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深度解析红外传感器检测红外辐射的原理

2019-11-03 10:35

研究人员将Lamb波传感器的零阶对称模式和零阶反对称模式,以及PDA-Lamb的A0模式三种模式作为研究对象。三种模式在红外光照射前后分别产生不同的频移,通过比较频率相对移动量来反映红外探测的灵敏度。结果表明:红外光开启瞬间,PDA涂覆的Lamb波传感器谐振频率相对变化量与红外辐射强度呈高度线性关系,PDA-Lamb比未涂覆通道高近1个数量级。灵敏度的增强得益于光-热转化效率的提升,而涂覆前后热-声转化效率基本不变。该研究为高性能薄膜压电声波红外探测器的设计与优化提供了参考依据,将有助于在红外治疗等领域得到应用。

热敏探测器对红外辐射的响应时间比光电探测器的响应时间要长得多。前者的响应时间一般在ms以上,而后者只有ns量级。热探测器不需要冷却,光子探测器多数要冷却。

研究工作得到国家自然科学基金-面上项目、江苏省优秀青年基金等的资助,相应研究成果已发表在Applied Physics Letters: 183505)。

测量低温仪器,有用波段主要在5-14μm的中远红外波段,多采用锗、硅、热压硫化锌等材料。

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红外传感器的应用主要体现在以下几个方面:

红外热探测器是在吸收红外辐射后,使探测材料的温度、电动势、电阻率等发生变化,根据这些变化来反馈探测目标的红外辐射能量或功率。近年来,基于薄膜压电原理的红外探测器成为国内外红外热探测器的研究热点之一,该类探测器通过谐振薄膜本征温度特性引起传感器谐振频率移动,来反映红外辐射的信息。其中,薄膜压电Lamb波传感器无需电容式传感器驱动所需的物理间隙,并且具备非制冷、低功耗、高CMOS工艺兼容性等优势,成为当前红外探测核心器件的理想选择之一。然而,薄膜压电Lamb波传感器用作红外探测时,红外辐射与传感器谐振频率之间的相关性有待深入研究,旨在为探测器性能的增强提供科学依据。

在科技高度发达的今天,自动控制和自动检测在人们的日常生活和工业控制所占的比例也越来越重,使人们的生活越来越舒适,工业生产的效率越来越高。而传感器是自动控制中的重要组成部件,是信息采集系统的重要部件,通过传感器将感受或响应的被测量转换成适合输送或检测的信号,再利用计算机或者电路设备对传感器输出的信号进行处理从而达到自动控制的功能,由于传感器的响应时间一般都比较短,所以可以通过计算机系统对工业生产进行实时控制。

背景

1、热敏电阻型传感器

中国科学院苏州生物医学工程技术研究所检验室李传宇、周连群等开展了基于光-热-声效应的薄膜压电Lamb波红外探测技术研究。研究人员根据薄膜压电Lamb波的振动及传感机制,建立了光-热及热-声转化理论模型,论证了光-热及热-声转化效率与传感器关键物理参数之间的关系。根据理论和实验分析,提出一种通过Lamb波传感器涂覆聚多巴胺纳米粒子的方式增强红外探测灵敏度的新方法。

它由光学系统、调制器、红外传感器、放大器和指示器等部分组成;

8、显示设备:这是红外设备的终端设备。常用的显示器有示波器、显像管、红外感光材料、指示仪器和记录仪等。

按照光子传感器的工作原理,一般可分为内光电和外光电传感器两种,后者又分为光电导传感器、光生伏特传感器和光磁电传感器等三种。

首先了解一下红外光。红外光是太阳光谱的一部分,红外光的最大特点就是具有光热效应,辐射热量,它是光谱中最大光热效应区。红外光一种不可见光,与所有电磁波一样,具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。红外光在真空中的传播速度为300000Km/s。红外光在介质中传播会产生衰减,在金属中传播衰减很大,但红外辐射能透过大部分半导体和一些塑料,大部分液体对红外辐射吸收非常大。

当柔镜因压力变化而移动时,栅状图像与栅状光栏发生相对位移,使落到光电管上的光量发生改变,光电管的输出信号也发生改变。这个变化量就反映出入射红外辐射的强弱。这种传感器的恃点是灵敏度高,性能稳定。但响应时间长,结构复杂、强度较差,只适合于实验室内使用。

响应波长范围是表示传感器的电压响应率与入射的红外辐射波长之间的关系,一般用曲线表示。

5、通讯系统:红外线通信作为无线通信的一种方式。

3、光学接收器:它接收目标的部分红外辐射并传输给红外传感器。相当于雷达天线,常用是物镜。

红外辐射的物理本质是热辐射。物体的温度越高,辐射出来的红外线越多,红外辐射的能量就越强。研究发现,太阳光谱各种单色光的热效应从紫色光到红色光是逐渐增大的,而且最大的热效应出现在红外辐射的频率范围内,因此人们又将红外辐射称为热辐射或热射线。

一般将响应率最大值所对应的波长称为峰值波长。

热探测器的主要优点是相应波段宽,可以在室温下工作,使用简单。但是,热传感器相应时间较长,灵敏度较低,一般用于低频调制的场合。

1、红外辐射计:用于辐射和光谱辐射测量。

光磁电传感器不需致冷,响应波段可达7μM左右,时间常数小,响应速度快,不用加偏压,内阻极低,噪声小,有良好的稳定性和可靠性。但其灵敏度低,低噪声前置放大器制作困难,因而影响了使用。

光子传感器是利用某些半导体材料在入射光的照射下,产生光子效应,使材料电学性质发生变化。通过测量电学性质的变化,可以知道红外辐射的强弱。利用光子效应所制成的红外传感器。统称光子传感器。光子传感器的主要特点灵敏度高,响应速度快,具有较高的响应频率。但其一般须在低温下工作,探测波段较窄。

高温测量仪器,有用波段主要在0.76-3μm的近红外区,可选用一般光学玻璃或石英等材料。

当红外辐射照射在某些半导体材料的PN结上时,在结内电场的作用下,自由电子移向N区,如果PN结开路,则在PN结两端便产生一个附加电势,称为光生电动势。利用这个效应制成的传感器或PN结传感器。常用的材料为砷化铟、锑化铟、碲化汞、碲锡铅等几种。

2、大气衰减:待测目标的红外辐射通过地球大气层时,由于气体分子和各种气体以及各种溶胶粒的散射和吸收,将使得红外源发出的红外辐射发生衰减。

红外传感器定义

式中fc为响应率下降到最大值的0.707时的调制频率。

6、混合系统:是指以上各类系统中的两个活多个组合。

3、高灵敏度及高性能:在医学上,人体体温测试方面,红外传感器因测量的快速性而得到了相当的应用,但局限于其准确度不高而没办法取代现有的体温测量方法。因此,红外传感器高灵敏度及高性是其未来发展的必然趋势。

玻耳兹曼定律:即黑体总辐射通量随温度的增加而迅速增加,它与温度的四次方成正比。因此,温度的微小变化,就会引起辐射通量密度很大的变化。是红外装置测定温度的理论基础。

7、信号处理系统:将探测的信号进行放大、滤波,并从这些信号中提取出信息。然后将此类信息转化成为所需要的格式,最后输送到控制设备或者显示器中。

当红外辐射照射在某些半导体材料表面上时,半导体材料中有些电子和空穴可以从原来不导电的束缚状态变为能导电的自由状态,使半导体的导电率增加,这种现象叫光电导现象。利用光电导现象制成的传感器称为光导传感器,如硫化铅、硒化铅、锑化铟、碲隔汞等材料都可制光电导传感器。使用光电导传感器时,需要制冷和加一定的偏压,否则会使响应率降低,噪声大,响应波段窄,以致使红外线传感器损坏。

红外传感器应用可以用于非接触式的温度测量,气体成分分析,无损探伤,热像检测,红外遥感以及军事目标的侦察、搜索、跟踪和通信等。红外传感器的应用前景随着现代科学技术的发展,将会更加广阔。在将来的发展中,主要在红外传感器的性能和灵敏度将会二较大的提高。

D* 的物理量纲:cmHz1/2W-1

输出信号滞后于红外辐射的时间,称为传感器的时间常数,在数值上为:

把响应率下降到响应值的一半所对应的波长称为截止波长,它表示着红外传感器使用的波长范围。

热探测器对入射的各种波长的辐射能量全部吸收,它是一种对红外光波无选择的红外传感器。光子探测器常用的光子效应有外光电效应、内光电效应和光电磁效应。热探测器是利用辐射热效应,使探测元件接收到辐射能后引起温度升高,进而使探测器中依赖于温度的性能发生变化。检测其中某一性能的变化,便可探测出辐射。多数情况下是通过热电变化来探测辐射的。当元件接收辐射,引起非电量的物理变化时,可以通过适当的变换后测量相应的电量变化。

当光辐射在某些材料的表面上时,若入射光的光子能量足够大时,就能使材料的电子逸出表面,这种现象叫外光电效应或光电子发射效应。光电二极管、光电倍增管等便属于这种类型的电子传感器。它的响应速度比较快,一般只需几个毫微秒。但电子逸出需要较大的光子能量,只适宜于近红外辐射或可见光范围内使用。

热传感器是利用入射红外辐射引起传感器的温度变化,进而使有关物理参数发生相应的变化,通过测量有关物理参数的变化来确定红外传感器所吸收的红外辐射。

地物的热辐射强度与温度的四次方成正比,所以,地物微小的温度差异就会引起红外辐射能量的明显变化。这种特征构成了红外遥感的理论基础。

当红外辐射照射到传感器的敏感面上时,传感器的输出电压与输入红外辐射功率之比,叫做传感器的电压响应率,记作 RV。

热传感器的热惯性和RC参数较大,其时间常数大于光子传感器,一般为毫秒级或更长;而光子传感器的时间常数一般为微秒级。

式中:

虽然现阶段的红外传感器还有很多的不足,但红外传感器已经在现代化的生产实践中发挥着它的巨大作用,随着探测设备和其他部分的技术的提高,红外传感器能够拥有更多的性能和更好的灵敏度,也将有更广阔的应用范围。

曲线2:光子传感器的电压响应率曲线。

热电偶是由热电功率差别较大的两种材料构成。当红外辐射到这两种金属材料构成的闭合回路的接点上时,该接点温度升高。而另一个没有被红外辐射辐照的接点处于较低的温度,此时,在闭合回路中将产生温差电流。同时回路中产生温差电势,温差电势的大小,反映了接点吸收红外辐射的强弱。利用温差电势现象制成的红外传感器称为热电偶型红外传感器,因其时间常数较大,相应时间较长,动态特性较差,调制频率应限制在10HZ以下。

它有一个气室,以一个小管道与一块柔性薄片相连。薄片的背向管道一面是反射镜。气室的前面附有吸收膜,它是低热容量的薄膜。

热敏电阻是由锰、镍、钴的氧化物混合后烧解而成的,热敏电阻一般制成薄片状,当红外辐射照射在热敏电阻上,其温度升高,电阻值减少。测量热敏电阻值变化的大小,即可得知入射的红外辐射的强弱,从而可以判断产生红外辐射物体的温度。

1、外光电传感器

6、探测器制冷器:由于某些探测器必须要在低温下工作,所以相应的系统必须有制冷设备。经过制冷,设备可以缩短响应时间,提高探测灵敏度。

4、探测率

发展趋势主要有:

红外传感器的性能参数

3、噪声等效功率

比探测率又叫归一化探测率,或者叫探测灵敏度。实质上就是当传感器的敏感元件面积为单位面积,放大器的带宽△f为1Hz时,单位功率的辐射所获得的信号电压与噪声电压之比。通常用符号D*表示。

2、微型化:传感器微型化一个必然趋势。现在应用中,由于红外传感器的体积问题,导致其使用程度远不如热电隅来的好。所以红外传感器微型化便携与否对其发展前途的影响是不可忽略的。

光子传感器

红外辐射通过窗口入射到吸收膜上,吸收膜将吸收的热能传给气体,使气体温度升高气压增大,从而使柔镜移动。

τ=1/2πfc

2、热电偶型传感器

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