紅外探測器是一種對紅外輻射敏感的器件,它將紅外輻射轉(zhuǎn)換成電信號，是紅外熱像儀成像系統(tǒng)中的核心，也是紅外技術(shù)尖端的領(lǐng)域。紅外探測器的發(fā)展水平直接決定了紅外熱像儀的測溫精度跟測溫速度。

不同探測器對紅外輻射的響應(yīng)度不同，有些探測器對某些波長紅外輻射的響應(yīng)較低，這主要是由于探測器材料對不同波長的紅外輻射的反射和吸收存在差異。

目前在TELOPS紅外成像儀中使用的斯特林制冷焦平面陣列（FPA）探測器一般工作在3μm~5μm，7.7μm~11.8μm波段，探測器材料為MCT和InSb。

自上世紀(jì)以來，紅外探測器的研發(fā)蓬勃發(fā)展，目前各大廠家已經(jīng)生產(chǎn)出了種類繁多的紅外探測器，根據(jù)紅外線探測器的不同特性也有不同的分類方法。根據(jù)探測器響應(yīng)波長，可以分為近紅外、中紅外、長波紅外和遠(yuǎn)紅外探測器；根據(jù)工作溫度，可以分為致冷型和非致冷型紅外探測器；其中制冷型又可分為半導(dǎo)體制冷,液氮制冷；根據(jù)探測器結(jié)構(gòu)可分為單元（測溫儀）、線陣和焦平面紅外探測器；就探測機(jī)理而言，又可分為光子和熱敏紅外探測器，本文主要以探測機(jī)理為分類方式：

光子紅外探測器是利用材料的光電效應(yīng)將光輻射轉(zhuǎn)換為電流的紅外敏感器件。組成探測器材料的電學(xué)性質(zhì)取決于其中電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)紅外輻射入射至材料表面時(shí)，入射光子直接與材料中的電子發(fā)生作用，從而改變電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，探測器材料的電學(xué)性質(zhì)也將隨之發(fā)生變化，這類現(xiàn)象統(tǒng)稱為材料的光電效應(yīng)。這里強(qiáng)調(diào)“直接”兩字,因?yàn)槲覀儾辉试S光的入射引起探測器材料分子或者原子的震動(dòng)，從而引起材料的升溫。光子探測器主要有以下幾種：

光電導(dǎo)效應(yīng)是指某些半導(dǎo)體材料在受到紅外線照射時(shí)，其電導(dǎo)率出現(xiàn)明顯改變。光電導(dǎo)型探測器就是使用具有光電導(dǎo)效應(yīng)的材料制成的。這種類型的探測器主要有：硫化鉛（PbS）、硒化鉛（PbSe）、銻化銦（InSb）、碲鎘汞（Hg1-xCdxTe）和鍺（Ge）摻雜紅外探測器。

光電導(dǎo)效應(yīng)只有在紅外輻射照射一段時(shí)間后，其電導(dǎo)率才會達(dá)到穩(wěn)定值，而當(dāng)停止照射后，載流子不能立即全部復(fù)合消失。因此，電導(dǎo)率只有經(jīng)過一段時(shí)間后才能恢復(fù)，這種現(xiàn)象稱為弛豫現(xiàn)象，這就造成了光電導(dǎo)型紅外探測器響應(yīng)速度較慢。

如果在固體內(nèi)部存在一個(gè)電場，而且條件適當(dāng)，則本征光吸收所產(chǎn)生的電子－空穴對會趨向兩個(gè)部分，在兩部分間產(chǎn)生電勢差，接通外電路就可以輸出電流。這就是半導(dǎo)體PN結(jié)的光伏效應(yīng)。

利用具有光伏效應(yīng)的材料制成的紅外探測器稱為光伏紅外探測用的光伏紅外探測器有：砷化銦（InAs）、碲鎘汞（Hg1-xCdxTe）和銻化銦（InSb）探測器等。

與光電導(dǎo)效應(yīng)相反，光伏效應(yīng)是一種少數(shù)載流子效應(yīng)。少數(shù)載流子的壽命通常短于多數(shù)載流子的壽命，當(dāng)少數(shù)載流子復(fù)合消失時(shí)，光伏信號就終止了。由于這個(gè)原因，光伏紅外探測器的響應(yīng)速度一般快于光電導(dǎo)紅外探測器，有利于作高速檢測，另外其結(jié)構(gòu)也有利于排成二維陣列制作焦平面。

當(dāng)頻率為v的光束照射至固體材料表面時(shí)，由于光的量子效應(yīng)，光能總是以單個(gè)光子能量hv起作用，固體中的電子吸收了能量后動(dòng)能增大。在向表面運(yùn)動(dòng)的電子中有一部分能量較大，除了在途中由于與晶格或其它電子碰撞而損失一部分能量外，尚有足夠的能量以克服固體表面的勢壘，逸出固體表面而向真空發(fā)射光電子，這種效應(yīng)稱為光電子發(fā)射效應(yīng)，利用這種效應(yīng)制成的紅外探測器稱為光電子發(fā)射紅外探測器。

由于光子探測器是依賴材料內(nèi)部電子直接吸收入射紅外輻射，無需經(jīng)過物體加熱的中間過程，因而具有響應(yīng)速度快、體積小、可靠性高、適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

不過在室溫附近，由于材料固有的熱激發(fā)將增大探測器的暗電流，降低器件性能，因此，光子探測器需要在低溫致冷條件下才能發(fā)揮其更好的性能，這就增加了紅外探測或者成像系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性，造成系統(tǒng)成本一直居高不下，僅在對靈敏度要求很苛刻的軍事領(lǐng)域和部分工業(yè)領(lǐng)域中得到應(yīng)用，而很難進(jìn)入具有廣泛應(yīng)用前景的民用領(lǐng)域。

如果光子不是直接與電子作用，而是能量被固體晶格振動(dòng)吸收引起固體的溫度升高，導(dǎo)致材料電學(xué)性質(zhì)的改變，這種情況不能稱為光電效應(yīng)，而是熱電效應(yīng)。與光子探測器將光子能量直接轉(zhuǎn)換為光電子的光電效應(yīng)不同，熱敏紅外探測器是利用紅外輻射的熱效應(yīng)，通過熱與其他物理量的變換來探測紅外輻射的。物質(zhì)的某些性質(zhì)隨入射光的加熱作用引起的溫度升高而變化的現(xiàn)象稱為熱敏效應(yīng)。熱敏效應(yīng)的特點(diǎn)是入射光與材料的晶格相互作用，晶格因吸收光能而振動(dòng)能量增加，材料溫度上升，從而引起與溫度有關(guān)的物理，化學(xué)或者電學(xué)參量發(fā)生變化。這些效應(yīng)主要包括：塞貝克效應(yīng)、熱敏電阻效應(yīng)、熱釋電效應(yīng)、熱彈性效應(yīng)、隧道效應(yīng)、液晶色變和氣體壓力改變等效應(yīng)。

熱敏紅外探測器的響應(yīng)信號取決于輻射功率或者其變化率，與紅外輻射的光譜成分無關(guān)。由于探測器的加熱和冷卻是一個(gè)比較緩慢的過程，因此與光子探測器相比，熱探測器的響應(yīng)速度較慢。一般情況下，光子探測器的響應(yīng)時(shí)間為微秒級，而熱探測響應(yīng)時(shí)間為毫秒級。熱敏紅外探測器主要包括熱釋電、溫差電堆和微測輻射熱計(jì)紅外探測器三種類型。

研究發(fā)現(xiàn)，部分晶體（如硫酸三甘肽、鈮酸鍶鋇等）沿某一特定的方向切割成薄片，并在兩表面制作electrode形成平板電容后，當(dāng)晶體溫度發(fā)生變化時(shí)，電容兩端將產(chǎn)生電壓。這種當(dāng)材料表面溫度發(fā)生變化后，因材料自發(fā)polarization而在材料表面釋放出電荷的現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。如果將該電容器上接上負(fù)載電阻，則會產(chǎn)生熱釋電電流根據(jù)熱釋電效應(yīng)設(shè)計(jì)的紅外探測器就是熱釋電紅外探測器。

熱釋電材料僅在溫度變化時(shí)才產(chǎn)生響應(yīng)電流，這是熱釋電探測器區(qū)別于其他熱敏紅外探測器（如微測輻射熱計(jì)、熱電堆）的重要標(biāo)志。這個(gè)特點(diǎn)也決定了熱釋電紅外探測器必須在斬波器協(xié)助下才能正常工作。如果不使用斬波器，除非場景中有活動(dòng)目標(biāo)，否則熱釋電電荷將自動(dòng)消散，場景圖像將漸隱。不過增加斬波器后，整個(gè)紅外成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將變得復(fù)雜。

單晶熱釋電、陶瓷熱釋電和薄膜熱釋電。在眾多熱釋電材料中，BST（鈦酸鍶鋇，BaxSr1-xTiO3）陶瓷材料是目前研究得成熟也是成功的一種熱釋電陶瓷材料。TI（后并入Raytheon）公司推出的245×328BST鐵電陶瓷焦平面已形成產(chǎn)品，像元尺寸48.5μm×48.5μm，NETD（噪聲等效溫差，NoiseEquivalentTemperature Difference）優(yōu)于0.8K，展示樣品的NETD優(yōu)于47 mK。

不過，由于鐵電陶瓷焦平面的制作工藝與標(biāo)準(zhǔn)大規(guī)模硅集成電路工藝不兼容，因此焦平面制造成本較高。此外，陶瓷混合集成熱釋電焦平面的性能已經(jīng)接近理論limit，因此自20世紀(jì)90年代中期以來，在美國國防預(yù)研局的資助下，Raython公司轉(zhuǎn)而研究單片集成式薄膜熱釋電紅外焦平面陣列，并取得了較大進(jìn)展，目前，Raytheon公司利用PLZT（鋯鈦酸鉛鑭，Pb1-xLax(ZryTi1-y)O3）熱釋電薄膜已經(jīng)成功制造出320×240單片式熱釋電焦平面陣列，陣列的NETD優(yōu)于90mK。

熱釋電紅外探測器是目前熱探測器中的佼佼者，這種探測器除具有一般熱探測器點(diǎn)，如寬光譜響應(yīng)、室溫工作等優(yōu)點(diǎn)外，還具有以下特殊優(yōu)點(diǎn)：

1)探測器輸出信號與靈敏元溫度變化率成正比，而與溫度無關(guān)，因而無需自身的熱平衡，響應(yīng)速度較快；2)熱釋電探測元本身可以作為一個(gè)濾波器，可以將一定量的噪聲旁路分離掉，噪聲較??；3)電荷存儲具有積分特性，能存儲由瞬時(shí)信號釋放的總電荷，此時(shí)電

荷的測量取決于瞬時(shí)的總量；4)無需加偏壓，讀出電路設(shè)計(jì)簡單。不過由于熱釋電紅外探測器需要斬波器協(xié)助才能正常工作，因此與熱電堆、測輻射熱計(jì)比較而言，成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

該探測器是利用材料的塞貝克（Seebeck）效應(yīng)工作的。塞貝克效應(yīng)是熱能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象，當(dāng)兩種金屬或者半導(dǎo)體材料一端歐姆接觸而另兩端開路時(shí)，如果接觸端與開路端形成溫度差，則在兩開路端之間會產(chǎn)生一定的電勢差，這種由于溫度梯度使得材料內(nèi)部的載流子由熱端向冷端移動(dòng)而在冷端形成電荷積累的現(xiàn)象，就稱為塞貝克效應(yīng)。這種結(jié)構(gòu)就稱為熱電偶。若干熱電偶串連起來就形成熱電堆，與單個(gè)熱電偶相比，熱電堆由于電勢疊加，便于獲得相當(dāng)可觀的電信號。如果將熱電堆的接觸端與一吸收紅外輻射的小黑體連接在一起，則當(dāng)小黑體吸收紅外輻射能量后，加熱接觸端溫度升高，依據(jù)塞貝克效應(yīng)，在分離端將產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢。電動(dòng)勢的大小與入射的紅外輻射能量間存在一個(gè)確定的關(guān)系，依據(jù)這種原理制成的紅外探測器稱為溫差熱電堆紅外探測器。

用于熱電堆紅外探測器的常用熱偶對材料有多晶硅和金、多晶硅和鋁、P型(Bi1-xSbx)2Te3和N型Bi1-xSbx薄膜材料對以及N型和P型多晶硅材料對。其中N型和P型多晶硅材料對由于具有較高的賽貝爾系數(shù)和優(yōu)值，制作工藝與集成電路工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前研究得比較深入也是有前途的熱偶探測材料。日本防衛(wèi)廳和日本電氣公司（NEC）利用N型和P型多晶硅作為熱電材料制作了128×128元單片式熱電堆紅外焦平面陣列，器件響應(yīng)靈敏度約為1,550V/W。與其他熱敏型紅外探測器相比，熱電堆紅外探測器響應(yīng)靈敏度不高，熱響應(yīng)時(shí)間較長，因此在器件性能方面并不具有競爭優(yōu)勢。不過熱電堆紅外探測器制作容易與集成電路工藝兼容，信號后處理電路也比較簡單，具有低成本的潛力，在對紅外成像圖像質(zhì)量要求不高的社區(qū)保安、安全監(jiān)控，汽車輔助駕駛等領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用前景。

微測輻射熱計(jì)是利用熱敏材料的電阻率對溫度的敏感特性進(jìn)行紅外探測的。常用的熱敏材料主要有金屬和半導(dǎo)體薄膜。當(dāng)溫度增加時(shí)，金屬薄膜電子遷移率下降，薄阻增加，TCR（電阻溫度系數(shù)，TemperatureCoefficient ofResistance）為正值，一般在量級[16~19]。由于金屬薄膜的TCR較低，因此該類薄膜僅在原型器件開發(fā)中得到應(yīng)用。與金屬薄膜相比，以氧化釩和非晶硅為代表的半導(dǎo)體材料的TCR一般要高一個(gè)數(shù)量級，是目前常用的熱敏材料。當(dāng)溫度升高時(shí)，半導(dǎo)體材料的電荷載流子濃度和遷移率增大，電阻率隨著材料溫度升高而減小，顯示出負(fù)的TCR。

微測輻射熱計(jì)紅外探測器具有無需斬波、制作工藝與集成電路制造工藝兼容，便于大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，具有相當(dāng)大的發(fā)展?jié)摿?，是目前發(fā)展速度快、性能好和具有應(yīng)用前景的一種熱敏型紅外探測器。

除以上三種主要的熱敏紅外探測器外，還有基于其他物理熱效應(yīng)的紅外熱探測器，

主要包括：

1)利用物理的熱脹冷縮效應(yīng)，如水銀溫度計(jì)，氣體高萊瓶等；

2)共振頻率與溫度的相關(guān)性，如石英晶振非致冷紅外探測器；

3)雙材料微懸梁懸臂彎曲與溫度的相關(guān)性，如基于雙材料微懸臂的電容讀出和光學(xué)讀出的非致冷紅外探測器；

4)熱光效應(yīng)。利用材料的折射率－溫度相關(guān)性研制的紅外探測器。

我們都知道，不管是光子紅外探測器，還是熱敏紅外探測器都是被動(dòng)接受探測目標(biāo)的紅外輻射轉(zhuǎn)換成電子來獲得溫度數(shù)據(jù)的。同樣的探測器在不同的溫度下，所獲得的數(shù)據(jù)也會有很大的差異。

溫度在0K以上的物體都會因自身的分子和原子無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，而不停地輻射出熱紅外能量，分子和原子的劇烈，輻射的能量愈大，反之，輻射的能量愈小。理想情況下，探測器本身為0K，不發(fā)出任何紅外輻射和溫度，但是0K在宇宙中是不存在的。物體的紅外輻射與溫度存在線性關(guān)系，即溫度越低，紅外輻射越小。紅外探測器本身也會有一定的紅外輻射，探測器本身的紅外輻射對于紅外熱像儀來講屬于噪聲，對探測具有干擾作用，噪聲越大，我們得到的紅外數(shù)據(jù)越失真。所以，如果你需要紅外熱像儀得到更準(zhǔn)確的溫度，那就需要將探測器制冷。而且越冷越好。

所以制冷型紅外熱像儀的數(shù)據(jù)會比非制冷的更加真實(shí)準(zhǔn)確。

應(yīng)對方法

Telops對探測器所做的努力是，對探測器制冷，制冷模式為斯特林制冷，制冷溫度為零下190°c。在這個(gè)溫度下的探測器所發(fā)出的紅外輻射已經(jīng)很小，對測溫的影響幾乎為零。

本系列Telops紅外專家教你如何選擇紅外熱像儀已經(jīng)到此結(jié)束了，本系列講解了紅外熱像儀的基本原理，測溫的基本原理，影響紅外測溫精度的種種因素以及Telops為提供精度所做的應(yīng)對方法。

如果您對Telops紅外熱像儀還有其他問題，請聯(lián)系我們：

電話：025-58066809

18066078188

E-mail:48385086@qq.com