紅外探測器概述

關(guān)于紅外探測器概述第一章紅外探測器概述1.1紅外探測器物理基礎(chǔ)1.2紅外探測器的性能參數(shù)1.3紅外探測器性能參數(shù)的測量第2頁,共50頁，2024年2月25日，星期天1.1紅外探測器物理基礎(chǔ)任何溫度高于絕對零度的物體都會產(chǎn)生紅外輻射。如何檢測它的存在，測定它的強弱并將其轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰?多數(shù)情況是轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?以便應(yīng)用，就是紅外探測器的主要任務(wù)。紅外探測器是紅外系統(tǒng)中最關(guān)鍵的元件之一。紅外探測器所用的材料是制備紅外探測器的基礎(chǔ)，沒有性能優(yōu)良的材料就制備不出性能優(yōu)良的紅外探測器。第3頁,共50頁，2024年2月25日，星期天完整的紅外探測器的構(gòu)成一個完整的紅外探測器包括紅外敏感元件、紅外輻射入射窗口、外殼、電極引出線以及按需要而加的光闌、冷屏、場鏡、光錐、浸沒透鏡和濾光片等，在低溫工作的探測器還包括杜瓦瓶，有的還包括前置放大器。按探測器工作機理區(qū)分，可將紅外探測器分為熱探測器和光子探測器兩大類。第4頁,共50頁，2024年2月25日，星期天1.1.1熱探測器工作原理：熱探測器吸收紅外輻射后產(chǎn)生溫升，然后伴隨發(fā)生某些物理性能的變化。測量這些物理性能的變化就可以測量出它吸收的能量或功率。常見的類型：常利用的物理性能變化有下列四種，利用其中一種就可以制備一種類型的熱探測器。第5頁,共50頁，2024年2月25日，星期天1.金屬或半導(dǎo)體熱敏電阻測輻射熱器熱敏物質(zhì)吸收紅外輻射后，溫度升高，阻值發(fā)生變化。阻值變化的大小與吸收的紅外輻射能量成正比。利用物質(zhì)吸收紅外輻射后電阻發(fā)生變化而制成的紅外探測器叫做熱敏電阻。熱敏電阻常用來測量熱輻射，所以又常稱為熱敏電阻測輻射熱器。常見的熱敏電阻及其應(yīng)用形式十分廣泛。第6頁,共50頁，2024年2月25日，星期天熱敏電阻器種類繁多，一般按阻值溫度系數(shù)可分為負電阻溫度系數(shù)和正電阻溫度系數(shù)熱敏電阻器；按其阻值隨溫度變化的大小可分為緩變和突變型；按其受熱方式可分為直熱式和旁熱式；按其工作溫度范圍可分為常溫、高溫和超低溫?zé)崦綦娮杵?；按其結(jié)構(gòu)分類有棒狀、圓片、方片、墊圈狀、球狀、線管狀、薄膜以及厚膜等熱敏電阻器。第7頁,共50頁，2024年2月25日，星期天

熱敏電阻器的主要特點是對溫度靈敏度高，熱惰性小，壽命長，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，以及可制成各種不同的外形結(jié)構(gòu)。因此，隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，這種元件已獲得了廣泛的應(yīng)用，如溫度測量、溫度控制、溫度補償、液面測定、氣壓測定、火災(zāi)報警、氣象探空、開關(guān)電路、過荷保護、脈動電壓抑制、時間延遲、穩(wěn)定振幅、自動增益調(diào)整、微波和激光功率測量等等。第8頁,共50頁，2024年2月25日，星期天2.測輻射熱電偶和熱電堆把兩種不同的金屬或半導(dǎo)體細絲(也有制成薄膜結(jié)構(gòu))連成一個封閉環(huán)，當一個接頭吸熱后其溫度和另一個接頭不同，環(huán)內(nèi)就產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為溫差電現(xiàn)象。利用溫差電現(xiàn)象制成的感溫元件稱為溫差電偶(也稱熱電偶)。溫差電動勢的大小與接頭處吸收的輻射功率或冷熱兩接頭處的溫差成正比，因此，測量熱電偶溫差電動勢的大小就能測知接頭處所吸收的輻射功率或冷熱兩接頭處的溫差。第9頁,共50頁，2024年2月25日，星期天圖1-14熱電偶原理圖第10頁,共50頁，2024年2月25日，星期天制造溫差電偶的材料有純金屬、合金和半導(dǎo)體。常用于直接測溫的熱電偶一般是純金屬與臺金相配而成，如鉑錠—鉑、鎳鉻—鎳鋁和銅—康銅等，它們被廣泛用于測量1300℃以下的溫度。用半導(dǎo)體材料制成的溫差電偶比用金屬作成的溫差電偶的靈敏度高，響應(yīng)時間短，常用作紅外輻射的接收元件。將若干個熱電偶串聯(lián)在一起就成為熱電堆。在相同的輻照下，熱電堆可提供比熱電偶大得多的溫差電動勢。因此，熱電堆比單個熱電偶應(yīng)用更廣泛。第11頁,共50頁，2024年2月25日，星期天兩種不同材料或材料相同而逸出功不同的物體，當它們構(gòu)成閉環(huán)回路時，如果兩個接點的溫度不相同，環(huán)路中就產(chǎn)生溫差電動勢，這就是溫差電效應(yīng)，也稱為塞貝克效應(yīng)。單個熱電偶提供的溫差電動勢比較小，滿足不了某些應(yīng)用的要求，所以常把幾個或幾十個熱電偶串聯(lián)起來組成熱電堆。熱電堆比熱電偶可以提供更大的溫差電動勢，新型的熱電堆采用薄膜技術(shù)制成，可稱為薄膜型熱電堆。第12頁,共50頁，2024年2月25日，星期天熱電堆圖1-23熱電堆示意圖第13頁,共50頁，2024年2月25日，星期天3.氣動探測器氣體在體積保持一定的條件下吸收紅外輻射后引起溫度升高，壓強增大。壓強增加的大小與吸收的紅外輻射功率成正比，由此，可測量被吸收的紅外輻射功率。利用上述原理制成的紅外探測器叫做氣體探測器。高萊管就是一種典型的氣體探測器。第14頁,共50頁，2024年2月25日，星期天高萊管第15頁,共50頁，2024年2月25日，星期天工作原理：當輻射通過紅外窗口到吸收膜上時，膜吸收輻射并傳給氣室的氣體，氣體溫度升高，壓力增大，柔鏡膨脹。為了測出它的移動量，另用一光源將投射到柔鏡背面的反射膜上。在沒有輻照時，氣室內(nèi)氣壓穩(wěn)定，柔鏡處于正常狀態(tài)，由柔鏡背面反射的光因被光柵遮擋照射不到光電管上。當有輻照時，輻射透過窗口照射到吸收膜，吸收膜將吸收的能量傳給氣室，氣室溫度升高，氣壓增大，柔鏡膜片變形，從而引起反射光線的移動，通過光柵到達光電管的光強發(fā)生變化，由此可檢測紅外輻射的強弱。第16頁,共50頁，2024年2月25日，星期天4.熱釋電探測器有些晶體，如硫酸三甘肽，鉭酸鋰和鈮酸鍶鋇等，當受到紅外輻射時，溫度升高，在某一晶軸方向上產(chǎn)生電壓。電壓大小與吸收紅外輻射的功率成正比。熱釋電紅外傳感器在熱輻射能量發(fā)生改變時，會產(chǎn)生電荷變化。這個效應(yīng)被用來探測紅外輻射的變化。這些熱釋電傳感器應(yīng)用于人體移動探測器，被動紅外防盜報警器，以及自動燈開關(guān)?；谕瑯拥脑?，熱釋電傳感器通過紅外吸收方法，應(yīng)用于氣體探測。第17頁,共50頁，2024年2月25日，星期天熱釋電探測器的特點·低噪聲，高響應(yīng)度·優(yōu)異的共模平衡-雙單元類型·TO-39，TO-5封裝·各種濾波器窗口供寬帶或者窄帶應(yīng)用·單通道或者雙通道器件·雙元或者四元器件應(yīng)用于防盜產(chǎn)品·單元器件帶熱補償?shù)?8頁,共50頁，2024年2月25日，星期天典型應(yīng)用·被動紅外防盜報警：Lhi968，對強烈的白光以及電磁輻射具有優(yōu)異的抗干擾性能?！と梭w移動探測：·天花板安裝人體探測·氣體分析·非接觸紅外測量第19頁,共50頁，2024年2月25日，星期天小結(jié)：熱探測器是一種對一切波長的輻射都具有相同響應(yīng)的無選擇性探測器。但實際上對某些波長的紅外輻射的響應(yīng)偏低，等能量光譜響應(yīng)曲線并不是一條水平直線，這主要是由于熱探測器材料對不同波長的紅外輻射的反射和吸收存在著差異。物體吸收輻射，晶格振動加劇，輻射能轉(zhuǎn)換成熱能，溫度升高。由于物體溫度升高，與溫度有關(guān)的物理性能發(fā)生變化。這種物體吸收輻射使其溫度發(fā)生變化從而引起物體的物理、機械等性能相應(yīng)變化的現(xiàn)象稱為熱效應(yīng)。利用熱效應(yīng)制成的探測器稱為熱探測器。第20頁,共50頁，2024年2月25日，星期天1.1.2光子探測器光子探測器吸收光子后，發(fā)生電子狀態(tài)的改變，從而引起幾種電學(xué)現(xiàn)象。這些現(xiàn)象統(tǒng)稱為光子效應(yīng)。測量光子效應(yīng)的大小可以測定被吸收的光子數(shù)。利用光子效應(yīng)制成的探測器稱為光子探測器。第21頁,共50頁，2024年2月25日，星期天1.光電子發(fā)射器件（外光電效應(yīng)）當光入射到某些金屬、金屬氧化物或半導(dǎo)體表面時，如果光子能量足夠大，能使其表面發(fā)射電子，這種現(xiàn)象統(tǒng)稱為光電子發(fā)射，屬于外光電效應(yīng)。利用光電子發(fā)射制成的器件稱為光電子發(fā)射器件。如光電管和光電倍增管。光電倍增管的靈敏度很高，時間常數(shù)較短（約幾個毫微秒），所以在激光通訊中常使用特制的光電倍增管。第22頁,共50頁，2024年2月25日，星期天光電倍增管的應(yīng)用場合將微弱光信號轉(zhuǎn)換成電信號的真空電子器件。光電管通常用于自動控制、光度學(xué)測量和強度調(diào)制光的檢測。如用于保安與警報系統(tǒng)、計數(shù)與分類裝置、影片音膜復(fù)制與還音、彩色膠片密度測量以及色度學(xué)測量等。光電倍增管用在光學(xué)測量儀器和光譜分析儀器中。它能在低能級光度學(xué)和光譜學(xué)方面測量波長200～1200納米的極微弱輻射功率。閃爍計數(shù)器的出現(xiàn)，擴大了光電倍增管的應(yīng)用范圍。激光檢測儀器的發(fā)展與采用光電倍增管作為有效接收器密切有關(guān)。電視電影的發(fā)射和圖像傳送也離不開光電倍增管。光電倍增管廣泛地應(yīng)用在冶金、電子、機械、化工、地質(zhì)、醫(yī)療、核工業(yè)、天文和宇宙空間研究等領(lǐng)域。第23頁,共50頁，2024年2月25日，星期天圖1-26光電倍增管原理圖第24頁,共50頁，2024年2月25日，星期天光電管由真空管殼內(nèi)的光電陰極和陽極所構(gòu)成（圖中a）。陽極相對陰極為正電位。光或輻射照射陰極時，陰極發(fā)射光電子。光電子在電場的作用下到達陽極，在電路中產(chǎn)生光電流。

光電倍增管由真空管殼內(nèi)的光電陰極、陽極以及位于其間的若干個倍增極構(gòu)成（圖中b）。工作時在各電極之間加上規(guī)定的電壓。當光或輻射照射陰極時，陰極發(fā)射光電子，光電子在電場的作用下逐級轟擊次級發(fā)射倍增極，在末級倍增極形成數(shù)量為光電子的106～108倍的次級電子。眾多的次級電子最后為陽極收集，在陽極電路中產(chǎn)生可觀的輸出電流。第25頁,共50頁，2024年2月25日，星期天2.光電導(dǎo)探測器當半導(dǎo)體吸收入射光子后，半導(dǎo)體內(nèi)有些電子和空穴從原來不導(dǎo)電的束縛狀態(tài)轉(zhuǎn)變到能導(dǎo)電的自由狀態(tài)，從而使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。利用半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的紅外探測器叫做光電導(dǎo)探測器，是目前，它是種類最多應(yīng)用最廣的一類光子探測器。第26頁,共50頁，2024年2月25日，星期天光電導(dǎo)探測器的分類光電導(dǎo)探測器可分為單晶型和多晶薄膜型兩類。多晶薄膜型光電導(dǎo)探測器的種類較少，主要的有響應(yīng)于1~3微米波段的FbS、響應(yīng)于3~5pm波段的PbSe和PbTe(PbTe探測器，有單晶型和多晶薄膜型兩種)。單晶型光電導(dǎo)探測器，早期以銻化銦(InSb)為主，只能探測7微米以下的紅外輻射，后來發(fā)展了響應(yīng)波長隨材料組分變化的銻鎘汞(Hg1-xCdxTe)和銻錫鉛(Pb1-xSnxTe)三元化合物探測器，在77K溫度下對8到14微米波段的紅外輻射的探測率很高。第27頁,共50頁，2024年2月25日，星期天3.光伏探測器p-n結(jié)及其附近吸收光子后產(chǎn)牛電子和空穴。在結(jié)區(qū)外，它們靠擴散進入結(jié)區(qū)；在結(jié)區(qū)內(nèi)，則受結(jié)的靜電場作用電子漂移到n區(qū)，空穴漂移到p區(qū)。n區(qū)獲得附加電子，p區(qū)獲得附加空穴，結(jié)區(qū)獲得一附加電勢差。它與p-n結(jié)原來存在的勢壘方向相反，這就要降低p-n結(jié)原有的勢壘高度，使得擴散電流增加，直到達到新的平衡為止。如果把半導(dǎo)體兩端用導(dǎo)線連結(jié)起來，電路中就有反向電流流過，用靈敏電流計可以測量出來；如果p-n結(jié)兩端開路，可用高阻毫伏計測量出光生伏特電壓。這就是p-n結(jié)的光伏效應(yīng)。利用光伏效應(yīng)制成的紅外探測器稱為光伏探測器(簡稱PV器件)。第28頁,共50頁，2024年2月25日，星期天4.光磁電探測器在樣品橫向加一磁場，當半導(dǎo)體表面吸收光子后所產(chǎn)生的電子和空穴隨即向體內(nèi)擴散，在擴散過程中由于受橫向磁場的作用，電子和空穴分別向樣品兩端偏移，在樣品兩端產(chǎn)生電位差。這種現(xiàn)象叫做光磁電效應(yīng)。利用光磁電效應(yīng)制成的探測器稱為光磁電探測器(簡稱PEM器件)。第29頁,共50頁，2024年2月25日，星期天小結(jié)：光電子發(fā)射屬于外光電效應(yīng)。光電導(dǎo)、光生伏特和光磁電三種屬于內(nèi)光電效應(yīng)。光子探測器能否產(chǎn)生光子效應(yīng)，決定于光于的能量。入射光子能量大于本征半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg(或雜質(zhì)半導(dǎo)體的雜質(zhì)電離能Ed或Ea)就能激發(fā)出光生載流子。入射光子的最大波長(也就是探測器的長波限)與半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg有如下關(guān)系：第30頁,共50頁，2024年2月25日，星期天1.1.3熱探測器與光子探測器性能比較光子探測器主要是測出光子的吸收速率，而熱探測器是測出能量的吸收速率，所以它們對輻射的響應(yīng)的形式是不同的。熱探測器對各種波長的輻射都有相應(yīng)，而光子探測器只對它長波限的一段波長區(qū)間有響應(yīng)。熱探測器一般在工作時不需要冷卻，而光子探測器多數(shù)需要冷卻。熱探測器的響應(yīng)速度一般低于光子探測器，而響應(yīng)時間長于光子探測器。熱探測器的性能與器件的尺寸、形狀、工藝細節(jié)等有很大關(guān)系，因此要求有高的工藝水平，產(chǎn)品性能不容易穩(wěn)定，情況有點類似與薄膜型光子探測器，而單晶型的光子探測器，無論在單晶生長、器件制造工藝及物理機構(gòu)等方面都比較清楚、先進、定型，產(chǎn)品能夠規(guī)格化。第31頁,共50頁，2024年2月25日，星期天1.2紅外探測器的性能參數(shù)光電系統(tǒng)一般都是圍繞光電探測器的性能進行設(shè)計的，而探測器的性能由特定工作條件下的一些參數(shù)來表征。實際參量參考參量測量條件第32頁,共50頁，2024年2月25日，星期天1.2.1探測器的主要工作條件光電探測器的性能參數(shù)與其工作條件密切相關(guān)，在給出性能參數(shù)時，要注明有關(guān)的工作條件。這一點很重要，因為只有這樣，光電探測器才能互換使用。主要工作條件有：1．入射輻射的光譜分布

2．電路的頻率范圍3．工作溫度4．光敏面的形狀尺寸5．偏置情況6.特殊工作條件第33頁,共50頁，2024年2月25日，星期天1.入射輻射的光譜分布很多光電探測器（特別是光子探測器），其響應(yīng)是輻射波長的函數(shù)。僅對一定的波長范圍內(nèi)的輻射有信號輸出，稱為光譜響應(yīng)，它決定了探測器探測特定目標的有效程度。在說明探測器的性能時，一般都需要給出測定性能時所用輻射源的光譜分布。如果輻射源是單色輻射，則需給出輻射波長。假如輻射源是黑體，那么要指明黑體的溫度。當輻射經(jīng)過調(diào)制時，則要說明調(diào)制頻率。第34頁,共50頁，2024年2月25日，星期天2.電路的頻率范圍因噪聲限制了探測器的極限性能(后面將詳細討論)。噪聲電壓或電流均正比于帶寬的平方根，有些噪聲還是頻率的函數(shù)。在描述探測器的性能時，必須明確通頻帶和帶寬。第35頁,共50頁，2024年2月25日，星期天3.工作溫度許多探測器，特別是用半導(dǎo)體材料制作的探測器，無論是信號還是噪聲，都和工作溫度有密切關(guān)系，所以必須明確工作溫度。通用的工作溫度是：室溫(295K)、干冰溫度(195K)、液氮溫度(77K)、液氫溫度(20.4K)

液氦溫度(4.2K)第36頁,共50頁，2024年2月25日，星期天4.光敏面的形狀和尺寸探測器的信號和噪聲都和光敏面積有關(guān)，大部分探測器的信噪比與光敏面積的平方根成比例。參考面積一般為1cm2。第37頁,共50頁，2024年2月25日，星期天5.偏置情況大多數(shù)探測器需要某種形式的偏置。例如：光電導(dǎo)探測器和電阻測輻射熱器需要直流偏置電源信號和噪聲往往與偏置情況有關(guān)，因此要說明偏置的情況。此外，對于受背景光子噪聲限制的探測器，應(yīng)注明光學(xué)視場和背景溫度。對于非密封型的薄膜探測器，要標明濕度。第38頁,共50頁，2024年2月25日，星期天1.2.2紅外探測器的性能參數(shù)1.響應(yīng)度(響應(yīng)率)2.探測器的響應(yīng)時間

3.噪聲等效功率4.探測率5.探測器的光譜響應(yīng)第39頁,共50頁，2024年2月25日，星期天1.響應(yīng)度(或稱響應(yīng)率)Rv或RI1）響應(yīng)率是描述探測器靈敏度的參量。它表征探測器輸出信號與輸入輻射之間關(guān)系的參數(shù)。又稱為光電探測器的靈敏度。2）定義：光電探測器的輸出均方根電壓Vs或電流Is與入射到光電探測器上的平均光功率之比。

Rv＝Vs／Φs

RI＝is／Φs

分別稱為光電探測器的電壓響應(yīng)率和電流響應(yīng)率。3）測量響應(yīng)率的輻射源一般是500K的黑體。4）單色靈敏度和積分靈敏度。第40頁,共50頁，2024年2月25日，星期天單色靈敏度1）如果使用波長為λ的單色輻射源，則稱為單色響應(yīng)率或單色靈敏度，又叫光譜響應(yīng)度，用Rλ表示，2）定義：光電探測器的輸出電壓或輸出電流與入射到探測器上單色輻射通量(光通量)之比。

(V/W)

(A/W)式中，Φ(λ)為入射的單色輻射通量或光通量。如果Φ(λ)為光通量，則Rλv的單位為V／lm。

第41頁,共50頁，2024年2月25日，星期天積分靈敏度積分靈敏度表示探測器對連續(xù)輻射通量的反應(yīng)程度。對包含有各種波長的輻射光源，總光通量為：

光電探測器輸出的電流或電壓與入射總光通量之比稱為積分靈敏度。第42頁,共50頁，2024年2月25日，星期天由于光電探測器輸出的光電流是由不同波長的光輻射引起的，所以輸出光電流為：

可得積分靈敏度為：

式中，、分別為光電探測器的長波限和短波限。由于采用不同的輻射源，甚至具有不同色溫的同一輻射源所發(fā)生的光譜通量分布也不相同，因此提供數(shù)據(jù)時應(yīng)指明采用的輻射源及其色溫。第43頁,共50頁，2024年2月25日，星期天2.探測器的響應(yīng)時間（時間常數(shù)）1）響應(yīng)時間是描述光電探測器對入射輻射響應(yīng)快慢的一個參數(shù)。2）當入射輻射到光電探測器后或入射輻射遮斷后，光電探測器的輸出上升到穩(wěn)定值或下降到照射前的值所需時間稱為響應(yīng)時間。常用時間常數(shù)τ的大小來表示。當用一個輻射脈沖照射光電探測器，如果這個脈沖的上升和下降時間很短，如方被，則光電探測器的輸出由于器件的惰性而有延遲，把從10％上升到90％峰值處所需的時間稱為探測器的上升時間，而把從90％下降到10％處所需的時間稱為下降時間。第44頁,共50頁，2024年2月25日，星期天3.噪聲等效功率(NEP)

1）定義為信號功率與噪聲功率之比為1(即S／N＝1)時，入射到探測器上的輻射通量(單位為瓦)。

一個良好的探測器件的NEP約為10-11W。NEP越小，噪聲越小，器件的性能越好。

應(yīng)指明測