热释电检测器件

热释电检测器件（简称热释电器件，也称热释电探测器）是一种利用热释电效应制成的热检测器件，其基本结构可以等效为一个以热电晶体为电介质的平板电容器。与其他热检测器件相比，热释电器件有以下优点。

（1）具有较宽的频率响应，工作频率接近兆赫兹，远远超出其他热检测器件的工作频率。一般热检测器件的时间常数典型值在0.01s～1s范围内，热释电器件的有效时间常数可低至3×10－5s～1×10－4s。

（2）热释电器件的探测率高，仅实验室的气动式探测器的低频D＊比热释电器件的稍高（约1.5倍），但这一差距正在逐步缩小。

（3）热释电器件可以有均匀的大面积敏感面，且工作时可不必外加偏置电压。

（4）与热敏电阻相比，它受环境温度变化的影响较小。

（5）热释电器件的强度和可靠性比其他多数热检测器件都要好，且制作较容易。

但是，由于热释电器件的制作材料属于压电类晶体，因而热释电器件容易受外界振动的影响，并且它只对交变辐射有响应，而对恒定辐射没有响应。

热释电器件近年来发展十分迅速，目前已经获得广泛应用。它不但广泛应用于热辐射和从可见光到红外波段的光学探测，而且在亚毫米波段的辐射探测方面的应用也受到重视，因为其他性能较好的亚毫米波探测器都需要在液氦温度下才能工作，而热释电器件不需要制冷。对热释电材料、器件及其应用技术的研究至今仍极受重视。

5.4.1 热释电器件的工作原理及结构

1.热释电器件的工作原理

对于由内部自由电荷中和表面束缚电荷的时间常数为τ的热释电器件，如果入射辐射是变化的，仅当它的调制频率f＞1／τ时才会有热释电信号输出，即有变化的电压输出。这就是热释电器件的基本工作原理。利用入射辐射引起热释电器件温度变化这一特性，可以探测辐射的变化。

设晶体的自发极化矢量为Ps，Ps的方向垂直于电容器的极板平面，接收辐射的极板和另一极板的重叠面积为Ad，由此引起表面上的束缚极化电荷量为

Q＝AdΔσ＝AdPs 　（5－39）

式中：Δσ为表面束缚面电荷密度。若辐射引起的晶体温度变化为ΔT，则相应的束缚电荷量变化为

式中：γ为热释电系数，γ＝ΔPs／ΔT，其单位为C／（cm2·K）。γ是与材料本身特性有关的物理量，表示自发极化强度随温度的变化率。

在晶体的两个相对的极板上敷上电极，在两电极间接上负载RL，则负载上就有电流通过。由于温度变化而在负载上产生的电流可以表示为

式中：为热释电晶体的温度随时间的变化率，它与材料的吸收率和热容有关，吸收率大，则温度变化率大。

热释电器件产生的热释电电流在负载电阻RL上产生的电压为

可见，热释电器件的电压响应正比于热释电系数和温度的变化率dT／dt，而与晶体和入射辐射达到平衡的时间无关。

对于热释电系数为γ、电极面积为A的热释电器件，其在以调制频率为ω的交变辐射通量Φω作用下的输出电压幅值的表达式为

式中：α为吸收系数；ω为入射辐射的调制频率；γ为热释电系数；Ad为光敏面的面积；R为热释电器件与放大器的等效电阻，R＝RsRL／（Rs＋RL），其中Rs为晶体内部介电损耗的等效阻性负载，RL为负载电阻；G为热释电器件与环境的热传导系数；τe为热释电器件的电路时间常数，τe＝RC，C＝Cs＋CL，其中Cs为晶体内部介电损耗的等效容性负载，CL为外接放大器的负载电容；τT为热时间常数，τT＝CH／G，其中CH为热容。

2.热释电器件的电极结构

根据对性能的不同要求，通常将热释电器件的电极做成如图5－8所示的面电极或边电极。在图5－8（a）所示的面电极结构中，电极置于热释电晶体的上、下表面上，其中一个电极位于辐射灵敏面内。这种电极结构的电极面积较大，电极间距离较短，因而极间电容较大，故不适宜应用于要求响应速度较高的场合。此外，由于辐射要通过电极层才能到达晶体，所以电极对于待测的辐射波段必须透明。

图5－8 热释电器件的电极结构与图形符号

在图5－8（b）所示的边电极结构中，电极所在的平面与辐射灵敏面互相垂直，电极间距较大，电极面积较小，因此极间电容较小，适用于高速应用场合。由于热释电器件的响应速度受极间电容的限制，所以在要求响应速度高时宜采用边电极结构的器件。

热释电器件的图形符号如图5－8（c）所示。

3.热释电器件的类型

在具有热释电效应的大量晶体中，热释电系数最大的为铁电晶体材料，因此铁电晶体以外的其他热释电材料很少被用来制作热释电器件。已知的热释电材料有上千种，但目前仅对其中约十分之一的材料的特性进行了研究。研究发现真正能满足热释电器件制作要求的材料不过十多种，其中最重要的常用材料有硫酸三甘肽（TGS）晶体、钽酸锂（Li Ta O3）晶体、锆钛酸铅（PZT）类陶瓷、聚氟乙烯（PVF）和聚二氟乙烯（PVF2）聚合物薄膜等。无论哪一种材料，都有居里温度。当温度高于居里温度以后，自发极化矢量会减小为零；只有低于居里温度时，材料才有自发极化性质。所以正常使用时，都要使器件工作在离居里温度稍远一点的温度区域。

5.4.2 热释电器件的特性参数

1.电压灵敏度

按照光电器件灵敏度的定义，热释电器件的电压灵敏度Sv为热释电器件输出电压的幅值U 与入射光功率之比。由式（5－43）可得热释电器件的电压灵敏度为

分析式（5－44）可以看出：

①当入射辐射为恒定辐射，即ω＝0时，Sv＝0，这说明热释电器件对恒定辐射不灵敏；

②在低频段，ω＜1／τT或1／τe时，灵敏度Sv与ω成正比，这正是热释电器件交流灵敏的体现；

③当τe≠τT时，通常τe＜τT，在ω＝1／τT～1／τe范围内，Sv为一个与ω无关的常数；

④高频段（ω＞1／τT或1／τe）时，Sv随ω－1变化。所以在许多应用中，式（5－44）的高频近似式为

即灵敏度与信号的调制频率ω成反比。式（5－45）表明，减小热释电器件的等效电容CS和热容CH有利于提高热释电器件在高频段的灵敏度。

图5－9给出了不同负载电阻RL下的灵敏度与频率的关系曲线。由图可见，增大RL可以提高灵敏度，但是，频率响应的带宽变得很窄。应用时必须考虑灵敏度与频率响应带宽的矛盾，根据具体应用条件，合理选用恰当的负载电阻。

图5－9 不同负载电阻下热释电器件的灵敏度与工作频率的关系

2.噪声

热释电器件的基本结构可等效为一个电容器，其输出阻抗很高，所以它后面常接有场效应管，构成源极跟随器的形式，使输出阻抗降低到适当数值。因此在分析噪声的时候，也要考虑放大器的噪声。这样，热释电器件的噪声主要有电阻的热噪声、温度噪声和放大噪声等。

1）热噪声

电阻的热噪声包括晶体介电损耗产生的噪声和来自于与探测器相并联的电阻的热噪声。如果其等效电阻为Reff，则电阻热噪声电流的方均值为

式中：k为玻尔兹曼常数，TR为灵敏单元的温度，Δf为测试系统的带宽。等效电阻为

式中：R为热释电器件的直流电阻，它由交流损耗和放大器输入电阻并联而得到；C为热释电器件的电容Cd与前置放大器的输入电容CA之和。

热噪声电压为

当≥1时，式（5－48）可简化为

式（5－49）表明，热释电器件的热噪声电压随调制频率的升高而下降，并且，增大总电阻R可使噪声电压降低，因此可增大材料的直流电阻、降低材料的介电损耗、增加放大器的输入电阻来减少热噪声。

2）放大器噪声

放大器噪声来自于放大器中的有源元件和无源元件，信号源的源阻抗与放大器的输入阻抗之间的噪声是否匹配也对放大器噪声有影响。如果放大器的噪声系数为F，把放大器输出端的噪声折合到输入端，认为放大器是无噪声的，这时，放大器输入端附加的噪声电流方均值为

式中：T为背景温度。

3）温度噪声

温度噪声是由热释电器件的灵敏面与外界辐射交换能量的随机性而产生，噪声电流的方均值为

式中：A为电极的面积；Ad为光敏区的面积；ΔT2为温度起伏的方均值。

需要指出的是，这种温度无规则起伏的噪声是一种始终存在的不可避免的噪声源，而其他噪声源还可以通过改进检测器件的材料、电子电路、制作工艺等来减小甚至消除。通常，当热辐射为主要的热交换方式时，温度起伏噪声的表现形式为背景起伏噪声。

4）总噪声

如果以上三种噪声是不相关的，则总噪声为

式中：TN为放大器的有效输入噪声温度，TN＝T＋（F－1）T。

考虑统计平均值时的信噪功率比为

如果温度噪声是主要噪声源且忽略其他噪声，噪声等效功率为

由式（5－53）可以看出，热释电器件的噪声等效功率NEP随着调制频率的增高而减小。

3.响应时间

热释电器件的响应时间可由式（5－43）中的时间常数求出。τe、τT的数值一般为（0.1～10）s。

由图5－9可见，热释电器件在低频段的电压灵敏度与调制频率成正比，在高频段则与调制频率成反比，仅在1／τT～1／τe范围内，Sv与ω无关。电压灵敏度高端半功率点取决于1／τT和1／τe中较大的一个，因而按通常的响应时间定义，τT和τe中较小的一个为热释电器件的响应时间。通常τT较大，而τe与负载电阻大小有关，多在几微秒到几秒之间。随着负载的减小，τe变小，灵敏度也相应减小。

4.阻抗特性

热释电器件几乎是一种纯电容性器件，由于其电容量很小，所以其阻抗很高，必须配以高阻抗的负载，通常在109Ω以上。由于空气潮湿、表面沾污等原因，普通电阻不易达到这样高的阻值。由于结型场效应管（JFET）的输入阻抗高，噪声又小，所以常用JFET器件作为热释电器件的前置放大器。图5－10所示为一种常用电路，其中用JFET构成源极跟随器以进行阻抗变换。

图5－10 带有前置放大器的热释电器件

5.4.3 典型热释电器件

1.典型的热释电器件

图5－11所示为典型TGS热释电器件的结构。把制好的TGS晶体连同衬底贴于普通三极管管座上，上、下电极通过导电胶、铟球或细铜丝与管脚相连，加上窗口后便构成完整的TGS热释电器件。由于TGS晶体本身的阻抗很高，因此，整个封装工艺过程中必须严格做清洁处理，以提高电极间的阻抗，降低噪声。

图5－11 典型TGS热释电器件结构

为了降低器件的总热导，一般采用热导率较低的衬底。管内抽成真空或充氪气等热导很低的气体。为获得均匀的光谱响应，可在热释电器件灵敏层的表面涂特殊的漆，以增加对入射辐射的吸收。

2.热释电器件的防谐振

所有的热释电器件同时又是压电晶体，因此它对声频振动很敏感。入射辐射脉冲的热冲击会激发热释电晶体的机械振荡，从而产生压电谐振。这意味着在热释电效应上叠加有压电效应，会产生虚假信号，使热释电检测器件在高频段的应用受到限制。为防止压电谐振，常采用如下方法：

①选用声频损耗大的材料，如铌酸锶钡（SBN），目前还没有发现它在很高的频率下有谐振现象；

②选取压电效应最小的取向；

③探测器件要牢靠地固定在底板上，例如，用环氧树脂将其粘贴在玻璃板上，再封装成管，可有效消除谐振；

④热释电器件在使用时，一定要注意防振。

显然，前两种方法限制了器件的选材范围，第三种方法则降低了灵敏度和比探测率。

对于热释电灵敏元件，应尽量减小其体积，以减小热容、提高热探测率。减小体积可以缩小灵敏面和减小厚度，前者可提高电压响应度，后者可提高电流响应度。但元件灵敏面有个下限，当体积减小到元件阻抗大于放大器阻抗时，响应度和探测度得不到改善。理论上元件厚度愈薄愈好，但厚度过薄将使入射辐射的吸收不完全，对于某些陶瓷材料还会出现针孔，所以综合各种情况，应当有一最佳厚度。总的来说，元件尺寸最终由放大器性能决定。

3.热释电器件对前置放大的要求

根据热释电器件的阻抗特性，为了提高热释电器件的灵敏度和信噪比，常把热释电器件与前置放大器（常为场效应管）做在一个管壳内。由于热释电器件本身的阻抗高达1010Ω～1012Ω，因此场效应管的输入阻抗应高于1010Ω，且应采用具有较低噪声、较高跨导（gm＞2 000）的场效应管作为前置放大器。引线要尽可能地短，最好将场效应管的栅极直接焊接到器件的一个管脚上，并一同封装在金属屏蔽壳内。

对于一定调制频率的光源，应选用窄带选频放大器，以降低噪声。低频使用时，应选用栅漏电流小的场效应管做前置放大器；高频使用时，应选用电压噪声低的场效应管做前置放大器。

4.使用热释电器件的注意事项

热释电器件除具有一般热检测器件的优点外，还具有探测度高、时间常数小的优点。热释电器件的共同特点是光谱响应范围宽，对从紫外到毫米量级的电磁辐射几乎都有相同的响应，而且灵敏度都很高，但响应速度较慢。因此，具体选用器件时，要扬长避短，综合考虑。

热释电器件是一种比较理想的热检测器件，其机械强度、灵敏度、响应速度都很高。根据它的工作原理，它只能测量变化的辐射，入射辐射的脉冲宽度必须小于自发极化矢量的平均作用时间。辐射恒定时，热释电器件无输出。利用热释电器件来测量辐射体温度时，它的直接输出是背景与热辐射体的温差，而不是热辐射体的实际温度。所以，在确定热辐射体的实际温度时，必须另设一个辅助探测器，先测出背景温度，然后再将背景温度与热辐射体的温差相加，即得被测物的实际温度。另外，因各种热释电材料都存在一个居里温度，因此热释电器件只能在低于居里温度的范围内使用。特别需要注意的是，由于热释电材料具有压电特性，对振动十分敏感，因此在使用时要注意减振防振。