第5章 热辐射探测器件

图5-1所示分别为半导体材料和 所示分别为半导体材料和 金属材料(白金 的温度特性曲线 金属材料 白金)的温度特性曲线。白 白金 的温度特性曲线。 金的电阻温度系数为正值， 金的电阻温度系数为正值，大约为 左右； ±0.37%左右；将金属氧化物 如铜 左右 将金属氧化物(如铜 的氧化物， 镍 钴的氧化物 钴的氧化物)的粉 的氧化物，锰-镍-钴的氧化物 的粉 末用黏合剂黏合后，涂敷在瓷管或 末用黏合剂黏合后，
d(∆T ) ∆Φi = Cθ dt
式中C 称为热容，表明内能的增量为温度变化的函数。 式中 θ称为热容，表明内能的增量为温度变化的函数。
(5-1)
热交换能量的方式有三种；传导、辐射和对流。 热交换能量的方式有三种；传导、辐射和对流。设单位时间 通过传导损失的能量
∆Φθ = G∆T
(5-2)
2
式中G为器件与环境的热传导系数。根据能量守恒原理， 式中 为器件与环境的热传导系数。根据能量守恒原理，器件吸 为器件与环境的热传导系数 收的辐射功率应等于器件内能的增量与热交换能量之和。 收的辐射功率应等于器件内能的增量与热交换能量之和。即
T
5
2. 热电器件的最小可探测功率
根据斯忒番-玻耳兹曼定律，若器件的温度为 ， 根据斯忒番 玻耳兹曼定律，若器件的温度为T，接收面积为 玻耳兹曼定律 A，并可以将探测器近似为黑体(吸收系数与发射系数相等 ，当它 ，并可以将探测器近似为黑体 吸收系数与发射系数相等 吸收系数与发射系数相等)， 与环境处于热平衡时， 与环境处于热平衡时，单位时间所辐射的能量为
Φe = AασT 4
由热导的定义
G= dΦ dΦe = 4 AασT 3 dT
(5-11)
(5-12)
经证明，当热敏器件与环境温度处于平衡时，在频带宽度内 经证明，当热敏器件与环境温度处于平衡时，在频带宽度内, 热敏器件的温度起伏均方根值为
4kT 2G∆f ∆T = 2 2 G Cθ ω 2τ T
常温下热敏器件的最小可探测功率为5× 左右。 常温下热敏器件的最小可探测功率为 ×10-11W左右。 左右 由式(5-14)很容易得到热敏器件的比探测率为 很容易得到热敏器件的比探测率为 由式
D∗ =
( A∆f )
PNE
1 2
α = 5 16σkT
1 2
(5-15)
7
它只与探测器的温度有关。 它只与探测器的温度有关。
8
大部分半导体热敏电阻由各种氧化物按一定比例混合， 大部分半导体热敏电阻由各种氧化物按一定比例混合，经高 温烧结而成。多数热敏电阻具有负的温度系数，即当温度升高时, 温烧结而成。多数热敏电阻具有负的温度系数，即当温度升高时, 其电阻值下降，同时灵敏度也下降。由于这个原因， 其电阻值下降，同时灵敏度也下降。由于这个原因，限制了它在 高温情况下的使用。 高温情况下的使用。
2. 热敏电阻的原理、结构及材料 热敏电阻的原理、
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， 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， 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。 器件温度的上升，即器件的电阻值发生变化。 由于热敏电阻的晶格吸收， 由于热敏电阻的晶格吸收，对任何能量的辐射都可以使晶格 振动加剧，只是吸收不同波长的辐射， 振动加剧，只是吸收不同波长的辐射，晶格振动加剧的程度不同 而已，因此，热敏电阻无选择性地吸收各种波长的辐射，可以说 而已，因此，热敏电阻无选择性地吸收各种波长的辐射， 无选择性的光敏电阻。 它是一种无选择性的光敏电阻 它是一种无选择性的光敏电阻。 9
图5-1
玻璃上烘干，即构成半导体材料的热敏电阻。 玻璃上烘干，即构成半导体材料的热敏电阻。半导体材料热敏 电阻的温度系数为负值，大约为 电阻的温度系数为负值，大约为-3%~-6%，约为白金的 倍以 ，约为白金的10倍以 上。所以热敏电阻探测器常用半导体材料制作而很少采用贵重 的金属。 的金属。
10
一般金属的能带结构外层无禁带，自由电子密度很大，以致 一般金属的能带结构外层无禁带，自由电子密度很大， 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。相反，吸收光以后，使晶格振动加剧，妨碍了自由电子作定 相反，吸收光以后，使晶格振动加剧， 向运动。因此，当光作用于金属元件使其温度升高，其电阻值还 向运动。因此，当光作用于金属元件使其温度升高， 略有增加，也即由金属材料组成的热敏电阻具有正温度系数，而 略有增加，也即由金属材料组成的热敏电阻具有正温度系数， 由半导体材料组成的热敏电阻具有负温度特性。 由半导体材料组成的热敏电阻具有负温度特性。 如图5-2所示为热敏电阻结构示意 如图 所示为热敏电阻结构示意 由热敏材料制成的厚度为0.01mm 图，由热敏材料制成的厚度为 左右的薄片电阻( 左右的薄片电阻(因为在相同的入射辐 射下得到较大的温升 粘合在导热能力 射下得到较大的温升)粘合在导热能力 较大的温升 高的绝缘衬底上， 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， 属电极以便与外电路连接，再把衬底 同一个热容很大、 同一个热容很大、导热性能良好的金 属相连构成热敏电阻。 属相连构成热敏电阻。
5.2 热敏电阻与热电堆探测器
5.2.1 热敏电阻 1. 热敏电阻及其特点
凡吸收入射辐射后引起温升而使电阻改变， 凡吸收入射辐射后引起温升而使电阻改变，导致负载电阻两 端电压的变化，并给出电信号的器件叫做热敏电阻。 端电压的变化，并给出电信号的器件叫做热敏电阻。 热敏电阻 相对于一般的金属电阻，热敏电阻具备如下特点： 相对于一般的金属电阻，热敏电阻具备如下特点： 热敏电阻的温度系数大，灵敏度高， ① 热敏电阻的温度系数大，灵敏度高，热敏电阻的温度系数 常比一般金属电阻大10～ 倍 常比一般金属电阻大 ～100倍。 结构简单，体积小，可以测量近似几何点的温度。 ② 结构简单，体积小，可以测量近似几何点的温度。 电阻率高，热惯性小，适宜做动态测量。 ③ 电阻率高，热惯性小，适宜做动态测量。 阻值与温度的变化关系呈非线性。 ④ 阻值与温度的变化关系呈非线性。 ⑤ 不足之处是稳定性和互换性较差。 不足之处是稳定性和互换性较差。
1 2
(
)
(5-13)
6
考虑式(5-7)，可以求出热敏器件仅仅受温度影响的最小可探测功 ， 考虑式 或称温度等效功率)P 率(或称温度等效功率 NE为 或称温度等效功率
PNE 4kT 2G∆f = α2 16 AσkT 5 ∆f = α
1 2 1 2

d(∆T ) αΦe = Cθ + G∆T dt
(5-3)ຫໍສະໝຸດ 则式(5-3)变为 设入射辐射为正弦辐射通量 Φe = Φ0e jωt，则式 变为
d(∆T ) Cθ + G∆T = αΦ0 e jωt dt
(5-4)
若选取刚开始辐射器件的时间为初始时间，则此时器件与环 若选取刚开始辐射器件的时间为初始时间， 境处于热平衡状态， 境处于热平衡状态，即t = 0,∆T = 0。将初始条件代入微分方程 。将初始条件代入微分方程(54)，解此方程，得到热传导的方程为 ，解此方程，
T
G
可见，减小热导是提高温升和灵敏度的好方法， 可见，减小热导是提高温升和灵敏度的好方法，但是热导与热时 间常数成反比，提高温升将使器件的惯性增大，时间响应变坏。 间常数成反比，提高温升将使器件的惯性增大，时间响应变坏。 很高(或器件的惯性很大 式(5-6)中，当ω很高 或器件的惯性很大 时，ωτ >>1，式(5-7)可 中 很高 或器件的惯性很大)时 ， 可
T
近似为
αΦ 0 ∆T = ωCθ
(5-9)
结果是温升与热导无关，而与热容成反比，且随频率的增高 结果是温升与热导无关，而与热容成反比， 而衰减。 而衰减。 当ω= 0时，由(5-5)式得 时 式
(t ) = αΦ0 (1 − e ∆T
G
−
t
τT
)
(5-10)
T
∆T由初始零值开始随时间 增加,当t∝∞时,∆T达到稳定值。t= τ 由初始零值开始随时间t增加 达到稳定值。 由初始零值开始随时间 增加, ∝ 时 达到稳定值 = 上升到稳定值的63%。故τ 被称为器件的热时间常数. 被称为器件的热时间常数. 时,∆T上升到稳定值的 上升到稳定值的 。
T
为正弦变化的函数。 为正弦变化的函数。其幅值为
∆T = Cθ 1 + ω τ T
2
(
αΦ0τ T
1 2 2
)
(5-7)
可见， 可见，热敏器件吸收交变辐射能所引起的温升与吸收系数成 正比。因此，几乎所有的热敏器件都被涂黑。另外， 正比。因此，几乎所有的热敏器件都被涂黑。另外，它又与工作 频率ω有关 有关， 增高 其温升下降，在低频时(ωτ <<1)，它与热 增高， 频率 有关，ω增高，其温升下降，在低频时 ， 成反比， 导G成反比，式(5-6)可写为 成反比 可写为 αΦ0 ∆T = (5-8) 4
5.1 热辐射的一般规律
热电传感器件是将入射到器件上的辐射能转换成热能， 热电传感器件是将入射到器件上的辐射能转换成热能，然后 再把热能转换成电能的器件。显然， 再把热能转换成电能的器件。显然，信号的形成过程包括两个阶 第一阶段为将辐射能转换成热能的阶段(入射辐射引起温升的 段：第一阶段为将辐射能转换成热能的阶段 入射辐射引起温升的 阶段)，是共性的，具有普遍的意义； 阶段 ，是共性的，具有普遍的意义；第二阶段是将热能转换成各 种形式的电能(各种电信号的输出 的阶段。 各种电信号的输出)的阶段 种形式的电能 各种电信号的输出 的阶段。 1
1. 温度变化方程
热电器件在没有受到辐射作用的情况下， 热电器件在没有受到辐射作用的情况下，器件与环境温度处 于平衡状态，其温度为T 当辐射功率为Φ 于平衡状态，其温度为 0。当辐射功率为 e的热辐射入射到器件 表面时，令表面的吸收系数为α，则器件吸收的热辐射功率为αΦ 表面时，令表面的吸收系数为 ，则器件吸收的热辐射功率为 e; 其中一部分使器件的温度升高， 其中一部分使器件的温度升高，另一部分补偿器件与环境的热交 换所损失的能量。设单位时间器件的内能增量为∆Φ 换所损失的能量。设单位时间器件的内能增量为 i ，则有