紅外探測(cè)器是一種對(duì)紅外輻射敏感的器件,它將紅外輻射轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，是紅外熱像儀成像系統(tǒng)中的核心，也是紅外技術(shù)尖端的領(lǐng)域。紅外探測(cè)器的發(fā)展水平直接決定了紅外熱像儀的測(cè)溫精度跟測(cè)溫速度。

不同探測(cè)器對(duì)紅外輻射的響應(yīng)度不同，有些探測(cè)器對(duì)某些波長(zhǎng)紅外輻射的響應(yīng)較低，這主要是由于探測(cè)器材料對(duì)不同波長(zhǎng)的紅外輻射的反射和吸收存在差異。

目前在TELOPS紅外成像儀中使用的斯特林制冷焦平面陣列（FPA）探測(cè)器一般工作在3μm~5μm，7.7μm~11.8μm波段，探測(cè)器材料為MCT和InSb。

自上世紀(jì)以來(lái)，紅外探測(cè)器的研發(fā)蓬勃發(fā)展，目前各大廠(chǎng)家已經(jīng)生產(chǎn)出了種類(lèi)繁多的紅外探測(cè)器，根據(jù)紅外線(xiàn)探測(cè)器的不同特性也有不同的分類(lèi)方法。根據(jù)探測(cè)器響應(yīng)波長(zhǎng)，可以分為近紅外、中紅外、長(zhǎng)波紅外和遠(yuǎn)紅外探測(cè)器；根據(jù)工作溫度，可以分為致冷型和非致冷型紅外探測(cè)器；其中制冷型又可分為半導(dǎo)體制冷,液氮制冷；根據(jù)探測(cè)器結(jié)構(gòu)可分為單元（測(cè)溫儀）、線(xiàn)陣和焦平面紅外探測(cè)器；就探測(cè)機(jī)理而言，又可分為光子和熱敏紅外探測(cè)器，本文主要以探測(cè)機(jī)理為分類(lèi)方式：

光子紅外探測(cè)器是利用材料的光電效應(yīng)將光輻射轉(zhuǎn)換為電流的紅外敏感器件。組成探測(cè)器材料的電學(xué)性質(zhì)取決于其中電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)紅外輻射入射至材料表面時(shí)，入射光子直接與材料中的電子發(fā)生作用，從而改變電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，探測(cè)器材料的電學(xué)性質(zhì)也將隨之發(fā)生變化，這類(lèi)現(xiàn)象統(tǒng)稱(chēng)為材料的光電效應(yīng)。這里強(qiáng)調(diào)“直接”兩字,因?yàn)槲覀儾辉试S光的入射引起探測(cè)器材料分子或者原子的震動(dòng)，從而引起材料的升溫。光子探測(cè)器主要有以下幾種：

光電導(dǎo)效應(yīng)是指某些半導(dǎo)體材料在受到紅外線(xiàn)照射時(shí)，其電導(dǎo)率出現(xiàn)明顯改變。光電導(dǎo)型探測(cè)器就是使用具有光電導(dǎo)效應(yīng)的材料制成的。這種類(lèi)型的探測(cè)器主要有：硫化鉛（PbS）、硒化鉛（PbSe）、銻化銦（InSb）、碲鎘汞（Hg1-xCdxTe）和鍺（Ge）摻雜紅外探測(cè)器。

光電導(dǎo)效應(yīng)只有在紅外輻射照射一段時(shí)間后，其電導(dǎo)率才會(huì)達(dá)到穩(wěn)定值，而當(dāng)停止照射后，載流子不能立即全部復(fù)合消失。因此，電導(dǎo)率只有經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后才能恢復(fù)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為弛豫現(xiàn)象，這就造成了光電導(dǎo)型紅外探測(cè)器響應(yīng)速度較慢。

如果在固體內(nèi)部存在一個(gè)電場(chǎng)，而且條件適當(dāng)，則本征光吸收所產(chǎn)生的電子－空穴對(duì)會(huì)趨向兩個(gè)部分，在兩部分間產(chǎn)生電勢(shì)差，接通外電路就可以輸出電流。這就是半導(dǎo)體PN結(jié)的光伏效應(yīng)。

利用具有光伏效應(yīng)的材料制成的紅外探測(cè)器稱(chēng)為光伏紅外探測(cè)用的光伏紅外探測(cè)器有：砷化銦（InAs）、碲鎘汞（Hg1-xCdxTe）和銻化銦（InSb）探測(cè)器等。

與光電導(dǎo)效應(yīng)相反，光伏效應(yīng)是一種少數(shù)載流子效應(yīng)。少數(shù)載流子的壽命通常短于多數(shù)載流子的壽命，當(dāng)少數(shù)載流子復(fù)合消失時(shí)，光伏信號(hào)就終止了。由于這個(gè)原因，光伏紅外探測(cè)器的響應(yīng)速度一般快于光電導(dǎo)紅外探測(cè)器，有利于作高速檢測(cè)，另外其結(jié)構(gòu)也有利于排成二維陣列制作焦平面。

當(dāng)頻率為v的光束照射至固體材料表面時(shí)，由于光的量子效應(yīng)，光能總是以單個(gè)光子能量hv起作用，固體中的電子吸收了能量后動(dòng)能增大。在向表面運(yùn)動(dòng)的電子中有一部分能量較大，除了在途中由于與晶格或其它電子碰撞而損失一部分能量外，尚有足夠的能量以克服固體表面的勢(shì)壘，逸出固體表面而向真空發(fā)射光電子，這種效應(yīng)稱(chēng)為光電子發(fā)射效應(yīng)，利用這種效應(yīng)制成的紅外探測(cè)器稱(chēng)為光電子發(fā)射紅外探測(cè)器。

由于光子探測(cè)器是依賴(lài)材料內(nèi)部電子直接吸收入射紅外輻射，無(wú)需經(jīng)過(guò)物體加熱的中間過(guò)程，因而具有響應(yīng)速度快、體積小、可靠性高、適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

不過(guò)在室溫附近，由于材料固有的熱激發(fā)將增大探測(cè)器的暗電流，降低器件性能，因此，光子探測(cè)器需要在低溫致冷條件下才能發(fā)揮其更好的性能，這就增加了紅外探測(cè)或者成像系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性，造成系統(tǒng)成本一直居高不下，僅在對(duì)靈敏度要求很苛刻的軍事領(lǐng)域和部分工業(yè)領(lǐng)域中得到應(yīng)用，而很難進(jìn)入具有廣泛應(yīng)用前景的民用領(lǐng)域。

如果光子不是直接與電子作用，而是能量被固體晶格振動(dòng)吸收引起固體的溫度升高，導(dǎo)致材料電學(xué)性質(zhì)的改變，這種情況不能稱(chēng)為光電效應(yīng)，而是熱電效應(yīng)。與光子探測(cè)器將光子能量直接轉(zhuǎn)換為光電子的光電效應(yīng)不同，熱敏紅外探測(cè)器是利用紅外輻射的熱效應(yīng)，通過(guò)熱與其他物理量的變換來(lái)探測(cè)紅外輻射的。物質(zhì)的某些性質(zhì)隨入射光的加熱作用引起的溫度升高而變化的現(xiàn)象稱(chēng)為熱敏效應(yīng)。熱敏效應(yīng)的特點(diǎn)是入射光與材料的晶格相互作用，晶格因吸收光能而振動(dòng)能量增加，材料溫度上升，從而引起與溫度有關(guān)的物理，化學(xué)或者電學(xué)參量發(fā)生變化。這些效應(yīng)主要包括：塞貝克效應(yīng)、熱敏電阻效應(yīng)、熱釋電效應(yīng)、熱彈性效應(yīng)、隧道效應(yīng)、液晶色變和氣體壓力改變等效應(yīng)。

熱敏紅外探測(cè)器的響應(yīng)信號(hào)取決于輻射功率或者其變化率，與紅外輻射的光譜成分無(wú)關(guān)。由于探測(cè)器的加熱和冷卻是一個(gè)比較緩慢的過(guò)程，因此與光子探測(cè)器相比，熱探測(cè)器的響應(yīng)速度較慢。一般情況下，光子探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間為微秒級(jí)，而熱探測(cè)響應(yīng)時(shí)間為毫秒級(jí)。熱敏紅外探測(cè)器主要包括熱釋電、溫差電堆和微測(cè)輻射熱計(jì)紅外探測(cè)器三種類(lèi)型。

研究發(fā)現(xiàn)，部分晶體（如硫酸三甘肽、鈮酸鍶鋇等）沿某一特定的方向切割成薄片，并在兩表面制作electrode形成平板電容后，當(dāng)晶體溫度發(fā)生變化時(shí)，電容兩端將產(chǎn)生電壓。這種當(dāng)材料表面溫度發(fā)生變化后，因材料自發(fā)polarization而在材料表面釋放出電荷的現(xiàn)象稱(chēng)為熱釋電效應(yīng)。如果將該電容器上接上負(fù)載電阻，則會(huì)產(chǎn)生熱釋電電流根據(jù)熱釋電效應(yīng)設(shè)計(jì)的紅外探測(cè)器就是熱釋電紅外探測(cè)器。

熱釋電材料僅在溫度變化時(shí)才產(chǎn)生響應(yīng)電流，這是熱釋電探測(cè)器區(qū)別于其他熱敏紅外探測(cè)器（如微測(cè)輻射熱計(jì)、熱電堆）的重要標(biāo)志。這個(gè)特點(diǎn)也決定了熱釋電紅外探測(cè)器必須在斬波器協(xié)助下才能正常工作。如果不使用斬波器，除非場(chǎng)景中有活動(dòng)目標(biāo)，否則熱釋電電荷將自動(dòng)消散，場(chǎng)景圖像將漸隱。不過(guò)增加斬波器后，整個(gè)紅外成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將變得復(fù)雜。

單晶熱釋電、陶瓷熱釋電和薄膜熱釋電。在眾多熱釋電材料中，BST（鈦酸鍶鋇，BaxSr1-xTiO3）陶瓷材料是目前研究得成熟也是成功的一種熱釋電陶瓷材料。TI（后并入Raytheon）公司推出的245×328BST鐵電陶瓷焦平面已形成產(chǎn)品，像元尺寸48.5μm×48.5μm，NETD（噪聲等效溫差，NoiseEquivalentTemperature Difference）優(yōu)于0.8K，展示樣品的NETD優(yōu)于47 mK。

不過(guò)，由于鐵電陶瓷焦平面的制作工藝與標(biāo)準(zhǔn)大規(guī)模硅集成電路工藝不兼容，因此焦平面制造成本較高。此外，陶瓷混合集成熱釋電焦平面的性能已經(jīng)接近理論limit，因此自20世紀(jì)90年代中期以來(lái)，在美國(guó)國(guó)防預(yù)研局的資助下，Raython公司轉(zhuǎn)而研究單片集成式薄膜熱釋電紅外焦平面陣列，并取得了較大進(jìn)展，目前，Raytheon公司利用PLZT（鋯鈦酸鉛鑭，Pb1-xLax(ZryTi1-y)O3）熱釋電薄膜已經(jīng)成功制造出320×240單片式熱釋電焦平面陣列，陣列的NETD優(yōu)于90mK。

熱釋電紅外探測(cè)器是目前熱探測(cè)器中的佼佼者，這種探測(cè)器除具有一般熱探測(cè)器點(diǎn)，如寬光譜響應(yīng)、室溫工作等優(yōu)點(diǎn)外，還具有以下特殊優(yōu)點(diǎn)：

1)探測(cè)器輸出信號(hào)與靈敏元溫度變化率成正比，而與溫度無(wú)關(guān)，因而無(wú)需自身的熱平衡，響應(yīng)速度較快；2)熱釋電探測(cè)元本身可以作為一個(gè)濾波器，可以將一定量的噪聲旁路分離掉，噪聲較?。?)電荷存儲(chǔ)具有積分特性，能存儲(chǔ)由瞬時(shí)信號(hào)釋放的總電荷，此時(shí)電

荷的測(cè)量取決于瞬時(shí)的總量；4)無(wú)需加偏壓，讀出電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。不過(guò)由于熱釋電紅外探測(cè)器需要斬波器協(xié)助才能正常工作，因此與熱電堆、測(cè)輻射熱計(jì)比較而言，成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

該探測(cè)器是利用材料的塞貝克（Seebeck）效應(yīng)工作的。塞貝克效應(yīng)是熱能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象，當(dāng)兩種金屬或者半導(dǎo)體材料一端歐姆接觸而另兩端開(kāi)路時(shí)，如果接觸端與開(kāi)路端形成溫度差，則在兩開(kāi)路端之間會(huì)產(chǎn)生一定的電勢(shì)差，這種由于溫度梯度使得材料內(nèi)部的載流子由熱端向冷端移動(dòng)而在冷端形成電荷積累的現(xiàn)象，就稱(chēng)為塞貝克效應(yīng)。這種結(jié)構(gòu)就稱(chēng)為熱電偶。若干熱電偶串連起來(lái)就形成熱電堆，與單個(gè)熱電偶相比，熱電堆由于電勢(shì)疊加，便于獲得相當(dāng)可觀(guān)的電信號(hào)。如果將熱電堆的接觸端與一吸收紅外輻射的小黑體連接在一起，則當(dāng)小黑體吸收紅外輻射能量后，加熱接觸端溫度升高，依據(jù)塞貝克效應(yīng)，在分離端將產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)。電動(dòng)勢(shì)的大小與入射的紅外輻射能量間存在一個(gè)確定的關(guān)系，依據(jù)這種原理制成的紅外探測(cè)器稱(chēng)為溫差熱電堆紅外探測(cè)器。

用于熱電堆紅外探測(cè)器的常用熱偶對(duì)材料有多晶硅和金、多晶硅和鋁、P型(Bi1-xSbx)2Te3和N型Bi1-xSbx薄膜材料對(duì)以及N型和P型多晶硅材料對(duì)。其中N型和P型多晶硅材料對(duì)由于具有較高的賽貝爾系數(shù)和優(yōu)值，制作工藝與集成電路工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前研究得比較深入也是有前途的熱偶探測(cè)材料。日本防衛(wèi)廳和日本電氣公司（NEC）利用N型和P型多晶硅作為熱電材料制作了128×128元單片式熱電堆紅外焦平面陣列，器件響應(yīng)靈敏度約為1,550V/W。與其他熱敏型紅外探測(cè)器相比，熱電堆紅外探測(cè)器響應(yīng)靈敏度不高，熱響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，因此在器件性能方面并不具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。不過(guò)熱電堆紅外探測(cè)器制作容易與集成電路工藝兼容，信號(hào)后處理電路也比較簡(jiǎn)單，具有低成本的潛力，在對(duì)紅外成像圖像質(zhì)量要求不高的社區(qū)保安、安全監(jiān)控，汽車(chē)輔助駕駛等領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用前景。

微測(cè)輻射熱計(jì)是利用熱敏材料的電阻率對(duì)溫度的敏感特性進(jìn)行紅外探測(cè)的。常用的熱敏材料主要有金屬和半導(dǎo)體薄膜。當(dāng)溫度增加時(shí)，金屬薄膜電子遷移率下降，薄阻增加，TCR（電阻溫度系數(shù)，TemperatureCoefficient ofResistance）為正值，一般在量級(jí)[16~19]。由于金屬薄膜的TCR較低，因此該類(lèi)薄膜僅在原型器件開(kāi)發(fā)中得到應(yīng)用。與金屬薄膜相比，以氧化釩和非晶硅為代表的半導(dǎo)體材料的TCR一般要高一個(gè)數(shù)量級(jí)，是目前常用的熱敏材料。當(dāng)溫度升高時(shí)，半導(dǎo)體材料的電荷載流子濃度和遷移率增大，電阻率隨著材料溫度升高而減小，顯示出負(fù)的TCR。

微測(cè)輻射熱計(jì)紅外探測(cè)器具有無(wú)需斬波、制作工藝與集成電路制造工藝兼容，便于大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，具有相當(dāng)大的發(fā)展?jié)摿Γ悄壳鞍l(fā)展速度快、性能好和具有應(yīng)用前景的一種熱敏型紅外探測(cè)器。

除以上三種主要的熱敏紅外探測(cè)器外，還有基于其他物理熱效應(yīng)的紅外熱探測(cè)器，

主要包括：

1)利用物理的熱脹冷縮效應(yīng)，如水銀溫度計(jì)，氣體高萊瓶等；

2)共振頻率與溫度的相關(guān)性，如石英晶振非致冷紅外探測(cè)器；

3)雙材料微懸梁懸臂彎曲與溫度的相關(guān)性，如基于雙材料微懸臂的電容讀出和光學(xué)讀出的非致冷紅外探測(cè)器；

4)熱光效應(yīng)。利用材料的折射率－溫度相關(guān)性研制的紅外探測(cè)器。

我們都知道，不管是光子紅外探測(cè)器，還是熱敏紅外探測(cè)器都是被動(dòng)接受探測(cè)目標(biāo)的紅外輻射轉(zhuǎn)換成電子來(lái)獲得溫度數(shù)據(jù)的。同樣的探測(cè)器在不同的溫度下，所獲得的數(shù)據(jù)也會(huì)有很大的差異。

溫度在0K以上的物體都會(huì)因自身的分子和原子無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，而不停地輻射出熱紅外能量，分子和原子的劇烈，輻射的能量愈大，反之，輻射的能量愈小。理想情況下，探測(cè)器本身為0K，不發(fā)出任何紅外輻射和溫度，但是0K在宇宙中是不存在的。物體的紅外輻射與溫度存在線(xiàn)性關(guān)系，即溫度越低，紅外輻射越小。紅外探測(cè)器本身也會(huì)有一定的紅外輻射，探測(cè)器本身的紅外輻射對(duì)于紅外熱像儀來(lái)講屬于噪聲，對(duì)探測(cè)具有干擾作用，噪聲越大，我們得到的紅外數(shù)據(jù)越失真。所以，如果你需要紅外熱像儀得到更準(zhǔn)確的溫度，那就需要將探測(cè)器制冷。而且越冷越好。

所以制冷型紅外熱像儀的數(shù)據(jù)會(huì)比非制冷的更加真實(shí)準(zhǔn)確。

應(yīng)對(duì)方法

Telops對(duì)探測(cè)器所做的努力是，對(duì)探測(cè)器制冷，制冷模式為斯特林制冷，制冷溫度為零下190°c。在這個(gè)溫度下的探測(cè)器所發(fā)出的紅外輻射已經(jīng)很小，對(duì)測(cè)溫的影響幾乎為零。

本系列Telops紅外專(zhuān)家教你如何選擇紅外熱像儀已經(jīng)到此結(jié)束了，本系列講解了紅外熱像儀的基本原理，測(cè)溫的基本原理，影響紅外測(cè)溫精度的種種因素以及Telops為提供精度所做的應(yīng)對(duì)方法。

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