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  先從紅外傳感 器說起

  紅外傳感器

  紅外技術發展到現在，已經為大家所熟知，這種技術已經在現代科技、國防和工農業等領域獲得了廣泛的應用。紅外傳感系統是用紅外線為介質的測量系統，按照功能能夠分成五類：

  (1)輻射計，用于輻射和光譜測量;

  (2)搜索和跟蹤系統，用于搜索和跟蹤紅外目標，確定其空間位置并對它的運動進行跟蹤;

  (3)熱成像系統，可產生整個目標紅外輻射的分布圖象;

  (4)紅外測距和通信系統;

  (5)混合系統，是指以上各類系統中的兩個或者多個的組合。

  我們先看看紅外系統的組成、主要光學系統和輔助光學系統，在此基礎上對紅外的關鍵元件進行詳細的探討。其實，紅外傳感器的工作原理并不復雜，一個典型的傳感器系統各部分的工作原理如下所示;

  (1)待側目標。根據待側目標的紅外輻射特性可進行紅外系統的設定。

  (2)大氣衰減。待測目標的紅外輻射通過地球大氣層時，由于氣體分子和各種氣體以及各種溶膠粒的散射和吸收，將使得紅外源發出的紅外輻射發生衰減。

  (3)光學接收器。它接收目標的部分紅外輻射并傳輸給紅外傳感器。相當于雷達天線，常用是物鏡。

  (4)輻射調制器。對來自待測目標的輻射調制成交變的輻射光，提供目標方位信息，并可濾除大面積的干擾信號。又稱調制盤和斬波器，它具有多種結構。

  (5)紅外探測器。這是紅外系統的核心。它是利用紅外輻射與物質相互作用所呈現出來的物理效應探測紅外輻射的傳感器，多數情況下是利用這種相互作用所呈現出來的電學效應。此類探測器可分為光子探測器和熱敏感探測器兩大類型。

  (6)探測器制冷器。由于某些探測器必須要在低溫下工作，所以相應的系統必須有制冷設備。經過制冷，設備可以縮短響應時間，提高探測靈敏度。

  (7)信號處理系統。將探測的信號進行放大、濾波，并從這些信號中提取出信息。然后將此類信息轉化成為所需要的格式，蕞后輸送到控制設備或者顯示器中。

  (8)顯示設備。這是紅外設備的終端設備。常用的顯示器有示波器、顯象管、紅外感光材料、指示儀器和記錄儀等。

  依照上面的流程，紅外系統就可以完成相應的物理量的測量。紅外系統的核心是紅外探測器，按照探測的機理的不同，可以分為熱探測器和光子探測器兩大類。

  熱探測器為例子來分析探測器原理

  熱探測器是利用輻射熱效應，使探測元件接收到輻射能后引起溫度升高，進而使探測器中依賴于溫度的性能發生變化。檢測其中某一性能的變化，便可探測出輻射。

  多數情況下是通過熱電變化來探測輻射的。當元件接收輻射，引起非電量的物理變化時，可以通過適當的變換后測量相應的電量變化。

  紅外傳感器已經在現代化的生產實踐中發揮著它的巨大作用，隨著探測設備和其他部分的技術的提高，紅外傳感器能夠擁有更多的性能和更好的靈敏度。TYCO  4098-9793EA  ISOLATOR BASE 國內供應

  一、原理

  自然界所有溫度在絕對零度(-273℃)以上的物體都會發出紅外輻射，紅外圖像傳感器則將探測到的紅外輻射轉變為人眼可見的圖像信息。

  紅外成像技術涵蓋了紅外光學、材料科學、電子學、機械工程技術、集成電路技術、圖像處理算法等諸多技術，紅外成像裝置的核心為紅外焦平面探測器。

  二、非制冷紅外技術概述

  2.1 非制冷紅外技術原理

  非制冷紅外探測器利用紅外輻射的熱效應，由紅外吸收材料將紅外輻射能轉換成熱能，引起敏感元件溫度上升。敏感元件的某個物理參數隨之發生變化，再通過所設計的某種轉換機制轉換為電信號或可見光信號，以實現對物體的探測。

  非制冷紅外焦平面探測器分類

  2.2 非制冷紅外探測器的關鍵技術

  熱釋電型

  紅外輻射使材料溫度改變，引起材料的自發極化強度變化，在垂直于自發極化方向的兩個晶面出現感應電荷。通過測量感應電荷量或電壓的大小來探測輻射的強弱。熱釋電紅外探測器與其他探測器不同，它只有在溫度升降的過程中才有信號輸出，所以利用熱釋電探測器時紅外輻射必須經過調制。

  探測材料：硫酸三甘肽、鉭酸鋰、鉭鈮酸鉀、鈦(鐵電)酸鉛、鈦酸鍶鉛、鉭鈧酸鉛、鈦酸鋇

  熱電堆

  由逸出功不同的兩種導體材料所組成的閉合回路，當兩接觸點處的溫度不同時，由于溫度梯度使得材料內部的載流子向溫度低的一端移動，在溫度低的一端形成電荷積累，回路中就會產生熱電勢。(塞貝克效應Seebeck)

  而這種結構稱之為熱電偶。一系列的熱電偶串聯稱為熱電堆。因而，可以通過測量熱電堆兩端的電壓變化，探測紅外輻射的強弱。

  二極管型

  利用半導體PN結具有良好的溫度特性。與其他類型的非制冷紅外探測器不同，這種紅外探測器的溫度探測單元為單晶或多晶PN結，與CMOS工藝完全兼容，易于單片集成，非常適合大批量生產。

  熱敏電阻型(微測輻射熱計)

  利用熱敏電阻的阻值隨溫度變化來探測輻射的強弱。一般探測器采用懸臂梁結構，光敏元吸收紅外熱輻射，由讀出電路測量熱敏材料電阻變化而引起的電流變化，通過讀出電路對電信號采集分析并讀出。探測器一般采用真空封裝以保證絕熱性好。

  探測材料：氧化釩、非晶硅、鈦、釔鋇銅氧等

  熱電阻溫度系數(TRC),表示電阻當溫度改變1度時，電阻值的相對變化，當溫度每升高1℃時，導體電阻的增加值與原來電阻的比值。熱電阻溫度系數越大，探測器的靈敏度越高。

  微測輻射熱計探測器的響應速度比熱電堆高，制造比熱釋電探測器容易。微測輻射熱計要求敏感膜的熱電阻溫度系數TCR大，熱導小，熱容小，在8-14pm波段內紅外吸收好。

  氧化釩VOx的TCR一般為2%~3%，特殊方法制備的單晶態VO2和V2O5可達4%。VOx具有電阻溫度系數大，噪聲小的特點，被廣泛用作非制冷式紅外焦平面傳感器的熱敏材料。全球的非制冷紅外熱像儀市場中，使用VOx非制冷紅外探測器的占80%以上。

  氧化釩VOx的制備方法：濺射法、溶膠-凝膠法、脈沖激光沉積法、蒸發法。

  讀出電路IC技術TYCO  4098-9793EA  ISOLATOR BASE 國內供應

  ROIC對微弱的紅外輻射信號產生的電信號進行提取、積分、放大、模數轉換。甚至完成片上非均勻性矯正、片上數模轉換功能。

  ROIC是模混合電路系統模擬部分：單元偏置電路、積分電路、采樣/保持電路等。

  數字部分：中央時序控制、行選控制、列選控制等。

  低成本真空封裝技術

  為了保證探測器光敏元在接收微弱的輻射后，其接收到熱能不與其他介質發生熱交換，需要把探測器芯片封裝在真空中，并保證良好的氣密性。

  封裝體的具體要求是：優異且可靠的密閉性;具有高透過率的紅外窗口;高成品率;低成本。

  目前的封裝技術可分為芯片級、晶圓級、像元級等，其中芯片級封裝技術按照封裝外殼的不同又可分為金屬管殼封裝和陶瓷管殼封裝。

  金屬管殼封裝是蕞早開始采用的封裝技術，技術已非常成熟，由于采用了金屬管殼、TEC 和吸氣劑等成本較高的部件，導致金屬管殼封裝的成本一直居高不下，使其在低成本器件上的應用受到限制。

  陶瓷管殼封裝是近年來逐漸普及的紅外探測器封裝技術，可顯著減小封裝后探測器的體積和重量，且從原材料成本和制造成本上都比傳統的金屬管殼封裝大為降低，適合大批量電子元器件的生產。TYCO  4098-9793EA  ISOLATOR BASE 國內供應