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热释电红外探测器的工作原理

[2019/12/29]

  红外探测技术是当今世界各国高技术领域发展的一个重要方向,红外探测器可分为制冷型(光量子型)和非制冷型(热型)。与制冷型探测器相比,非制冷红外探测器具有室温下工作、低成本、低功耗、长寿命、小型化、高性价比、高可靠比、应用量大、应用范围广等优点,已成为当前红外探测技术中最引人注目的技术突破之一,在军事和民用方面均具有广泛的应用前景。

  目前,非制冷红外探测器已经发展成为非制冷红外焦平面阵列(UFPA)。UFPA主要分为两大类:微测辐射热计UFPA和热释电UFPA。在20世纪70年代采用陶瓷制备了热释电UFPA,随着材料科学和微电子技术的迅猛发展,这种非制冷、低成本红外器件的探测灵敏度不断得到提高。

  热释电红外探测器通常由单个或双个响应元以及简单的晶体管组合封装而成,并采用特定波长范围内透明的窗口。它的结构一般是非常薄的热释电元件接入高输入阻抗放大器(通常是场效应管)。热释电元件吸收外界辐射后,其温度发生变化产生了热释电电流,热释电电流通过放大电路转变为信号电压,通过热量信号电压就可以得到外界辐射的信息。热释电探测器元件的简明示意图见下图1:

热释电红外探测器元件结构示意图

  热释电红外探测器的核心部件之一是具有热释电效应的热释电材料。热释电效应是极化随温度改变的现象。在32种对称点群的晶体材料中,有10种具有单轴。在温度发生改变时,这些晶体的极化发生变化,在垂直于极化方向的两个晶面出现感应电荷,若将其与外电路连接,就能在电路中检测到电流信号。下图2位热释电电流产生过程的简明示意图。

图2 热释电电流产生过程
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