红外探测器

❖ 实体型的温差电偶多用于测温，薄膜型的温差电堆（有许 多个温差电偶串联而成）多用于测量辐射。
温差电偶和温差电堆的原理性结构如下图所示
❖ 热电偶型红外探测器的时间常数较大，所以响应时间较长， 动态特性较差，北侧辐射变化频率一般应在10HZ以下。
❖ 在实际应用中，往往将几个热偶串联起来组成热电堆来检 测红外辐射的强弱
v R(T)--电阻值 v T--温度 v A,C,D--随材料而变化的常数
v 金属热敏电阻，电阻温度 系数为正，绝对值比半导 体小，电阻与温度的关系 基本上是线性的，耐高温 能力较强，多用于温度的 模拟测量。
v 半导体热敏电阻恰恰相反， 用于辐射探测，如报警、 防火系统、热辐射体搜索 和跟踪。
v 常见的是NTC型热敏电阻.
热电偶型红外探测器
❖ 热电偶也叫温差电偶，是最早出现的一种热电探测器件， 其工作原理是热电效应。由两种不同的导体材料构成的接 点，在接点处可产生电动势。热电偶接收辐射的一端称为 热端，另一端称为冷端。
❖ 热电效应:如果把这两种不同的导体材料接成回路，当两 个接头处温度不同时，回路中即产生电流。
❖ 为提高吸收系数，在热端都装有涂黑的金箔构成热电偶的 材料，既可以是金属，也可以是半导体。在结构上既可以 是线、条状的实体，也可以是利用真空沉积技术或光刻技 术制成的薄膜
❖ 由于自由电荷中和面束缚电荷所需时间较长，大约需要数 秒钟以上，而晶体自发
❖ 极化的驰豫时间很短，约为10-12秒，因此热释电晶体可响 应快速的温度变化.
高莱气动型ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ测器
v 高莱气动型探测器又称高莱(Golay) 管，是高莱于1947年发明的。它 是利用气体吸收红外辐射能量后， 温度升高、体积增大的特性，来 反映红外辐射的强弱。其结构原 理如下图所示:
8.2.2 光子探测器
❖ 光子型红外探测器是利用某些半导体材料在红外辐射的 照射下，产生光电效应，使材料的电学性质发生变化,通 过测量电学性质的变化，可以确定红外辐射的强弱。利用 光电效应所制成的红外探测器统称光子探测器。主要特点 是灵敏度高，响应速度快，响应频率高。但其一般需在低 温下工作，探测波段较窄。
❖ 根据光子探测器的工作原理一般可分为外光电探测器和内 光电探测器。内光电探测器又分为光电导探测器，光生伏 特探测器和光磁电探测器。
❖ 1．外光电探测器（PE器件）
❖ 当光入射到某些金属、金属氧化物或半导体表面时， 如果光子能量足够大，能使其表面发射电子，这种现象统 称为光电子发射，属于外光电效应。光电管、光电倍增管 都属于这种类型的光子探测器。它的响应速度比较快只适 用于近红外辐射或可见光范围内使用。
v 4. 光磁电探测器 在样品 横向加一磁场，当半导体 表面吸收光子后所产生的 电子和空穴随即向体内扩 散，在扩散过程中由于受 横向磁场的作用，电子和 空穴分别向样品两端偏移， 在样品两端产生电位差。 这种现象叫做光磁电效应。 利用光磁电效应制成的探 测器称为光磁电探测器(简 称PEM器件)
❖ 工作原理：热探测器利用探测元件吸收红 外辐射后产生温升，然后伴随发生某些物 理性能的变化。测量这些物理性能的变化 就可以测量出它吸收的能量或功率。
❖ 过程：第一步是热探测器吸收红外辐射引 起温升；第二步是利用热探测器某些温度 效应吧温升转变成电量的变化。
❖ 常见类型：常利用的物理性能变化有下列 四种，热敏电阻型，热电偶型，热释电型， 高莱气动型。
热敏电阻型探测器
v 热敏物质吸收红外辐射后，温度升高，阻值发生变化。阻值 变化的大小与吸收的红外辐射能量成正比。利用物质吸收红 外辐射后电阻发生变化而制成的红外探测器叫做热敏电阻。 热敏电阻常用来测量热辐射。
v 热敏电阻有金属和半导体两种。 v 热敏电阻的电阻与温度的关系：
R(T ) AT e C D /T
v
热释电晶体在温度变化时所表现的热释电效应示意图
❖ 通常其表面俘获大气中的浮游电荷而保持电平衡状态。 处于电平衡状态的铁电体，当红外线照射到其表面上时， 引起铁电体（薄片）温度迅速升高，极化强度很快下降， 束缚电荷急剧减少；而表面浮游电荷变化缓慢，跟不上铁 电体内部的变化。
❖ 热释电效应:从温度变化引起极化强度变化到在表面重新 达到电平衡状态的极短时间内，在铁电体表面有多余浮游 电荷出现，这相当于释放出一部分电荷，这种现象称为热 释电效应.
热释电型红外探测器
v 热释电型红外探测器是由具有极化现象的热释电晶体或称“铁电体”制作的。 热释电晶体是压电晶体中的一种，具有非中心对称的结构。自然状态下，在 某些方向上正负电荷中心不重合，在晶体表面形成一定量的极化电荷，称为 自发极化。晶体温度变化是，可引起警惕正负电荷中心发生位移，因此表面 的极化电荷即随之变化。
❖ 2. 光电导探测器 ❖ 当半导体吸收入射光子后，半导体内有些电子和
空穴从原来不导电的束缚状态转变到能导电的自 由状态，从而使半导体的电导率增加，这种现象 称为光电导效应。利用半导体的光电导效应制成 的红外探测器叫做光电导探测器，是目前，它是 种类最多应用最广的一类光子探测器。 ❖ 3．光生伏特探测器（PU器件） ❖ 当红外辐射照射在某些半导体材料结构的PN结上， 在PN结内电场的作用下，P区的自由电子移向N 区，N区的空穴向P区移动。如果PN结是开路的， 则在PN结两端产生一个附加电势称为光生电动势。 利用光生电动势效应制成的探测器称为光生伏特 探测器或结型红外探测器。
v 高莱气动型探测器的设计思想是 这样的，当没有红外辐射入射时， 上半边光栅的不透光的栅线刚好 成像到下半边光栅透光的栅线上， 而上半边的透光栅线刚好成像到 下半边光栅不透光栅线上，于是 没有光量透过下半光栅射到光电 探测器上，因此输出结果就是零
这种探测器的特点是灵敏度高，性 能稳定。但响应时间长，结构复杂， 强度差，只是用于试验时使用。
8.2 红外探测器的分类
❖ 红外探测器是能将红外辐射能转换成电能的 一种光敏器件，是红外探测系统的关键部分， 常常也被称为红外传感器。它的性能好坏， 直接影响系统性能的优劣。因此，选择合适 的、性能良好的红外探测器，对红外探测系 统相当的重要。
❖ 常见的红外探测器分为两种：热探测器和光 子探测器。
8.2.1 热探测器