光电传感技术论文热释电探测器与应用.doc

. . 光电传感技术 热释电探测器及其应用 院系 电子工程学院光电子技术系 班级 光信息0802 姓名　 xxxx　　　　　　　　　　　　　　 学号 xxxxx　　　　　　　 班内序号　　08　　　　　 考核成绩　　　　　　　　 摘要 论述了热释电电探测器的结构及工作原理。推导出热释电电流.电流响应率.电压响应率的解析表达式.介绍了热点是探测器的红外探测.图像装置及其他应用.推导了热点是探测器在线开关和离走开关的工作原理、电路设计及应用。对热释电材料进行了分类.对热释电材料、热释电传感器、热释电探测器的性能作了介绍。 关键词 热释电探测器、在线开关、离走开关、热释电材料。 热释电探测器是本世纪70年代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、自动门风诸多领域。1. 热释电传感器 热释电探测器的结构由热释电晶体、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． 热释电探测器具有自极化效应.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.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 （1） 称热电系数.用P表示.这样.可表示为 （2） 入射辐射是角频率为 的正弦调制光.功率幅度为.该辐射可表示为. 探测器吸收率为n．此时.探测器温度上升量由下式确定 （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.得 （4） 因此热释电晶体产生的电流可表示为 （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 （A/W） （6） 当时.(6)式简化为 (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 （8） 决定R.的材料参数可定义为材料电流响应度.这样 （9） 因此对一定材料的探测器.可通过选择.来设计电流响应度。 （8）式指出.当调制频率 时.电流响应度与调制频率无关.但它跟热释电材料的厚度成反比． 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 （10） 其中 . 分别为热释电元的等效电容、等效电导. 当 时.上式简化为 (11) 由此可知. 与调制角频率 及探测器的电容成反比.可写为 （12） 2 热释电传感器的材料选择及原理 2.1热释电材料的选择 热释电材料的发现较早.可追溯到2300年前.但最近20年来它们才被广泛应用.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． 目前.热释电材料主要可分为单晶材料和金属氧化物陶瓷及薄膜材料。晶体的自发极化随温度发生的变化是其热释电效应的来源。 采用具有低电学噪声特性、优异的频率特性的热释电材料制作的具有优异性能的热释电红外探测器和热释电-铁电非致冷红外焦平面阵列探测范围宽、可在室温下工作、成本低!易于小型化、易于推广应用.正好补偿了光量子探测器及其红外焦平面阵列探测范围