2.7 热释电探测器件及其使用

2.7.1 热释电探测器概述

1. 热释电探测器的特点

前述的探测器件的性能中有一些互相矛盾的因素：①响应波长与探测率的矛盾，如热敏探测器件是宽波段响应的，但探测率（即响应率或灵敏度）比较低；而光敏探检测器件的探测率（灵敏度）较高，但响应波长有限，而且是响应波长越长，则探测率越低。②探测率与响应时间的矛盾：如热敏类探测器件的探测率（灵敏度）越高，其反应速度就越慢。而光电探测器件中的光导型探测器件（即光敏电阻）也有同样的问题。

热释电探测器件的出现，避免了热敏类探测器件的探测率与快速响应之间的矛盾。因为热释电探测器件的响应时间不再取决于通常热敏片的温度上升过程，而取决于对入射辐射的切割速度。当然，这种矛盾的解决是有限度的，入射辐射的调制频率升高，探测率仍然要下降，但是要比其他热电探测器件慢得多。它的响应时间虽然也能短到10-9s，但此时NEP高。只有在10Hz的调制频率下才能得到NEP≈5×10-10W。

与其他类型热探测器件相比，热释电探测器件具有很多优点：①在速度方面，其工作频率可达几百千赫以上，接近兆赫，远远超过其他所有热电探测器件。一般的热电探测器件的时间常数典型值在1～0.01s，而热释电探测器件的有效时间常数可低至10-4～3×10-5s。②热释电探测器件的探测率高，仅实验室的气动探测器的低频D*比热释电探测器件稍高（约1.5倍），但这一差距正在逐步缩小。③热释电探测器件工作不需外加偏置电压，且有均匀的大面积的灵敏面。④与热敏电阻测辐射热计相比，它受环境温度变化的影响较小。⑤热释电探测器件的强度和可靠性比其他热电探测器件好，且制作比较容易。但是，由于热释电探测器件材料属于压电类晶体，因而它比较容易受微振的影响；并且不能以直流连续工作，只能作为交流器件运用，即只能对入射的交变辐射响应。

由于热释电探测器件具有上述特点，使它受到特别的重视，因而发展异常迅速，并获得了广泛的应用。例如，广泛应用于热辐射和从可见光到红外波段的探测。由于亚毫米波探测器都需要在液氦温度下才能工作，而热释电检测器件不需致冷，因而在亚毫米波段辐射探测方面也受到了重视。

2. 热释电探测器件的结构与原理

由于热释电晶体是具有非中心对称的晶体结构，即极性晶体内的分子在某个方向上的正、负电荷中心不重合，而具有电矩。当温度发生变化时，电矩的极性将发生变化。显然，在自然状态下，热释电晶体的电矩不为零，从而形成电偶极子。当相邻晶胞的电偶极子平行排列时，晶体将表现出宏观的电极化方向。外加电场能改变这种介质的自发极化矢量的方向，因为在外电场的作用下，无规则排列的自发极化矢量将趋于同一方向，从而形成所谓的单畴极化。当去除外加电场后，只有热释电材料-铁电体才能保持单畴极化特性。

对于经过单畴极化的热释电晶体，在垂直于极化方向的表面上，将由表面层的电偶极子构成相应的静电束缚电荷。因为自发极化强度是单位体积内的电矩矢量之和，所以面束缚电荷密度σ与自发极化强度PS之间的关系，可由下式确定

式中，A和d分别是热释电晶体的表面积和厚度。式（2-34）表明，热释电晶体的面束缚电荷密度σ在数值上等于它的自发极化强度PS。但是，在温度恒定时，这些面束缚电荷被来自晶体内部或外部空气中的异性自由电荷所中和，因此觉察不出来，如图2-57（a）所示。晶体内部自由电荷起中和作用的平均时间为

式中，ε和ρ分别为晶体的介电常数与电阻率。大多数的热释电晶体材料的τ值在1s到1000s之间，即热释电晶体材料表面上的面束缚电荷可以保持1～1000s。因此，只要使热释电晶体的温度在面束缚电荷被中和掉之前因吸收辐射而发生变化，晶体的自发极化强度PS就会随温度 T 的变化而变化，相应的面束缚电荷也随之变化，如图2-57（b）所示。这一过程的平均作用时间很短，约为10-12s。

根据性能的不同要求，通常将热释电探测器件的电极结构做成如图2-58所示的面电极和边电极两种结构。在图2-58（a）所示的面电极结构中，电极置于热释电晶体材料的前、后表面上，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，故不适宜于高速应用。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。

在图2-58（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，电极间距离较大，因而电极面积较小，故其极间电容较小，适宜于高速应用。这样，因为热释电检测器件的响应速度受极间电容的限制，所以在高速运用时宜采用边电极结构的器件。

热释电探测器件的工作原理，如图2-59所示。用调制频率为f的红外辐射照射热释电晶体，就会使得晶体的温度、晶体的自发极化以及由此而引起的面束缚电荷均随频率f而发生变化。如果频率较低，即 f＜1/τ，热释电晶体的面束缚电荷将始终被体内自由电荷所中和，因此显不出变化来。但若 f＞1/τ，体内自由电荷就来不及中和面束缚电荷的变化，结果就使晶体在垂直于 PS的两端面间出现开路交流电压。如果通过两端面的电极，连接上负载 RL，就会有电流流过负载，从而在负载上有电压输出。总之，当有 f＞l/τ 的调制辐射照射到晶体时，负载RL的两端就会产生交流信号电压，这就是热释电探测器件的工作原理。

若温度对时间的变化率为 ， 对时间的变化率PS 为 。它相当于外电路上流动的电流。设电极面积为A，则信号电压的大小为

式中，A为电极面积； 实际上就是热释电系数 P，当 ΔT 比较小时，可以看做常数。因此式（2-36）可表示为

式（2-37）说明，输出信号 ΔU 正比于温度的变化率，而不取决于晶体与入射辐射是否达到热平衡。显然，如果温度不变化（即入射辐射不变化），则无电信号输出。

2.7.2 热释电探测器件的类型

由上述可知，对热释电晶体，要求因温度变化而产生的电压变化ΔU大，即希望有大的热释电系数P。要热释电系数大，就要求 PS随温度变化大。图2-60为硫酸三甘钛（TGS）和钛酸钡（BaTiO3）的PS-T关系曲线，对于TGS的情况，PS是连续变化的。到居里点处为零，这是属于二级相变的情况。BaTiO3的PS则是在居里温度处突然下降到零，这是属于一级相变的情况。曲线的斜率的绝对值就是热释电系数P。由图2-60可以看出，当工作温度比居里温度低很多时，P值虽大，但起伏太大，且晶体容易退极化。当温度离居里温度不太远时，P较大，同时比较恒定，即温度波动变化小。所以选择热释电晶体要找室温时P值足够大，同时居里点要比室温显著地高的材料。另外，若工作温度靠近居里点，则最好选用二级相变的材料，因为这时一级相变材料噪声大。

现在已知的铁电材料达1000种以上，对其中10%的热释电性能进行了研究。但现在真正符合实用的材料不过10余种，其中最主要的有下列几种材料作成的热释电器件。

1. 单晶类热释电器件

（1）硫酸三甘酞[（NH2CH2COOH）3H2SO4]

简称为TGS，它具有在大面积、宽频率范围内灵敏度高的优点，所以至今仍使用广泛。这种器件最早制成，工艺成熟，但居里温度低（49℃），耐受激光的能力差，器件怕潮易碎；有退极化现象。因此，目前多不用纯TGS，而使用经掺杂、辐射等处理的改进材料。例如，对TGS进行重氢化处理，得到DTGS，它的居里温度Tc达到56℃；如果对DTGS用硒（Se）或有机杂质氨基丙酸掺杂处理，居里温度可达到62.3℃，并达到锁定极化的作用。此外，掺杂丙乙酸的 TGS（LATGS）具有很好的锁定极化特点，温度由居里温度以上降到室温时，仍无退极化现象，其热释电系数也有所提高。掺杂后TGS晶体的介电损耗减小，降低了噪声，介电常数下降改进了高频特性。在低频时，这种器件的NEP=4×10-11 W · Hz-1/2，D*=5×109 cm·Hz1/2·W-1。它不仅灵敏度高，而且响应速度也很快。

（2）铌酸锶钡（BaxSr1-xNb2O6）

简称为SBN，当钡含量x从0.25增加到0.52时，可使居里温度点相应从Tc=47℃增加到Tc=115℃。这种材料具有适于制作红外探测器的许多优点：它在大气条件下性能稳定，无需窗口材料保护，电导率σ很低（即电阻率高），热释电系数P大，机械强度好，容易制成薄片。并且，对10 μm以上的红外波段吸收率很高，不必涂黑。由于在高达50MHz的频率下也没有发现明显的压电谐振，可方便用于快速探测，现有商品的时间常数低于3ns，更宜于低频、小面积工作。SBN的退极化很慢，配合场效应管前置放大器使用时，可以用三极管的电源给探测器加偏置，以保持经常极化。

缺点是晶体生长较困难，小于10 μm的波段吸收率较小，必须涂黑；用在高频大面积情况不利。如果在SBN中掺入1%（克分子比）La2O2，可提高其热释电系数P。用掺杂的SBN制作的热释电器件无退极化现象，其比探测率D*（500K，10Hz，1Hz）达8×108cm·Hz1/2/W。掺镧后，虽其居里温度有所降低，但极化仍很稳定，损耗也得到改善。

（3）钽酸锂（LiTaO3）

简称为LT，在室温下，热释电响应约为TGS的一半，但在低于零度或高于45℃时都比TGS 好。器件的居里温度高（Tc=620℃），在室温下其响应率几乎不随温度变化；可以工作在很高的环境温度下，能承受高能量入射辐射，且不退极化；机械强度高，物理化学性能稳定，不需保护窗口；响应速度快，其时间常数极限为1×10-12s，仅受晶格振动频率限制，适于探测高速光脉冲，现已用于测量峰值功率为几个千瓦，上升时间为100ps的Nd：YAG激光脉冲。比探测率D*（500K，30Hz，1Hz）可达8.5×108cm·Hz1/2/W。也已经用于CO2激光脉冲的探测，是一种极有前途的探测激光脉冲的热释电探测器件。

（4）铌酸锂（LiNbO3）

有相当高的居里温度，Tc=1200℃；其介电常数也很小，ε=30～40；电阻率相当高， ρ=9.8×1010 Ω·cm。只是热释电系数略小，P=0.4～0.7。对某些特殊应用，如环境温度很高的情况，它将是一种有前途的器件。例如，日本已经把 LiNbO3热释电探测器件用在卫星红外地平仪上，属低频使用，其比探测率D*达108 cm·Hz1/2/W。实际上，这种材料最宜于用在高频、大能量输入的情况。

2. 陶瓷类热释电器件

其特点是材料的热释电系数P与介电常数ε均较大，因而两者的比值并不高。并且，机械强度大，物理化学性能稳定，电阻率可用掺杂来控制；其承受的辐射功率可超过 LiTaO3热释电探测器件，居里温度高，不易退极化；容易制造，成本低。

（1）钛酸铅（PT）

居里温度为470℃；介电常数ε=200；热释电系数接近于6×10-6。从全部性能来看，它优于SBN，较适宜于低频使用。重要的是它在室温下离居里温度很远，不产生退极化现象，只要极化一次就行了。而且，它是热压陶瓷，加工方便，宜于批量生产。现在D*(500K，20Hz， 1Hz)=1.7×109cm·Hz1/2/W，从-20℃到+60℃性能不变。日本已用于科学卫星上，现在用这种材料已制成商品工业红外辐射计。

（2）锆钛酸铅（PZT）

居里温度Tc=365℃，用于激光探测时不易因功率过大而退极化，具有快响应、高探测率的特点。D*(500K，1kHz，1Hz)=7×108cm·Hz1/2/W，使用50 Ω分流电阻可得到纳秒级响应时间，并且容易制造，成本低等，能取得大面积的均匀灵敏面。

3. 薄膜类聚合物热释电器件

这类有机聚合物的特点是，热释电材料的导热小，介电常数也小；易于加工成任意形状的簿膜，富有弹性；物理化学性能稳定；易于制造，价格低廉。尽管它的热释电系数P不大，但介电常数ε也小，所以比值P/ε并不小。

在这种聚合物热释电材料中，性能比较好的有下列几种：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，利用薄膜类有机聚合物热释电材料PVF2，已得到比探测率D*(500K，10Hz，1Hz)已达108cm·Hz1/2·W-1。

4. 快速热释电探测器件

由于热释电探测器件的输出阻抗高，需配以高阻抗负载，其时间常数较大，因而不适于探测快速变化的光辐射。当用于测量很窄的激光峰值功率和观测波形时，要求其响应时间要小于光脉冲的持续时间。为此，近年来发展了快速热释电探测器件。这种器件一般都设计成同轴结构，即将热敏元件置于阻抗为50 Ω的同轴线的一端，采用面电极结构时，时间常数可达到1ns左右，采用边电极结构时，时间常数可降至几个皮秒。例如，利用热敏元件SBN晶体簿片，采用边电极结构，电极Au厚0.1 μm，衬底选用导电良好的AL2O3或BEO陶瓷材料，输出用SMA/BNC高频接头，响应时间为13ps。其最低极限值受晶格振动驰豫时间限制，约为1ps。不采用同轴结构而采用一般的引脚引线封装结构，频响带宽已展宽到数十兆赫。快速热释电器件一般用于探测大功率脉冲激光，因而应能承受大的辐射功率而不被损伤。所以，它是选用损伤阈值高的热释电材料和高热导衬底材料来制成的热释电器件。

2.7.3 热释电探测器对前置放大器的要求

由热释电探测器件的阻抗特性知道，为了提高灵敏度和信噪比，常把热释电探测器件同前置放大器做在一个管壳内。图2-61为热释电器件带有场效应管放大器组合件的结构图。由于热释电器件本身阻抗很高，达1010～1012 Ω，因此要求具有高输入阻抗（Rg =1010 Ω以上）、低噪声、高跨导（gm＞2000）的场效应管作为前置放大器。并且，引线要尽可能短，最好将场效应管的栅极直接焊到器件的一只引脚上，并同时装入铜屏蔽壳内。

带有场效应管放大器的热释电器件的等效电路如图2-62所示。显然，其等效输出阻抗，电压和电流灵敏度等参数与工作频率等参数有关。

对一定调制频率的光源，应选用窄带选频放大器，以降低噪声。在低频使用时，应选用栅漏电流小的场效应管作为前置放大；在高频使用时，应选用电压噪声低的场效应管作为前置放大。

当热释电器件用于高频激光脉冲测量时。应接入低负载电阻 RL（RL＜＜Rg）。此时，探测器的响应时间常数为RL和C的乘积，即τ=RLC。其中C=Cd+CL，Cd为器件电容，CL为场效应管的输入电容。

一种实用的前置放大器的参考线路图，如图2-63所示。

同其他所有检测器件一样，热释电检测器件的探测率同样受其噪声的限制。这里引入的放大器噪声包括两个部分：一是串联于输入端的电压源，它在短路输入时出现；二是并联于输入端的电流源，它在输入端短路时消失。由于热释电器件的阻抗极高，故噪声源很重要，并在某些条件下会是主要的噪声。当然，还有温度起伏噪声源，以及电阻的热噪声。要说得详细一点，还有随机的机械振动可能引起的压电噪声，但它可以用适当选择材料和探测器结构来消除，所以一般可不考虑这种噪声。

2.7.4 热释电探测器的应用及使用要点

1. 热释电探测器件的应用

任何高于绝对零度的物体都会释放出红外线，温度越高，红外辐射的峰值波长就越短。由于热释电探测器的波长灵敏度在0.2～20 μm范围内几乎是不变的，而人体可辐射出中心波长为9～10 μm的红外线，因而我们就在芯片表面贴上截止波长为7～10 μm的滤光片，正好适合于人体红外辐射的探测，于是就可得到专门只对人体敏感的热释电红外探测器。

热释电探测器用于防盗报警系统的电路构成方框图，如图2-64所示。这是由菲涅耳透镜、热释电红外传感器、放大器、滤波器、电平比较器、驱动电路、继电器和稳压电源等组成。其中，菲涅耳透镜的构造如图2-65所示。它是由聚乙烯材料注压而成的薄片，在薄片上压制有三种不同宽度的分格竖条，单个竖条平面实际上是一些同心的螺旋线。它的作用是聚集红外线能量，当人体在菲涅耳透镜前面通过时，它具有将连续的红外辐射分割成断续红外辐射的能力，从而形成红外脉冲。用这种菲涅耳透镜与放大电路相配合，可将信号放大70dB以上，这样就可以测出10～20m范围内人的活动情况。

由前述可知，热释电效应所产生的电荷，会被空气中的离子所中和而消失，即当环境温度稳定不变时，ΔT=0，则热释电探测器无输出。当人体进入检测区时，由于人体温度与环境温度有差别，此时的 ΔT≠0，则热释电探测器有电压输出；若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，热释电探测器也就没有输出了。因此，这种热释电探测器是一种探测人体或动物活动的探测器。

此外，热释电探测器件还可用于测温，作为红外焦平面阵列探测器。例如，室温工作的非致冷型红外焦平面阵列热释电探测器，易于制成平面形状，具有与半导体硅集成电路工艺技术兼容等优点，在市场中的推广前景很好。尤其在其结构设计工作中，通过适当调整热探测源、热绝缘结构，以及 IC 热电转换电路，能够很好地改善红外焦平面阵列探测器的综合性能。高性能低温制冷型红外焦平面阵列探测器，一般应用于军事方面。

2. 热释电探测器件的使用要点

热释电探测器件除具有一般热电探测器件的优点外，还具有机械强度、灵敏度、响应速度都很高的优点。根据它的工作原理，它只能测量变化的辐射，入射辐射脉冲宽度必须小于自发矢量的平均作用时间；辐射恒定时无输出；利用它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，因此要确定热辐射体实际温度时，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，即可得到被测物的实际温度；此外，因各种热释电材料都存在一个居里温度，所以它只能在低于居里温度的范围内使用。

需特别指出的是，由于热释电晶体同时又是压电晶体，容易产生压电谐振，这就意味着在热释电效应上迭加了压电效应，而给出假信号，从而使得探测器件在高频下使用受到了限制。因此，它对微震等应变十分敏感，所以在使用时必须注意减震防震。