第六章 新型红外传感器

电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作第六章新型红外传感器电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作如果有人在你最难过最美好最容易被辜负的时光里陪你走过那么一段，陪伴在你的身旁，那么无论将来那个人变成了什么样子，他还是不是你最好的朋友，你都没有办法割舍下，即便最后分开甚至陌生，也会对他心存感激。因为太多时候，交谈是一种莫大的温暖和美好。——卢思浩《愿有人陪你一起颠沛流离》电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作一、红外辐射的基本知识二、红外传感器三、非致冷红外传感器四、红外技术应用举例目录电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作红外探测器（或红外传感器）研究历史1800年，F.W.赫歇耳在太阳光谱中发现了红外辐射的存在。当时，他使用的是水银温度计，即最原始的热敏型红外探测器。1830年，L.诺比利利用当时新发现的温差电效应(也称塞贝克效应)，制成了一种以半金属铋和锑为温差电偶的热敏型探测器。称作温差电型红外探测器(也称真空温差电偶)。其后，又从单个温差电偶发展成多个电偶串联的温差电堆。1880年，S.P.兰利利用金属细丝的电阻随温度变化的特性制成另一种热敏型红外探测器,称为测辐射热计。1947年,M.J.E.高莱发明一种利用气体热膨胀制成的气动型红外探测器（又称高莱管）。在40年代，又用半导体材料制作温差电型红外探测器和测辐射热计，使这两种探测器的性能比原来使用半金属或金属时得到很大的改进。半导体的测辐射热计又称热敏电阻型红外探测器。电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作红外探测器（或红外传感器）研究历史（续）60年代中期，出现了热释电型探测器。它也是一种热敏型探测器，但其工作原理与前三种热敏型红外探测器有根本的区别。最早的光电型红外探测器是利用光电子发射效应即外光电效应制成的。以Cs-O-Ag为阴极材料的光电管（1943年出现）可以探测到1.3微米。外光电效应的响应波长难以延伸，因此，它的发展主要是近红外成像器件，如变像管。利用半导体的内光电效应制成的红外探测器，对红外技术的发展起了重要的作用。内光电效应分光电导和光生伏打两种效应。利用这些效应制成的探测器分别称为光导型红外探测器和光伏型红外探测器（见光子型探测器）。在半导体中引起电导改变或产生电动势是一个激活过程，需要有一定的能量E。因此，入射辐射的光子能量必须大于E。也就是光电型探测器有一个最长的响应波长，称为长波限λ。电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作红外探测器（或红外传感器）研究历史（续）1917年,T.W.卡斯发明TiS光电型红外探测器,但长波限仅到1.1微米。30年代末期，德国人研究PbS光导型探测器，室温工作时长波限为3微米，液氮温度时可到5微米。第二次世界大战之后，相继研制成PbTe和PbSe光电型探测器，响应波长延伸到7微米。50年代起,由于半导体物理学的发展，光电型探测器所能探测的波长不断延伸。对于有重要技术用途的1～13微米波段和限于实验室应用的13～1000微米波段，都有适当的光电型探测器可供使用。60年代起,又研究成Hg1-xCdxTe三元半导体红外探测器，配制不同组分x的材料,可以制得不同响应波长的红外探测器。整流型红外探测器也是60年代开始问世的。由于激光的出现,就有可能利用外差技术进行接收。因此,把微波波段用的结型检波器推广应用到更高的频率范围，即短毫米波和亚毫米波。电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作一、红外辐射的基本知识1、红外辐射2、红外辐射源电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作1、红外辐射红外辐射俗称红外线：它是一种人眼看不见的光线。但实际上它和其它任何光线一样，也是一种客观存在的物质。任何物体，只要它的温度高于绝对零度，就有红外线向周围空间辐射。红外线是位于可见光中红光以外的光线，故称为红外线。它的波长范围大致在0.76μm(或0.77μm)到1000μm的频谱范围之内。相对应的频率大致在4×1014-3×1011Hz之间。红外线与可见光、紫外线、X射线、γ射线和微波、无线电波一起构成了整个无限连续的电磁波谱。电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作红外分区：在红外技术中，一般将红外辐射分为4个区域近红外区:770~1.5×103nm中红外区:1.5×103~6×103nm远红外区:6×103~40×103nm极远红外区:40×103~1000×103nm注意：这里所说的远近是指红外辐射在电磁波谱中与可见光的距离。电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作红外辐射的物理本质红外辐射的物理本质是热辐射。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，红外辐射的能量就越强。研究发现，太阳光谱各种单色光的热效应从紫色光到红色光是逐渐增大的，而且最大的热效应出现在红外辐射的频率范围内，因此人们又将红外辐射称为热辐射或热射线。实验表明：波长在0.1-1000μm之间的电磁波被物体吸收时，可以显著地转变为热能。可见，载能电磁波是热辐射传播的主要媒介物。电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作红外吸收及红外窗口红外辐射在大气中传播时，由于大气中的气体分子、水蒸汽以及固体微粒、尘埃等物质的吸收和散射作用，使辐射能在传输过程中逐渐衰减。空气中对称的双原于分子，如N2，H2，O2不吸收红外辐射，因而不会造成红外辐射在传输过程中衰减。红外辐射在通过大气层时被分割成三个波段，即2-2.6μm，3-5μm和8-14μm，统称为“大气窗口”(通常把太阳光透过大气层时透过率较高的光谱段称为大气窗口)。这三个大气窗口对红外技术应用特别重要，因为一般红外仪器都工作在这三个窗口之内。电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作通过一海里长度的大气透过率曲线“生命光波”8-14μm波段的光线与人体发射出来的远红外线的波长相近，能与生物体内细胞的水分子产生最有效的共振，同时具备渗透功能。电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作2、红外幅射源当物体温度高于绝对零度时，都有红外线向周围空间辐射出来。根据辐射源几何尺寸的大小和距探测器的远近，又分为点源和面源。点源：没有充满红外光学系统瞬时现场的大面源叫做点源。面源：一般情况下，把充满红外光学系统瞬时视场的大面辐射源叫做面源。电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作二、红外传感器本小节的主要内容：1、常见红外传感器2、红外传感器的性能参数3、红外传感器使用中应注意的问题电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作定义：红外传感器（也称为红外探测器）是能将红外辐射能转换成电能的光敏器件，它是红外探测系统的关键部件，其性能好坏，将直接影响系统性能的优劣。因此，选择合适的、性能良好的红外传感器，对于红外探测系统是十分重要的。电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作1、常见红外传感器（1）热传感器（2）光子传感器热效应光电效应电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作（1）热传感器热传感器是利用入射红外辐射引起传感器的温度变化，进而使相关物理参数发生相应的变化，通过测量有关物理参数的变化来确定红外传感器所吸收的红外辐射。热传感器的主要优点是：响应波段宽、可以在室温下工作、使用简单。但是，热传感器响应时间较长、灵敏度较低，一般用于低频调制的场合。热传感器主要类型有：热敏电阻型、热电偶型、高莱气动型和热释电型四种。电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作(1.1)热敏电阻型传感器热敏电阻是由锰、镍、钴的氧化物混合后烧结而成。Q：同热敏电阻温度传感器有何区别呢？热敏电阻一般制成薄片状，当红外辐射照射在热敏电阻片上，其温度升高，电阻值减小。测量热敏电阻值变化的大小，即可得知入射红外辐射的强弱，从而可以判断产生红外辐射物体的温度。热敏电阻型红外传感器结构如下图所示。电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作热敏电阻型红外传感器结构热敏电阻型红外传感器由锰、镍、钴的氧化物混合后烧结而制成。热敏电阻一般制成薄片状，当红外辐射照射在热敏电阻上时，其温度升高、内部粒子的无规律运动加剧、自由电子的数目随温度升高而增加、电阻减小。电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作（1.2）热电偶型传感器材料：热电偶是由热电功率差别较大的两种金属材料（如铋/银、铜/康铜、铋/铋锡合金等）构成。原理：当红外辐射入射到热电偶回路的测温接点上时，该接点温度升高，而另一个没有被红外辐射辐照的接点处于较低的温度，此时，在闭合回路中将产生温差电流，同时回路中产生温差电势。温差电势的大小，反映了接点吸收红外辐射的强弱。利用温差电势现象制成的红外传感器称为热电偶型红外传感器，因其时间常数较大，响应时间较长，动态特性较差，调制频率应限制在10Hz以下。电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作（2）热电偶型传感器在实际应用中，往往将几个热电偶串联起来组成热电堆来检测红外辐射的强弱。电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作（1.3）高莱气动型传感器结构原理电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作高莱气动型传感器结构它有一个气室，以一个小管道与一块柔性薄片相连。薄片的背向管道一面是反射镜。气室的前面附有吸收膜,它是低热容量(保证将吸收的热能传给气体)的薄膜。在室的另一边，一束可见光通过栅状光阑聚焦在柔镜上，经柔镜反射回来的栅状图像又经过栅状光阑投射到光电管上。电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作高莱气动型传感器原理高莱气动型传感器是利用气体吸收红外辐射后，温度升高，体积增大的特性，来反映红外辐射的强弱。红外辐射通过窗口入射到吸收膜上，吸收膜将吸收的热能传给气体，使气体温度升高气压增大，从而使柔镜移动。在室的另一边，一束可见光通过栅状光阑聚焦在柔镜上，经柔镜反射回来的栅状图像又经过栅状光阑投射到光电管上。当柔镜因压力变化而移动时，栅状图像与栅状光栏发生相对位移，使落到光电管上的光量发生改变，光电管的输出信号也发生改变。这个变化量就反映出入射红外辐射的强弱。这种传感器的恃点是灵敏度高，性能稳定。但响应时间长，结构复杂、强度较差，只适合于实验室内使用。电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作（1.4）热释电型传感器(pyroelectric)热释电型传感器用具有热释电效应的材料制作的敏感元件热释电材料是一种具有自发极化特性的晶体材料。自发极化是指由于物质本身的结构在某个方向上正负电荷中心不重合而固有的极化。一般情况下，晶体自发极化所产生的表面束缚电荷被吸附在晶体表面上的自由电荷所屏蔽；当温度变化时，自发极化发生改变，从而释放出表面吸附的部分电荷。电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作热释电型传感器原理当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面上时，引起薄片温度升高，使其极化强度降低（热运动加剧，破坏了极化）、表面电荷减少，这相当于释放一部分电荷，所以叫热释电型传感器。将负载电阻与铁电体薄片相连，则负载电阻上便产生一个电信号输出。输出信号的大小，取决于薄片温度变化的快慢，从而反映出入射的红外辐射的强弱。由此可见，热释电型红外传感器的电压响应率正比于入射辐射变化的速率。电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作几点注意当恒定的红外辐射照射在热释电传感器上时，传感器没有电信号输出；只有铁电体温度处于变化过程中，才有电信号输出。必须对红外辐射进行调制（或称斩光），使恒定的辐射变成交变辐射，不断引起传感器的温度变化，才能导致热释电产生，并输出交变的信号。电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作热释电型与其它热敏型红外探测器的根本区别：后者利用响应元的温度升高值来测量红外辐射，响应时间取决于新的平衡温度的建立过程，时间比较长，不能测量快速变化的辐射信号；热释电型探测器所利用的是温度变化率，因而能探测快速变化的辐射信号。电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作（2）光子传感器光子传感器是利用某些半导体材料在入射光的照射下，产生光子效应，使材料电学性质发生变化。通过测量电学性质的变化，可以知道红外辐射的强弱。利用光子效应所制成的红外传感器，统称光子传感器。光子传感器的主要特点是：灵敏度高、响应速度快、具有较高的响应频率。但一般