2.7 熱釋電探測器件及其使用

2.7.1 熱釋電探測器概述

1. 熱釋電探測器的特點

前述的探測器件的性能中有一些互相矛盾的因素：①響應波長與探測率的矛盾，如熱敏探測器件是寬波段響應的，但探測率（即響應率或靈敏度）比較低；而光敏探檢測器件的探測率（靈敏度）較高，但響應波長有限，而且是響應波長越長，則探測率越低。②探測率與響應時間的矛盾：如熱敏類探測器件的探測率（靈敏度）越高，其反應速度就越慢。而光電探測器件中的光導型探測器件（即光敏電阻）也有同樣的問題。

熱釋電探測器件的出現，避免了熱敏類探測器件的探測率與快速響應之間的矛盾。因為熱釋電探測器件的響應時間不再取決于通常熱敏片的溫度上升過程，而取決于對入射輻射的切割速度。當然，這種矛盾的解決是有限度的，入射輻射的調制頻率升高，探測率仍然要下降，但是要比其他熱電探測器件慢得多。它的響應時間雖然也能短到10-9s，但此時NEP高。只有在10Hz的調制頻率下才能得到NEP≈5×10-10W。

與其他類型熱探測器件相比，熱釋電探測器件具有很多優點：①在速度方面，其工作頻率可達幾百千赫以上，接近兆赫，遠遠超過其他所有熱電探測器件。一般的熱電探測器件的時間常數典型值在1～0.01s，而熱釋電探測器件的有效時間常數可低至10-4～3×10-5s。②熱釋電探測器件的探測率高，僅實驗室的氣動探測器的低頻D*比熱釋電探測器件稍高（約1.5倍），但這一差距正在逐步縮小。③熱釋電探測器件工作不需外加偏置電壓，且有均勻的大面積的靈敏面。④與熱敏電阻測輻射熱計相比，它受環境溫度變化的影響較小。⑤熱釋電探測器件的強度和可靠性比其他熱電探測器件好，且制作比較容易。但是，由于熱釋電探測器件材料屬于壓電類晶體，因而它比較容易受微振的影響；并且不能以直流連續工作，只能作為交流器件運用，即只能對入射的交變輻射響應。

由于熱釋電探測器件具有上述特點，使它受到特別的重視，因而發展異常迅速，并獲得了廣泛的應用。例如，廣泛應用于熱輻射和從可見光到紅外波段的探測。由于亞毫米波探測器都需要在液氦溫度下才能工作，而熱釋電檢測器件不需致冷，因而在亞毫米波段輻射探測方面也受到了重視。

2. 熱釋電探測器件的結構與原理

由于熱釋電晶體是具有非中心對稱的晶體結構，即極性晶體內的分子在某個方向上的正、負電荷中心不重合，而具有電矩。當溫度發生變化時，電矩的極性將發生變化。顯然，在自然狀態下，熱釋電晶體的電矩不為零，從而形成電偶極子。當相鄰晶胞的電偶極子平行排列時，晶體將表現出宏觀的電極化方向。外加電場能改變這種介質的自發極化矢量的方向，因為在外電場的作用下，無規則排列的自發極化矢量將趨于同一方向，從而形成所謂的單疇極化。當去除外加電場后，只有熱釋電材料-鐵電體才能保持單疇極化特性。

對于經過單疇極化的熱釋電晶體，在垂直于極化方向的表面上，將由表面層的電偶極子構成相應的靜電束縛電荷。因為自發極化強度是單位體積內的電矩矢量之和，所以面束縛電荷密度σ與自發極化強度PS之間的關系，可由下式確定

式中，A和d分別是熱釋電晶體的表面積和厚度。式（2-34）表明，熱釋電晶體的面束縛電荷密度σ在數值上等于它的自發極化強度PS。但是，在溫度恒定時，這些面束縛電荷被來自晶體內部或外部空氣中的異性自由電荷所中和，因此覺察不出來，如圖2-57（a）所示。晶體內部自由電荷起中和作用的平均時間為

式中，ε和ρ分別為晶體的介電常數與電阻率。大多數的熱釋電晶體材料的τ值在1s到1000s之間，即熱釋電晶體材料表面上的面束縛電荷可以保持1～1000s。因此，只要使熱釋電晶體的溫度在面束縛電荷被中和掉之前因吸收輻射而發生變化，晶體的自發極化強度PS就會隨溫度 T 的變化而變化，相應的面束縛電荷也隨之變化，如圖2-57（b）所示。這一過程的平均作用時間很短，約為10-12s。

根據性能的不同要求，通常將熱釋電探測器件的電極結構做成如圖2-58所示的面電極和邊電極兩種結構。在圖2-58（a）所示的面電極結構中，電極置于熱釋電晶體材料的前、后表面上，其中一個電極位于輻射靈敏面內。這種電極結構的電極面積較大，電極間距離較短，因而極間電容較大，故不適宜于高速應用。此外，由于輻射要通過電極層才能到達晶體，所以電極對于待測的輻射波段必須透明。

在圖2-58（b）所示的邊電極結構中，電極所在的平面與輻射靈敏面互相垂直，電極間距離較大，因而電極面積較小，故其極間電容較小，適宜于高速應用。這樣，因為熱釋電檢測器件的響應速度受極間電容的限制，所以在高速運用時宜采用邊電極結構的器件。

熱釋電探測器件的工作原理，如圖2-59所示。用調制頻率為f的紅外輻射照射熱釋電晶體，就會使得晶體的溫度、晶體的自發極化以及由此而引起的面束縛電荷均隨頻率f而發生變化。如果頻率較低，即 f＜1/τ，熱釋電晶體的面束縛電荷將始終被體內自由電荷所中和，因此顯不出變化來。但若 f＞1/τ，體內自由電荷就來不及中和面束縛電荷的變化，結果就使晶體在垂直于 PS的兩端面間出現開路交流電壓。如果通過兩端面的電極，連接上負載 RL，就會有電流流過負載，從而在負載上有電壓輸出。總之，當有 f＞l/τ 的調制輻射照射到晶體時，負載RL的兩端就會產生交流信號電壓，這就是熱釋電探測器件的工作原理。

若溫度對時間的變化率為 ， 對時間的變化率PS 為 。它相當于外電路上流動的電流。設電極面積為A，則信號電壓的大小為

式中，A為電極面積； 實際上就是熱釋電系數 P，當 ΔT 比較小時，可以看做常數。因此式（2-36）可表示為

式（2-37）說明，輸出信號 ΔU 正比于溫度的變化率，而不取決于晶體與入射輻射是否達到熱平衡。顯然，如果溫度不變化（即入射輻射不變化），則無電信號輸出。

2.7.2 熱釋電探測器件的類型

由上述可知，對熱釋電晶體，要求因溫度變化而產生的電壓變化ΔU大，即希望有大的熱釋電系數P。要熱釋電系數大，就要求 PS隨溫度變化大。圖2-60為硫酸三甘鈦（TGS）和鈦酸鋇（BaTiO3）的PS-T關系曲線，對于TGS的情況，PS是連續變化的。到居里點處為零，這是屬于二級相變的情況。BaTiO3的PS則是在居里溫度處突然下降到零，這是屬于一級相變的情況。曲線的斜率的絕對值就是熱釋電系數P。由圖2-60可以看出，當工作溫度比居里溫度低很多時，P值雖大，但起伏太大，且晶體容易退極化。當溫度離居里溫度不太遠時，P較大，同時比較恒定，即溫度波動變化小。所以選擇熱釋電晶體要找室溫時P值足夠大，同時居里點要比室溫顯著地高的材料。另外，若工作溫度靠近居里點，則最好選用二級相變的材料，因為這時一級相變材料噪聲大。

現在已知的鐵電材料達1000種以上，對其中10%的熱釋電性能進行了研究。但現在真正符合實用的材料不過10余種，其中最主要的有下列幾種材料作成的熱釋電器件。

1. 單晶類熱釋電器件

（1）硫酸三甘酞[（NH2CH2COOH）3H2SO4]

簡稱為TGS，它具有在大面積、寬頻率范圍內靈敏度高的優點，所以至今仍使用廣泛。這種器件最早制成，工藝成熟，但居里溫度低（49℃），耐受激光的能力差，器件怕潮易碎；有退極化現象。因此，目前多不用純TGS，而使用經摻雜、輻射等處理的改進材料。例如，對TGS進行重氫化處理，得到DTGS，它的居里溫度Tc達到56℃；如果對DTGS用硒（Se）或有機雜質氨基丙酸摻雜處理，居里溫度可達到62.3℃，并達到鎖定極化的作用。此外，摻雜丙乙酸的 TGS（LATGS）具有很好的鎖定極化特點，溫度由居里溫度以上降到室溫時，仍無退極化現象，其熱釋電系數也有所提高。摻雜后TGS晶體的介電損耗減小，降低了噪聲，介電常數下降改進了高頻特性。在低頻時，這種器件的NEP=4×10-11 W · Hz-1/2，D*=5×109 cm·Hz1/2·W-1。它不僅靈敏度高，而且響應速度也很快。

（2）鈮酸鍶鋇（BaxSr1-xNb2O6）

簡稱為SBN，當鋇含量x從0.25增加到0.52時，可使居里溫度點相應從Tc=47℃增加到Tc=115℃。這種材料具有適于制作紅外探測器的許多優點：它在大氣條件下性能穩定，無需窗口材料保護，電導率σ很低（即電阻率高），熱釋電系數P大，機械強度好，容易制成薄片。并且，對10 μm以上的紅外波段吸收率很高，不必涂黑。由于在高達50MHz的頻率下也沒有發現明顯的壓電諧振，可方便用于快速探測，現有商品的時間常數低于3ns，更宜于低頻、小面積工作。SBN的退極化很慢，配合場效應管前置放大器使用時，可以用三極管的電源給探測器加偏置，以保持經常極化。

缺點是晶體生長較困難，小于10 μm的波段吸收率較小，必須涂黑；用在高頻大面積情況不利。如果在SBN中摻入1%（克分子比）La2O2，可提高其熱釋電系數P。用摻雜的SBN制作的熱釋電器件無退極化現象，其比探測率D*（500K，10Hz，1Hz）達8×108cm·Hz1/2/W。摻鑭后，雖其居里溫度有所降低，但極化仍很穩定，損耗也得到改善。

（3）鉭酸鋰（LiTaO3）

簡稱為LT，在室溫下，熱釋電響應約為TGS的一半，但在低于零度或高于45℃時都比TGS 好。器件的居里溫度高（Tc=620℃），在室溫下其響應率幾乎不隨溫度變化；可以工作在很高的環境溫度下，能承受高能量入射輻射，且不退極化；機械強度高，物理化學性能穩定，不需保護窗口；響應速度快，其時間常數極限為1×10-12s，僅受晶格振動頻率限制，適于探測高速光脈沖，現已用于測量峰值功率為幾個千瓦，上升時間為100ps的Nd：YAG激光脈沖。比探測率D*（500K，30Hz，1Hz）可達8.5×108cm·Hz1/2/W。也已經用于CO2激光脈沖的探測，是一種極有前途的探測激光脈沖的熱釋電探測器件。

（4）鈮酸鋰（LiNbO3）

有相當高的居里溫度，Tc=1200℃；其介電常數也很小，ε=30～40；電阻率相當高， ρ=9.8×1010 Ω·cm。只是熱釋電系數略小，P=0.4～0.7。對某些特殊應用，如環境溫度很高的情況，它將是一種有前途的器件。例如，日本已經把 LiNbO3熱釋電探測器件用在衛星紅外地平儀上，屬低頻使用，其比探測率D*達108 cm·Hz1/2/W。實際上，這種材料最宜于用在高頻、大能量輸入的情況。

2. 陶瓷類熱釋電器件

其特點是材料的熱釋電系數P與介電常數ε均較大，因而兩者的比值并不高。并且，機械強度大，物理化學性能穩定，電阻率可用摻雜來控制；其承受的輻射功率可超過 LiTaO3熱釋電探測器件，居里溫度高，不易退極化；容易制造，成本低。

（1）鈦酸鉛（PT）

居里溫度為470℃；介電常數ε=200；熱釋電系數接近于6×10-6。從全部性能來看，它優于SBN，較適宜于低頻使用。重要的是它在室溫下離居里溫度很遠，不產生退極化現象，只要極化一次就行了。而且，它是熱壓陶瓷，加工方便，宜于批量生產。現在D*(500K，20Hz， 1Hz)=1.7×109cm·Hz1/2/W，從-20℃到+60℃性能不變。日本已用于科學衛星上，現在用這種材料已制成商品工業紅外輻射計。

（2）鋯鈦酸鉛（PZT）

居里溫度Tc=365℃，用于激光探測時不易因功率過大而退極化，具有快響應、高探測率的特點。D*(500K，1kHz，1Hz)=7×108cm·Hz1/2/W，使用50 Ω分流電阻可得到納秒級響應時間，并且容易制造，成本低等，能取得大面積的均勻靈敏面。

3. 薄膜類聚合物熱釋電器件

這類有機聚合物的特點是，熱釋電材料的導熱小，介電常數也小；易于加工成任意形狀的簿膜，富有彈性；物理化學性能穩定；易于制造，價格低廉。盡管它的熱釋電系數P不大，但介電常數ε也小，所以比值P/ε并不小。

在這種聚合物熱釋電材料中，性能比較好的有下列幾種：如聚二氟乙烯（PVF2）、聚氟乙烯（PVF）、聚氟乙烯和聚四氟乙烯的共聚物等。目前，利用薄膜類有機聚合物熱釋電材料PVF2，已得到比探測率D*(500K，10Hz，1Hz)已達108cm·Hz1/2·W-1。

4. 快速熱釋電探測器件

由于熱釋電探測器件的輸出阻抗高，需配以高阻抗負載，其時間常數較大，因而不適于探測快速變化的光輻射。當用于測量很窄的激光峰值功率和觀測波形時，要求其響應時間要小于光脈沖的持續時間。為此，近年來發展了快速熱釋電探測器件。這種器件一般都設計成同軸結構，即將熱敏元件置于阻抗為50 Ω的同軸線的一端，采用面電極結構時，時間常數可達到1ns左右，采用邊電極結構時，時間常數可降至幾個皮秒。例如，利用熱敏元件SBN晶體簿片，采用邊電極結構，電極Au厚0.1 μm，襯底選用導電良好的AL2O3或BEO陶瓷材料，輸出用SMA/BNC高頻接頭，響應時間為13ps。其最低極限值受晶格振動馳豫時間限制，約為1ps。不采用同軸結構而采用一般的引腳引線封裝結構，頻響帶寬已展寬到數十兆赫。快速熱釋電器件一般用于探測大功率脈沖激光，因而應能承受大的輻射功率而不被損傷。所以，它是選用損傷閾值高的熱釋電材料和高熱導襯底材料來制成的熱釋電器件。

2.7.3 熱釋電探測器對前置放大器的要求

由熱釋電探測器件的阻抗特性知道，為了提高靈敏度和信噪比，常把熱釋電探測器件同前置放大器做在一個管殼內。圖2-61為熱釋電器件帶有場效應管放大器組合件的結構圖。由于熱釋電器件本身阻抗很高，達1010～1012 Ω，因此要求具有高輸入阻抗（Rg =1010 Ω以上）、低噪聲、高跨導（gm＞2000）的場效應管作為前置放大器。并且，引線要盡可能短，最好將場效應管的柵極直接焊到器件的一只引腳上，并同時裝入銅屏蔽殼內。

帶有場效應管放大器的熱釋電器件的等效電路如圖2-62所示。顯然，其等效輸出阻抗，電壓和電流靈敏度等參數與工作頻率等參數有關。

對一定調制頻率的光源，應選用窄帶選頻放大器，以降低噪聲。在低頻使用時，應選用柵漏電流小的場效應管作為前置放大；在高頻使用時，應選用電壓噪聲低的場效應管作為前置放大。

當熱釋電器件用于高頻激光脈沖測量時。應接入低負載電阻 RL（RL＜＜Rg）。此時，探測器的響應時間常數為RL和C的乘積，即τ=RLC。其中C=Cd+CL，Cd為器件電容，CL為場效應管的輸入電容。

一種實用的前置放大器的參考線路圖，如圖2-63所示。

同其他所有檢測器件一樣，熱釋電檢測器件的探測率同樣受其噪聲的限制。這里引入的放大器噪聲包括兩個部分：一是串聯于輸入端的電壓源，它在短路輸入時出現；二是并聯于輸入端的電流源，它在輸入端短路時消失。由于熱釋電器件的阻抗極高，故噪聲源很重要，并在某些條件下會是主要的噪聲。當然，還有溫度起伏噪聲源，以及電阻的熱噪聲。要說得詳細一點，還有隨機的機械振動可能引起的壓電噪聲，但它可以用適當選擇材料和探測器結構來消除，所以一般可不考慮這種噪聲。

2.7.4 熱釋電探測器的應用及使用要點

1. 熱釋電探測器件的應用

任何高于絕對零度的物體都會釋放出紅外線，溫度越高，紅外輻射的峰值波長就越短。由于熱釋電探測器的波長靈敏度在0.2～20 μm范圍內幾乎是不變的，而人體可輻射出中心波長為9～10 μm的紅外線，因而我們就在芯片表面貼上截止波長為7～10 μm的濾光片，正好適合于人體紅外輻射的探測，于是就可得到專門只對人體敏感的熱釋電紅外探測器。

熱釋電探測器用于防盜報警系統的電路構成方框圖，如圖2-64所示。這是由菲涅耳透鏡、熱釋電紅外傳感器、放大器、濾波器、電平比較器、驅動電路、繼電器和穩壓電源等組成。其中，菲涅耳透鏡的構造如圖2-65所示。它是由聚乙烯材料注壓而成的薄片，在薄片上壓制有三種不同寬度的分格豎條，單個豎條平面實際上是一些同心的螺旋線。它的作用是聚集紅外線能量，當人體在菲涅耳透鏡前面通過時，它具有將連續的紅外輻射分割成斷續紅外輻射的能力，從而形成紅外脈沖。用這種菲涅耳透鏡與放大電路相配合，可將信號放大70dB以上，這樣就可以測出10～20m范圍內人的活動情況。

由前述可知，熱釋電效應所產生的電荷，會被空氣中的離子所中和而消失，即當環境溫度穩定不變時，ΔT=0，則熱釋電探測器無輸出。當人體進入檢測區時，由于人體溫度與環境溫度有差別，此時的 ΔT≠0，則熱釋電探測器有電壓輸出；若人體進入檢測區后不動，則溫度沒有變化，熱釋電探測器也就沒有輸出了。因此，這種熱釋電探測器是一種探測人體或動物活動的探測器。

此外，熱釋電探測器件還可用于測溫，作為紅外焦平面陣列探測器。例如，室溫工作的非致冷型紅外焦平面陣列熱釋電探測器，易于制成平面形狀，具有與半導體硅集成電路工藝技術兼容等優點，在市場中的推廣前景很好。尤其在其結構設計工作中，通過適當調整熱探測源、熱絕緣結構，以及 IC 熱電轉換電路，能夠很好地改善紅外焦平面陣列探測器的綜合性能。高性能低溫制冷型紅外焦平面陣列探測器，一般應用于軍事方面。

2. 熱釋電探測器件的使用要點

熱釋電探測器件除具有一般熱電探測器件的優點外，還具有機械強度、靈敏度、響應速度都很高的優點。根據它的工作原理，它只能測量變化的輻射，入射輻射脈沖寬度必須小于自發矢量的平均作用時間；輻射恒定時無輸出；利用它來測量輻射體溫度時，它的直接輸出是背景與熱輻射體的溫差，而不是熱輻射體的實際溫度，因此要確定熱輻射體實際溫度時，必須另設一個輔助探測器，先測出背景溫度，然后再將背景溫度與熱輻射體的溫差相加，即可得到被測物的實際溫度；此外，因各種熱釋電材料都存在一個居里溫度，所以它只能在低于居里溫度的范圍內使用。

需特別指出的是，由于熱釋電晶體同時又是壓電晶體，容易產生壓電諧振，這就意味著在熱釋電效應上迭加了壓電效應，而給出假信號，從而使得探測器件在高頻下使用受到了限制。因此，它對微震等應變十分敏感，所以在使用時必須注意減震防震。