第一章 红外探测器概述-2014概要

1、传感器的原理与应用，宋，电子科学与技术系，科学学院，第一章红外探测器概述，1.1红外探测器的物理基础，1.2红外探测器的性能参数，1.3红外探测器性能参数的测量，1.1红外探测器的物理基础，任何温度高于绝对零度的物体都会产生红外辐射。如何探测它的存在，测量它的强度，并将其转化为其他形式的能量(主要是电能)来应用，是红外探测器的主要任务。红外探测器是红外系统中最关键的部件之一。红外探测器所用的材料是制备红外探测器的基础，没有性能优异的材料，就无法制备出性能优异的红外探测器。一个完整的红外探测器包括红外传感器、红外辐射入射窗、外壳、电极引出线和膜片、冷屏、场镜、光锥、浸没透镜和滤光片等。低温探测器

2、还包括杜瓦瓶和一些前置放大器。根据探测器的工作机理，红外探测器可分为两类：热探测器和光子探测器。1.1.1热探测器工作原理：当热探测器吸收红外辐射时，会产生温度上升，然后一些物理性质会发生变化。它吸收的能量或能量可以通过测量这些物理性质的变化来测量。常见类型：有四种常用的物理性质变化，其中一种可用于制备一种热探测器。1.金属或半导体热敏电阻测辐射热计。红外辐射被热敏物质吸收后，温度升高，电阻发生变化。电阻值的变化与吸收的红外辐射能量成正比。由吸收红外辐射后的电阻变化制成的红外探测器称为热敏电阻。热敏电阻经常被用来测量热辐射，所以它也被称为热敏电阻测辐射热计。普通热敏电阻及其应用形式非常广泛。热

3、敏电阻有很多种，根据电阻温度系数可分为负电阻温度系数和正电阻温度系数热敏电阻。根据电阻值随温度的变化，可分为缓慢变化和突然变化；根据其加热方式，可分为直热式和侧热式；根据其工作温度范围，可分为常温、高温和超低温热敏电阻；根据其结构，有条形、圆片形、方形、垫片形、球形、线形、薄膜和厚膜热敏电阻。热敏电阻的主要特点是温度灵敏度高、热惯性低、寿命长、体积小、结构简单、形状和结构多样。因此，随着工农业生产和科学技术的发展，这种元件得到了广泛的应用，如温度测量、温度控制、温度补偿、液位测量、气压测量、火灾报警、气象探测、开关电路、过载保护、脉冲电压抑制、延时、稳幅、自动增益调节、微波和激光功率测量等。2

4、.辐射热电偶和热电堆将两种不同的金属或半导体细丝(也制成薄膜结构)连接成一个闭环。当一个接头吸热时，它的温度与另一个接头不同，在回路中产生电动势。这种现象被称为热电现象。由热电现象制成的温度传感元件称为热电偶。热电电动势的大小与接头处吸收的辐射功率或冷热接头之间的温差成正比。因此，测量热电偶的热电电动势可以测量接头处吸收的辐射功率或冷热接头之间的温差。图1-14热电偶示意图。制作热电偶的材料包括纯金属、合金和半导体。通常用于直接温度测量的热电偶通常由纯金属和铂制成，如铂锭铂、镍铬镍铝和铜康铜等。它们广泛用于测量1300以下的温度。由半导体材料制成的热电偶比由金属制成的热电偶具有更高的灵敏度和更

5、短的响应时间两种不同的材料或物体具有相同的材料但不同的功函数，当它们形成一个闭合回路时，如果两个触点的温度不同，就会在回路中产生热电力，这就是热电效应，也称为塞贝克效应。单个热电偶提供的热电电动势相对较小，不能满足某些应用的要求，因此几个或几十个热电偶通常串联在一起形成热电堆。热电堆可以提供比热电偶更多的热电电动势。新的热电堆是由薄膜技术制成的，可以称之为薄膜热电堆。热电堆，图1-23热电堆示意图，3。气动探测器，当气体吸收一定体积的红外辐射时，温度升高，压力增加。压力增加的幅度与吸收的红外辐射功率成比例，因此可以测量吸收的红外辐射功率。由上述原理制成的红外探测器称为气体探测器。格雷管是一种典

6、型的气体探测器。工作原理：当辐射通过红外窗口到达吸收膜时，吸收膜吸收辐射并将其传递给气室中的气体，气体温度升高，压力增加，柔性反射镜膨胀。为了测量它的运动，另一个光源被用来把它投射到柔性反射镜背面的反射膜上。当没有照射时，气室中的气压稳定，柔性镜处于正常状态，柔性镜背面反射的光不能照射到光电池上，因为它被光栅阻挡了。当有辐射时，辐射通过窗口照射吸收膜，吸收膜将吸收的能量传输到气室。气室的温度升高，气压升高，柔性镜膜片变形，导致反射光移动，通过光栅到达光电池的光强发生变化，从而可以检测到红外辐射的强度。热释电探测器、一些晶体，如硫酸三乙烯酯、钽酸锂、铌酸锶钡等。当暴露于红外辐射时，温度升高，并且

7、在某个晶轴方向上产生电压。电压与吸收红外辐射的功率成正比。当热辐射能量改变时，热释电红外传感器会产生电荷变化。这种效应用于探测红外辐射的变化。这些热电传感器用于人体运动探测器、被动红外防盗报警器和自动灯开关。基于同样的原理，热释电传感器被应用于红外吸收法气体检测。热释电探测器的特性，低噪声，高响应性和出色的共模平衡-双单元型TO-39，TO-5封装各种滤波器窗口，适合宽带或窄带应用。单通道或双通道设备、双通道或四通道组件用于防盗产品。带热补偿的单元器件，典型应用，被动红外防盗报警器：Lhi968，对强白光和电磁辐射具有优异的抗干扰性能。人体运动检测：安装在天花板上的人体检测气体分析的非接触红外

8、测量。概述：热探测器是一种非选择性探测器，对所有波长的辐射都有相同的响应。然而，事实上，对某些波长的红外辐射的响应较低，并且等能量光谱响应曲线不是水平直线，这主要是由于热探测器材料对不同波长的红外辐射的反射和吸收不同。当物体吸收辐射时，晶格振动加剧，辐射能转化为热能，温度上升。随着物体温度的升高，与温度相关的物理性质也会发生变化。物体吸收辐射并改变其温度，从而导致其物理和机械性能发生相应变化的现象称为热效应。由热效应构成的探测器称为热探测器。1.1.2光子探测器，在光子探测器吸收光子后，电子状态发生变化，从而引起几种电学现象。这些现象统称为光子效应。吸收光子的数量可以通过测量光子效应来确定。由

9、光子效应构成的探测器称为光子探测器。光电发射装置(外部光电效应)。当光入射到一些金属表面时，金属氧化物光电倍增管具有高灵敏度和短时间常数(约几纳秒)，因此在激光通信中经常使用特殊的光电倍增管。光电倍增管应用，将微弱光信号转换成电信号的真空电子设备。光电池通常用于自动控制、光度测量和强度调制光检测。例如，它可用于安全和报警系统、计数和分类装置、电影有声电影再现和再现、彩色电影密度测量和色度测量等。光电倍增管用于光学测量仪器和光谱分析仪器。它可以在低水平光度学和光谱学中测量波长为2001200 nm的极弱辐射功率。闪烁计数器的出现扩大了光电倍增管的应用范围。激光探测仪器的发展与光电倍增管作为有效接

10、收器的使用密切相关。光电倍增管对于电视电影的传输和图像传输也是不可或缺的。光电倍增管广泛应用于冶金、电子、机械、化工、地质、医疗、核工业、天文学和空间研究。图1-26光电倍增管示意图，由真空管壳内的光电阴极和阳极组成(图一)。阳极相对于阴极具有正电势。当光或辐射照射阴极时，阴极发射光电子。光电子在电场的作用下到达阳极，在电路中产生光电流。光电倍增管由一个光电阴极、一个阳极和其间的几个倍增电极组成(图中的b)。在操作中，在电极之间施加特定的电压。当光或辐射照射阴极时，阴极发射光电子，光电子在电场的作用下一步一步轰击二次发射倍增电极，在最终倍增电极中形成二次电子，其数量是光电子的106，108倍。

11、许多二次电子最终被阳极收集，在阳极电路中产生相当大的输出电流。光电导探测器当半导体吸收入射光子时，半导体中的一些电子和空穴从最初的非导电束缚态变为导电自由态，从而增加了半导体的导电性。这种现象被称为光电导效应。半导体光电导红外探测器被称为光电导探测器，是目前应用最广泛的光子探测器。光电导探测器的分类可分为单晶型和多晶薄膜型。多晶薄膜光电导探测器种类很少，主要包括13微米波段的光纤光栅、35pm波段的PbSe和PbTe(PbTe探测器，有单晶和多晶薄膜探测器两种)。早期，单晶光电导探测器主要是锑化铟(InSb)，它只能探测7微米以下的红外辐射。后来，锑镉汞(Hg1-xCdxTe)和锑锡铅(Pb1

12、-XNxTe)三元复合探测器研制成功，在77 K时，8-14微米红外辐射的探测率非常高.3.光电探测器、p-n结及其附近吸收光子并产生牛电子和空穴。在结区之外，它们通过扩散进入结区；在结区，在结的静电场的作用下，电子向N区漂移，空穴向P区漂移。在N区获得附加电子，在P区获得附加空穴，在结区获得附加电势差。它与p-n结的初始势垒方向相反，因此有必要降低p-n结的初始势垒高度并增加扩散电流，直到达到新的平衡。如果半导体的两端用导线连接，电路中就会有反向电流，这可以用灵敏的电流计来测量；如果p-n结的两端开路，可以用高电阻毫伏表测量光伏电压。这就是pn结的光伏效应。由光伏效应制成的红外探测器被称为光

13、伏探测器(简称光伏器件)。4.光电检测器，磁场横向施加在样品上。当光子被半导体表面吸收时，电子和空穴扩散到体内。在扩散过程中，由于横向磁场的作用，电子和空穴分别是s当入射光子能量大于本征半导体的带隙Eg(或杂质半导体的杂质电离能Ed或ea)时，可以激发光生载流子。入射光子的最大波长(即探测器的长波长极限)与半导体的带隙Eg有如下关系：1.1.3比较热探测器和光子探测器的性能，光子探测器主要测量光子的吸收率，而热探测器测量能量的吸收率，因此它们对辐射的响应形式不同。热探测器响应各种波长的辐射，而光子探测器只响应其长波长极限的波长范围。通常，热探测器不需要冷却，而光子探测器需要冷却。热探测器的响应

14、速度一般比光子探测器慢，而响应时间比光子探测器长。热探测器的性能与器件的尺寸、形状和工艺细节密切相关，因此要求工艺水平高，产品性能不易稳定。这种情况有点类似于薄膜光子探测器，而单晶光子探测器在单晶生长、器件制造工艺和物理机制方面是清晰、先进和定型的，并且产品可以标准化。1.2、红外探测器的性能参数光电系统一般是围绕光电探测器的性能来设计的，探测器的性能是由特定工作条件下的一些参数来表征的。实际参数是指测量条件，1.2.1探测器的主要工作条件，光电探测器的性能参数与其工作条件密切相关。当给出性能参数时，应指出相关的工作条件。这非常重要，因为只有这样光电探测器才能互换使用。主要工作条件如下：1 .

15、入射辐射的光谱分布；2.电路的频率范围；3.工作温度；4.感光表面的形状和尺寸；5.偏移条件；6.特殊工作条件；1.入射辐射的光谱分布；许多光电探测器(尤其是光子探测器)，其响应是辐射波长的函数。只有特定波长范围内的辐射才有信号输出，这称为光谱响应，它决定了探测器探测特定目标的有效性。在解释探测器的性能时，通常需要给出用于测量性能的辐射源的光谱分布。如果辐射源是单色辐射，应给出辐射波长。如果辐射源是黑体，应标明黑体的温度。当辐射被调制时，应该解释调制频率。2.电路的频率范围，因为噪声限制了检波器的极限性能(稍后将详细讨论)。噪声电压或电流与带宽的平方根成正比，有些噪声仍然是频率的函数。描述检波

16、器的性能时，有必要指定通带和带宽。3.工作温度许多探测器，尤其是那些由半导体材料制成的探测器，信号和噪声都与工作温度密切相关，因此有必要规定工作温度。一般操作温度为室温(295K)、干冰温度(195K)、液氮温度(77K)、液氢温度(20.4K)和液氦温度(4.2k)。4.感光面的形状和大小、探测器的信号和噪声与感光面积有关，大多数探测器的信噪比与感光面积的平方根成正比。参考面积通常为1cm2。5。偏移，大多数探测器需要某种形式的偏移。例如，光电导探测器和电阻测辐射热计需要DC偏置电源信号和噪声，这通常与偏置情况有关，因此应该解释偏置情况。此外，对于受背景光子噪声限制的探测器，应指出光学视场和

17、背景温度。对于未密封的薄膜探测器，应标记湿度。1.2.2红外探测器的性能参数，1。响应度(响应率)，2。探测器的响应时间，3。噪声等效功率，4。检测率，5。探测器的光谱响应，1。响应度(或响应率)，Rv或RI，1。响应速率是描述dete灵敏度的参数单色灵敏度，1)如果使用具有波长的单色辐射源，则称为单色响应度或单色灵敏度，也称为光谱响应度，由R2表示。定义：光电探测器的输出电压或电流与入射到探测器上的单色辐射通量(光通量)之比。(V/W)(A/W)，()是入射单色辐射通量或光通量。如果()是光通量，Rv的单位是Vlm。积分灵敏度指示探测器对连续辐射通量的响应程度。对于不同波长的辐射源，总光通量是：光电探测器输出的电流或电压与总入射光通量之