红外探测器

红外探测器红外探测器(Infrared Detector)是将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件。

红外辐射是波长介于可见光与微波之间的电磁波，人眼察觉不到。

要察觉这种辐射的存在并测量其强弱，必须把它转变成可以察觉和测量的其他物理量。

一般说来，红外辐射照射物体所引起的任何效应，只要效果可以测量而且足够灵敏，均可用来度量红外辐射的强弱。

现代红外探测器所利用的主要是红外热效应和光电效应。

这些效应的输出大都是电量，或者可用适当的方法转变成电量。

产品构成一个红外探测器至少有一个对红外辐射产生敏感效应的物体，称为响应元。

此外，还包括响应元的支架、密封外壳和透红外辐射的窗口。

有时还包括致冷部件、光学部件和电子部件等。

发展简史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。

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，需要有一定的能量墹E。

因此，入射辐射的光子能量必须大于墹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，即(1)1917年,T.W.卡斯发明Tl2S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-x Cd x Te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。

红外探测器原理不同种类的物体发射出的红外光波段是有其特定波段的，该波段的红外光处在可见光波段之外。

因此人们可以利用这种特定波段的红外光来实现对物体目标的探测与跟踪。

将不可见的红外辐射光探测出并将其转换为可测量的信号的技术就是红外探测技术。

从目前应用的情况来看，红外探测红外探测器有如下几个优点：环境适应性优于可见光，尤其是在夜间和恶劣天候下的工作能力；隐蔽性好，一般都是被动接收目标的信号，比雷达和激光探测安全且保密性强，不易被干扰；由于是*目标和背景之间的温差和发射率差形成的红外辐射特性进行探测，因而识别伪装目标的能力优于可见光；与雷达系统相比，红外系统的体积小，重量轻，功耗低；探测器的光谱响应从短波扩展到长波；探测器从单元发展到多元、从多元发展到焦平面；发展了种类繁多的探测器和系统；从单波段探测向多波段探测发展；从制冷型探测器发展到室温探测器；由于红外探测技术有其独特的优点从而使其在军事国防和民用领域得到了广泛的研究和应用，尤其是在军事需求的牵引和相关技术发展的推动下，作为高新技术的红外探测技术在未来的应用将更加广泛，地位更加重要。

红外探测器是将不可见的红外辐射能转变成其它易于测量的能量形式的能量转化器，作为红外整机系统的核心关键部件，红外探测器的研究始终是红外物理与技术发展的中心。

自1800年Herschel发现太阳光谱中的红外线时所用的涂黑水银温度计为最早的红外探测器以来，随着红外实验和理论的发展，新器件不断涌现。

红外探测器制备涉及物理、材料、化学、机械、微电子、计算机等多学科，是一门综合科学。

1.2.1热探测器热探测器吸收红外辐射后，温度升高，可以使探测材料产生温差电动势、电阻率变化，自发极化强度变化，或者气体体积与压强变化等，测量这些物理性能的变化就可以测定被吸收的红外辐射能量或功率。

分别利用上述不同性能可制成多种热探测器：(1) 液态的水银温度计及气动的高莱池（Golay cell）：利用了材料的热胀冷缩效应。

(2) 热电偶和热电堆：利用了温度梯度可使不同材料间产生温差电动势的温差电效应。

(3) 石英共振器非制冷红外成像列阵：利用共振频率对温度敏感的原理来实现红外探测。

(4)测辐射热计：利用材料的电阻或介电常数的热敏效应—辐射引起温升改变材料电阻—用以探测热辐射。

因半导体电阻有高的温度系数而应用最多，测温辐射热计常称“热敏电阻”。

另外，由于高温超导材料出现，利用转变温度附近电阻陡变的超导探测器引起重视。

如果室温超导成为现实，将是21世纪最引人注目的一类探测器；(5) 热释电探测器：有些晶体，如硫酸三甘酞、铌酸锶钡等，当受到红外辐射照射温度升高时，引起自发极化强度变化，结果在垂直于自发极化方向的晶体两个外表面之间产生微小电压，由此能测量红外辐射的功率。

1.2.2光子探测器光子探测器吸收光子后，本身发生电子状态的改变，从而引起内光电效应和外光电效应等光子效应，从光子效应的大小可以测定被吸收的光子数。

(1)光电导探测器：又称光敏电阻。

半导体吸收能量足够大的光子后，体内一些载流子从束缚态转变为自由态，从而使半导体电导率增大，这种现象称为光电导效应。

利用光电导效应制成的光电导探测器分为多晶薄膜型和单晶型两种。

(2)光伏探测器：主要利用p-n结的光生伏特效应。

能量大于禁带宽度的红外光子在结区及其附近激发电子空穴对。

存在的结电场使空穴进入p 区，电子进入n区，两部分出现电位差，外电路就有电压或电流信号。

与光电导探测器比较，光伏探测器背景限探测率大40%，不需要外加偏置电场和负载电阻，不消耗功率，有高的阻抗。

(3)光发射-Schottky势垒探测器：金属和半导体接触，形成Schottky 势垒，红外光子透过Si层被PtSi吸收，使电子获得能量跃迁至费米能级，留下空穴越过势垒进入Si衬底，PtSi层的电子被收集，完成红外探测。

(4)量子阱探测器（QWIP）：将两种半导体材料用人工方法薄层交替生长形成超晶格，在其界面有能带突变，使得电子和空穴被限制在低势能阱内，从而能量量子化形成量子阱。

利用量子阱中能级电子跃迁原理可以做红外探测器。

因入射辐射中只有垂直于超晶格生长面的电极化矢量起作用，光子利用率低；量子阱中基态电子浓度受掺杂限制，量子效率不高；响应光谱区窄；低温要求苛刻。

怎样减少被动红外探测器误报漏报报警设备故障引起的误报警产品在规定的条件下、规定的时间内，不能完成规定的功能，称为故障。

故障的类型有损坏性故障和漂移性故障。

损坏性故障包括性能全部失效和突然失效。

这类故障通常是由元器件的损坏或生产工艺不良(如虚焊等)造成。

漂移性故障是指元器件的参数和电源电压的漂移所造成的故障。

例如：温度过高会导致电阻阻值的变化，此时设备表现为时好时坏。

事实上，环境温度、元件制造工艺、设备制造工艺、使用时间、储存时间及电源负载等因素都可能导致元器件参数的变化，产生漂移性故障。

无论是损坏性故障还是漂移性故障都将使系统误报警，要减少由此产生的误报警应从以下方面努力。

(1)报警设备的生产企业，必须提高产品的设计水平和工艺水平，在作系统设计的同时，还需作可靠性设计，如冗余设计、电磁兼容设计、三防设计(防潮、防盐雾、防霉菌)、漂移可靠性设计等。

在此基础上，提高产品制造过程的可靠性，如对元器件质量的严格筛选；对生产过程进行严格的质量监督管理等，保证产品质量符合有关标准的要求。

销售报警设备的单位或个人，应进行严格的进货检验，检验内容为：产品质量检验合格证明；生产企业的工业生产许可证书或安全认证证书或生产登记批准书。

(2)管理部门应定期或不定期组织安防市场的检查、抽查，发现生产、销售安防产品活动中的违法行为应严格按照《安全技术防范产品管理办法》的规定处理。

(3)报警系统建设单位(用户)应在相应的工程文件中明确要求施工单位选用经授权检测机构检验合格的产品；国外设备要选用正规渠道进口的、按国际先进标准检验合格的产品。

(4)为了保证报警系统的良好工作状态，必须建立定期检查、维修制度。

顺便提一句，目前我国报警系统的维修方式有待解决，最好是变工程承建单位的维修为专业维修公司的维修，这样不仅有利于维修资源(维修人员、维修设备、维修备件等)的利用和维修水平的提高，更重要的是能提高安全防范系统的可靠性。

报警系统设计、施工不当引起的误报警系统设计不当引起的误报警设备选择是系统设计的关键，而报警器材种类繁多，又各有自己的特点、适用范围和局限性，选用不当就会引起误报警。

例如，靠近震源(飞机场、铁路旁)选用震动探测器就很容易引起系统的误报警；在蝙蝠经常出没的地方选用超声波探测器亦使系统误报警，这是因为蝙蝠发出超声波的缘故；电铃声、金属撞击声等高频声均可引起单技术玻璃破碎探测器的误报警……，因此，要减少由于器材选择不当引起的误报警，系统设计人员要十分熟悉各种报警器材的原理、特点、适用范围和局限性。

同时还必须掌握现场环境情况、气候情况、电磁场强度以及照度变化等，以便因地制宜选择报警器材。

除设备器材选择之外，系统设计不当还表现在设备器材安装位置、安装角度、防护措施以及系统布线等方面。

例如：将被动红外入侵探测器对着空调、换气扇安装时，将会引起系统的误报警；室外用主动红外探测器如果不作适当的遮阳防护(有遮阳罩的最好也作防护)，势必会引起系统的误报警；报警线路与动力线、照明线等强电线路间距小于1.5m时，而未加防电磁干扰措施，系统亦将产生误报警……。