文档介绍：热释电器件的类型
1. 硫酸三甘肽(TGS)晶体热释电器件
它在室温下的热释电系数较大,介电常数较小,比探测率D*值较高[D*(500, 10 ,1) 1~5×109cmHz1/2W-1]。在较宽的频率范围内,这类探测器的灵敏度较高,因此,至今仍是广泛应用的热辐射探测器件。 TGS可在室温下工作,具有光谱响应宽、灵敏度高等优点,是一种性能优良的红外探测器,广泛应用红外光谱领域。
掺丙乙酸的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,仍无退极化现象。它的热释电系数也有所提高。掺杂后TGS晶体的介电损耗减小,介电常数下降。前者降低了噪声,后者改进了高频特性。在低频情况下,这种热释电器件的NEP为4×10-11 W/Hz-1/2,相应的D*值为5×109cm·Hz1/2W-1。它不仅灵敏度高,而且响应速度也很快。
2. 铌酸锶钡(SBN) 热释电器件
图5-20所示为LATGS的等效噪声功率NEP和比探测率D*随工作频率f的变化关系。
这种热释电器件由于材料中钡含量的提高而使居里温度相应提高。例如,,其居里温度相应从47°C提高到115°C。SBN探测器在大气条件下性能稳定,无需窗口材料,电阻率高,热释电
系数大,机械强度高,在红外波段吸收率高,可不必涂黑。工作在500MHz也不出现压电谐振,可用于快速光辐射的探测。但SNB晶体在钡含量x<,如不加偏压,在室温下就趋于退极化。而当x>,晶体在生长过程会开裂。
3. 钽酸锂(LiTaO3)
在SNB中掺少量La2O2可提高其热释电系数,掺杂的SBN热释电器件无退极化现象,D*(500, 10 ,1) ×108cm·Hz1/2·W-1。掺镧后其居里温度有所降低,但极化仍很稳定,损耗也有所改善。
这种热释电器件具有很吸引人的特性。在室温下它的热释电响应约为TGS的一半,但在低于零度或高于45°C时都比TGS好。
该器件的居里温度Tc高达620°C,室温下的响应率几乎不随温度变化,可在很高的环境温度下工作;且能够承受较高的辐射能量,不退极化;它的物理化学性质稳定,不需要保护窗口;机械强度高;响应快(时间常数为13×10-12s,极限为1×10-12s;);适于探测高速光脉冲。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。其D*(500, 30, 1)×108cm·Hz1/2·W-1。
4. 压电陶瓷热释电器件
压电陶瓷器件的特点是热释电系数γ较大,介电常数ε也较大,二者的比值并不高。其机械强度高、物理化学性能稳定、电阻率可以控制;能承受的辐射功率超过LiTaO3热释电器件;居里温度高,不易退极化。例如,锆钛酸铅热释电器件的Tc高达365℃,D*(500,1,1)高达7×108cm·Hz1/2·W-1。
5. 聚合物热释电器件
有机聚合物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薄膜;其物理化学性能稳定,造价低廉;虽然热释电系数γ不大,但介电系数ε也小,所以比值γ/ε并不小。在聚合物热释电材料中较好的有聚二氟乙烯(PVF2)、聚氟乙烯(PVF)及聚氟乙烯和聚四氟乙烯等共聚物。利用PVF2薄膜已得到D*(500,10,1)达108cm·Hz1/2·W-1。
6. 快速热释电探测器
如前所述,由于热释电器件的输出阻抗高,因此需要配以高阻抗负载,因而其时间常数较大,即响应时间较长。这样的热释电器件不适于探测快速变化的光辐射。即使使用补偿放大器,其高频响应也仅为103Hz量级。
近年来发展了快速热释电器件。快速热释电器件一般都设计成同轴结构,将光敏元置于阻抗为50Ω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ps。图5-21所示为一种快速热释电探测器的结构原理图。光敏元件是SBN晶体薄片,采用边电极结构,,衬底采用Al2O3或BeO陶瓷等导热良好的材料。输出用SMA/BNC高频接头。这种结构的热释电探测器的响应时间为13ps,其最低极限值受晶格振动弛豫时间的限制,约为1ps。
不采用同轴结构而采用一般的管脚引线封装结构,热释电探测器的频响带宽已扩展到几十兆赫。快速热释电器件常用来测量大功率脉冲激光,需要能承受大功率辐射,为此应选用损伤阈值高的热释电材料和高热导的衬底材料制造。
典型热释电器件
如图3-4所示为典型TGS热释电器件。把制好的TGS晶体连同衬底贴于普通三极管管座上,上下电极通过导电胶、铟球或细铜丝与管脚相连,加上窗口后构成完整的TGS热电探测器件。
为了降低器件的总热导,一般采用热导率较低的衬底。管内抽成真空或充氪气等