光電技術(shù)-05熱輻射探測(cè)器件

第五章熱輻射探測(cè)器件

熱輻射探測(cè)器件：利用熱效應(yīng)制成的探測(cè)器。

熱效應(yīng)：物體吸收輻射使其溫度發(fā)生變化，從而引起物體的物理、機(jī)械等性能相應(yīng)變化的現(xiàn)象。優(yōu)點(diǎn)：光譜響應(yīng)寬，室溫下工作（大部分），不需要制冷。缺點(diǎn)：探測(cè)率低，時(shí)間響應(yīng)速度慢

分類：測(cè)輻射熱計(jì)熱釋電探測(cè)器測(cè)輻射熱電偶和熱電堆工作原理：當(dāng)物體吸收輻射后，溫度便會(huì)升高，伴隨產(chǎn)生某種屬性的變化，如體積膨脹、電阻率變化或產(chǎn)生電流、電動(dòng)勢(shì)等，通過(guò)測(cè)量這些性能參數(shù)的變化，計(jì)算獲得輻射的大小。

熱探測(cè)器的性能計(jì)算：a）根據(jù)系統(tǒng)的熱學(xué)特性確定由入射輻射所引起的溫度變化。b）利用溫度變化確定其性能，此性能可以通過(guò)適當(dāng)?shù)男盘?hào)變化來(lái)反映。

Cθ－熱容（J/K）；G－熱導(dǎo)(W/K)；α－吸收率；

φe－入射輻射通量，這里假定入射輻射周期地變化

初始條件：

注意：熱敏器件要涂黑。其中為熱時(shí)間常數(shù)。（ms-s的數(shù)量級(jí)）導(dǎo)熱體T熱探測(cè)器5.1熱輻射的一般規(guī)律1.溫度變化方程

定義溫度響應(yīng)率RT：其中為熱時(shí)間常數(shù)。單位入射通量所引起的探測(cè)器的溫升。2.熱探測(cè)器的共性分析（1）w與熱力學(xué)參量對(duì)探測(cè)器性能的影響低頻：高頻：

故熱輻射探測(cè)器適用于光輻射為低頻調(diào)制的場(chǎng)合，此時(shí)可以獲得較強(qiáng)的探測(cè)信號(hào)。

G響應(yīng)速度靈敏度響應(yīng)速度

大多數(shù)熱輻射探測(cè)器的光敏面做的比較小巧

3.最小可探測(cè)功率或稱溫度等效功率PNE

例如，在常溫環(huán)境下（T=300K），對(duì)于黑體（=1），熱敏器件的面積為100mm2,頻帶寬度為，斯特潘-玻爾茲曼系數(shù)J/cm2K4,玻爾茲曼常數(shù)k=1.38×10-23J/K。則由式（5-14）可以得到常溫下熱敏器件的最小可探測(cè)功率為5×10-11W左右。只與探測(cè)器的溫度有關(guān)。

5.2熱敏電阻與熱電堆探測(cè)器

5.2.1熱敏電阻

（熱輻射計(jì)）熱敏電阻：是利用某些熱敏材料的電阻率隨溫度發(fā)生變化的特性而制成的熱輻射探測(cè)器件。凡吸收入射輻射后引起溫升而使電阻改變，導(dǎo)致負(fù)載電阻兩端電壓的變化，并給出電信號(hào)的器件叫做熱敏電阻。按材料可以分為：

金屬導(dǎo)體（鎳、鉍、鉑）半導(dǎo)體（錳、鈷等得氧化物燒結(jié)而成）1.熱敏電阻及其特點(diǎn)

相對(duì)于一般的金屬電阻，熱敏電阻具備如下特點(diǎn)：①熱敏電阻的溫度系數(shù)大，靈敏度高，熱敏電阻的溫度系數(shù)常比一般金屬電阻大10～100倍。②結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，可以測(cè)量近似幾何點(diǎn)的溫度。③電阻率高，熱慣性小，適宜做動(dòng)態(tài)測(cè)量。④阻值與溫度的變化關(guān)系呈非線性。⑤不足之處是穩(wěn)定性和互換性較差。2.熱敏電阻的原理、結(jié)構(gòu)及材料

（1）工作原理

半導(dǎo)體材料對(duì)光的吸收除了直接產(chǎn)生光生載流子的本征吸收和雜質(zhì)吸收外，還有不直接產(chǎn)生載流子的晶格吸收和自由電子吸收等，并且不同程度地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，引起晶格振?dòng)的加劇，器件溫度的上升，即器件的電阻值發(fā)生變化。

原理：熱敏材料吸收光輻射，產(chǎn)生升溫，從而引起材料電阻發(fā)生變化。將熱敏電阻與負(fù)載電阻等構(gòu)成閉合回路，測(cè)量負(fù)載電阻兩端的電阻變化，就可探知光輻射的情況。

熱敏電阻的晶格吸收，對(duì)任何能量的輻射都可以使晶格振動(dòng)加劇，只是吸收不同波長(zhǎng)的輻射，晶格振動(dòng)加劇的程度不同而已，因此，熱敏電阻無(wú)選擇性地吸收各種波長(zhǎng)的輻射，可以說(shuō)它是一種無(wú)選擇性的光敏電阻。

金屬材料組成的熱敏電阻具有正溫度系數(shù)半導(dǎo)體材料組成的熱敏電阻具有負(fù)溫度特性。

白金的電阻溫度系數(shù)：約為±0.37%半導(dǎo)體材料溫度系數(shù)：約為-3%~-6%熱敏電阻探測(cè)器常用半導(dǎo)體材料制作而很少采用貴重的金屬。

紅外輻射通過(guò)探測(cè)窗口投射到熱敏元件上，引起元件的電阻變化。為了提高熱敏元件接收輻射的能力，常將熱敏元件的表面進(jìn)行黑化處理。

熱敏材料制成的厚度為0.01mm左右的薄片電阻粘合在導(dǎo)熱能力高的絕緣襯底上，把襯底同一個(gè)熱容很大、導(dǎo)熱性能良好的金屬相連構(gòu)成熱敏電阻。（2）結(jié)構(gòu)早期：?jiǎn)蝹€(gè)使用，作為惠更斯電橋的一個(gè)臂現(xiàn)在：通常將兩個(gè)性能相似的熱敏電阻安裝在一個(gè)金屬殼內(nèi)（3）材料：金屬導(dǎo)體和半導(dǎo)體3.熱敏電阻的參數(shù)

（1）電阻-溫度特性指實(shí)際阻值與電阻體溫度之間的依賴關(guān)系。RT---絕對(duì)溫度T時(shí)的實(shí)際電阻值。R0、R∞---背景環(huán)境溫度下的阻值，與電阻的幾何尺寸和材料物理特性有關(guān)的常數(shù)。①

正溫度系數(shù)的熱敏電阻：

②

負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻：

A、B為材料常數(shù)

aT表示溫度變化1℃時(shí)，熱敏電阻實(shí)際阻值的相對(duì)變化

③溫度系數(shù)正溫度系數(shù)的熱敏電阻：負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻：

材料常數(shù)A、B是用來(lái)描述熱敏電阻材料物理特性的一個(gè)參數(shù)，又稱為熱靈敏指標(biāo)。在工作溫度范圍內(nèi)，B值并不是一個(gè)嚴(yán)格的常數(shù),而是隨溫度的升高而略有增大，一般說(shuō)來(lái)，B值大電阻率也高。負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻器：正溫度系數(shù)的熱敏電阻器：（2）熱敏電阻阻值變化量

已知熱敏電阻溫度系數(shù)aT后，當(dāng)熱敏電阻接收入射輻射后溫度變化△T（△T不大的情況下），則阻值變化量為

ΔRT=RTaTΔT

（3）熱敏電阻的輸出特性熱敏電阻電路如圖5-5所示，圖中

，。若在熱敏電阻上加上偏壓Ubb之后，由于輻射的照射使熱敏電阻值改變，因而負(fù)載電阻電壓增量

（3）熱敏電阻的輸出特性

等效電路負(fù)載電阻電壓增量：（4）冷阻與熱阻

冷阻：RT（5）靈敏度（響應(yīng)率）

定義：?jiǎn)挝蝗肷漭椛涔β氏聼崦綦娮枳儞Q電路的輸出信號(hào)電壓稱為靈敏度或響應(yīng)率，它常分為直流靈敏度S0與交流靈敏度SS。直流靈敏度S0為

增加熱敏電阻的靈敏度，可采取的措施：①增加偏壓Ubb，但受熱敏電阻的噪聲以及不損壞元件的限制；②把熱敏電阻的接收面涂黑增加吸收率a；③增加熱阻，其辦法是減少元件的接收面積及元件與外界對(duì)流所造成的熱量損失，常將元件裝入真殼內(nèi)，但隨著熱阻的增大，響應(yīng)時(shí)間也增大。為了減小響應(yīng)時(shí)間，通常把熱敏電阻貼在具有高熱導(dǎo)的襯底上；④選用αT大的材料，也即選取B值大的材料。當(dāng)然還可使元件冷卻工作，以提高αT值。

⑤采用光學(xué)浸沒(méi)技術(shù)（6）最小可探測(cè)功率

熱敏電阻的最小可探測(cè)功率受噪聲的影響。熱敏電阻的噪聲主要有：①

熱噪聲。熱敏電阻的熱噪聲與光敏電阻阻值的關(guān)系相似為；②

溫度噪聲。因環(huán)境溫度的起伏而造成元件溫度起伏變化產(chǎn)生的噪聲稱為溫度噪聲。將元件裝入真空殼內(nèi)可降低這種噪聲。③

電流噪聲。與光敏電阻的電流噪聲類似，當(dāng)工作頻率f<10Hz時(shí)，應(yīng)該考慮此噪聲。若f>10kHz時(shí)，此噪聲完全可以忽略不計(jì)。根據(jù)這些噪聲情況，熱敏電阻可探測(cè)的最小功率約10-8到10-9w。

5.2.2熱電偶探測(cè)器

1.熱電偶的工作原理

熱電偶雖然是發(fā)明于1826年的古老紅外探測(cè)器件，然而至今仍在光譜、光度探測(cè)儀器中得到廣泛的應(yīng)用。尤其在高、低溫的溫度探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用是其他探測(cè)器件無(wú)法取代的。

（1）工作原理：溫差熱電效應(yīng)（2）溫差熱電效應(yīng)：兩種材料的金屬A和B組成的一個(gè)回路時(shí)，若兩金屬連接點(diǎn)的溫度存在著差異（一端高而另一端低），則在回路中會(huì)有如圖5-6（a）所示的電流產(chǎn)生。即由于溫度差而產(chǎn)生的電位差ΔE?；芈冯娏鱅=ΔE/R。其中R稱為回路電阻。這一現(xiàn)象稱為溫差熱電效應(yīng)（也稱為塞貝克熱電效應(yīng)）(SeebeckEffect)。

（3）結(jié)構(gòu)：金屬熱電偶

①線狀（或條狀）的實(shí)體：多用于測(cè)量溫度。常用材料:鉑、鐒等最大溫差電動(dòng)勢(shì)（鉍和銻）：100μV/°C

測(cè)溫范圍：-200°C~1000°C

測(cè)量精度可達(dá)：1/1000°C

②薄膜型：多用于測(cè)量輻射能。

特點(diǎn)：ΔT很小、對(duì)材料要求很高、結(jié)構(gòu)非常嚴(yán)格和復(fù)雜、成本昂貴。半導(dǎo)體測(cè)輻射熱電偶

特點(diǎn)：成本低、最大溫差電動(dòng)勢(shì)高達(dá)500μV/°C

工作原理：熱結(jié)吸收光輻射后，產(chǎn)生升溫，溫升使半導(dǎo)體中載流子的動(dòng)能增加，使多數(shù)載流子由熱加結(jié)向冷結(jié)擴(kuò)散，結(jié)果p型半導(dǎo)體材料的熱結(jié)帶負(fù)電，冷結(jié)帶正電；N型半導(dǎo)體熱結(jié)帶正電，冷結(jié)帶負(fù)電，從而在負(fù)載R上產(chǎn)生溫差電壓信號(hào)。檢測(cè)到這一電壓信號(hào)，就可以探知光輻射的情況。開(kāi)路電壓UOC

UOC=M12ΔT閉合2.熱電偶的基本特性參數(shù)

交流輻射信號(hào)：式中，ω=2πf，f為交流輻射的調(diào)制頻率，τT為熱電偶的的時(shí)間常數(shù)，；其中的RQ，CQ、GQ分別為熱電偶的熱阻、熱容和熱導(dǎo)。熱導(dǎo)GQ與材料的性質(zhì)及周圍環(huán)境有關(guān)，為使熱電導(dǎo)穩(wěn)定，常將熱電偶封裝在真空管中，因此，通常稱其為真空熱電偶。

真空熱電偶的基本特性參數(shù)為靈敏度S、比探測(cè)率D*、響應(yīng)時(shí)間τ和最小可探測(cè)功率NEP等參數(shù)。（1）靈敏度（響應(yīng)率）在直流輻射作用下，熱電偶的靈敏度S0為

在交流輻射信號(hào)的作用下，熱電偶的靈敏度S為

提高熱電偶的響應(yīng)率最有效的辦法除選用塞貝克系數(shù)較大的材料外，增加輻射的吸收率α，減小內(nèi)阻Ri，減小熱導(dǎo)GQ等措施都是有效的。對(duì)于交流響應(yīng)率，降低工作頻率，減小時(shí)間常數(shù)τT，也會(huì)有明顯的提高。但是，熱電偶的響應(yīng)率與時(shí)間常數(shù)是一對(duì)矛盾，應(yīng)用時(shí)只能兼顧。

（2）響應(yīng)時(shí)間

熱電偶的響應(yīng)時(shí)間約為幾毫秒到幾十毫秒左右，常用于探測(cè)直流，低頻或恒定調(diào)制的光輻射。

（3）最小可探測(cè)功率

熱電偶的最小可探測(cè)功率NEP取決于探測(cè)器的噪聲，它主要由熱噪聲和溫度起伏噪聲，電流噪聲幾乎被忽略。半導(dǎo)體熱電偶的最小可探測(cè)功率NEP一般為10-11W左右。

5.2.3熱電堆探測(cè)器

為了減小熱電偶的響應(yīng)時(shí)間，提高靈敏度，常把輻射接收面分為若干塊，每塊都接一個(gè)熱電偶，并把它們串聯(lián)起來(lái)構(gòu)成如圖5-8所示的熱電堆。

2.熱電堆的靈敏度

熱電堆的靈敏度St為

1.結(jié)構(gòu)原理參考結(jié)：與銅低襯之間熱接觸，電氣絕緣工作結(jié)：與銅低襯之間熱絕緣，電氣接觸式中，為熱電堆中熱電偶的對(duì)數(shù)（或PN結(jié)的個(gè)數(shù)）。S為熱電偶的靈敏度。熱電堆的響應(yīng)時(shí)間常數(shù)為

式中，為熱電堆的熱容量，為熱電堆的熱阻抗。從式(5-32)和式（5-33）可以看出，要想使高速化和提高靈敏度兩者并存，就要在不改變的情況下減小熱容。熱阻抗由導(dǎo)熱通路長(zhǎng)和熱電堆以及膜片的剖面面積比決定。

在相同的電信號(hào)檢測(cè)條件下，熱電堆能檢測(cè)到的最小溫差是單個(gè)熱電偶的1/n。因此，熱電堆對(duì)溫度的分辨率能力大大增強(qiáng)。

3.主要特點(diǎn)內(nèi)阻：可以達(dá)幾十千歐，較大，易于與放大器的阻抗匹配溫差電動(dòng)勢(shì)：測(cè)量誤差：相對(duì)誤差：噪聲：內(nèi)阻很大，主要是熱噪聲，溫度噪聲的影響很小4.應(yīng)用光譜、光度測(cè)量?jī)x中

5.3熱釋電器件

熱釋電器件是一種利用熱釋電效應(yīng)制成的熱探測(cè)器件。與其它熱探測(cè)器相比，熱釋電器件具有以下優(yōu)點(diǎn)：①具有較寬的頻率響應(yīng)，工作頻率接近兆赫茲，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其它熱探測(cè)器的工作頻率。一般熱探測(cè)器的時(shí)間常數(shù)典型值在1~0.01s范圍內(nèi)，而熱釋電器件的有效時(shí)間常數(shù)可低達(dá)10-4~3×10-5s；②熱釋電器件的探測(cè)率高，在熱探測(cè)器中只有氣動(dòng)探測(cè)器的D*才比熱釋電器件稍高，且這一差距正在不斷減?。虎蹮後岆娖骷梢杂写竺娣e均勻的敏感面，而且工作時(shí)可以不外加接偏置電壓；

5.3.1熱釋電器件的基本工作原理

④與5.2節(jié)討論的熱敏電阻相比，它受環(huán)境溫度變化的影響更小；⑤熱釋電器件的強(qiáng)度和可靠性比其它多數(shù)熱探測(cè)器都要好，且制造比較容易。

1.熱釋電效應(yīng)電介質(zhì)內(nèi)部沒(méi)有自由載流子，沒(méi)有導(dǎo)電能力。但是，它也是由帶電的粒子（價(jià)電子和原子核）構(gòu)成的，在外加電場(chǎng)的情況下，帶電粒子也要受到電場(chǎng)力的作用，使其運(yùn)動(dòng)發(fā)生變化。例如，在如圖5-12所示的電介質(zhì)的上下兩側(cè)加上如圖所示的電場(chǎng)后，電介質(zhì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，從電場(chǎng)的加入到電極化狀態(tài)的建立起來(lái)這段時(shí)間內(nèi)電介質(zhì)內(nèi)部的電荷適應(yīng)電場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于電荷沿電力線方向的運(yùn)動(dòng)，也是一種電流稱為“位移電流”，該電流在電極化完成即告停止。

鐵電體的自發(fā)極化強(qiáng)度PS（單位面積上的電荷量）與溫度的關(guān)系如圖5-14所示，隨著溫度的升高，極化強(qiáng)度減低，當(dāng)溫度升高到一定值，自發(fā)極化突然消失，這個(gè)溫度常被稱為“居里溫度”或“居里點(diǎn)”。因?yàn)樽园l(fā)極化強(qiáng)度是單位體積內(nèi)的電矩矢量之和，所以有

(5-34)式中，S和d分別是晶體的表面積和厚度。

如5-15(a)所示。由內(nèi)部自由電荷中和表面束縛電荷的時(shí)間常數(shù)為τ＝ερ，ε和ρ分別為晶體的介電常數(shù)和電阻率。

2.熱釋電器件的工作原理

Q=AdΔσ=AdPs

(5-35)ΔQ=Ad(ΔPs/ΔT)ΔT=

AdγΔT

(5-36)式中，γ=ΔPs/ΔT稱為熱釋電系數(shù)，其單位為c/cm2?K，是與材料本身的特性有關(guān)的物理量，表示自發(fā)極化強(qiáng)度隨溫度的變化率。

若在晶體的兩個(gè)相對(duì)的極板上敷上電極，在兩極間接上負(fù)載RL，則負(fù)載上就有電流通過(guò)。由于溫度變化在負(fù)載上產(chǎn)生的電流可以表示為

(5-37)(5－38)(5－39)(5－40)對(duì)于熱釋電系數(shù)為λ，電極面積為A的熱釋電器件，其在以調(diào)制頻率為ω的交變幅射照射下的溫度可以表示為

(5－41)(5－42)(5－43)輸入到放大器的電壓為

式中，τe＝RC為電路時(shí)間常數(shù)，R=Rs∥RL，C=Cs＋CL。τT=CH/G為熱時(shí)間常數(shù)。τe、τT的數(shù)量級(jí)為0.1～10s左右。Ad為光敏面的面積，α為吸收系數(shù)，ω為入射輻射的調(diào)制頻率。

5.3.2熱釋電器件的靈敏度光電器件靈敏度：熱釋電器件的電壓靈敏度Sv為輸出電壓的幅值U與入射光功率之比(5－46)分析式(5－46)可以看出

(1)當(dāng)入射為恒定輻射，即ω＝0時(shí)，Sv=0，說(shuō)明熱釋電器件對(duì)恒定輻射不靈敏；(2)在低頻段ω＜1/τT或1/τe時(shí)，靈敏度Sv與ω成正比，為熱釋電器件交流靈敏的體現(xiàn)。(3)當(dāng)τe≠τT時(shí)，通常τe＜τT，在ω＝1/τT~1/τe范圍內(nèi)，Sv與ω?zé)o關(guān)；(4)高頻段（ω＞1/τT、1/τe）時(shí)，Sv則隨ω-1變化。

因此在許多應(yīng)用中，該式的高頻特性近似為

(5－47)即靈敏度與信號(hào)的調(diào)制頻率ω成反比。

5.3.3熱釋電器件的噪聲

熱釋電器件的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)電容器，因此輸出阻抗很高，所以它后面常接有場(chǎng)效應(yīng)管，構(gòu)成源極跟隨器的形式，使輸出阻抗降低到適當(dāng)數(shù)值。因此在分析噪聲的時(shí)候，也要考慮放大器的噪聲。這樣，熱釋電器件的噪聲主要有電阻的熱噪聲、溫度噪聲和放大器噪聲等。熱噪聲電壓為

(5－50)當(dāng)ωτe＞＞1時(shí)，上式可簡(jiǎn)化為

22(5－51)表明熱噪聲電壓隨調(diào)制頻率的升高而下降。

2.放大器噪聲

式中，k為波耳茲曼常數(shù)，TR為器件的溫度，Δf為系統(tǒng)的帶寬。

=4kTRΔf/Reff

(5－48)電阻的熱噪聲來(lái)自晶體的介電損耗和與探測(cè)器的并聯(lián)電阻。若等效電阻為Reff，則熱噪聲電流的方均值為1.熱噪聲3.溫度噪聲

(5－53)式中，A為電極的面積，Ad為光敏區(qū)的面積，為溫度起伏的方均值。如果這三種噪聲不相關(guān)，則總噪聲為

Ik=4k(F-1)TΔf/R

(5－52)T----背景溫度。

2考慮統(tǒng)計(jì)平均值時(shí)的信噪功率比為(5－54)如果溫度噪聲是主要噪聲源而忽略其它噪聲時(shí)，噪聲等效功率為(NEP)2＝(4kT2G2Δf/α2A2γ2ω2R)[1+(TN/T)2](5－55)由上式可以看出，熱釋電器件的噪聲等效功率NEP具有隨著調(diào)制頻率的增加而減小的性質(zhì)。

式中，TN＝T＋(F-1)T，稱為放大器的有效輸入噪聲溫度。

4響應(yīng)時(shí)間

熱釋電探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間可由式(5－46)求出。由圖5-18可見(jiàn)，熱釋電探測(cè)器在低頻段的電壓響應(yīng)度與調(diào)制頻率成正比，在高頻段則與調(diào)制頻率成反比，僅在1/τT~1/τe范圍內(nèi)，Rv與ω?zé)o關(guān)。響應(yīng)度高端半功率點(diǎn)取決于1/τT或1/τe中較大的一個(gè)，因而按通常的響應(yīng)時(shí)間定義，τT和τe中較小的一個(gè)為熱釋電探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間。通常τT較大，而

τe與負(fù)載電阻有關(guān)，多在幾秒到幾個(gè)微秒之間。由圖5-18可見(jiàn)，隨著負(fù)載的減小，τe變小，靈敏度也相應(yīng)減小。

5熱釋電探測(cè)器的阻抗特性

熱釋電探測(cè)器幾乎是一種純?nèi)菪云骷?，由于電容量很小，所以阻抗很高，常?09Ω以上。因此，必須配高阻抗的負(fù)載。常用JFET器件作熱釋電探測(cè)器的前置放大器。5.3.4

熱釋電器件的類型1.硫酸三甘肽（TGS）晶體熱釋電器件

它在室溫下的熱釋電系數(shù)較大，介電常數(shù)較小，比探測(cè)率D*值較高[D*(500,10,1)1~5×109cmHz1/2W－1]。在較寬的頻率范圍內(nèi)，這類探測(cè)器的靈敏度較高，因此，至今仍是廣泛應(yīng)用的熱輻射探測(cè)器件。TGS可在室溫下工作，具有光譜響應(yīng)寬、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，是一種性能優(yōu)良的紅外探測(cè)器，廣泛應(yīng)用紅外光譜領(lǐng)域。

2.鈮酸鍶鋇(SBN)熱釋電器件

圖5-20所示為L(zhǎng)ATGS的等效噪聲功率NEP和比探測(cè)率D*隨工作頻率f的變化關(guān)系。3.鉭酸鋰（LiTaO3）這種熱釋電器件由于材料中鋇含量的提高而使居里溫度相應(yīng)提高。例如，鋇含量從0.25增加到0.47，其居里溫度相應(yīng)從47°C提高到115°C。SBN探測(cè)器在大氣條件下性能穩(wěn)定，無(wú)需窗口材料，電阻率高，熱釋電系數(shù)大，機(jī)械強(qiáng)度高，在紅外波段吸收率高，可不必涂黑。工作在500MHz也不出現(xiàn)壓電諧振，可用于快速光輻射的探測(cè)。但SNB晶體在鋇含量x<0.4時(shí)，如不加偏壓，在室溫下就趨于退極化。而當(dāng)x>0.6時(shí)，晶體在生長(zhǎng)過(guò)程會(huì)開(kāi)裂。

在SNB中摻少量La2O2可提高其熱釋電系數(shù)，摻雜的SBN熱釋電器件無(wú)退極化現(xiàn)象，D*(500,10,1)達(dá)8.0×108cm·Hz1/2·W－1。摻鑭后其居里溫度有所降低，但極化仍很穩(wěn)定，損耗也有所改善。

這種熱釋電器件具有很吸引人的特性。在室溫下它的熱釋電響應(yīng)約為TGS的一半，但在低于零度或高于45°C時(shí)都比TGS好。

4.壓電陶瓷熱釋電器件

壓電陶瓷器件的特點(diǎn)是熱釋電系數(shù)γ較大，介電常數(shù)ε也較大，二者的比值并不高。其機(jī)械強(qiáng)度高、物理化學(xué)性能穩(wěn)定、電阻率可以控制；能承受的輻射功率超過(guò)LiTaO3熱釋電器件；居里溫度高，不易退極化。例如，鋯鈦酸鉛熱釋電器件的Tc高達(dá)365℃，D*（500，1，1）高達(dá)7×108cm·Hz1/2·W－1。此外，這種熱釋電器件容易制造，成本低廉。

該器件的居里溫度Tc高達(dá)620°C，室溫下的響應(yīng)率幾乎不隨溫度變化，可在很高的環(huán)境溫度下工作；且能夠承受較高的輻射能量，不退極化；它的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不需要保護(hù)窗口；機(jī)械強(qiáng)度高；響應(yīng)快（時(shí)間常數(shù)為13×10-12s，極限為1×10-12s；）；適于探測(cè)高速光脈沖。已用于測(cè)量峰值功率為幾個(gè)千瓦，上升時(shí)間為100ps的Nd:YAG激光脈沖。其D*（500,30,1）達(dá)8.5×108cm·Hz1/2·W－1。

5.聚合物熱釋電器件

有機(jī)聚合物熱釋電材料的導(dǎo)熱小，介電常數(shù)也??；易于加工成任意形狀的薄膜；其物理化學(xué)性能穩(wěn)定，造價(jià)低廉；雖然熱釋電系數(shù)γ不大，但介電系數(shù)ε也小，所以比值γ／ε并不小。在聚合物熱釋電材料中較好的有聚二氟乙烯（PVF2）、聚氟乙烯（PVF）及聚氟乙烯和聚四氟乙烯等共聚物。利用PVF2薄膜已得到D*（500，10，1）達(dá)108cm·Hz1/2·W－1。

6.快速熱釋電探測(cè)器

如前所述，由于熱釋電器件的輸出阻抗高，因此需要配以高阻抗負(fù)載，因而其時(shí)間常數(shù)較大，即響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。這樣的熱釋電器件不適于探測(cè)快速變化的光輻射。即使使用補(bǔ)償放大器，其高頻響應(yīng)也僅為103Hz量級(jí)。

近年來(lái)發(fā)展了快速熱釋電器件?？焖贌後岆娖骷话愣荚O(shè)計(jì)成同軸結(jié)構(gòu)，將光敏元置于阻抗為50Ω的同軸線的一端，采用面電極結(jié)構(gòu)時(shí)，時(shí)間常數(shù)可達(dá)到1ns左右，采用邊電極結(jié)構(gòu)時(shí)，時(shí)間常數(shù)可降至幾個(gè)ps。圖5-21所示為一種快速熱釋電探測(cè)器的結(jié)構(gòu)原理圖。光敏元件是SBN晶體薄片，采用邊電極結(jié)構(gòu)，電極Au的厚度為0.1μm，襯底采用Al2O3或BeO陶瓷等導(dǎo)熱良好的材料。輸出用SMA/BNC高頻接頭。這種結(jié)構(gòu)的熱釋電探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間為13ps，其最低極限值受晶格振動(dòng)弛豫時(shí)間的限制，約為1ps。不采用同軸結(jié)構(gòu)而采用一般的管腳引線封裝結(jié)構(gòu)，熱釋電探測(cè)器的頻響帶寬已擴(kuò)展到幾十兆赫?？焖贌後岆娖骷Ｓ脕?lái)測(cè)量大功率脈沖激光，需要能承受大功率輻射，為此應(yīng)選用損傷閾值高的熱釋電材料和高熱導(dǎo)的襯底材料制造。5.3.5典型熱釋電器件

如圖5-22所示為典型TGS熱釋電器件。把制好的TGS晶體連同襯底貼于普通三極管管座上，上下電極通過(guò)導(dǎo)電膠、銦球或細(xì)銅絲與管腳相連，加上窗口后構(gòu)成完整的TGS熱電探測(cè)器件。為了降低器件的總熱導(dǎo)，一般采用熱導(dǎo)率較低的襯底。管內(nèi)抽成真空或充氪氣等熱導(dǎo)很低的氣體。為獲得均勻的光譜響應(yīng)，可在熱釋電器件靈敏層的表面涂特殊的漆，增加對(duì)入射輻射的吸收。

所有的熱釋電器件同時(shí)又是壓電晶體。因此它對(duì)聲頻振動(dòng)很敏感，入射輻射脈沖的熱沖擊會(huì)激發(fā)熱釋電晶體的機(jī)械振蕩，