热释电探测器前置放大电路设计

热释电探测器前置放大电路设计

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摘要

人类的生存和繁衍离不开感官从环境中获取各种信息。在现代以高科技主导的信息社会中，日常生活、医学、工业生产、科学实验、军事等活动中需要的各种信息远远超出了人的感官的能力。为此科学家开发出了各种各样五花八门的探测器。探测器可以看作是人类感官的延伸，其技术的进步直接推动着科学和工程技术的发展。大到我国的探月工程，小到我们每个人的日常生活，随处可见。探测器的应用也越来越广泛，它已经进驻了各行各业，它在各行业中都发挥着不可估量的作用。

本文将介绍热释电效应及其探测器的原理、结构、特点、噪声分析等等。另针对热释电红外探测中微信号放大时的低信噪比问题，在分析热释电红外探测器及前置放大电路噪声来源的基础上，提出了一种热释电红外探测前置放大电路。电路仿真表明，文中所设计的前置放大电路具有低频特性好、高信噪比、高增益的特点，能有效放大微弱信号。

关键字：热释电；探测器；前置放大电路；高信噪比；

第一章

1.1 引言

热释电探测器是70年代以来取得重大进展的一种新型热探测器。它利用某些特殊材料的热释电效应探测目标物体的红外辐射能量。

从结构来看，热释电红外焦平面探测器主要有混合式和单片式两种。混合式焦平面探测器的探测器列阵芯片和读出电路芯片分别用不同的材料制作，然后通过铟柱互连。这样，就可使探测器列阵芯片和读出电路芯片分别测试以确保各自的性能。这种结构的热释电焦平面探测器是目前的主流产品。单片式焦平面探测器是采用读出电路上生长微桥作为光敏元材料支撑和热隔离结构。经过20年的发展微桥结构的热释电焦平面探测器的灵敏度已达到第一代和第二代致冷焦平面探测器之间的水平，其NETD通常优先于0.1K，可达0.05K。红外焦平面探测器是获取目标景物红外光辐射信息的重要光电器件，其中的热释电焦平面探测器所具有的性价比高，可靠性好，长波工作，功耗小，寿命长，重量轻，体积小等优势，使得它在军事和民用方面都有广阔的应用前景。

随着信息技术的普及和发展，红外探测技术已经得到了迅速的发展，已广泛应用于夜视仪、报警、防火、医疗、自动控制等领域。其中，利用热释电效应开发的红外探测器由于具有非制冷的显著特点而倍受关注。热释电效应是指：在具有自发极化的热释电材料中，当材料温度发生变化或吸收热量后，因材料自发极化强度发生变化而在材料表面释放出电荷的现象。红外探测器是红外成像的核心部分，其前置放大器是整个系统的关键部件，它的功能是将红外探测器接收到的微弱信号进行放大并输出给后续处理电路。然而，由于红外热释电探测器的响应信号十分微弱(一般为微伏级)，故对前置放大器提出了严格的要求：低噪声、高增益、低频特性好及抗干扰能力强。因此，前置放大器对整个红外系统的性能和效率起着决定性的作用。本文针对热释电探测器的噪声问题，提出了一种新型高增益、低噪声的前置放大电路设计方案。

1.2 热释电探测器的发展状况

1800年，英国科学家海谢尔做了一个实验，他把阳光分成彩色光带以后，用温度计来测量各种光的温度，发现了一个奇怪的现象:靠近太阳光深红色光外的不可见部分，温度竟比红光还高。这是一个意外的发现.因为以前只知道太阳光有七色，至于在七色之外的黑暗中还存在着什么物质，是不清楚的。于是，海谢尔设想在太阳的辐射中，除了可见光以外，一定还包含着一种人的肉眼看不见的

辐射。后来经过实验证明:这种辐射还存在于其他物体发出的辐射中。当时，人们就称它为“不可见辐射”。由于这种“不可见辐射”是在红光的外边发现的，所以，后来就称它为红外辐射，又叫它红外线。

1887 年，人们在实验室中成功地产生了红外线，使人们认识到:可见光、红外线和无线电波在本质上都是一样的。到了20世纪，由于生产实践的需要，推动了各项新技术的发展，红外科学也从实验室走出来，开始应用到生产上，并形成了一门崭新的技术一红外技术。

红外线亦称“红外光”。在电磁波谱中，波长介于红光和微波间的电磁辐射。在可见光的范围以外，波长比红光要长，有显著的热效应，可以用温差电偶、光敏电阻等仪器来测量，波长在0.77~3微米为近红外区:3~30微米为中红外区;30~1000微米为远红外区。红外线容易被物体吸收，转化为物体的内能:在通过云雾等充满悬浮粒子的物质时，不易发生散射，具有较强的穿透能力，红外线应用很广，可用以焙制食品、烘干油漆以及进行医疗等。物质对红外线的吸收光谱对研究物质的分子结构、化学分析及化学工业上的控制有重要意义。军事上常用红外探测器来探测目标，以及红外通信等。

1956 年，chynoweth利用辐射调制方法研制钦酸钡的动态热释电响应，这一方法为研究材料极化的温度特性提供了重要实验手段，为利用热释电效应实现热成像探测提供了基础。同年，比thais利用TGS制成了实用的热释电探测器，使得此类材料在随后的一段很长时间里成为研究重点，并于1969年用于热成像探测。1961年，Hanel首次揭示了介电测辐射热计效应，这在当时并不是一个引起很大重视的工作，但随后在对担杭酸铅(PST) /钦酸铭钡(BST) 类相变型热释电材料的深入研究之后，一种新的探测机制建立起来了。

对典型热释电材料研究的深入，伴随着铁电理论和热释电探测理论的发展和完善。虽然在热释电现象的理论研究方面还有许多未知的领域，但是热释电探测原理已经在热力学分析的基础上很好的建立起来了。1970年Putley全面总结和阐述了热释电探测器的工作原理及热探测器的理论探测极限。在此基础上，他还演示了具有接近探测极限性能的单元探测器，为设计和制造有极限探测性能的探测器建立了基本原则。1978年Liu等全面总结了热释电材料与期间的发展，指明了具有正常热释电效应的材料的局限.1986年，whatmore再次全面总结了热释电探测器的原理，器件设计及应用，较系统地提出了介电测辐射热计效应的应用，对器件设计，制造中的一些关键因素作了简要地总结。随后，Kulwick、maralt 等又对随后的研究进展作了总结。这些理论和总结，基本上完整地勾画出了热释电探测在理论，材料及器件诸方面的发展状况。1993年Wvon.Munch等人研究了

用未极化的PVDF/TrPE 聚合物作为主要热绝缘材料的单片式热释电红外探测器。通过调节组份可降低PvDp/TrFE 聚合物的热导率，仅为0.1287w/mk ，约为2SiO 的1/10、0.25r T FE 34i S N 的1/80.通过旋转涂胶法(spin-coating)在ROIC 硅片上方制

备两层一10μm 0.75PVD /0.25r T FE 聚合物薄膜，上层作为探测灵敏元材料，下层薄

膜作为隔热层。探测灵敏元的下电极分布在两层聚合物之间，并穿过下层聚合物薄膜与读出电路的M 仍管连接。探测器的探测率为0D =1×710cm ·1/2z H /W 该探测器可以实现单片集成，但工艺步骤较为梦琐。特别是连接下电极与读出M 璐管时，首先要刻蚀AI 形成掩模，再湿法刻蚀聚合物，很容易导致聚合物性质变坏。

1998 年，NorioFujitsuka 等人利用硅微机械加工技术制作了一种单片式热释电红外探测器。该探测器在硅衬底上通过各向异性腐蚀形成空腔，由四条支撑臂将热释电薄膜支撑在空腔上方，只有细长的支撑胃作为热流通道，从而 大大降低了热导。热释电材料采用PvDF 聚合物，薄膜厚度为0.7μm 金属电极采用热导率比Al 小一个量级的钦(Ti)电极。真空中测得探测率0D =2.4×710cm ·1/2z H /W ，响应率4110v R =?v/w.整套工艺相对简单，探测率也有了一定的提高，但空腔、支撑结构与读出电路分布在同一水平面上，占据了很大硅片面积。

国内方面 ，中国科学院上海技术物理研究所在热释电探测器方面的研究是比较权威的。冷丽国、王模昌根据电功补偿的探测原理设计了一种宽波段大市场红外辐射探测器15]，根据探测原理的分析，这种腔体探测器灵敏度要求的实现，主要依赖于腔体和热沉的精密温控。他们通过分析腔体和热沉的温度变化对探测灵敏度的影响来对腔体和热沉的温控精度设计，并通过引入补偿腔后的对称结构降低热沉的温控精度克服环境变化的影响。我国“神州三号”地球辐射探测仪就是这种探测器的典型应用，该仪器的探测波段较宽(0.2μm 一50μm )，视场较大(≥ 45)，因此对探测器的时间响应要求不高，而对探测器的吸收率，角响应性能和稳定性等有较高的要求，适于采用腔体探测器，该仪器于2002年3月25日随“神州三号”飞船发射并顺利完成了为期半年的在轨探测试验，获取了大量探测数据。

2005 年 9月 ，昆明物理研究所采用错钦酸铅(PzT )体材料、研制成功160x120元、探测元中心尺寸50μm ×50μm 的非制冷焦平面探测器。热释电探

测器不仅保持了热探测器的共同优点，即室温款波段工作，而且在很宽的频率和温度范围内具有较高的探测率、能承受大的辐射功率并具有较小的时间常数等等特点，因此得到了广泛应用。例如,利用热释电探测器探测目标本身的热辐射强度，就可得到室温物体本身的热辐射图像，这就是通常所说的热成像。这种热成像系统不宜被干扰，是对目标与背景的温差进行探测，因此容易发现隐蔽物体，并能在有烟和雾的条件下工作。用热释电靶代替光电导靶的热释电摄像器件，即可在红外波段工作，有无需机械扫描装置，并兼有室温工作的优点。用这种器件制成的热释电摄像机可用于空中与地面侦察、入侵报普、战地观察、火情观测、医用热成像、环境污染监视以及其它领域。

在空间技术中，热释电探测器主要用来测量温度分布和适度分布，或用于搜集地球的有关数据。地球大气系统的热辐射和大气组分的光谱吸收带主要位于3一25μm 范围内，而且用于测量这些辐射的一起工作频率又不十分高，因此使用热释电探测器是合适的。例如，在艾托斯-D 卫星上装备有TGS 的竖直温度分布辐射计。所用的TGS 的NEP 值小于1.5x 1010- W ·1/2z H ;工作温度为35℃;调制频率为16H::光敏面积为2.252mm 。在云雨5号卫星上，为测量七个波长间隔内有部分云层时的温度分布和水汽分布，所用探测器也是TGS ，其NEP 值小于

2.5x 1010- W ·1/2z H :工作温度为37℃:调制频率为35Hz;光敏面积为2.562mm 。再如，在云雨6号卫星上所使用的压力调制辐射计和地球平衡测量仪都使用了热释电探侧器。前者使用了两个TGs 器件，用以测量40Km 和85lha 高度范围内的大气温度分布;后者使用了LITu 仇探测器，以测量太阳和地球的辐射。该器件的NEP 值为1.75x 910- W ·1/2z H 。

由于热释电探测器具有较宽的线性动态特性，使它在激光测量中获得了广泛应用.例如，用于μs 一Ps 激光脉冲测量及高功率脉冲激光的震荡频率、光束的空间与时间分布测量等。

第二章

2.1热电效应及其热释电效应

热探测器也通称为能量探测器，其原理是利用辐射的热效应，通过热电变换来探测辐射。入射到探测器光敏面的辐射被吸收后，引起响应元的温度升高，响应元材料的某一物理量随之而发生变化。利用不同物理效应可设计出不同类型的热探测器，其中最常用的有电阻温度效应(热 敏电阻)、温差电效应(热电偶，热

电堆)和热释电效应。

由于各种热探测器都是先将辐射转化为热并产生温升，而这一过程通常很慢，热探测器的时间常数要比光子探测器大得多。热探测器性能也不像光子探测器那样有些已接近背景极限。即使在低频下，它的探测率要比室温背景极限值低一个数量级，高频下的差别就更大了。因此，热探测器不适合用于快速、高灵敏度的探测。热探测器的最大优点是光谱响应范围较宽且较平坦。

介质材料中存在不同的电偶极矩，其中之一是由于分子间正负电荷中心不重合而产生的，这种偶极矩称固有电偶极矩。具有这种偶极矩的材料叫热释电材料。热释电材料同普通的热电材料不同，它们有自极化效应，即使在没有外电场的情况下，也存在电偶极矩。热释电材料温度单一变化时，偶极子之间的距离和链角发生变化，使极化强度发生变化，极化强度的大小等于单位体积的偶极矩，它与出现在晶体电极表面单位面积内的面电荷成正比。当温度不变时，晶体表面的电荷被来自外部的自由电荷中和。晶体温度变化越大，极化强度变化就越大，表示大量的电荷聚集在电极。电流为单位时间电荷的变化，所以，当热释电材料温度单一变化的时候便产生电流。

若dt 时间内，热释电材料吸收热辐射，温度变化私T，极化强度变

化以尸，则材料单位面积产生的电流可表为:

J=

dP d T d T dt

?

dP d T 称热释电系数，用P表示，

d T

dt

为温度变化率。

J=P

d T

dt

?

热释电材料的自极化强度与温度有关，热电系数在居里温度处有最大值。

2.2热释电探测器的原理

热释电探测器是基于热释电效应测量红外辐射的光热电转换器。其内部等效模型如图1所示：

d C 表示等效电容，d R 表示等效电阻，P 为光辐射功率，s I 为热释电电流。

当辐射功率为L 的光照射在灵敏元件的光敏面，元件产生电流式中

s I =A ζdT/dt ，式中A 为电极面积，ζ为热释电系数，dT/dt 为入射光引起灵敏元

件的温度变化。可见对于恒定的光照，s I =0。所以探测恒定的入射功率时，必须

用斩波器。

探测器输出信号瞬时电压表示为s V =s R ?P=221/2221/2T e (1)(1)

A R P G εωζωτωτ??+?+ (1) 式中s R 为探测器的响应率；P 为元件接收的辐射功率；ε为光敏面对辐射的吸收率；ω为斩波频率；R 为电阻，其大小等于探测器内部等效电阻d R 和探测器的负载电阻g R 并联阻值；e τ为系统电时间常数，大小为e τ=RC ，C 表示探测器等效电容d C 与负载电容之和；T τ为探测器的热时间常数，其大小T τ=H/G ，其中H 为探测器的热容，G 为敏感元件向周围空间总热导。

s R 与ω和g R 的关系曲线如图2所示。ω和g R 决定了探测器的工作点。图中响应率s R 单位为：V ／W ，斩波频率单位为：Hz 。

由公式（1），当ω=0，则s V =0，所以热释电探测器的输入光必须是辐射脉冲。红外气体分析主要是用于能量测量，即探测器输出电压函数U(t)∝

00()P t dt τ?，

其中P(t ）是输入光功率函数，0τ是辐射脉冲宽度

0τ=2πηω

其中η是斩波器一个工作周期内，通光时间与工作周期的比值。

当T τ>e τ>0τ,辐射脉冲产生的电压是一段时间内的积分值，大小表示为

V （t ）=A HC

εζ00()P t dt τ?

2.2热释电探测器使用特点 由以上分析可知，热释电探测器有以下特征：

（1）热释电探测器只对温度的变化有响应，所以只能作为交流器件使用。

（2）热释电探测器光谱响应与热释电晶体、灵敏元电极涂层和窗口材料有关系。适当选择涂层材料，热释电探测器可以探测!($"’!!!#)的波段。在实际应用过程中，由于热释电晶体材料、灵敏元电极涂层光谱范围很宽，所以热释电探测器光谱响应范围主要由窗口材料决定。

（3）它可以在室温下工作，不需要致冷系统，而且响应率受环境温度变化不是很明显。

（4）它可以制成大面积的热释电薄膜阵列探测器。

（5）易于大批量生产，成本较低。

2.3热释电探测器的结构

热释电薄膜红外探测器自下而上由硅衬底、绝热结构、下电极、热释电层、上电极和吸收层组成。复合膜结构的探测器在下电极和硅衬底之间加入低热导率的多孔51久，作为绝热层，如图3所示

图3：复合膜结构

采用PT 薄膜制备热释电红外探测器的主要工艺步骤如下:

a)在Si基片上沉积

i S N层;

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b)溅射沉积

SiO:层;

2

C)溅射沉积底电极(Pt/Ti);

d)等离子刻蚀底电极;

e)热释电盯薄膜沉积;

f)光刻法刻蚀薄膜;

g)溅射沉积上电极和红外吸收层。

h)化学或电化学腐蚀Si以形成微桥。

热释电薄膜红外探测器的灵敏度主要取决于材料热释电系数和像衬底热阻。热阻越大，灵敏度就越高。目前国内外普遍采用热绝缘措施有:

(1)像元/衬底间镂空结构。该措施无疑是效果最佳的，但工艺复杂，且像元能承受的加速度有限;

(2)

i S N和SiC等热导率低的无机材料作为热阻;

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(3)孔隙率达95%以上的Si气溶胶(aerogel)作为绝热和支撑材料.将来可以考虑以兼容性很强的有机/无机复合材料来作为热阻。除了上面提到的方法外，还可采用硼掺杂自动终止腐蚀技术以及在MgO衬底上制备灵敏元，经悬空装配后再将MgO衬底去除等方法制备微桥结构。

热释电薄膜红外探测器通常制作在硅衬底上，但是硅衬底的热导率很高，导致大量的热散失，产生严重的温度噪声并降低了探测器的响应率和灵敏度。为了

减小通过衬底的热散失，可以在探测器的衬底和敏感元之间加入不同厚度的绝热层，也可以采用微桥结构。

2.4 热释电探测器的噪声分析与抑制

图4:热释电探测器等效电路

前置放大器的噪声主要由输入级贡献，3个独立的噪声源限制了大部分探测器的敏感性。

系统的噪声主要包括有探测器的Johnson噪声、1／f噪声、放大器的电压和电流噪声等。Johnson噪声(即热噪声)是由探测器材料中的电荷载流子(自由电子)的随机热运动而产生的。要减小Johnson噪声带来的影响，应尽量缩短热释

电探测器和前置放大器之间的距离，以减少外界热干扰，并在前置放大电路中串人低通滤波电路，限制噪声带宽。

同时，在探测器材料表面能态上会产生载流子的产生与复合而引起相关噪声，即1／f噪声，它是所有线性器件固有的随机噪声。1／f噪声也通常发生在两个导体的连接处，这是由于接触的不完全造成了电导率的微小起伏。1／f噪声是工频低于200Hz时的主要噪声源。1／f噪声还与输入的电流有关。在低频区域，随着偏压的增大，通过探测器的电流也增大，探测器的低频1／f噪声也相应增大。可以通过改善探测器材料表面结构和电接触点的不完善之处，提高探测器的工艺水平，减小器件的暗电流是降低器件低频噪声的重要途径。

热释电探测器需要实现阻抗匹配才能有效输出信号，在对低频小信号放大时，JFET具备了良好的噪声性能，而且具有输人阻抗大、输入电流小的特点，因此选用JFET来实现对探测器的阻抗变换。热释电探测器为高阻抗、电容性器件，高阻抗特性带来了额外的电压和电流噪声，在低噪声放大器应用中为了降低这种噪声，放大器的工作点应设置在小电流的区域，使电压、电流噪声频率尽可能远离信号频率，以便采用滤波电路去除。

第三章

3.1电路设计

在红外探测系统中，通过选择合适的有源器件和无源器件，并采用低噪声前

置放大电路来实现噪声指标要求，达到对红外低频小信号放大的目的。

有源器件的选择主要从源电阻Rs 和频率范围来考虑。热释电探测单元通过阻抗匹配后的电阻为几百千欧，在初级放大电路中，选用高输入阻抗、低漏电流、频率响应好的结型场效应管；电容器则用低频特性好、性能稳定的钽电容；电阻选用金属膜电阻，以满足低噪声、电阻容差小的要求。

前置放大器的噪声主要由初级放大电路输入端贡献，在初级放大时有效地滤除噪声将直接影响到次级放大电路的性能、后续电路的处理以及红外探测信号提取。因此，初级放大电路在很大程度上决定了整个前置放大电路的性能。

图5为常见的初级前置放大电路，其中1R ,2R ,4R 为偏置电阻。电容s1C 蜘电抗很小，s1R 被s1C ，旁路，对信号没有影响，但1R ,2R 产生的热噪声和过剩噪声

会使放大电路的噪声增加，影响前置放大器的低频性能。

图5：初级前置放大电路

为了降低前置放大电路的噪声，本文提出如图6所示的初级前置放大电路。该电路在1R ,2R 和场效应管的栅极之间增加一个电阻g1R 和g1C 。同时，采用一个场效应管2J 替代图5中的漏极偏压电阻4R ，信号从4R 和2J 的漏极电阻5R ，之间输出给次级电路处理。

在图6中，通过选择适当大小的g1R 和g1C ，使g1C 电抗小于2R ，这样，偏置电阻1R 及2R 产生的高频噪声可以通过g1C 旁路，从而不会通过场效应管，从而噪声不会被放大。另二方面，将场效应管1J 的漏极与另一场效应管2J 的源极相接，作为恒流源代替图5中的漏极偏压电阻4R ，这样减小了漏极电阻及漏电流带来

图6：改进后的初级前置放大电路

的噪声影响，从而使该前置放大电路的噪声大幅度减小。

由于在初级放大电路中的输出阻抗很大，为了使信号完全加载在次级放大电路的输入端，减小信号的损失，故在次级放大电路中，本文提出采用高放大倍数的BJT，并用共集接法，使输入输出阻抗达到最佳匹配，同时串接窄带滤波电路，限制噪声带宽。

3.2仿真

本文运用Pspice9．2软件设计并制作了电路原理图，并对如图3所示的前置放大电路进行了仿真分析。仿真时，在信号输入端采用与红外探测信号相符合的正弦交流电压源，幅值为10μV，分析频率为1 Hz～1 kHz，采用Pspice中的交流分析，前置放大电路的频率响应带宽(即3 dB带宽)的测试结果如图7所示。

由图7可见，前置放大电路的中心频率约为35Hz，低频端的-3 dB截止频率约为15 Hz，高频端的-3 dB截止频率约为91 Hz，3 dB带宽约为76 Hz。测试结果表明前置放大电路符合对红外低频小信号放大的要求。

本文采用Pspice的时域分析法对0—250 ms段的信号输出进行时域分析，在输入端施加幅值为10μV、频率为35 Hz的正弦电压信号源来等效红外输入电压信号。噪声通常是用多个串联在输入端的电压源或电流源来等效，本文选用频率分别为5Hz，10 Hz，20 Hz，40 Hz、80 Hz，150 Hz，300 Hz、500Hz、l kHz、10 kHz、20 kHz的正弦电压源来等效总输入噪声，图5和图6所示电路的噪声电压幅值可以采用噪声等效电压方法p1计算得到，分别为3．5μV和2μV。

图7：置放大电路的频率响应带宽

图8：一般前置放大电路等效输入输出电压信号

从图8中可以看出，图5所示的一般前置放大电路的输出波形失真严重。在100～150 ms时间段，已经不能分辨信号的周期性，信号幅值减小，低频特性差，同时输出信号中还含有大量的高次谐波，其电路的增益为53．90～57．50 dB，输181.72。从图9中可以看出，改进后前置放大电路的输出波

出信号相位滞后o

图9：改进设计输入输出电压信号

形与信号输入波形基本相同，低频响应特性较好，失真小，其增益为54．15～58．22dB，输出电压信号相位滞后o

187.53。对比图8和图9可以看出，改进后的前置放大电路对噪声有较好的抑制性能，输出信号有明显改善，提高了信号的增益，达到了滤除噪声、放大低频小信号的目的。

第四章

总结：

本文系统的讲述了热释电探测器的原理，结构，特点等。还对热释电探测器的噪声主要来源进行了分析，并提出了有效抑制噪音的具体方案。针对一般前置放大电路低信噪比问题，设计了新型低噪声、高增益的前置放大电路，并对两种电路做了仿真对比。仿真结果表明，本文所设计的前置放大电路具有失真小、低频响应特性好、增益高的特点，能有效滤出各种噪声，放大红外低频小信号。