第三章 非制冷红外焦平面阵列原理.ppt

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1、第三章非制冷型红外焦平面阵列原理§3.1热绝缘结构的重要性§3.2主要热探测机制§3.3重要限制§3.4讨论电阻变化（辐射计）热电结（TE传感器）热释电效应气体压力变化…等红外辐射引起的温度变化可由以下方式测得:支撑衬底面积A传感器支撑腿信号辐射§3.1热绝缘结构的重要性1.热红外传感器的基本结构1）热量敏感区沿支撑物向衬底;2）相邻像素之间横向热流通；3）如果阵列没有固定在一个抽空的封装盒里，热量会流向周围的大气。热传导：2.热传递的三个方式热对流：热辐射：§3.1热绝缘结构的重要性支撑结构具有三项功能：热机械支撑热传导路径电子传导路径两种类型的支

2、撑结构：倒装焊方式隔板结构3.支撑结构(1)倒装焊方式图3.２Ｔaxas公司热释电探测器装置结构。BST,钛酸锶钡(2)隔板结构图3.3Honeywell的单片微辐射计像素结构。ＩＲ，红外热容：C，支撑的热传导：G，热辐射调制红外光功率幅度为P0，入射吸收率：，调制光的角频率(设为正弦辐射）：ω，温度增加：△T,则热流量公式:4.热流量公式(温度变化方程）内能的增加热传导吸收的辐射功率定义为热响应时间：1962年Kruse给出电阻测辐射热计的解:4.热流量公式当t>>τ时：幅值：与吸收率成正比，随增加，温升下降讨论：4.热流量公式当t=τ时，

3、T上升到稳定值的63％，故τ被称为热时间常数合理的设计一个热探测器：（1）设计一个隔热性很好的支撑结构，使热导G最小化；（2）选择响应率较高的探测器及材料（3）敏感元件的热容C(J/℃),必须足够低以满足响应时间的需要.§3.2主要热探测机构电阻测辐射热计热电探测器和铁电探测器温差电探测器假定电阻性辐射计吸收红外辐射温度增加△Ｔ足够小，以保证电阻变化△Ｒ与△Ｔ线性：3.2.1、电阻测辐射热计当辐射光入射后温度增加，引起电阻值发生变化的一种装置。1.电阻温度系数即：典型的参数为：金属：α＝0.002（℃）－１半导体：α=-0.02（℃）－１超导体：α＝

4、2.0（℃）－１1.电阻温度系数假定输出信号ＶＳ，则ＶＳ＝ibΔR=ibαRΔT2.响应率Ｒ（灵敏度）定义：输出信号（电压或电流）与输入辐射功率之比。温度增加量△Ｔ：有：响应率：2.响应率Ｒ正比于电阻温度系数，反比于热导。定义：黑体温度变化时，引起阵列输出的信噪比以及读出电路信号最小单位的变化，此温度变化量称为噪声等效温差。3.噪声等效温差（NETD）F:光学系统的光圈数；A:像素面积；VN:电子噪声；τ0:透射率；:响应率；（P/T）1～2:黑体在温度T下，从1到2范围内，每单位面积上的功率变化量。（P/T）3-5=2.1010

5、-5W/cm2K（P/T）8-14=2.6210-4W/cm2K295K的黑体：3.2.2.热电探测器以及铁电辐射计1.热释电效应温度极化强度图3.4电介质的极化曲线图3.5热释电效应2/1220)1(twwh+=GAPpISA是像素探测面积，p为热电系数，是工作温度区域内极化对温度的曲线的斜率。热释电电流IS的大小由下式给出：2.响应率3.2.2.热电探测器以及铁电辐射计3.2.2.热电探测器以及铁电辐射计因为热电探测器是电容性的，其性质显示出电容Ce和损失电阻R，热电信号电压VS：热电探测器的响应率为：2/1222/122)1()1(twt

6、whw++=ÂeGpAR2.响应率2/1220)1(twwh+=GAPpIS3.2.2.热电探测器以及铁电辐射计2.响应率例如，在30Hz下，一个损失正切角为0.01的材料电响应时间为0.53s，热响应时间为10ms。2.响应率3.2.2.热电探测器以及铁电辐射计热释电响应率是频率的函数=0时，＝0<1/τe时，与成正比1/τe<<1/τT时，与无关>1/τT时，与成反比3.噪声等效温差2/1222/122)1()1(twtwhw++=ÂeGpAR不外加电压即发生热电效应，加了电压后，存在电场，热电材料显示出极化特性并且延伸到超

7、出正常的居里温度以上的区域，可以获得一个来自于受温度影响的电介质常数的额外的信号分量。4.铁电热辐射效应（场增强热电效应）对于铁电陶瓷材料钛酸锶钡其温度与极化强度以及相对介电常数的关系p0是没有电偏置时的热电系数；ε是介电常数；E是外加电场场强电偏置下的热电系数：3.2.3温差电探测器辐射热电偶HoneyWell温差电TE探测器3.2.3温差电探测器热电信号电压为：VS=N(S1-S2)ΔT其中S1，S2是热电系数（塞贝克系数）。它们的差值称为接点的热电功率。热电像素的响应率为：3.2.3温差电探测器响应率低电阻辐射计热电探测器铁电辐射计温差电探测响

8、应率高高高低偏置是否是否直流响应是否否是斩波器否是是否响应时间C/GC/G，rCeC/G，rCeC/GC/G