【正文】 65℃ ， D*（ 500， 1， 1）高達 7 108cmHz1/2W－ 1。此外，這種熱釋電器件容易制造，成本低廉。 4. 壓電陶瓷熱釋電器件 有機聚合物熱釋電材料的導(dǎo)熱小，介電常數(shù)也??；易于加工成任意形狀的薄膜；其物理化學(xué)性能穩(wěn)定，造價低廉； 雖然熱釋電系數(shù) γ不大，但介電系數(shù) ε也小，所以比值 γ／ ε并不小。在聚合物熱釋電材料中較好的有聚二氟乙烯（ PVF2）、聚氟乙烯（ PVF）及聚氟乙烯和聚四氟乙烯等共聚物。利用 PVF2薄膜已得到 D*（ 500， 10， 1）達108cmHz1/2W－ 1。 5. 聚合物熱釋電器件 由于熱釋電器件的輸出阻抗高，因此需要配以高阻抗負載，因而其時間常數(shù)較大，即響應(yīng)時間較長。這樣的熱釋電器件不適于探測快速變化的光輻射。即使使用補償放大器，其高頻響應(yīng)也僅為 103Hz量級。 近年來發(fā)展了快速熱釋電器件?？焖贌後岆娖骷话愣荚O(shè)計成同軸結(jié)構(gòu)，將光敏元置于阻抗為 50Ω的同軸線的一端，采用 面電極結(jié)構(gòu) 時，時間常數(shù)可達到 1ns左右，采用 邊電極結(jié)構(gòu) 時，時間常數(shù)可降至幾個 ps。圖 521所示為一種快速熱釋電探測器的結(jié)構(gòu)原理圖。光敏元件是 SBN晶體薄片，采用邊電極結(jié)構(gòu)，電極 Au的厚度為 ，襯底采用 Al2O3或 BeO陶瓷等導(dǎo)熱良好的材料。輸出用 SMA/BNC高頻接頭。這種結(jié)構(gòu)的熱釋電探測器的響應(yīng)時間為 13ps， 6. 快速熱釋電探測器 其最低極限值受晶格振動弛豫時間的限制，約為 1ps。不采用同軸結(jié)構(gòu)而采用一般的管腳引線封裝結(jié)構(gòu)，熱釋電探測器的頻響帶寬已擴展到幾十兆赫。快速熱釋電器件常用來測量大功率脈沖激光，需要能承受大功率輻射，為此應(yīng)選用損傷閾值高的熱釋電材料和高熱導(dǎo)的襯底材料制造。 常見熱釋電紅外傳感器的外形 典型熱釋電器件 如圖 522所示為典型 TGS熱釋電器件。把制好的 TGS晶體連同襯底貼于普通三極管管座上，上下電極通過導(dǎo)電膠、銦球或細銅絲與管腳相連，加上窗口后構(gòu)成完整的 TGS熱電探測器件。 為了降低器件的總熱導(dǎo)，一般采用熱導(dǎo)率較低的襯底。管內(nèi)抽成真空或充氪氣等熱導(dǎo)很低的氣體。為獲得均勻的光譜響應(yīng)，可在熱釋電器件靈敏層的表面涂特殊的漆，增加對入射輻射的吸收。 它對聲頻振動很敏感，入射輻射脈沖的熱沖擊會激發(fā)熱釋電晶體的機械振蕩，而產(chǎn)生壓電諧振。這意味著在熱釋電效應(yīng)上疊加有壓電效應(yīng)，產(chǎn)生虛假信號，使探測器在高頻段的應(yīng)用受到限制。 為防止壓電諧振，常采用如下方法：（ 1）選用聲頻損耗大的材料，如 SBN，在很高的頻率下沒有發(fā)現(xiàn)諧振現(xiàn)象；（ 2）選取壓電效應(yīng)最小的取向；（ 3）探測器件要牢靠地固定在底板上；例如可用環(huán)氧樹脂將 LiTaO3粘貼在玻璃板上，再封裝成管，會有效地消除諧振；（ 4）熱釋電器件在使用時，一定要注意防震。顯然，前兩種方法限制了器件的選材范圍，第 3種方法降低了響應(yīng)度和比探測率。為了提高熱電器件的靈敏度和信噪比，常把熱釋電器件與前置放大器（常為場效應(yīng)管）做在一個管殼內(nèi)。如圖523所示為一種典型的熱釋電探測器與場效應(yīng)管放大器組合在一起的結(jié)構(gòu)圖。由于熱釋電器件本身的阻抗高達 1010~1012Ω，因此場效應(yīng)管的輸入阻抗應(yīng)高于 1010Ω，而且應(yīng)采用具有較低噪聲，較高跨導(dǎo)（ gm2 000）的場效應(yīng)管作為前置放大器。引線要盡可能的短，最好將場效應(yīng)管的柵極直接焊接到器件的一個管腳上，并一同封裝在金屬屏蔽殼內(nèi)。 帶有場效應(yīng)管放大器的熱釋電器件的等效電路如圖 524所示。其等效輸出阻抗 Z、電流和電壓靈敏度等參數(shù)如 ，與工作頻率等參數(shù)有關(guān)。 熱釋電傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 熱探測器共同特點是，光譜響應(yīng)范圍寬，對于從紫外到毫米量級的電磁輻射幾乎都有平坦的響應(yīng)，而且響應(yīng)度都很高，但響應(yīng)速度較低。所以熱探測器對于交變光輻射又是一類窄帶響應(yīng)器件。在熱探測器中最受重視的是熱釋電探測器。它除具有一般熱探測器的優(yōu)點外，還具有探測率高，時間常數(shù)小的優(yōu)點。 熱探測器概述 熱釋電感應(yīng)燈 熱釋電傳感器 自動感應(yīng)燈 （參考施特朗公司資料） 熱釋電傳感器在智能空調(diào)中的應(yīng)用 智能空調(diào)能檢測出屋內(nèi)是否有人，微處理器據(jù)此自動調(diào)節(jié)空調(diào)的出風量，以達到節(jié)能的目的。 空調(diào)中，熱釋電傳感器的菲涅爾透鏡做成球形狀，從而能感受到屋內(nèi)一定空間角范圍里是否有人，以及人是靜止著還是走動著。 上下范圍 左右范圍 熱輻射探測器通常分為哪兩個階段？哪個階段能夠產(chǎn)生熱電效應(yīng)？ 答 : 第五章 習(xí)題 第一階段是將入射到器件上的 輻射能 轉(zhuǎn)換成 熱能 ，第二階段是把熱能轉(zhuǎn)換成 電能 的器件。 第二階段能夠產(chǎn)生熱電效應(yīng) 熱敏電阻的靈敏度與哪些因素有關(guān)？ 答 : 熱敏電阻的靈敏度與下面幾個因素有關(guān)： ①偏壓 Ubb ； ②吸收率 a； ③冷阻 RT和熱阻 Rθ； ④頻率 ω和時間常數(shù) τθ 、熱導(dǎo)和熱阻的物理意義，熱慣性用哪個參量來描述？它與 RC時間常數(shù)有什么區(qū)別？ 解 : 熱容 Cθ——物體每升一度內(nèi)能的增加 熱導(dǎo) G——器件與環(huán)境的熱傳導(dǎo)系數(shù) 熱阻 Rθ ——物體吸收單位輻射功率所引起的溫升。 dTd ΦG e?Rθ = 1/G 熱阻與熱導(dǎo)互為倒數(shù) ?? aTR ??ａ是吸收系數(shù) 熱慣性用熱阻表示。 ???? CR?由 可見， Rθ是影響時間常數(shù)的重要因素 數(shù)？何謂熱敏電阻的“冷阻”與“熱阻”？ 答 : 半導(dǎo)體材料對光的吸收除了被晶格吸收和自由電子吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芡?，還有產(chǎn)生光生載流子的本征吸收和雜質(zhì)吸收，前者使電阻增加，后者使電阻減小，而 熱敏電阻 主要是產(chǎn)生光生載流子使電阻減小，所以 電阻溫度系數(shù)是負的。 熱阻 Rθ—— 冷阻 RT—— 熱敏電阻在某個溫度下的實際電阻值 物體吸收單位輻射功率所引起的溫升 熱釋電器件為什么不能工作在直流狀態(tài)？工作頻率等于何值時熱釋電器件的電壓靈敏度達到最大值？ 答 : 當紅外輻射照射到熱釋電器件時，引起溫度升高，表面電荷減少，相當于熱“釋放”了部分電荷。釋放的電荷可用放大器轉(zhuǎn)變成電壓輸出。如果輻射持續(xù)作用，表面電荷將達到新的平衡，不再釋放電荷，也不再有電壓信號輸出。因此，在恒定輻射作用的情況下輸出的信號電壓為零。只有在交變輻射的作用下才會有信號輸出。 電壓靈敏度 Sv是 ω的函數(shù)，對其求導(dǎo)便得最大 Sv時的ω值。 為什么熱釋電器件的工作溫度不能在居里點？當工作溫度遠離居里點時熱釋電器件的電壓靈敏度會怎樣？工作溫度接近居里點時又會怎樣？ 答 : 在居里點以下，極化強度 PS是溫度 T的函數(shù)。 熱釋電器件是 利用這一關(guān)系制造的。而到了居里點PS =0，不再是溫度的函數(shù)，自然熱釋電器件就失效。 溫度遠離居里點 PS與 T的關(guān)系是非線性的，且變化不明顯，電壓靈敏度就降低。溫度接近居里點時電壓靈敏度就變大。 思考題與習(xí)題 5 熱輻射探測器通常分為哪兩個階段 ？ 哪個階段能夠產(chǎn)生熱電效應(yīng) ？ 試說明熱容 、 熱導(dǎo)和熱阻的物理意義 ， 熱慣性用哪個參量來描述 ？ 它與 RC時間常數(shù)有什么區(qū)別 ？ 熱電器件的最小可探測功率與哪些因素有關(guān) ？ 為什么半導(dǎo)體材料的熱敏電阻常具有負溫度系數(shù)？何謂熱敏電阻的 “ 冷阻 ” 與 “ 熱阻 ” ？ 一熱探測器的光敏面積 Ad＝ 1mm2， 工作溫度 T = 300K，工作帶寬 Δf =10Hz, 若該器件表面的發(fā)射率 ε =1， 試求由于溫度起伏所限制的最小可探測功率 Pmin(斯特潘 波爾茲曼常數(shù)σ = 1012Wcm1K4， 波爾茲曼常數(shù) k= 1023JK1) 。 某熱電傳感器的探測面積為 5mm2，吸收系數(shù) α =，試計算該熱電傳感器在室溫 300k與低溫 280k時 1Hz帶寬的最小探測功率 PNE、比探測率與熱導(dǎo) G。 如果熱探測器的熱容 Cθ=107JK1，試求在 T=300K時熱探測器的熱時間常數(shù) τT。（假定熱探測器只通過輻射與周圍環(huán)境交換能量）。 如果熱探測器的光敏面積 Ad＝ 1mm2，試求在熱探測器溫度分別為 77K和 300K條件下本振光所產(chǎn)生的散粒噪聲等于熱噪聲時的本振光功率。 已知 TGS熱釋電探測器的面積 Ad＝ 4mm2， 厚度 d為， 體積比熱 c’為 cm3K1， 若視其為黑體 ， 求T=300K時的熱時間常數(shù) τT。 若入射光輻射 Pω為 10mW， 調(diào)制頻率為 1Hz， 求輸出電流 （ 熱釋電系數(shù) γ為 108CK1cm2 ） 。