热释电探测器

热释电探测器是一种基于热释电效应工作的光传感器。它们广泛用于激光脉冲的检测，特别是在红外光谱区域，并能够响应广泛的波长。这些热探测器利用温度波动在热释电晶体表面产生电荷变化，从而产生相应的电信号。

热释电探测器是许多光能计的核心组件，通常在室温下工作，无需冷却。与使用光电二极管的能量计相比，热释电探测器提供了更广泛的光谱响应。此外，热释电传感器有多种应用，包括火灾探测、基于卫星的红外探测，以及通过红外辐射识别个体的运动探测器。

关键组件

一个典型的热释电探测器由以下部分组成：

• 热释电材料： 通常是锂钽酸盐（LiTaO₃）或锂铌酸盐（LiNbO₃）等晶体。
• 电极：这些电极放置在热释电材料的两侧以收集生成的电荷。
• 红外（IR）吸收器：一个吸收红外辐射并将其转化为热量的层，从而提高热释电材料的温度。

工作原理

当红外辐射照射到探测器时，它被红外吸收层吸收，导致热释电材料的温度上升。温度变化改变了热释电材料的极化。由于材料不处于热平衡状态，晶体结构内的偶极矩发生变化，从而导致电场的变化。

这种极化变化在电极之间产生暂时电压。此电压的大小与温度变化的速率成正比，而不是绝对温度。这意味着探测器对红外辐射的变化作出反应，而不是对恒定水平作出反应。生成的电压随后由外部电路测量和处理。该信号可用于检测红外辐射的存在和强度。

使用材料

只有一小部分晶体具有足够低的晶体对称性，例如单斜对称性，能够表现出铁电特性和热释电效应。这些晶体的电极化依赖于温度，导致温度变化时产生热释电电荷。

三甘氨酸硫酸盐（TGS, (NH₂CH₂COOH)₃·H₂SO₄）具有特别高的灵敏度，但其居里温度较低，仅为49°C。超过此温度，其铁电特性消失。重氘化三甘氨酸硫酸盐（DTGS）是TGS的改良形式，其居里温度稍高，为61°C。然而，这两种材料都不适合在必须保持远低于居里温度的应用中使用。热释电响应在居里温度下方显著增加，影响标定，并且在更高温度下部署时存在风险。此外，TGS和DTGS都是水溶性、吸湿性且脆弱的，因此不适合用于坚固的光能计。

其他来自钙钛矿族的铁电材料包括铅锆钛酸盐（PZT, PbZrTiO₃）和铅钛酸盐（PT, PbTiO₃）。这些材料以陶瓷形式使用，例如沉积薄膜，因为大晶体难以生产。为了在室温下保持稳定，需要额外的掺杂剂。这些材料的制造成本相对较低，且比TGS更为坚固。

参数

光谱响应

与其他热探测器类似，热释电传感器由于其足够宽带的吸收，能够具有非常广泛的光谱响应。它们还可以配备红外滤光片，以仅允许特定波长范围内的光通过。

有效面积

热释电探测器的有效面积通常是一个圆盘或一个矩形区域，直径从几毫米到几十毫米不等。设计用于更高脉冲能量的探测器通常具有更大的有效面积。

表面反射率

理想情况下，热释电探测器应吸收所有入射光，以获得最大灵敏度。然而，为了快速响应，通常在反射金属电极上使用薄的吸收涂层，或使用具有增强吸收表面结构的金属电极。这可能导致显著的反射率，通常约为50%。

最大脉冲宽度

热释电探测器需要足够短的输入脉冲才能正常工作。允许的最大脉冲宽度在不同型号之间差异显著，通常在数十微秒的范围内。Q开关激光器产生的脉冲总是足够短，以适合这些探测器。

灵敏度和动态范围

这些探测器通常测量纳焦耳到微焦耳范围的脉冲能量。最灵敏的型号噪声底线远低于100 pJ，能够以合理的精度测量几纳焦耳的脉冲能量。它们还可以处理高达10 μJ的脉冲能量，提供约40 dB的动态范围用于能量测量。

检测带宽

热释电探测器的典型检测带宽为几个千赫兹，有时甚至达到几十千赫兹，这比许多其他热探测器（如热电偶和热堆）快。这种速度源于紧凑型探测器晶体的小热容量。为了获得特别快的响应，使用具有加工吸收表面的薄金属电极以最小化热容量。

对声音的响应（微音效应）

所有热释电材料也是压电材料，导致它们对入射声波作出响应并充当麦克风，这通常是不可取的。通过正确安装和屏蔽晶体，可以减轻这种微音效应。

优点：

• 灵敏度： 热释电探测器对红外辐射的小变化具有高度灵敏性。
• 快速响应时间： 它们可以快速响应温度变化，适用于需要快速检测的应用。
• 宽光谱响应： 它们能够检测广泛的红外波长。

应用：

• 运动检测： 常用于安防系统和自动照明。
• 气体分析： 应用于气体分析仪中，以检测吸收红外辐射的气体。
• 温度测量： 用于非接触式温度计和热成像设备。
• 火焰检测： 用于火灾报警系统，以检测火焰发出的红外辐射。

局限性：

• 温度稳定性： 它们对环境温度变化敏感，这可能影响准确性。
• 信号处理： 输出信号与温度变化的速率成正比，需要特定的信号处理技术进行正确解释。