红外热像仪探测器分类和发展简史

红外热像仪探测器分类和发展简史

红外热像仪探测器分类和发展简史

由于红外辐射是人眼不可见的，要察觉其存在，测量其强弱，就必须首先利用红外探测器将其转换为某种便于测量的信号。红外探测器是红外探测或成像系统中的核心，也是红外技术发展最活跃的领域。红外技术的发展水平，通常是以红外探测器的发展水平为主要标志的。

1.红外探测器分类

对于品种繁多的红外探测器，有各种不同的分类方法。根据响应波长，可以分为近红外、中红外、远红外和极远红外探测器；根据工作温度和致冷需求，可以分为低温致冷和室温非致冷红外探测器；根据结构可分为单元、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，下面主要就这两类红外探测器予以简单介绍。

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信息转换为电信息的红外敏感器件。材料的电学性质通常取决于材料中电子的运动状态，当光束入射至材料表面时，入射光子如果直接与材料中的电子起作用，引起电子运动状态改变，则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。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。光子探测器主要有以下几种：

(1)光电导红外探测器

某些半导体材料，当受到红外线照射时，其电导率将明显改变，这种物理现象就是光电导效应。利用具有光电导效应的材料制成的红外探测器就称为光电导型探测器。常用的这种类型的探测器有：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是：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回复。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的缺点。

(2)光伏红外探测器

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。

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

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。

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。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。

1.2红外热像仪探测器分类和发展简史-热敏红外探测器

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)红外热像仪探测器分类和发展简史-热释电红外探测器

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[6]。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。