混合铁电热电测辐射热计学习教案

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1、会计学1混合混合(hnh)铁电热电测辐射热计铁电热电测辐射热计第一页，共52页。第1页/共51页第二页，共52页。5.2.1.5.2.1.热电和铁电材料热电和铁电材料(cilio)(cilio)5.2 热电探测器原理热电探测器原理(yunl)热电材料热电材料(cilio) ：第2页/共51页第三页，共52页。5.2.1.5.2.1.热电和铁电材料热电和铁电材料(cilio)(cilio) ) 1(00EED 0PED 0EP因此因此：第3页/共51页第四页，共52页。铁电体是非线性电介质，其动态铁电体是非线性电介质，其动态(dngti)电容率定义为：电容率定义为： /0ED 1相对电容相对电容

2、(dinrng)率或相对介电常量，简称率或相对介电常量，简称介电常量介电常量5.2.1.5.2.1.热电和铁电材料热电和铁电材料(cilio)(cilio)线性电介质：线性电介质： D E第4页/共51页第五页，共52页。引入一维引入一维Gibbs的自由能量的自由能量(nngling)表达：表达： 6141)(216420EDDDDTTG 0)(,TEDG )(530DDDTTE状态状态(zhungti)等等式：式：G-D的极小值表示的极小值表示(biosh)稳定的状态：稳定的状态：5.2.1.5.2.1.热电和铁电材料热电和铁电材料第5页/共51页第六页，共52页。得到得到(d do)介电常

3、数：介电常数： 53)()(14200DDTTDETETDp)(引入热电系数引入热电系数(xsh)定义：定义：5.2.1.5.2.1.热电和铁电材料热电和铁电材料(cilio)(cilio)短路时电流响应的基础参数短路时电流响应的基础参数第6页/共51页第七页，共52页。 )(0DpTED增加给定材料的极化增加给定材料的极化(j hu)幅度，能改善其电压响应幅度，能改善其电压响应率。率。因此因此(ync)可得：可得：5.2.1.5.2.1.热电和铁电材料热电和铁电材料(cilio)(cilio) )/()()(0pEDTDTETED开路时，电压响应的等效参数开路时，电压响应的等效参数 ：第7页

4、/共51页第八页，共52页。5.2.1.5.2.1.热电和铁电材料热电和铁电材料(cilio)(cilio)铁电材料分类：从高温铁电相位向低温铁电相位转变铁电材料分类：从高温铁电相位向低温铁电相位转变(zhunbin)(zhunbin)的顺序分：的顺序分： 第一顺序的热力学相位转换：其自由能对温度第一顺序的热力学相位转换：其自由能对温度(wnd)的一的一阶导数有不连续性阶导数有不连续性第二顺序的热力学相位转换第二顺序的热力学相位转换：其自由能对温度的二阶：其自由能对温度的二阶导数有不连续性导数有不连续性第8页/共51页第九页，共52页。A 、二次铁电体二次铁电体 5.2.1.5.2.1.热电和

5、铁电材料热电和铁电材料(cilio)(cilio)第9页/共51页第十页，共52页。5.2.1.5.2.1.热电和铁电材料热电和铁电材料(cilio)(cilio)第10页/共51页第十一页，共52页。5.2.1.5.2.1.热电和铁电材料热电和铁电材料(cilio)(cilio)第11页/共51页第十二页，共52页。与二次转变最明显的不同，就是它是一个极化与非极化相位同时存与二次转变最明显的不同，就是它是一个极化与非极化相位同时存在的温度范围在的温度范围(fnwi)。 在在TC 处，两个相位具有相同的能量值。处，两个相位具有相同的能量值。 因此，转变温度因此，转变温度TC 为：为： 1632

6、0 TTC在在T0 之下，非极化相位之下，非极化相位(xingwi)变得不稳定，变得不稳定，T1 温度之上的极温度之上的极化相位化相位(xingwi)变得不稳定变得不稳定: 4201 TTB、一次铁电体、一次铁电体5.2.1.5.2.1.热电和铁电材料热电和铁电材料(cilio)(cilio)第12页/共51页第十三页，共52页。5.2.1.5.2.1.热电和铁电材料热电和铁电材料(cilio)(cilio)第13页/共51页第十四页，共52页。 当温度从低于当温度从低于T0 的高极化的高极化区增加时，极化慢慢消失。区增加时，极化慢慢消失。 在在T0 时，非极化相位稳定时，非极化相位稳定，但是

7、材料已经是高能极化相位，但是材料已经是高能极化相位，没有退磁现象发生，没有退磁现象发生(fshng)。 当温度回扫到当温度回扫到T1，材料早，材料早就处于高能非极化相位，因此无就处于高能非极化相位，因此无自发极化现象发生自发极化现象发生(fshng)。 5.2.1.5.2.1.热电和铁电材料热电和铁电材料(cilio)(cilio)第14页/共51页第十五页，共52页。第15页/共51页第十六页，共52页。A 本征热电模式本征热电模式(msh) 电位移量电位移量D很大很大热电系数热电系数p很小很小低电流模式低电流模式(msh)响应响应固有的热电模式不需要偏固有的热电模式不需要偏置场，但是需要工

8、作温度置场，但是需要工作温度特别低于转变温度特别低于转变温度 图图5.10 磁滞回路的还原处理磁滞回路的还原处理第16页/共51页第十七页，共52页。B 诱导诱导(yudo)热电模式热电模式在诱导热电模式中，由于在诱导热电模式中，由于(yuy)外加偏置电场而使其固外加偏置电场而使其固有的热电效应增强。有的热电效应增强。 图图5.11 陶瓷钛酸锶钡样品在不同的偏置电压陶瓷钛酸锶钡样品在不同的偏置电压 下的热电材料响应率品质因数下的热电材料响应率品质因数一个外加的一个外加的电场总是使电场总是使D增加，因此增加，因此总是使电压总是使电压模式模式(msh)下的响应率下的响应率增加。增加。 电场的存在使

9、工作状态稳定，因此探测器可以工作在铁电场的存在使工作状态稳定，因此探测器可以工作在铁电转变温度附近，而不会有去磁的风险。拓宽了选择材料的电转变温度附近，而不会有去磁的风险。拓宽了选择材料的范围范围第17页/共51页第十八页，共52页。 在脉冲在脉冲(michng)模式下，外加电场是经过调制的，释模式下，外加电场是经过调制的，释放了电容器的电荷。放了电容器的电荷。 C.脉冲脉冲(michng)式热电模式式热电模式脉冲工作模式脉冲工作模式(msh)的优点是不需要斩波器。的优点是不需要斩波器。但是因为所有的无斩波器的红外传感器，有一个相伴而来的动但是因为所有的无斩波器的红外传感器，有一个相伴而来的动

10、态范围、均匀性和漂移的问题态范围、均匀性和漂移的问题.第18页/共51页第十九页，共52页。入射辐射入射辐射(fsh)通量引起的温度变化：通量引起的温度变化： )()(0tTTGdtdTCabsthth )()(0tt 001thabsGTTT如果如果(rgu)=0，则，则其中其中(qzhng)，5.2.3 信号与噪声信号与噪声第19页/共51页第二十页，共52页。T=T1+T(t) )(tTGdtTdCabsthth (t)通常通常(tngchng)为一个梯形波，用一个正弦波近似，因此为一个梯形波，用一个正弦波近似，因此: 21)(jwtet其中其中(qzhng)是入射辐射功率在斩波器开和关

11、的相位之间的差值。是入射辐射功率在斩波器开和关的相位之间的差值。则则:令令:第20页/共51页第二十一页，共52页。得到得到(d do)解：解： 21)(tiTetT2211ththabsGT221thththabsC其中其中(qzhng)， thththGC ddpthzAcC热时间常数热时间常数(sh jin chn sh)：热容：热容：第21页/共51页第二十二页，共52页。 响应响应(xingyng)率第二个分量是温度转换为可测的率第二个分量是温度转换为可测的电信号。热电探测器是非线性的电容，电信号。热电探测器是非线性的电容， E=E(D,T) 图图5.12 热电探测器的等效电路热电探

12、测器的等效电路.Cd,探测器的小信号电容；探测器的小信号电容；Rd,探测器的电阻；探测器的电阻；CL负载电阻电容；负载电阻电容；RL,负载电阻；负载电阻；Vo外加的偏置电压外加的偏置电压第22页/共51页第二十三页，共52页。相关相关(xinggun)的方程为的方程为: V0-V= zd E(D,T)=IdRd V=ILRL=QL/CL zd为探测器厚度，为探测器厚度，Id为探测器的漏电流，为探测器的漏电流，IL为负载阻抗电流，为负载阻抗电流，QL为负载电容电荷，为负载电容电荷，V为输出为输出(shch)信号信号 V0=zdE(D,T)+ QL/CL所以所以(suy)第23页/共51页第二十四

13、页，共52页。对上式时间对上式时间(shjin)求偏导求偏导:dtdQCdtdTTEdtdDDEzLLDTd10dtdQCdtdTpdtdDCALLdd1dddzAC0探测器的动态探测器的动态(dngti)电容电容 ：第24页/共51页第二十五页，共52页。电荷电荷(dinh)保存要求保存要求 : LLddIdtdQIdtdDAdtdTpARVVRdtdVCdd01LdLdRRRRR其中其中(qzhng)， C=Cd+CL第25页/共51页第二十六页，共52页。得到得到(d do)解解: tiLdLVeVRRRtV21)(0TCCpAVeeLdd221 zeRC其中其中(qzhng)电响应电响

14、应(xingyng)时时间常数：间常数：第26页/共51页第二十七页，共52页。由流经电容的漏电流产生的失调电压是与时间由流经电容的漏电流产生的失调电压是与时间(shjin)无关的，因此响应无关的，因此响应率为率为222211ththeeLddthabsCCpACVpLdVcpCCF1品质因数品质因数 ：第27页/共51页第二十八页，共52页。 （1）. Johnson噪声噪声 （2）.温度波动温度波动(bdng)噪声噪声 （3）.前置放大器的噪声前置放大器的噪声2 .噪声噪声(zoshng) 第28页/共51页第二十九页，共52页。 Johnson噪声由阻抗的功率损耗部分产生，一个理想的电容

15、器在电噪声由阻抗的功率损耗部分产生，一个理想的电容器在电流和电压之间产生流和电压之间产生90度的相位度的相位(xingwi)偏转，因此无功率损耗。则认偏转，因此无功率损耗。则认为它不会产生为它不会产生Johnson噪声。噪声。 实际上，任何引起不同相位实际上，任何引起不同相位(xingwi)偏转的现象都能引起功率损偏转的现象都能引起功率损耗，从而有效的产生真实的阻抗。耗，从而有效的产生真实的阻抗。 （1）. Johnson噪声噪声(zoshng)第29页/共51页第三十页，共52页。如果如果(rgu)Rp是常量，则是常量，则tan是与频率有关的量。是与频率有关的量。 dpppCiRRZ1dpC

16、R1tan漏电容是理想的电容带有一个漏电容是理想的电容带有一个(y )阻抗阻抗:相位角的不同相位角的不同(b tn)通常用通常用表示表示（1）. Johnson噪声噪声第30页/共51页第三十一页，共52页。另一个主要的电介质损失另一个主要的电介质损失(snsh)源是由磁畴壁运动生成的磁畴的源是由磁畴壁运动生成的磁畴的变换。变换。dSSCiRZ1dSCRtan串联电阻可以引起串联电阻可以引起(ynq)电介质损耗，阻抗为：电介质损耗，阻抗为：则则（1）. Johnson噪声噪声(zoshng)第31页/共51页第三十二页，共52页。222214CRRkTvJ可称为可称为(chn wi)电介质的损

17、耗噪声或电介质的损耗噪声或tan 噪声噪声.tan1dLLCRRRJohnson噪声噪声(zoshng)的谱的谱密度密度其中其中(qzhng)， C=Cd+CL（1）. Johnson噪声噪声第32页/共51页第三十三页，共52页。 温度波动噪声，来源于探测器与其温度波动噪声，来源于探测器与其(yq)周围环境的随机的周围环境的随机的能量交换。功率波动谱密度由下式给出：能量交换。功率波动谱密度由下式给出： thGkT224222214thththCkTT相关相关(xinggun)的温度波动谱为的温度波动谱为(2) 温度温度(wnd)波动噪波动噪声声第33页/共51页第三十四页，共52页。2222

18、22222114ccththLddthTCCpACkTv对应对应(duyng)的电压波动谱为的电压波动谱为高通滤波器的对温度波动噪声高通滤波器的对温度波动噪声(zoshng)有抑制作用，但响应有抑制作用，但响应率也会随之下降率也会随之下降 .(2) 温度温度(wnd)波动噪声波动噪声第34页/共51页第三十五页，共52页。(2) 温度波动温度波动(bdng)噪声噪声图图5.14 有和无自滤波下的温度波动噪声功率谱（热时间常数为有和无自滤波下的温度波动噪声功率谱（热时间常数为15s）第35页/共51页第三十六页，共52页。第36页/共51页第三十七页，共52页。最好最好(zu ho)的材料是其品

19、质因数最大。的材料是其品质因数最大。前置放大器噪声与温度波动噪声相比很小时，材料的好前置放大器噪声与温度波动噪声相比很小时，材料的好坏主要取决于响应率品质因数坏主要取决于响应率品质因数Johnson噪声与温度波动噪声相比很小时噪声与温度波动噪声相比很小时, 材料的好坏主材料的好坏主要取决于要取决于Johnson噪声品质因数。噪声品质因数。因此这两种品质因数必须很大因此这两种品质因数必须很大,以保证温度波动噪声限制以保证温度波动噪声限制的性能的性能 .1.材料材料(cilio)的选择的选择第37页/共51页第三十八页，共52页。1.材料材料(cilio)的选择的选择第38页/共51页第三十九页，

20、共52页。 图图5.16 混合热隔离结构的进化过程混合热隔离结构的进化过程隔热隔热( r)效效果差果差隔热效果隔热效果(xiogu)提高，但分辨率低提高，但分辨率低2. 热隔离热隔离(gl)第39页/共51页第四十页，共52页。 由一个像素吸收的热能不仅仅从隔热装置流向衬底。由一个像素吸收的热能不仅仅从隔热装置流向衬底。同样流向邻近像素，这就降低了同样流向邻近像素，这就降低了MTFMTF。 解决解决MTFMTF损耗的主要损耗的主要(zhyo)(zhyo)方法是网状像素。它是离方法是网状像素。它是离子铣、激光刻和激光帮助的化学蚀刻技术。子铣、激光刻和激光帮助的化学蚀刻技术。 3. 调制调制(ti

21、ozh)传递函数传递函数(MTFmodulation transfer function ) MTF MTF的涵义的涵义: :描述系统描述系统(xtng)(xtng)再现成像物体空间频率范围的能力再现成像物体空间频率范围的能力. .理想的成像系统要求理想的成像系统要求100%再现成像物体细节，但现实中再现成像物体细节，但现实中肯定存在不同程度的衰减。肯定存在不同程度的衰减。第40页/共51页第四十一页，共52页。图图5.17 普通的电极放在网状的探测阵列上的谐振红外吸收器普通的电极放在网状的探测阵列上的谐振红外吸收器 铁电体铁电体信号电极信号电极内部连内部连接点接点红外吸收器红外吸收器透明金属

22、透明金属普通电极普通电极台阶台阶绝缘体绝缘体3. 调制调制(tiozh)传递函数传递函数(MTFmodulation transfer function )第41页/共51页第四十二页，共52页。 每个混合铁电探测器阵列包括一个每个混合铁电探测器阵列包括一个ROICROIC，其主要的目的，其主要的目的(md)(md)是提供是提供通向单个像素的通道。通向单个像素的通道。 早期的读出电路中，每个单元仅仅包括一个像素和两个开关。一个行早期的读出电路中，每个单元仅仅包括一个像素和两个开关。一个行顺序寻址位移器，关闭开关，连接像素到列的址线上。顺序寻址位移器，关闭开关，连接像素到列的址线上。 4.读出电

23、路读出电路(dinl)（ROIC)第42页/共51页第四十三页，共52页。图图5.18 早期的只有探测像素早期的只有探测像素(xin s)以及开关构成的以及开关构成的单元探测器的读出集成电路单元探测器的读出集成电路4.读出电路读出电路(dinl)（ROIC)第43页/共51页第四十四页，共52页。图5.19 在单元结构中加入增益和滤波装置(zhungzh)的读出集成电路4.读出电路读出电路(dinl)（ROIC)第44页/共51页第四十五页，共52页。5. 系统系统(xtng)电子学电子学第45页/共51页第四十六页，共52页。6. 斩波器斩波器图图5.21 直叶片的斩波器以及直叶片的斩波器以

24、及(yj)使用阿基米德螺旋线的斩波器使用阿基米德螺旋线的斩波器第46页/共51页第四十七页，共52页。工作工作(gngzu)(gngzu)原理：当斩波器的边缘经过一个像素时，像素被暴露在原理：当斩波器的边缘经过一个像素时，像素被暴露在景物的辐射光下。它的温度开始相应的发生改变，温度持续变化直到使景物的辐射光下。它的温度开始相应的发生改变，温度持续变化直到使景物重新被遮蔽。在景物出现的一瞬间，信号被采样景物重新被遮蔽。在景物出现的一瞬间，信号被采样 。6. 斩波器斩波器图图5.22 5.22 由一个由一个(y )(y )斩波器产生的探测器温度波斩波器产生的探测器温度波第47页/共51页第四十八页

25、，共52页。 代表代表(dibio)是当景物温度增加单位温度时探测器温度的上升值。是当景物温度增加单位温度时探测器温度的上升值。),(subsceneiiTTVV )(1)(000subsubiscenesceneiiTTTTV)(.00iisubsceneiiiTTVV热探测器的输出热探测器的输出(shch)电电压压 ：6. 斩波器斩波器第48页/共51页第四十九页，共52页。图图5.24 德州公司的夜视德州公司的夜视TM200系列用于警车系列用于警车 图图5.25 德州公司的德州公司的TM W1000系列，一种多用途的个人的便携式武器夜视设备系列，一种多用途的个人的便携式武器夜视设备 第4

26、9页/共51页第五十页，共52页。图图4.26 使用一个使用一个(y )夜视夜视TM W1000系统所成的典系统所成的典型的热像型的热像 第50页/共51页第五十一页，共52页。NoImage内容(nirng)总结会计学。20世纪90年代,隔热结构发展成熟,探测器厚度减少。相对电容率或相对介电常量，简称介电常量。短路时电流响应的基础参数。固有的热电模式不需要偏置场，但是需要工作温度特别低于转变(zhunbin)温度。T=T1+T(t)。E=E(D,T)。漏电容是理想的电容带有一个阻抗:。可称为电介质的损耗噪声或tan 噪声.。前置放大器噪声与温度波动噪声相比很小时，材料的好坏主要取决于响应率品质因数。5.4 系统的实现第五十二页，共52页。