1、大到我國的探月工程，小到我們每個人的日常生活，隨處可見。探測器的應用也越來越廣泛，它已經進駐了各行各業，它在各行業中都發揮著不可估量的作用。 本文將介紹熱釋電效應及其探測器的原理、結構、特點、噪聲分析等等。另針對熱釋電紅外探測中微信號放大時的低信噪比問題，在分析熱釋電紅外探測器及前置放大電路噪聲來源的基礎上，提出了一種熱釋電紅外探測前置放大電路。電路仿真表明，文中所設計的前置放大電路具有低頻特性好、高信噪比、高增益的特點，能有效放大微弱信號。關鍵字：熱釋電；探測器；前置放大電路；高信噪比；第一章 1.1 引言 熱釋電探測器是70年代以來取得重大進展的一種新型熱探測器。它利用某些特殊材料的熱釋電

2、效應探測目標物體的紅外輻射能量。 從結構來看，熱釋電紅外焦平面探測器主要有混合式和單片式兩種?；旌鲜浇蛊矫嫣綔y器的探測器列陣芯片和讀出電路芯片分別用不同的材料制作，然后通過銦柱互連。這樣，就可使探測器列陣芯片和讀出電路芯片分別測試以確保各自的性能。這種結構的熱釋電焦平面探測器是目前的主流產品。單片式焦平面探測器是采用讀出電路上生長微橋作為光敏元材料支撐和熱隔離結構。經過20年的發展微橋結構的熱釋電焦平面探測器的靈敏度已達到第一代和第二代致冷焦平面探測器之間的水平，其NETD通常優先于0.1K，可達0.05K。紅外焦平面探測器是獲取目標景物紅外光輻射信息的重要光電器件，其中的熱釋電焦平面探測器所

3、具有的性價比高，可靠性好，長波工作，功耗小，壽命長，重量輕，體積小等優勢，使得它在軍事和民用方面都有廣闊的應用前景。隨著信息技術的普及和發展，紅外探測技術已經得到了迅速的發展，已廣泛應用于夜視儀、報警、防火、醫療、自動控制等領域。其中，利用熱釋電效應開發的紅外探測器由于具有非制冷的顯著特點而倍受關注。熱釋電效應是指：在具有自發極化的熱釋電材料中，當材料溫度發生變化或吸收熱量后，因材料自發極化強度發生變化而在材料表面釋放出電荷的現象。紅外探測器是紅外成像的核心部分，其前置放大器是整個系統的關鍵部件，它的功能是將紅外探測器接收到的微弱信號進行放大并輸出給后續處理電路。然而，由于紅外熱釋電探測器的響

4、應信號十分微弱(一般為微伏級)，故對前置放大器提出了嚴格的要求：低噪聲、高增益、低頻特性好及抗干擾能力強。因此，前置放大器對整個紅外系統的性能和效率起著決定性的作用。本文針對熱釋電探測器的噪聲問題，提出了一種新型高增益、低噪聲的前置放大電路設計方案。1.2 熱釋電探測器的發展狀況 1800年，英國科學家海謝爾做了一個實驗，他把陽光分成彩色光帶以后，用溫度計來測量各種光的溫度，發現了一個奇怪的現象:靠近太陽光深紅色光外的不可見部分，溫度竟比紅光還高。這是一個意外的發現.因為以前只知道太陽光有七色，至于在七色之外的黑暗中還存在著什么物質，是不清楚的。于是，海謝爾設想在太陽的輻射中，除了可見光以外，

5、一定還包含著一種人的肉眼看不見的輻射。后來經過實驗證明:這種輻射還存在于其他物體發出的輻射中。當時，人們就稱它為“不可見輻射”。由于這種“不可見輻射”是在紅光的外邊發現的，所以，后來就稱它為紅外輻射，又叫它紅外線。1887 年，人們在實驗室中成功地產生了紅外線，使人們認識到:可見光、紅外線和無線電波在本質上都是一樣的。到了20世紀，由于生產實踐的需要，推動了各項新技術的發展，紅外科學也從實驗室走出來，開始應用到生產上，并形成了一門嶄新的技術一紅外技術。紅外線亦稱“紅外光”。在電磁波譜中，波長介于紅光和微波間的電磁輻射。在可見光的范圍以外，波長比紅光要長，有顯著的熱效應，可以用溫差電偶、光敏電阻

6、等儀器來測量，波長在0.773微米為近紅外區:330微米為中紅外區;301000微米為遠紅外區。紅外線容易被物體吸收，轉化為物體的內能:在通過云霧等充滿懸浮粒子的物質時，不易發生散射，具有較強的穿透能力，紅外線應用很廣，可用以焙制食品、烘干油漆以及進行醫療等。物質對紅外線的吸收光譜對研究物質的分子結構、化學分析及化學工業上的控制有重要意義。軍事上常用紅外探測器來探測目標，以及紅外通信等。1956 年 ，chynoweth利用輻射調制方法研制欽酸鋇的動態熱釋電響應，這一方法為研究材料極化的溫度特性提供了重要實驗手段，為利用熱釋電效應實現熱成像探測提供了基礎。同年，比thais利用TGS制成了實用

7、的熱釋電探測器，使得此類材料在隨后的一段很長時間里成為研究重點，并于1969年用于熱成像探測。1961年，Hanel首次揭示了介電測輻射熱計效應，這在當時并不是一個引起很大重視的工作，但隨后在對擔杭酸鉛(PST) /欽酸銘鋇(BST) 類相變型熱釋電材料的深入研究之后，一種新的探測機制建立起來了。對典型熱釋電材料研究的深入，伴隨著鐵電理論和熱釋電探測理論的發展和完善。雖然在熱釋電現象的理論研究方面還有許多未知的領域，但是熱釋電探測原理已經在熱力學分析的基礎上很好的建立起來了。1970年Putley全面總結和闡述了熱釋電探測器的工作原理及熱探測器的理論探測極限。在此基礎上，他還演示了具有接近探測

8、極限性能的單元探測器，為設計和制造有極限探測性能的探測器建立了基本原則。1978年Liu等全面總結了熱釋電材料與期間的發展，指明了具有正常熱釋電效應的材料的局限.1986年，whatmore再次全面總結了熱釋電探測器的原理，器件設計及應用，較系統地提出了介電測輻射熱計效應的應用，對器件設計，制造中的一些關鍵因素作了簡要地總結。隨后，Kulwick、maralt等又對隨后的研究進展作了總結。這些理論和總結，基本上完整地勾畫出了熱釋電探測在理論，材料及器件諸方面的發展狀況。1993年Wvon.Munch等人研究了用未極化的PVDF/TrPE聚合物作為主要熱絕緣材料的單片式熱釋電紅外探測器。通過調節

9、組份可降低PvDp/TrFE聚合物的熱導率，僅為0.1287w/mk，約為的1/10、的1/80.通過旋轉涂膠法(spin-coating)在ROIC硅片上方制備兩層一10m/聚合物薄膜，上層作為探測靈敏元材料，下層薄膜作為隔熱層。探測靈敏元的下電極分布在兩層聚合物之間，并穿過下層聚合物薄膜與讀出電路的M仍管連接。探測器的探測率為=1cm/W該探測器可以實現單片集成，但工藝步驟較為夢瑣。特別是連接下電極與讀出M璐管時，首先要刻蝕AI形成掩模，再濕法刻蝕聚合物，很容易導致聚合物性質變壞。 1998 年，NorioFujitsuka等人利用硅微機械加工技術制作了一種單片式熱釋電紅外探測器。該探測器

10、在硅襯底上通過各向異性腐蝕形成空腔，由四條支撐臂將熱釋電薄膜支撐在空腔上方，只有細長的支撐胃作為熱流通道，從而大大降低了熱導。熱釋電材料采用PvDF 聚合物，薄膜厚度為0.7m金屬電極采用熱導率比Al 小一個量級的欽(Ti)電極。真空中測得探測率=2.4cm/W，響應率v/w.整套工藝相對簡單，探測率也有了一定的提高，但空腔、支撐結構與讀出電路分布在同一水平面上，占據了很大硅片面積。國內方面 ，中國科學院上海技術物理研究所在熱釋電探測器方面的研究是比較權威的。冷麗國、王模昌根據電功補償的探測原理設計了一種寬波段大市場紅外輻射探測器15，根據探測原理的分析，這種腔體探測器靈敏度要求的實現，主要依

11、賴于腔體和熱沉的精密溫控。他們通過分析腔體和熱沉的溫度變化對探測靈敏度的影響來對腔體和熱沉的溫控精度設計，并通過引入補償腔后的對稱結構降低熱沉的溫控精度克服環境變化的影響。我國“神州三號”地球輻射探測儀就是這種探測器的典型應用，該儀器的探測波段較寬(0.2m一50m)，視場較大( 45)，因此對探測器的時間響應要求不高，而對探測器的吸收率，角響應性能和穩定性等有較高的要求，適于采用腔體探測器，該儀器于2002年3月25日隨“神州三號”飛船發射并順利完成了為期半年的在軌探測試驗，獲取了大量探測數據。2005 年 9月 ，昆明物理研究所采用錯欽酸鉛(PzT )體材料、研制成功160x120元、探測

12、元中心尺寸50m50m的非制冷焦平面探測器。熱釋電探測器不僅保持了熱探測器的共同優點，即室溫款波段工作，而且在很寬的頻率和溫度范圍內具有較高的探測率、能承受大的輻射功率并具有較小的時間常數等等特點，因此得到了廣泛應用。例如,利用熱釋電探測器探測目標本身的熱輻射強度，就可得到室溫物體本身的熱輻射圖像，這就是通常所說的熱成像。這種熱成像系統不宜被干擾，是對目標與背景的溫差進行探測，因此容易發現隱蔽物體，并能在有煙和霧的條件下工作。用熱釋電靶代替光電導靶的熱釋電攝像器件，即可在紅外波段工作，有無需機械掃描裝置，并兼有室溫工作的優點。用這種器件制成的熱釋電攝像機可用于空中與地面偵察、入侵報普、戰地觀察

13、、火情觀測、醫用熱成像、環境污染監視以及其它領域。在空間技術中，熱釋電探測器主要用來測量溫度分布和適度分布，或用于搜集地球的有關數據。地球大氣系統的熱輻射和大氣組分的光譜吸收帶主要位于3一25m范圍內，而且用于測量這些輻射的一起工作頻率又不十分高，因此使用熱釋電探測器是合適的。例如，在艾托斯-D衛星上裝備有TGS的豎直溫度分布輻射計。所用的TGS的NEP值小于1.5x W;工作溫度為35;調制頻率為16H:光敏面積為2.25。在云雨5號衛星上，為測量七個波長間隔內有部分云層時的溫度分布和水汽分布，所用探測器也是TGS，其NEP值小于2.5x W:工作溫度為37:調制頻率為35Hz;光敏面積為2

14、.56。再如，在云雨6號衛星上所使用的壓力調制輻射計和地球平衡測量儀都使用了熱釋電探側器。前者使用了兩個TGs器件，用以測量40Km和85lha高度范圍內的大氣溫度分布;后者使用了LITu仇探測器，以測量太陽和地球的輻射。該器件的NEP值為1.75x W。由于熱釋電探測器具有較寬的線性動態特性，使它在激光測量中獲得了廣泛應用.例如，用于s一Ps激光脈沖測量及高功率脈沖激光的震蕩頻率、光束的空間與時間分布測量等。第二章2.1熱電效應及其熱釋電效應 熱探測器也通稱為能量探測器，其原理是利用輻射的熱效應，通過熱電變換來探測輻射。入射到探測器光敏面的輻射被吸收后，引起響應元的溫度升高，響應元材料的某一

15、物理量隨之而發生變化。利用不同物理效應可設計出不同類型的熱探測器，其中最常用的有電阻溫度效應(熱 敏電阻)、溫差電效應(熱電偶，熱電堆)和熱釋電效應。由于各種熱探測器都是先將輻射轉化為熱并產生溫升，而這一過程通常很慢，熱探測器的時間常數要比光子探測器大得多。熱探測器性能也不像光子探測器那樣有些已接近背景極限。即使在低頻下，它的探測率要比室溫背景極限值低一個數量級，高頻下的差別就更大了。因此，熱探測器不適合用于快速、高靈敏度的探測。熱探測器的最大優點是光譜響應范圍較寬且較平坦。介質材料中存在不同的電偶極矩，其中之一是由于分子間正負電荷中心不重合而產生的，這種偶極矩稱固有電偶極矩。具有這種偶極矩的

16、材料叫熱釋電材料。熱釋電材料同普通的熱電材料不同，它們有自極化效應，即使在沒有外電場的情況下，也存在電偶極矩。熱釋電材料溫度單一變化時，偶極子之間的距離和鏈角發生變化，使極化強度發生變化，極化強度的大小等于單位體積的偶極矩，它與出現在晶體電極表面單位面積內的面電荷成正比。當溫度不變時，晶體表面的電荷被來自外部的自由電荷中和。晶體溫度變化越大，極化強度變化就越大，表示大量的電荷聚集在電極。電流為單位時間電荷的變化，所以，當熱釋電材料溫度單一變化的時候便產生電流。若dt 時 間 內，熱釋電材料吸收熱輻射，溫度變化私T，極化強度變化以尸，則材料單位面積產生的電流可表為: J=稱熱釋電系數，用P表示，

17、為溫度變化率。 J=P熱釋電材料的自極化強度與溫度有關，熱電系數在居里溫度處有最大值。2.2熱釋電探測器的原理 熱釋電探測器是基于熱釋電效應測量紅外輻射的光熱電轉換器。其內部等效模型如圖1所示：表示等效電容，表示等效電阻，P為光輻射功率，為熱釋電電流。當輻射功率為L的光照射在靈敏元件的光敏面，元件產生電流式中=AdT/dt，式中A為電極面積，為熱釋電系數，dT/dt為入射光引起靈敏元件的溫度變化?？梢妼τ诤愣ǖ墓庹?，=0。所以探測恒定的入射功率時，必須用斬波器。 探測器輸出信號瞬時電壓表示為=P= (1)式中為探測器的響應率；P為元件接收的輻射功率；為光敏面對輻射的吸收率；為斬波頻率；R為電阻

18、，其大小等于探測器內部等效電阻和探測器的負載電阻并聯阻值；為系統電時間常數，大小為=RC，C表示探測器等效電容與負載電容之和；為探測器的熱時間常數，其大小=H/G，其中H 為探測器的熱容，G為敏感元件向周圍空間總熱導。 與和的關系曲線如圖2所示。和決定了探測器的工作點。圖中響應率單位為：VW，斬波頻率單位為：Hz。 由公式（1），當=0，則=0，所以熱釋電探測器的輸入光必須是輻射脈沖。紅外氣體分析主要是用于能量測量，即探測器輸出電壓函數U(t)，其中P(t）是輸入光功率函數，是輻射脈沖寬度 =其中是斬波器一個工作周期內，通光時間與工作周期的比值。當,輻射脈沖產生的電壓是一段時間內的積分值，大小

19、表示為 V（t）=2.2熱釋電探測器使用特點 由以上分析可知，熱釋電探測器有以下特征：（1）熱釋電探測器只對溫度的變化有響應，所以只能作為交流器件使用。（2）熱釋電探測器光譜響應與熱釋電晶體、靈敏元電極涂層和窗口材料有關系。適當選擇涂層材料，熱釋電探測器可以探測!($!#)的波段。在實際應用過程中，由于熱釋電晶體材料、靈敏元電極涂層光譜范圍很寬，所以熱釋電探測器光譜響應范圍主要由窗口材料決定。（3）它可以在室溫下工作，不需要致冷系統，而且響應率受環境溫度變化不是很明顯。（4）它可以制成大面積的熱釋電薄膜陣列探測器。（5）易于大批量生產，成本較低。2.3熱釋電探測器的結構 熱釋電薄膜紅外探測器自

20、下而上由硅襯底、絕熱結構、下電極、熱釋電層、上電極和吸收層組成。復合膜結構的探測器在下電極和硅襯底之間加入低熱導率的多孔51久，作為絕熱層，如圖3所示采用 PT 薄 膜制備熱釋電紅外探測器的主要工藝步驟如下:a)在Si基片上沉積層;b)濺射沉積:層;C)濺射沉積底電極(Pt/Ti);d)等離子刻蝕底電極;e)熱釋電盯薄膜沉積;f)光刻法刻蝕薄膜;g)濺射沉積上電極和紅外吸收層。h)化學或電化學腐蝕Si以形成微橋。熱釋電薄膜紅外探測器的靈敏度主要取決于材料熱釋電系數和像襯底熱阻。熱阻越大，靈敏度就越高。目前國內外普遍采用熱絕緣措施有:(1)像元/襯底間鏤空結構。該措施無疑是效果最佳的，但工藝復雜

21、，且像元能承受的加速度有限;(2) 和SiC等熱導率低的無機材料作為熱阻;(3)孔隙率達95%以上的Si氣溶膠(aerogel)作為絕熱和支撐材料.將來 可 以 考慮以兼容性很強的有機/無機復合材料來作為熱阻。除了上面提到的方法外，還可采用硼摻雜自動終止腐蝕技術以及在MgO襯底上制備靈敏元，經懸空裝配后再將MgO襯底去除等方法制備微橋結構。熱釋電薄膜紅外探測器通常制作在硅襯底上，但是硅襯底的熱導率很高，導致大量的熱散失，產生嚴重的溫度噪聲并降低了探測器的響應率和靈敏度。為了減小通過襯底的熱散失，可以在探測器的襯底和敏感元之間加入不同厚度的絕熱層，也可以采用微橋結構。2.4 熱釋電探測器的噪聲分

22、析與抑制 前置放大器的噪聲主要由輸入級貢獻，3個獨立的噪聲源限制了大部分探測器的敏感性。 系統的噪聲主要包括有探測器的Johnson噪聲、1f噪聲、放大器的電壓和電流噪聲等。Johnson噪聲(即熱噪聲)是由探測器材料中的電荷載流子(自由電子)的隨機熱運動而產生的。要減小Johnson噪聲帶來的影響，應盡量縮短熱釋電探測器和前置放大器之間的距離，以減少外界熱干擾，并在前置放大電路中串人低通濾波電路，限制噪聲帶寬。同時，在探測器材料表面能態上會產生載流子的產生與復合而引起相關噪聲，即1f噪聲，它是所有線性器件固有的隨機噪聲。1f噪聲也通常發生在兩個導體的連接處，這是由于接觸的不完全造成了電導率的

23、微小起伏。1f噪聲是工頻低于200Hz時的主要噪聲源。1f噪聲還與輸入的電流有關。在低頻區域，隨著偏壓的增大，通過探測器的電流也增大，探測器的低頻1f噪聲也相應增大?？梢酝ㄟ^改善探測器材料表面結構和電接觸點的不完善之處，提高探測器的工藝水平，減小器件的暗電流是降低器件低頻噪聲的重要途徑。 熱釋電探測器需要實現阻抗匹配才能有效輸出信號，在對低頻小信號放大時，JFET具備了良好的噪聲性能，而且具有輸人阻抗大、輸入電流小的特點，因此選用JFET來實現對探測器的阻抗變換。熱釋電探測器為高阻抗、電容性器件，高阻抗特性帶來了額外的電壓和電流噪聲，在低噪聲放大器應用中為了降低這種噪聲，放大器的工作點應設置在

24、小電流的區域，使電壓、電流噪聲頻率盡可能遠離信號頻率，以便采用濾波電路去除。第三章3.1電路設計 在紅外探測系統中，通過選擇合適的有源器件和無源器件，并采用低噪聲前置放大電路來實現噪聲指標要求，達到對紅外低頻小信號放大的目的。有源器件的選擇主要從源電阻Rs和頻率范圍來考慮。熱釋電探測單元通過阻抗匹配后的電阻為幾百千歐，在初級放大電路中，選用高輸入阻抗、低漏電流、頻率響應好的結型場效應管；電容器則用低頻特性好、性能穩定的鉭電容；電阻選用金屬膜電阻，以滿足低噪聲、電阻容差小的要求。前置放大器的噪聲主要由初級放大電路輸入端貢獻，在初級放大時有效地濾除噪聲將直接影響到次級放大電路的性能、后續電路的處理

25、以及紅外探測信號提取。因此，初級放大電路在很大程度上決定了整個前置放大電路的性能。圖5為常見的初級前置放大電路，其中,為偏置電阻。電容蜘電抗很小，被，旁路，對信號沒有影響，但,產生的熱噪聲和過剩噪聲會使放大電路的噪聲增加，影響前置放大器的低頻性能。 為了降低前置放大電路的噪聲，本文提出如圖6所示的初級前置放大電路。該電路在,和場效應管的柵極之間增加一個電阻和一個旁路電容。同時，采用一個場效應管替代圖5中的漏極偏壓電阻，信號從和的漏極電阻，之間輸出給次級電路處理。在圖6中，通過選擇適當大小的和，使電抗小于，這樣，偏置電阻及產生的高頻噪聲可以通過旁路，從而不會通過場效應管，從而噪聲不會被放大。另二方面，將場效應管的漏極與另一場效應管的源極相接，作為恒流源代替圖5中的漏極偏壓電阻，這樣減小了漏極電阻及漏電流帶來的噪聲影響，從而使該前置放大電路的噪聲大幅度減小。由于在初級放大電路中的輸出阻抗很大，為了使信號完全加載在次級放大電路的輸入端，減小信號的損失，故在次級放大電路中，本文提出采用高放大倍數的BJT，并用共集接法，使輸入輸出阻抗達到最佳匹配，同時串接窄帶濾波電路，限制噪聲帶寬。3.2仿真本文運用Pspice92軟件設計并制作了電路原理圖，并對如圖3所示的前置放大電路進行了仿真分析。仿真時，在信號輸入端采用與紅外探測信號相符合的正弦交流電壓源，