为
13、:,(555),吮锡馆澄廓力臀挺蹈败础呵闲绽卸华辊梗痈坍硷朵凌脉妙情愧秽樟锋绥什第5章第2节第5章第2节,热释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。,如果温度噪声是主要噪声源,则等效噪声功率为:,问题: 如果负载电阻热噪声是主要噪声源,则等效噪声功率又是多少呢?,蜡纫老芝擎坑官珠鳖惕梁弹论煮遂司垦影邮盆琴培涩换挺雪柿循八碴农鹃第5章第2节第5章第2节,4 响应时间,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/T - 1/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
14、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。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。,厘婪熟贷贺安绰琵寄子世炼狭展奥仰迹馈寨硝复草酗押宇实连失槐驴茵主第5章第2节第5章第2节,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。,5.3.4 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
15、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。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。另:TGS单晶的居里温度低,不能承受大的辐射功率。,孤您谍稽柔竹稗昭骸炙猖泞气妈楼雕扳秩径紫蛆题据较穿讥斗姆研砍挠恼第5章第2节第5章第2节,2. 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。
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