热释电探测器及其两种新应用VIP免费

一衫1994年9月第17卷第3期北京邮电大学学报JournalofBeijingUniversityofPostsandTelpt．1994V0I．17N0．3热释电探测器及其两种新应用贺风成徐大雄王本／、㈣，^，，V。‘，、l／摘要论述了热释电探测器的结构及工作原理，推导出热释电电流、电瘴响应率、电压响应率的解析表达式．介绍了热释电探测器的红外探测、图象装置及其它应用，报导了热释电探测器在线开关和离走开关的工作原理、电路设计及应用．关键词热电誊耋；皂堑茎分类号TN215；TN219撕也，精叫爱热释电探澳I器是本世纪7o年代以来迅速发展起来的新型探测器，这种探测器具有室温工作、不需制冷、光谱响应无波长选择性、探测度高等特点，现已广泛应用于入侵报警、火灾报警、气体分析、自动门篆诸多领域．1热释电探测器热释电探测器的结构如图1所示．由热释电晶体、电极、吸收层、底衬、FET和负载电阻组成．吸收层上方的硅窗口材料只允许特定波段的红外辐射入射到吸收层上．t坦底村硅窗口墒热释电元枇剂负拽屯m和FET探红外辐射r一——]I7融逮曲茜l固园[]田1／／，l一{圉1热释电探测器的结构图2热释电效应热释电探澳I器具有自极化效应，晶体处于低于Curie温度的恒温环境时，其自极化强度保持不变，即极化电荷面密度保持不变，这些电荷被空气中的带电离子中和，如图2所示．当红外辐射入射晶体，被晶体吸收后，晶体温度升高，自极化强度变小，即电荷面密度变小．这样，晶体收蔷日期{1993-07—16㈠㈡一维普资讯http://www.cqvip.com第3期贺凤成等：热释电探测器及其两种新应用表面存在多余的中和电荷，这些电荷以电压或电流的形式输出，该输出信号可用来探测辐射．相反，当截断该辐射时，晶体温度降低，自极化强度增大，有相反方向的电流或电压输出、若在dt时间内，热释电晶体温度变化dAT所引起的极化强度变化为dP，则与极轴垂直的晶体表面产生的电流面密度可表达为，一dt—dAT(1)√一一百(1)dP／dAT称热电系数，用P表示，这样，，可表示为，一pdAT(2)入射辐射是角频率为的正弦调制光，功率幅度为H厂0，该辐射可表示为Ⅳ(f)一W。e，探测器吸收率为n．此时，探测器温度上升量AT由下式确定口Ⅳ(f)一cd百AT+GATnWQe—CddAT+GAT(3)其中，C为晶体的热容量，G为晶体与周围环境的热导率，用Lap1ace变换方法解方程并利用初始条件f—O，AT=0得△丁()一丽aWoe(4)’’因此热释电晶体产生的电流可表示为一pA一(5)式中，A为电极面积．1．1电流响应度电流响应度定义为探测器的输出信号电流与入射光功率之比，它可表示为I一一丽(A／W)G11／2(6)(+硪)⋯当》1h时，(6)式简化为R』一pAa(7)(7)式在频率为几Hz已经成立，因此它通常作为R，的表达式．用d表示晶体厚度，f表示比热，则上式可写为R，一pa(8)决定R，的材料参数可定义为材料电流响应度R，m—p／c，这样R，一R，詈(9)因此对一定材料的探测器，可通过选择n，d来设计电流响应度．(8)式指出，当调制频率1／时，电流响应度与调制频率无关，但它跟热释电材料的维普资讯http://www.cqvip.com北京邮电大学学报厚度成反比．1．2电压响应度电压响应度定义为探测器的输出信号电压与入射光功率之比，它可表示为W—oWo(G,+j~Cd)一Gd+jn．IRvl一丽下舞而其中，C，分别为热释电元的等效电容、等效电导，=Cd／G，r=c／c当礁》1，。《》1时，上式简化为=爰=由此可知，R与调制角频率及探测器的电容成反比，ca可写为c=(10)(12)2热释电探测器的应用热释电材料的发现较早，可追溯到2300年前，但最近2o年来它ff1才被广泛应用一些与热释电探测器应用相关的重要特性如下：1)热释电材料对其温度变化响应，而不是对温度本身响应；2)它们几乎可探测任何波长的辐射，从软性x射线到远红外，甚至粒子；3)用光学滤波器可设计不同工作波长的探测器；4)材料呈电容性，热损极小，不需致冷；5)介质本身的热噪声占主导地位，因此有些热释电材料的信噪比较低；6)用Czocharlski方法可制出廉价的热释电晶体．下面介绍热释电探测器目前的一些应用：1．红外探测；火灾报警、气体分析、入侵报警、光热探测、污染探测、位置传感、太阳能电池研究和工程分析．2．图象装置：森林火警探测、热释电光导摄象管、生物医学图象及自然资源监控...