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环节词: 非造冷红外探测器; 测辐射热计; 热

发布时间:2019-09-15

  (南京理工大学电光学院,江苏 南京 210094) 摘要: 引见了测辐射热计红外探测器,并从理论上对测辐射热计的热流进行了模仿计 算,得出由膜电阻实现的光电变换的输出信号电压,继而阐发了测辐射热计的响应率和灵 敏度等机能。指出了选器具有大的电阻温度系数的膜电阻材料和优秀的热绝缘布局(如 桥式布局)是研制器件的环节。测辐射热计具有机能好、价钱低、靠得住性高的特点,采用它 研制的轻小型低功耗的红外热像仪可普遍地用于军事和平易近品。测辐射热计手艺无望鄙人 一个十年成长成为一门新的财产。 环节词: 非制冷红外探测器; 测辐射热计; 热绝缘; 输出信号; 响应率; 活络度 中图分类号: TN215 文献标识码: 文章编号:1001-8891 (2000)05-0015-04 引言红外探测器可有分歧的类型:扫描式的或 凝望排阵的;制冷的或非制冷的;光量子型的或 热敏型的。典型的光量子型的红外探测器是采 用窄带隙(大约 eV)的半导体,例如gcdTe,通过接收光子发生电子-空穴对实现 光电转换,为获得高机能必需正在低温(典型的是 液氮温度77 K)下工做,其焦平面排阵取 Si 号处置电之间现正在仍采用倒拆焊的夹杂式布局,机能好,但价钱高贵。 属于热敏型探测道理的非制冷探测器凡是 有三类:热电探测器、温差热电堆和测辐射热 计。热电探测器用的材料是铁电陶瓷,例如 BaSrTiO (BST),正在室温下热电材料正在遭到调制红外辐射入射时会发生大的瞬时介电极化变 化,实现红外光电变换。热电堆探测器是根据 正在分歧质导体的毗连点上跟着红外辐照的变化 (温度变化)惹起接触电位的变化进行工做。测 辐射热计的工做道理是被热绝缘的金属薄膜 (典型的是Pt 膜)或半导体薄膜(典型的是氧化 钒VO -Si薄膜)正在接收红外辐射时 会惹起其电阻值的变化实现光电变换。此类探 测器可全数采用Si 集成电工艺制做,取Si 号处置电之间可构成单片式布局,不需要低温制冷安拆,不需要特殊材料,制做工艺也成 熟,能够批量出产,价钱低廉,机能较好。采用 微测辐射热计探测器的红外热像仪已达到很好 的电视图像像质,对于如轻兵器热瞄具、手提式 侦查仪、导弹制导等军用以及、法律、 工业测温、医疗诊断、车辆驾驶等的平易近用都很是 合适。国表里的研究者们早已预言,测辐射热 计手艺无望鄙人一个十年成长成为新的财产。 测辐射热计的布局热敏型的红外探测器都要求有很好的热绝 缘,即要求热导很小。热成像用的微测辐射热 计大多采用桥式热绝缘布局,见图 所示。热敏元件膜电阻体被坚忍的电互连“腿”支持(悬 挂)正在包含有信号处置电的 Si 基底的上方。 膜电阻取 Si 基底之间有 间隙的谐振空腔,使得正在二者之间有很好的热绝缘。膜电阻 和固定的偏置电压(曲流)$ 周士源等:测辐射热计机能的模仿阐发第22 收稿日期:1999-09-24光学系统(其后能够设置斩波调制器)成像正在测 辐射热计热敏元件(膜电阻 受热而发生电阻值的变化(变化值反比于景物的温度),于是正在负载电阻 上发生一个变化的输出信号电压 测辐射热计阵列单位的桥式布局示企图Fig Schematicdiagram bOIOmeterarray 膜电阻热流的模仿计较为了设想有高机能的测辐射热计,必需从 理论上对其膜电阻 进行热流的模仿计较,并得出由 示出了膜电阻工做的模仿阐发模子,该图给出了一些参数,用它们来模仿膜电阻的 热流:P 是入射红外辐射的功率, 别离是膜电阻的温度和平均温度,M、c 别离为膜电阻的质量和比 热。所以 Mc为其热容,a、l 别离为电极引线的截面积、长度和热导率,T Si基底 温度,V 为输出信号电压。下面将对膜电阻的热流进行模仿计较,从而获得信号电压 上的输入功率为其接收的入射辐射功率 PA和偏置电压对 之和。按照图2的阐发模子,膜电阻的损 耗功率从 gadTdx)惹起的热传导,由于比拟之下,正在 膜电阻和基底之间由存正在的温度差惹起的热辐 射损耗能够忽略。若是热梯度可用线性的温度 变化来近似,则功率损耗为 ,为电极引线的热导。所以,正在膜电阻体上因为净输入功率惹起的温度变化dTd 项(曲流加热功率和电极引线热传导的冷却功率)都较大,且能够互相抵消。 为了改良信噪比,能够将入射辐射进行斩波调 制,于是经斩波成的方波入射辐射功率 也展开成傅里叶级数: Sep.2000 3CSin(3 为计较式(6),先取式(7),(8)的零级近似。式(6)变为: 再取一级近似,代入演算式(6),同时将式(9)代入,获得 (10)式中,无效热导 (12)并获得温度波动值: ff(13) 正在入射红外辐射的感化下膜电阻 上的电压变化,于是按定义,信号电压 (14)将式(4)和式(8)的一级近似代入式(14),获得 )(15)计较获得式(15)V (16)最大信号电压 (17)从式(17)可见信号电压幅值取膜电阻无关。 响应率!按定义: (18)可见,响应率!可随 的增大而减小。但因为曲流 须很是恒定,处于这个考虑和因为加热惹起的膜电阻温度的上升该当小些的要求,该当对电 的大小加以。因为缓冲放大器的输入必需大于 该当低些为好,这取膜电阻应有好的热绝缘意义分歧。 测辐射热计的工做阐发模子Fig Analyzingmodel 活络度高活络度取提高输出信号电压的要求相一 致。为此,按照式(18)测辐射热计的热容量 。制做长而窄的电极引线(此时 可很小)可获得好的热绝缘,桥式布局的占空因子大,故而膜电 阻的无效接收面积 能够大些。选用恰当材料组合的膜电阻及其尺寸可减小其热容量。膜 电阻的温度系数要尽可能的大,这是器件的关 键之一,典型的膜电阻材料是氧化钒(VO 周士源等:测辐射热计机能的模仿阐发第22 达到-4%/ 8%/C。这两种材料取 Si 的红外辐射是通明的,为此必需给它设置红外接收器,由接收器把接收的辐射热量传送给膜 电阻,使之温度改变。对于VO 阻凡是采用Si 介质膜和合金材料膜(也做电极用)来做为红外接收器,这类膜材料正在 有较大的接收率(

  50%)。桥式布局中 间隙的空腔一是可有很好的热绝缘,二是能增大对入射辐射的接收。由于 间隙满脚接收加强前提。接收率 能够接近l00%。如 果把测辐射热计置于实空中,折射率 间歇的空腔又定位了测辐射热计的工做是以l0 竣事语测辐射热计是一种具有极大研究价值的红 外探测器件。它的研究成功从某种意义上讲, 是红外手艺研究的一场,实现了红外产物 的实正低价钱,它的单片式布局生怕是此后红 外探测器件布局设想的必由之。为了使测辐 射热计具有大的响应率和高的活络度等机能, 正在设想制做时必需留意以下几个环节问题: 器件布局必需有很好的热绝缘。桥式布局 能够低到l0 量级,适合于凝望阵列成像的使用;采用电阻温度系数大的半导体薄膜热敏材 料,典型的是VO Si:H薄膜; 尽可能提高占空因子以增大无效接收面积 Uncooedtherma imaging monoithicsiicon foca panes SPIE,l993.2020:322 Micromachinedboometer array achieve owcost imaging. Laser Focus World,l993,(6):l0l thinfim monoithic uncooed infrared detector arrays SPIE,l994.2225:62 uncooedsemiconductor fim boometer infrared detectors SPIE,l994.2269:43 52做者简介: 周士源,男,l940 年生于上海。l963 年结业于上海科技大学物理系,现为南京理工大学副传授。持久 处置固体物理,光电探测器件理论,传感器手艺等方面的讲授和研究,颁发过l0 多篇科学论文。 Bolometer Performance Analogue Analysis ZHOU Shiyuan,GU Wenyun,PI Defu (Nanjing Uniersity Technology,Nanjing2l0094,China) Abstract: introduces boometerinfrared detector,and gives anaogcacuation heatfow boometertheoreticay outputsigna votage photoeectrictransition due thinfim resistance,then argetemperature coef ficient detectorstructure goodtherma isoation(i bridgestructure). Boome ter has goodperformance,ow cost highreiabiity thermaimager deveoped technoogyhas ight weight,sma size owpower consumption,which can usedwidey bothmiitary commerciaappications boometerwi nextdecade Keyword: uncooed infrared detector; boometer; therma isoation; output signa; responsi biity; sensitivity Sep.2000