微测辐射热计

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1、微测辐射热计红外探测器是广泛地应用于军事、工业、医疗、环境等诸多领域的一类器件，根据探测原理的不同分为光子探测器与热探测器两类。光子探测器基于光电效应，优点是对波长的探测选择性强，信噪比高，响应速度快，因而已深入应用于航天航空、导弹寻的、红外夜视等军事领域。但光子探测器需要低温工作，必须配备昂贵且笨重的制冷设备，高成本和难以小型化的缺点制约着其向民用领域的扩展。热红外探测器基于热敏材料吸收红外辐射产生的热效应，根据热效应的机制不同又分为微测辐射热计、热释电和热堆三种类型。它们的最大优点是可以在室温下工作，从而大大降低了器件的体积和成本。近二十多年来，随着焦平面阵列（FPA）、超

2、大规模集成电路和微机电系统（MEMS）以及信息处理等技术的发展，使得非制冷热红外探测器的探测率得到极大提高，响应时间也满足了成像要求，为其在军民两大领域开阔了更广阔的应用前景。1.微测辐射热计的工作原理红外微测辐射热计建立在硅信号读出集成电路（read-outintegratedcircuit,ROIC）之上，以微机械加工技术制备的热传感器为基础。微测辐射热计是一种电阻型热传感器，其工作原理是吸收目标物体发出的红外辐射，在引起热敏材料发生温度变化时，热敏材料的电阻也将发生变化，在外加偏置的作用下产生相应的电学信号输出，然后还原成图像信息。热敏材料可以是金属或半导体。金属温度升高

3、，电阻增加；半导体温度升高，电阻减小。目前为止，最好的微测辐射热计性能，是采用氧化钒半导体作为敏感材料获得的。2.微测辐射热计的性能分析微测辐射热计的重要性能包括电学性能、热学性能、力学性能以及光学性能。主要介绍其热学性能、力学性能以及光学性能。2.1热学性能微测辐射热计的每个探测单元都是一个独立的个体。探测单元模型如图2所示，探测单元包含两条支撑臂，设A为探测单元总面积，A包含支撑臂的面积在内。微测辐射热计实际工作时，只中心敏感薄膜起探测作用，支撑臂并无探测作用，敏感薄膜的面积即为有效探测面积，设为AD。填充因子β为有效探测面积与总探测面积的比值，即AD/A。探测单元敏感薄膜

4、的上表面吸收红外辐射，下表面与反射层之间形成光学谐振腔，通过热辐射交换热，故探测单元总有效探测面积为2AD。微测辐射热计的热导定义为单位温度变化时的热功损耗，设温度为T，W为T时的热功损耗，G为热导，则G=dW/dT。图2微测辐射热计探测大单元模型图微测辐射热计通过三种方式进行热传导。1、传导方式：单个探测单元中，敏感薄膜吸收的热量从桥面经桥腿传向衬底；相邻探测单元中存在微小的热传导；探测单元若不进行真空封装中，则与周围大气存在热量传导。2、对流方式：探测单元若不进行真空封装，则与周围大气之间的热损耗是传导方式而不是对流方式，所以对流方式作用非常微弱。3、辐射方式：热量从探测单

5、元向四周环境辐射，同时环境也向探测单元辐射。大多数微测辐射热计都进行真空封装，目的是降低通过对流方式和与大气之间的传导方式而产生的热损耗，所以探测单元的热损耗只存在与环境之间的辐射方式和经过桥腿的传导方式。从微测辐射热计的工作原理中，我们知道微测辐射热计吸收热辐射并将其转化为温度的变化，因此我们建立辐射吸收模型进行分析。辐射吸收模型简图如图3所示，微测辐射热计封装在温度为Tp的外壳内，目标发出辐射经过光学系统和光学窗口，汇聚在微测辐射热计表面。设光学窗口与探测表面之间形成的立体角为Ω，半锥角为θ，探测表面接收的入射辐射为Pt，则：图3微测辐射热计辐射吸收模型2PLAsin

6、（1）tD式中，L为辐射率（Radiance），也称为辐射亮度，它表示辐射源在某一方向上的单位投影表面在单位立体角内的辐射通量。Pt用立体角Ω表示为：22PtLADLAD/4Fno（2）2式中，200sindd21cos（3）F1/2sin（4）no设P为微测辐射热计吸收的辐射功率，则：ADPL（5）24Fno根据普朗克辐射定律，有：22dL2hc（6）t51exphc/kT1t式中，Tt为目标温度；εt为目标发射率；λ1和λ2为起止波长。结合以上结果，目标温度温度

7、变化dTt时，可以算出探测器接收的辐射变化dL和探测器产生的温度变化dT，从而可以计算出探测器的最小可分辨温度（MinimumResolvableTemperatureDifference,MRTD）：dTdTdPt1ADdL（7）2dTdPdTG4FdTtttnot下面建立微测辐射热计的热学模型进行热学分析。典型的微测辐射热计的热学模型如图4所示，设G为单个探测单元的总热导，C为温度T时的热容，Ts为衬底温度，Gleg为桥腿热导，Grad为探测器与四周环境之间辐射产生的热导。