1、 第5章 熱輻射探測器件 5.1 熱輻射的一般規(guī)律 本章主要介紹熱輻射探測器件的工作原理、基本特性、熱輻射探測器件的工作電路和典型應用。它為基于光輻射與物質(zhì)相互作用的熱效應而制成的器件。由于它具有工作時不需要制冷，光譜響應無波長選擇性等突出特點，使它的應用已進入某些被光子探測器獨占的應用領域和光子探測器無法實現(xiàn)的應用領域。 熱電傳感器件是將入射到器件上的輻射能轉(zhuǎn)換成熱能，然后再把熱能轉(zhuǎn)換成電能的器件。顯然，輸出信號的形成過程包括兩個階段；第一階段為將輻射能轉(zhuǎn)換成熱能的階段（入射輻射引起溫升的階段），是共性的，具有普遍的意義。第二階段是將熱能轉(zhuǎn)換成各種形式的電能（各種電信號的輸出）階段。 1.

2、溫度變化方程 熱電器件在沒有受到輻射作用的情況下，器件與環(huán)境溫度處于平衡狀態(tài)，其溫度為T0。當輻射功率為的熱輻射入射到器件表面時，令表面的吸收系數(shù)為，則器件吸收的熱輻射功率為e ；其中一部分使器件的溫度升高，另一部分補償器件與環(huán)境的熱交換所損失的能量。設單位時間器件的內(nèi)能增量為 e ，則有 （5-1）式中稱為熱容，表明內(nèi)能的增量為溫度變化的函數(shù)。 熱交換能量的方式有三種；傳導、輻射和對流。設單位時間通過傳導損失的能量 （5-2）式中G為器件與環(huán)境的熱傳導系數(shù)。根據(jù)能量守恒原理，器件吸收的輻射功率應等于器件內(nèi)能的增量與熱交換能量之和。即 （5-3） 設入射輻射為正弦輻射通量 ，則式（5-3）變?yōu)?/p>

3、 （5-4） 若選取剛開始輻射器件的時間為初始時間，則，此時器件與環(huán)境處于熱平衡狀態(tài)，即t = 0,T = 0。將初始條件代入微分方程（5-4），解此方程，得到熱傳導的方程為 （5-5） 設 稱為熱敏器件的熱時間常數(shù)， 稱為熱阻。 熱敏器件的熱時間常數(shù)一般為毫秒至秒的數(shù)量級，它與器件的大小、形狀和顏色等參數(shù)有關。 當時間t T時，式（5-3）中的第一項衰減到可以忽略的程度，溫度的變化 （5-6） 為正弦變化的函數(shù)。其幅值為 （5-7） 可見，熱敏器件吸收交變輻射能所引起的溫升與吸收系數(shù)成正比。因此，幾乎所有的熱敏器件都被涂黑。另外，它又與工作頻率有關，增高，其溫升下降，在低頻時（ T 1），它

4、與熱導G成反比，式（5-6）可寫為 （5-8） 可見，減小熱導是增高溫升、提高靈敏度的好方法，但是熱導與熱時間常數(shù)成反比，提高溫升將使器件的慣性增大，時間響應變壞。 式（5-6）中，當很高（或器件的慣性很大）時， T 1，式（5-7）可近似為 （5-9） 結果，溫升與熱導無關，而與熱容成反比，且隨頻率的增高而衰減。 當= 0時，由（5-5）式得 （5-10） 由初始零值開始隨時間t增加，當t時， T達到穩(wěn)定值。等于T時，上升到穩(wěn)定值的63%。故T被稱為器件的熱時間常數(shù)。 2. 熱電器件的最小可探測功率 根據(jù)斯忒番-玻耳茲曼定律，若器件的溫度為T，接收面積為A，并可以將探測器近似為黑體（吸收系數(shù)

5、與發(fā)射系數(shù)相等），當它與環(huán)境處于熱平衡時，單位時間所輻射的能量為 （5-11） 由熱導的定義 （5-12） 經(jīng)證明，當熱敏器件與環(huán)境溫度處于平衡時，在頻帶寬度內(nèi)，熱敏器件的溫度起伏均方根值為 （5-13） 考慮式（5-7），可以求出熱敏器件僅僅受溫度影響的最小可探測功率或稱溫度等效功率PNE為 （5-14） 例如，在常溫環(huán)境下（T=300K），對于黑體（=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=1.3810-23J/K。則由式（5-14）可以得到常溫下熱敏器件的最小可探測功率為510-11W左右。由式（5-14）很容易得到熱敏器件的

6、比探測率為（5-15） 它只與探測器的溫度有關。 5.2 熱敏電阻與熱電堆探測器5.2.1 熱敏電阻 1. 熱敏電阻及其特點 凡吸收入射輻射后引起溫升而使電阻改變，導致負載電阻兩端電壓的變化，并給出電信號的器件叫做熱敏電阻。相對于一般的金屬電阻，熱敏電阻具備如下特點： 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10100倍。 結構簡單，體積小，可以測量近似幾何點的溫度。 電阻率高，熱慣性小，適宜做動態(tài)測量。 阻值與溫度的變化關系呈非線性。 不足之處是穩(wěn)定性和互換性較差。 2. 熱敏電阻的原理、結構及材料 大部分半導體熱敏電阻由各種氧化物按一定比例混合，經(jīng)高溫燒結而成。

7、多數(shù)熱敏電阻具有負的溫度系數(shù)，即當溫度升高時，其電阻值下降，同時靈敏度也下降。由于這個原因，限制了它在高溫情況下的使用。 半導體材料對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)闊崮埽鹁Ц裾駝拥募觿?，器件溫度的上升，即器件的電阻值發(fā)生變化。 由于熱敏電阻的晶格吸收，對任何能量的輻射都可以使晶格振動加劇，只是吸收不同波長的輻射，晶格振動加劇的程度不同而已，因此，熱敏電阻無選擇性地吸收各種波長的輻射，可以說它是一種無選擇性的光敏電阻。 一般金屬的能帶結構外層無禁帶，自由電子密度很大，以致外界光作用引起的自由電子密度相

8、對變化較半導體而言可忽略不計。相反，吸收光以后，使晶格振動加劇，妨礙了自由電子作定向運動。因此，當光作用于金屬元件使其溫度升高，其電阻值還略有增加，也即由金屬材料組成的熱敏電阻具有正溫度系數(shù)，而由半導體材料組成的熱敏電阻具有負溫度特性。 圖5-1所示分別為半導體材料和金屬材料（白金）的溫度特性曲線。白金的電阻溫度系數(shù)為正值，大約為0.37%左右；將金屬氧化物（如銅的氧化物，錳-鎳-鈷的氧化物）的粉末用黏合劑黏合后，涂敷在瓷管或玻璃上烘干，即構成半導體材料的熱敏電阻。半導體材料熱敏電阻的溫度系數(shù)為負值，大約為-3%-6%，約為白金的10倍以上。所以熱敏電阻探測器常用半導體材料制作而很少采用貴重的

9、金屬。 較大的溫升）粘合在導熱能力高的絕緣襯底上，電阻體兩端蒸發(fā)金屬電極以便與外電路連接，再把襯底同一個熱容很大、導熱性能良好的金屬相連構成熱敏電阻。 紅外輻射通過探測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行黑化處理。 由熱敏材料制成的厚度為0.01mm左右的薄片電阻（因為在相同的入射輻射下得到3. 熱敏電阻的參數(shù) 熱敏電阻探測器的主要參數(shù)有：（1）電阻-溫度特性 熱敏電阻的阻溫特性是指實際阻值與電阻體溫度之間的依賴關系，這是它的基本特性之一。電阻溫度特性曲線如圖5-1所示。 熱敏電阻器的實際阻值RT與其自身溫度T的關系有正溫度系數(shù)與負溫

10、度系數(shù)兩種，分別表示為： 正溫度系數(shù)的熱敏電阻 （5-16） 負溫度系數(shù)的熱敏電阻 （5-17）式中，RT為絕對溫度T時的實際電阻值；分別為背景環(huán)境溫度下的阻值，為與電阻的幾何尺寸和材料物理特性有關的常數(shù)；A、B為材料常數(shù)。 對于正溫度系數(shù)的熱敏電阻有 對于負溫度系數(shù)的熱敏電阻有 式中，RT為環(huán)境溫度為熱力學溫度T時測得的實際阻值。由式（5-16）和（5-17）可分別求出正、負溫度系數(shù)的熱敏電阻的溫度系數(shù)aT 。 aT表示溫度變化1時，熱電阻實際阻值的相對變化為 式中，aT和RT為對應于溫度T（K）時的熱電阻的溫度系數(shù)和阻值。 對于正溫度系數(shù)的熱敏電阻溫度系數(shù)為 aT = A （5-19） 對

11、于負溫度系數(shù)的熱敏電阻溫度系數(shù)為 （5-20） 可見，在工作溫度范圍內(nèi)，正溫度系數(shù)熱敏電阻的aT在數(shù)值上等于常數(shù)A，負溫度系數(shù)熱敏電阻的aT隨溫度T的變化很大，并與材料常數(shù)B成正比。因此，通常在給出熱敏電阻溫度系數(shù)的同時，必須指出測量時的濕度。 材料常數(shù)B是用來描述熱敏電阻材料物理特性的一個參數(shù)，又稱為熱靈敏指標。在工作溫度范圍內(nèi)，B值并不是一個嚴格的常數(shù), 而是隨溫度的升高而略有增大，一般說來，B值大電阻率也高，對于負溫度系數(shù)的熱敏電阻器，B值可按下式計算： （2）熱敏電阻阻值變化量 （5-21） 已知熱敏電阻溫度系數(shù)aT后，當熱敏電阻接收入射輻射后溫度變化T，則阻值變化量為 RT=RTaT

12、T 式中，RT為溫度T時的電阻值，上式只有在T不大的條件下才能成立。 （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，因而負載電阻電壓增量 （4）冷阻與熱阻 上式為假定 ， 的條件下得到的。 RT為熱敏電阻在某個溫度下的電阻值，常稱為冷阻，如果功率為的輻射入射到熱敏電阻上，設其吸收系數(shù)為a，則熱敏電阻的熱阻定義為吸收單位輻射功率所引起的溫升，即 因此，式（5-23）可寫成（5-23）若入射輻射為交流正弦信號， ，則負載上輸出為 （5-26） 式中，為熱敏電阻的熱時間常數(shù)； ，分別為熱敏電阻 和熱容 。由式（5-

13、26）可見，隨輻照頻率的增加，熱敏電阻傳遞給負載的電壓變化率減少。熱敏電阻的時間常數(shù)約為110ms，因此，使用頻率上限約為20200kHz左右。 （5）靈敏度（響應率） 單位入射輻射功率下熱敏電阻變換電路的輸出信號電壓稱為靈敏度或響應率，它常分為直流靈敏度S0與交流靈敏度SS。直流靈敏度S0為 交流靈敏度SS為 可見，要增加熱敏電阻的靈敏度，需采取以下措施： 增加偏壓Ubb但受熱敏電阻的噪聲以及不損壞元件的限制； 把熱敏電阻的接收面涂黑增加吸收率a； 增加熱阻，其辦法是減少元件的接收面積及元件與外界對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，響應時間也增大。為了減小響應時間，通

14、常把熱敏電阻貼在具有高熱導的襯底上； 選用大的材料，也即選取B值大的材料。當然還可使元件冷卻工作，以提高值。 （6）最小可探測功率 5.2.2 熱電偶探測器 1.熱電偶的工作原理 熱電偶雖然是發(fā)明于1826年的古老紅外探測器件，然而至今仍在光譜、光度探測儀器中得到廣泛的應用。尤其在高、低溫的溫度探測領域的應用是其他探測器件無法取代的。 熱電偶是利用物質(zhì)溫差產(chǎn)生電動勢的效應探測入射輻射的。 如圖5-6所示為輻射式溫差熱電偶的原理圖。兩種材料的金屬A和B組成的一個回路時，若兩金屬連接點的溫度存在著差異（一端高而另一端低），則在回路中會有如圖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E。

15、回路電流I=E/R。其中R稱為回路電阻。這一現(xiàn)象稱為溫差熱電效應（也稱為塞貝克熱電效應）( Seebeck Effect)。 測量輻射能的熱電偶稱為輻射熱電偶，它與測溫熱電偶的原理相同，結構不同。如圖5-6（b）所示，輻射熱電偶的熱端接收入射輻射，因此在熱端裝有一塊涂黑的金箔，當入射輻射通量e被金箔吸收后，金箔的溫度升高，形成熱端，產(chǎn)生溫差電勢，在回路中將有電流流過。圖5-6（b）用檢流計G可檢測出電流為I。顯然，圖中結J1為熱端，J2為冷端。 由于入射輻射引起的溫升T很小，因此對熱電偶材料要求很高，結構也非常嚴格和復雜。成本昂貴。 圖5-7所示為半導體輻射熱電偶的結構示意圖。圖中用涂黑的金箔

16、將N型半導體材料和P型半導體材料連在一起構成熱結，另一端（冷端）將產(chǎn)生溫差電勢，P型半導體的冷端帶正電，N型半導體的冷端帶負電。開路電壓UOC與入射輻射使金箔產(chǎn)生的溫升T的關系為 UOC=M12T （5-27）式中，M12為塞貝克常數(shù)，又稱溫差電勢率（V/）。 輻射熱電偶在恒定輻射作用下，用負載電阻RL將其構成回路，將有電流I流過負載電阻，并產(chǎn)生電壓降UL，則 （5-28） 式中，0為入射輻射通量（W）；為金箔的吸收系數(shù)；Ri為熱電偶的內(nèi)阻；M12為熱電偶的溫差電勢率；GQ為總熱導（W/m）。 2. 熱電偶的基本特性參數(shù) 若入射輻射為交流輻射信號 ，則產(chǎn)生的交流信號電壓為 式中，=2f，f為交

17、流輻射的調(diào)制頻率，T為熱電偶的的時間常數(shù)， 其中 的RQ，CQ、GQ分別為熱電偶的熱阻、熱容和熱導。熱導GQ與材料的性質(zhì)及周圍環(huán)境有關，為使熱電導穩(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、比探測率D*、響應時間和最小可探測功率NEP等參數(shù)。 （1）靈敏度（響應率） 在直流輻射作用下，熱電偶的靈敏度S0為 （5-29） （2）響應時間 在交流輻射信號的作用下，熱電偶的靈敏度S為 （5-30） （5-31） 由式（5-29）和式（5-30）可見，提高熱電偶的響應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，減小內(nèi)阻Ri，減小熱導GQ等措施都是有效的。對于交流響應率，降低工作頻率，減小時間常數(shù)T，也會有明顯的提高。但是，熱電偶的響應率與時間常數(shù)是一對矛盾，應用時只能兼顧。 熱電偶的響應時間約為幾毫秒到幾十毫秒左右，在BeO襯底上制造Bi-Ag結結構的熱電偶有望得到更快的時間響應，響應時間可達到或超過10-7s。 5.2.3 熱電堆探測器 （3）最小可探測功率 熱電偶的最小可探測功率NEP取決于探測器的噪聲，它主要由熱噪聲和溫度起伏噪聲，電流噪聲幾乎被忽略