作者： 时间：2024-04-13
德克斯特研究中心（Dexter Research Center）开创了红外热电堆探测器领域，由于具备几十年的经验和专业知识，便成就了各方面的技术资源，此次，简单讲述封装气体对热电堆探测器的影响，方便用户学习和深入了解热电堆传感器。
热电堆红外探测器中封装气体的选择会影响其四个重要的性能参数，分别是：输出电压、响应度、信噪比（SNR）和时间常数。不同的气体具有不同的分子热导率，分子热导率会影响探测器和封装的热阻，从而影响输出电压、响应率和时间常数。但需要注意的是，还有其他因素也会影响这些参数，例如：黑色吸收剂的数量、封装类型（冷焊与电阻焊）以及热电堆型号。与基于薄膜的热电堆探测器相比，硅基热电堆的封装气体对这三个参数的影响较小。
Dexter Research Center (DRC)数据表上显示的规格是氩气或氮气封装气体，具体取决于探测器型号。其中，所有"ST"探测器规格以及SLA32都使用氮气，其他规格则使用氩气（具体封装气体请参见各数据表）。对于薄膜型、"S"型硅基和"ST"型硅基（厚边）热电堆，这些参数的变化百分比相同，分别用表1、表2和表3中的乘数表示。例如，当探测器封装使用氙气而不是氩气时，薄膜型热电堆的输出电压、响应度和时间常数将增加 2.4倍（见表1），而"S"型硅基热电堆的这些参数将增加1.6倍（见表2），所有探测器型号的回填气体计算见表4。
Dexter研究中心(DRC)提供四种标准封装气体选项：氩气、氮气、氙气和氖气。每种气体的效果各不相同，取决于它是薄膜、"S"型硅基还是"ST"型硅基热电堆红外探测器。下表显示了这三类热电堆探测器的封装气体系数（乘数Multiplier）的近似值，以下乘数的变化幅度可能超过25%，这种变化受到以下事实的限制：如果乘数(a Multiplier)大于1.0，则乘数(the multiplier)不能低于1.0；如果乘数小于1.0，则乘数不能高于1.0。
|
氩气(Ar)中基于薄膜的热电堆 |
|
|
气体 |
封装气体系数Multiplier |
|
氮气（N2） |
0.75 |
|
氙气（Xe） |
2.4 |
|
氖 (Ne) |
0.4 |
表1：相对于氩气，基于薄膜的热电堆探测器的输出电压、响应度、信噪比和时间常数的乘数。
以下是硅基热电堆的表格：表2是数据表中使用氩气的"S"型硅基型号（型号S25和S60M）。表3列出了数据表中使用氮气的"ST"型硅基型号（包括所有多通道型号）。目前，SLA32和LCC封装只能使用N2封装气体。
|
氩气(Ar)中的"S"型硅基热电堆 |
|
|
气体 |
封装气体系数Multiplier |
|
氮气（N2） |
0.87 |
|
氙气（Xe） |
~1.6 |
|
氖 (Ne) |
0.6 |
表2：相对于氩气，"S"型硅基热电堆探测器的输出电压、响应度、信噪比和时间常数的乘数。
|
氮气(N2)中的"ST"型硅基热电堆 |
|
|
气体 |
封装气体系数Multiplier |
|
氩气（Ar） |
1.1 |
|
氙气（Xe） |
1.55 |
|
氖 (Ne) |
0.9 |
表3：相对于氮气，"ST"型硅基热电堆探测器的输出电压、响应度、信噪比和时间常数的乘数。
2M时间常数示例：
以DRC 2M型为例，说明上述封装气体倍增器的工作原理。根据DRC 2M的数据表，使用氩气封装时的时间常数为85ms。要计算氙气中的近似时间常数，可将85ms的氩气时间常数乘以2.4的氩-氙乘数（见表 1），得出85msx2.4=204ms。因此，用Xe封装模型2M，时间常数约为204ms，而不是Ar的85ms。
2M输出电压示例：
输出电压也是如此。根据2M型号的DRC数据表，当暴露在330µW/cm2辐射和氩气封装下时，输出电压为250µV。要计算氙气封装2M的近似测试台输出电压，可将250µV的电压乘以2.4的氩-氙乘数（见表 1），得出250µVx2.4=600µV。因此，用Xe封装2M型后，试验台输出电压约为600µV，而不是Ar的250µV。
下表 4 列出了热电堆红外探测器型号的封装气体计算结果：
|
单通道 |
氩气Argon |
氮气Nitrogen |
氙气Xenon |
氖气Neon |
||||||||
|
输出电压(µV) |
信噪比(Vs/Vn) |
时间常数(ms) |
输出电压(µV) |
信噪比(Vs/Vn) |
时间常数(ms) |
输出电压(µV) |
信噪比(Vs/Vn) |
时间常数(ms) |
输出电压(µV) |
信噪比(Vs/Vn) |
时间常数(ms) |
|
|
S25 TO-18 |
23.0 |
1,186 |
16.0 |
20.0 |
1,032 |
13.9 |
36.8 |
1,898 |
25.6 |
13.8 |
712 |
9.6 |
|
S25 TO-5 |
40.0 |
2,062 |
18.0 |
34.8 |
1,794 |
15.7 |
64.0 |
3,299 |
28.8 |
24.0 |
1,237 |
10.8 |
|
M5 |
35.0 |
5,000 |
28.0 |
26.3 |
3,750 |
21.0 |
84.0 |
12,000 |
67.2 |
14.0 |
2,000 |
11.2 |
|
S60M TO-18 |
89.0 |
2,320 |
18.0 |
77.4 |
2,018 |
15.7 |
142.4 |
3,712 |
28.8 |
53.4 |
1,392 |
10.8 |
|
S60M TO-5 |
120.0 |
3,125 |
27.0 |
104.4 |
2,719 |
23.5 |
192.0 |
5,000 |
43.2 |
72.0 |
1,875 |
16.2 |
|
M14 |
20.0 |
2,857 |
14.0 |
15.0 |
2,143 |
10.5 |
48.0 |
6,857 |
33.6 |
8.0 |
1,143 |
5.6 |
|
微型 ST60 |
59.4 |
1,896 |
19.8 |
54.0 |
1,724 |
18.0 |
83.7 |
2,672 |
27.9 |
48.6 |
1,552 |
16.2 |
|
ST60 TO-18 |
66.0 |
2,108 |
16.5 |
60.0 |
1,916 |
15.0 |
93 |
2,970 |
23.25 |
54 |
1,724 |
13.5 |
|
ST60 TO-5 |
68.2 |
2,179 |
19.8 |
62.0 |
1,981 |
18.0 |
96.1 |
3,071 |
27.9 |
55.8 |
1,783 |
16.2 |
|
ST60 带透镜 |
324.5 |
10,368 |
19.8 |
295.0 |
9,425 |
18.0 |
457.2 |
14,609 |
27.9 |
265.5 |
8,483 |
16.2 |
|
1M |
60.0 |
8,571 |
32.0 |
45.0 |
6,428 |
24.0 |
144.0 |
20,570 |
76.8 |
24.0 |
3,428 |
12.8 |
|
1SC 补偿式 |
48.0 |
3,582 |
48.0 |
36.0 |
2,687 |
36.0 |
115.2 |
8,597 |
115.2 |
19.2 |
1,433 |
19.2 |
|
M34 |
115.0 |
10,088 |
38.0 |
86.3 |
7,566 |
28.5 |
276.0 |
24,211 |
91.2 |
46.0 |
4,035 |
15.2 |
|
DR34 补偿式 |
115.0 |
7,099 |
38.0 |
86.3 |
5,324 |
28.5 |
276.0 |
17,038 |
91.2 |
46.0 |
2,840 |
15.2 |
|
ST120 TO-5 |
198.0 |
5,161 |
27.5 |
180.0 |
4,692 |
25.0 |
279 |
7,273 |
38.75 |
162 |
4,223 |
22.5 |
|
ST150 |
253.0 |
7,228 |
41.8 |
230.0 |
6,571 |
38.0 |
356.5 |
10,185 |
58.9 |
207 |
5,914 |
34.2 |
|
ST150 带透镜 |
357.5 |
10,215 |
41.8 |
325.0 |
9,286 |
38.0 |
503.75 |
14,393 |
58.9 |
292.5 |
8,357 |
34.2 |
|
DR46 补偿式 |
210.0 |
11,602 |
40.0 |
157.5 |
8,702 |
30.0 |
504.0 |
27,845 |
96.0 |
84.0 |
4,641 |
16.0 |
|
2M |
250.0 |
19,531 |
85.0 |
187.5 |
14,648 |
63.8 |
600.0 |
46,874 |
204.0 |
100.0 |
7,812 |
34.0 |
|
3M |
440.0 |
25,581 |
100.0 |
330.0 |
19,186 |
75.0 |
1056.0 |
61,394 |
240.0 |
176.0 |
10,232 |
40.0 |
|
6M |
370.0 |
18,317 |
221.0 |
277.5 |
13,738 |
165.8 |
888.0 |
43,961 |
530.4 |
148.0 |
7,327 |
88.4 |
|
多通道 |
氩气Argon |
氮气Nitrogen |
氙气Xenon |
氖气Neon |
||||||||
|
输出电压(µV) |
信噪比(Vs/Vn) |
时间常数(ms) |
输出电压(µV) |
信噪比(Vs/Vn) |
时间常数(ms) |
输出电压(µV) |
信噪比(Vs/Vn) |
时间常数(ms) |
输出电压(µV) |
信噪比(Vs/Vn) |
时间常数(ms) |
|
|
ST60 双通道 |
68.2 |
2,179 |
19.8 |
62.0 |
1,981 |
18.0 |
96.1 |
3,071 |
27.9 |
55.8 |
1,783 |
16.2 |
|
DR26 |
54.0 |
5,684 |
38.0 |
40.5 |
4,263 |
28.5 |
129.6 |
13,642 |
91.2 |
21.6 |
2,274 |
15.2 |
|
DR34 |
115.0 |
10,088 |
38.0 |
86.3 |
7,566 |
28.5 |
276.0 |
24,211 |
91.2 |
46.0 |
4,035 |
15.2 |
|
ST120双通道 |
181.5 |
4,731 |
27.5 |
165.0 |
4,301 |
25.0 |
255.75 |
6,667 |
38.75 |
148.5 |
3,871 |
22.5 |
|
ST150双通道 |
253.0 |
7,228 |
41.8 |
230.0 |
6,571 |
38.0 |
356.5 |
10,185 |
58.9 |
207 |
5,914 |
34.2 |
|
DR46 |
210.0 |
16,406 |
40.0 |
157.5 |
12,305 |
30.0 |
504.0 |
39,374 |
96.0 |
84.0 |
6,562 |
16.0 |
|
T34 补偿式 |
115.0 |
7,099 |
38.0 |
86.3 |
5,324 |
28.5 |
276.0 |
17,038 |
91.2 |
46.0 |
2,840 |
15.2 |
|
ST60四通道 |
68.2 |
2,179 |
19.8 |
62.0 |
1,981 |
18.0 |
96.1 |
3,071 |
27.9 |
55.8 |
1,783 |
16.2 |
|
ST120四通道 |
154.0 |
4,014 |
27.5 |
140.0 |
3,649 |
25.0 |
217 |
5,656 |
38.75 |
126 |
3,284 |
22.5 |
|
ST150四通道 |
253.0 |
7,228 |
41.8 |
230.0 |
6,571 |
38.0 |
356.5 |
10,185 |
58.9 |
207 |
5,914 |
34.2 |
|
2M 四通道 |
250.0 |
19,531 |
85.0 |
187.5 |
14,648 |
63.8 |
600.0 |
46,874 |
204.0 |
100.0 |
7,812 |
34.0 |
|
10 通道 |
115.0 |
10,088 |
38.0 |
86.3 |
7,566 |
28.5 |
276.0 |
24,211 |
91.2 |
46.0 |
4,035 |
15.2 |
注：LCC封装，SLA32：仅可使用氮气。
