红外热像仪探测器分类和原理及其优缺点-Telops红外专家教你如何选择红外热像仪之六

红外探测器是一种对红外辐射敏感的器件,它将红外辐射转换成电信号,是红外热像仪成像系统中的核心,也是红外技术最尖端的领域。红外探测器的发展水平直接决定了红外热像仪的测温精度跟测温速度。
不同探测器对红外辐射的响应度不同,有些探测器对某些波长红外辐射的响应较低,这主要是由于探测器材料对不同波长的红外辐射的反射和吸收存在差异。
目前在TELOPS红外成像仪中使用的斯特林制冷焦平面阵列(FPA)探测器一般工作在3μm~5μm,7.7μm~11.8μm波段,探测器材料为MCT和InSb

1.红外探测器分类

自上世纪以来,红外探测器的研发蓬勃发展,目前各大厂家已经生产出了种类繁多的红外探测器,根据红外线探测器的不同特性也有不同的分类方法。根据探测器响应波长,可以分为近红外、中红外、远红外和极远红外探测器;根据工作温度,可以分为致冷型和非致冷型红外探测器;其中制冷型又可分为半导体制冷,液氮制冷;根据探测器结构可分为单元(测温仪)、线阵和焦平面红外探测器;就探测机理而言,又可分为光子和热敏红外探测器,本文主要以探测机理为分类方式:

1.1光子红外探测器

光子红外探测器是利用材料的光电效应将光辐射转换为电流的红外敏感器件。组成探测器材料的电学性质取决于其中电子的运动状态,当红外辐射入射至材料表面时,入射光子直接与材料中的电子发生作用,从而改变电子运动状态,探测器材料的电学性质也将随之发生变化,这类现象统称为材料的光电效应。这里强调“直接”两字,因为我们不允许光的入射引起探测器材料分子或者原子的震动,从而引起材料的升温。光子探测器主要有以下几种:
(1)光电导红外探测器

光电导红外探测器的原理

光电导效应是指某些半导体材料在受到红外线照射时,其电导率出现明显改变。光电导型探测器就是使用具有光电导效应的材料制成的。这种类型的探测器主要有:硫化铅(PbS)、硒化铅(PbSe)、锑化铟(InSb)、碲镉汞(Hg1-xCdxTe)和锗(Ge)掺杂红外探测器。

光电导探测器的缺点

光电导效应只有在红外辐射照射一段时间后,其电导率才会达到稳定值,而当停止照射后,载流子不能立即全部复合消失。因此,电导率只有经过一段时间后才能恢复,这种现象称为弛豫现象,这就造成了光电导型红外探测器响应速度较慢。
(2)光伏红外探测器

光伏红外探测器工作原理

如果在固体内部存在一个电场,而且条件适当,则本征光吸收所产生的电子-空穴对会趋向两个部分,在两部分间产生电势差,接通外电路就可以输出电流。这就是半导体PN结的光伏效应。
利用具有光伏效应的材料制成的红外探测器称为光伏红外探测用的光伏红外探测器有:砷化铟(InAs)、碲镉汞(Hg1-xCdxTe)和锑化铟(InSb)探测器等。MCT红外探测器原理图

特点

与光电导效应相反,光伏效应是一种少数载流子效应。少数载流子的寿命通常短于多数载流子的寿命,当少数载流子复合消失时,光伏信号就终止了。由于这个原因,光伏红外探测器的响应速度一般快于光电导红外探测器,有利于作高速检测,另外其结构也有利于排成二维阵列制作焦平面。
(3)光电子发射红外探测器

光电子发射红外探测器原理

当频率为v的光束照射至固体材料表面时,由于光的量子效应,光能总是以单个光子能量hv起作用,固体中的电子吸收了能量后动能增大。在向表面运动的电子中有一部分能量较大,除了在途中由于与晶格或其它电子碰撞而损失一部分能量外,尚有足够的能量以克服固体表面的势垒,逸出固体表面而向真空发射光电子,这种效应称为光电子发射效应,利用这种效应制成的红外探测器称为光电子发射红外探测器。

优点

由于光子探测器是依赖材料内部电子直接吸收入射红外辐射,无需经过物体加热的中间过程,因而具有响应速度快、体积小、可靠性高、适应能力强等优点。

缺点

不过在室温附近,由于材料固有的热激发将增大探测器的暗电流,降低器件性能,因此,光子探测器需要在低温致冷条件下才能发挥其最佳性能,这就增加了红外探测或者成像系统的成本和复杂性,造成系统成本一直居高不下,仅在对灵敏度要求很苛刻的军事领域和部分工业领域中得到应用,而很难进入具有广泛应用前景的民用领域。

2热敏红外探测器

如果光子不是直接与电子作用,而是能量被固体晶格振动吸收引起固体的温度升高,导致材料电学性质的改变,这种情况不能称为光电效应,而是热电效应。与光子探测器将光子能量直接转换为光电子的光电效应不同,热敏红外探测器是利用红外辐射的热效应,通过热与其他物理量的变换来探测红外辐射的。物质的某些性质随入射光的加热作用引起的温度升高而变化的现象称为热敏效应。热敏效应的特点是入射光与材料的晶格相互作用,晶格因吸收光能而振动能量增加,材料温度上升,从而引起与温度有关的物理,化学或者电学参量发生变化。这些效应主要包括:塞贝克效应、热敏电阻效应、热释电效应、热弹性效应、隧道效应、液晶色变和气体压力改变等效应。
热敏红外探测器的响应信号取决于辐射功率或者其变化率,与红外辐射的光谱成分无关。由于探测器的加热和冷却是一个比较缓慢的过程,因此与光子探测器相比,热探测器的响应速度较慢。一般情况下,光子探测器的响应时间为微秒级,而热探测响应时间为毫秒级。热敏红外探测器主要包括热释电、温差电堆和微测辐射热计红外探测器三种类型。
(1)热释电红外探测器

热释电红外探测器技术原理

研究发现,部分晶体(如硫酸三甘肽、铌酸锶钡等)沿某一特定的方向切割成薄片,并在两表面制作电极形成平板电容后,当晶体温度发生变化时,电容两端将产生电压。这种当材料表面温度发生变化后,因材料自发极化而在材料表面释放出电荷的现象称为热释电效应。如果将该电容器上接上负载电阻,则会产生热释电电流根据热释电效应设计的红外探测器就是热释电红外探测器。热释电红外探测器原理图

特点

热释电材料仅在温度变化时才产生响应电流,这是热释电探测器区别于其他热敏红外探测器(如微测辐射热计、热电堆)的重要标志。这个特点也决定了热释电红外探测器必须在斩波器协助下才能正常工作。如果不使用斩波器,除非场景中有活动目标,否则热释电电荷将自动消散,场景图像将渐隐。不过增加斩波器后,整个红外成像系统结构将变得复杂。

热释电材料可分为三类

单晶热释电、陶瓷热释电和薄膜热释电。在众多热释电材料中,BST(钛酸锶钡,BaxSr1-xTiO3)陶瓷材料是目前研究得最成熟也是最成功的一种热释电陶瓷材料。TI(后并入Raytheon)公司推出的245×328BST铁电陶瓷焦平面已形成产品,像元尺寸48.5μm×48.5μm,NETD(噪声等效温差,NoiseEquivalentTemperature Difference)优于0.8K,展示样品的NETD优于47 mK。

优缺点

不过,由于铁电陶瓷焦平面的制作工艺与标准大规模硅集成电路工艺不兼容,因此焦平面制造成本较高。此外,陶瓷混合集成热释电焦平面的性能已经接近理论极限,因此自20世纪90年代中期以来,在美国国防预研局的资助下,Raython公司转而研究单片集成式薄膜热释电红外焦平面阵列,并取得了较大进展,目前,Raytheon公司利用PLZT(锆钛酸铅镧,Pb1-xLax(ZryTi1-y)O3)热释电薄膜已经成功制造出320×240单片式热释电焦平面阵列,阵列的NETD优于90mK。
热释电红外探测器是目前热探测器中的佼佼者,这种探测器除具有一般热探测器点,如宽光谱响应、室温工作等优点外,还具有以下特殊优点:
1)探测器输出信号与灵敏元温度变化率成正比,而与绝对温度无关,因而无需自身的热平衡,响应速度较快;2)热释电探测元本身可以作为一个滤波器,可以将一定量的噪声旁路分离掉,噪声较小;3)电荷存储具有积分特性,能存储由瞬时信号释放的总电荷,此时电
荷的测量取决于瞬时的总量;4)无需加偏压,读出电路设计简单。不过由于热释电红外探测器需要斩波器协助才能正常工作,因此与热电堆、测辐射热计比较而言,成像系统结构复杂。
(2)温差热电堆红外探测器

温差热电堆红外探测器原理

该探测器是利用材料的塞贝克(Seebeck)效应工作的。塞贝克效应是热能转换为电能的现象,当两种金属或者半导体材料一端欧姆接触而另两端开路时,如果接触端与开路端形成温度差,则在两开路端之间会产生一定的电势差,这种由于温度梯度使得材料内部的载流子由热端向冷端移动而在冷端形成电荷积累的现象,就称为塞贝克效应。这种结构就称为热电偶。若干热电偶串连起来就形成热电堆,与单个热电偶相比,热电堆由于电势叠加,便于获得相当可观的电信号。如果将热电堆的接触端与一吸收红外辐射的小黑体连接在一起,则当小黑体吸收红外辐射能量后,加热接触端温度升高,依据塞贝克效应,在分离端将产生温差电动势。电动势的大小与入射的红外辐射能量间存在一个确定的关系,依据这种原理制成的红外探测器称为温差热电堆红外探测器。
用于热电堆红外探测器的常用热偶对材料有多晶硅和金、多晶硅和铝、P型(Bi1-xSbx)2Te3和N型Bi1-xSbx薄膜材料对以及N型和P型多晶硅材料对。其中N型和P型多晶硅材料对由于具有较高的赛贝尔系数和优值,制作工艺与集成电路工艺兼容等优点,是当前研究得比较深入也是最有前途的热偶探测材料。日本防卫厅和日本电气公司(NEC)利用N型和P型多晶硅作为热电材料制作了128×128元单片式热电堆红外焦平面阵列,器件响应灵敏度约为1,550V/W。与其他热敏型红外探测器相比,热电堆红外探测器响应灵敏度不高,热响应时间较长,因此在器件性能方面并不具有竞争优势。不过热电堆红外探测器制作容易与集成电路工艺兼容,信号后处理电路也比较简单,具有低成本的潜力,在对红外成像图像质量要求不高的社区保安、安全监控,汽车辅助驾驶等领域具有一定的应用前景。
(3)微测辐射热计红外探测器

原理

微测辐射热计是利用热敏材料的电阻率对温度的敏感特性进行红外探测的。常用的热敏材料主要有金属和半导体薄膜。当温度增加时,金属薄膜电子迁移率下降,薄阻增加,TCR(电阻温度系数,TemperatureCoefficient ofResistance)为正值,一般在量级[16~19]。由于金属薄膜的TCR较低,因此该类薄膜仅在原型器件开发中得到应用。与金属薄膜相比,以氧化钒和非晶硅为代表的半导体材料的TCR一般要高一个数量级,是目前最常用的热敏材料。当温度升高时,半导体材料的电荷载流子浓度和迁移率增大,电阻率随着材料温度升高而减小,显示出负的TCR。

优点

微测辐射热计红外探测器具有无需斩波、制作工艺与集成电路制造工艺兼容,便于大规模生产等优点,具有相当大的发展潜力,是目前发展速度最快、性能最好和最具有应用前景的一种热敏型红外探测器。
除以上三种主要的热敏红外探测器外,还有基于其他物理热效应的红外热探测器,
主要包括:
1)利用物理的热胀冷缩效应,如水银温度计,气体高莱瓶等;
2)共振频率与温度的相关性,如石英晶振非致冷红外探测器;
3)双材料微悬梁悬臂弯曲与温度的相关性,如基于双材料微悬臂的电容读出和光学读出的非致冷红外探测器;
4)热光效应。利用材料的折射率-温度相关性研制的红外探测器。

制冷型红外探测器的测温精度优势

我们都知道,不管是光子红外探测器,还是热敏红外探测器都是被动接受探测目标的红外辐射转换成电子来获得温度数据的。同样的探测器在不同的温度下,所获得的数据也会有很大的差异。
温度在绝对零度以上的物体都会因自身的分子和原子无规则的运动,而不停地辐射出热红外能量,分子和原子的剧烈,辐射的能量愈大,反之,辐射的能量愈小。理想情况下,探测器本身为绝对零度,不发出任何红外辐射和温度,但是绝对零度在宇宙中是不存在的。物体的红外辐射与温度存在线性关系,即温度越低,红外辐射越小。红外探测器本身也会有一定的红外辐射,探测器本身的红外辐射对于红外热像仪来讲属于噪声,对探测具有干扰作用,噪声越大,我们得到的红外数据越失真。所以,如果你需要红外热像仪得到更准确的温度,那就需要将探测器制冷。而且越冷越好。
所以制冷型红外热像仪的数据会比非制冷的更加真实准确。

应对方法

Telops对探测器所做的努力是,对探测器制冷,制冷模式为斯特林制冷,制冷温度为零下190°c。在这个温度下的探测器所发出的红外辐射已经极小,对测温的影响几乎为零。

本系列Telops红外专家教你如何选择红外热像仪已经到此结束了,本系列讲解了红外热像仪的基本原理,测温的基本原理,影响红外测温精度的种种因素以及Telops为提供精度所做的应对方法。

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