Das Arbeitsprinzip des mittleren Infrarotdetektors (MWIR) basiert auf den physikalischen Effekten der Infrarotstrahlung und der Wechselwirkung von Substanzen, der Kernmechanismus umfasst zwei Kategorien von fotoelektrischen Effekten und thermoelektrischen Effekten, die Infrarotstrahlung im 3-5 μm-Band von Zielobjekten erfassen und in messbare elektrische Signale umwandeln. Hier ist eine hierarchische Analyse des konkreten Prinzips:
Photoelektrischer Effekt: Photonen stimulieren die direkte Umwandlung von Elektronen
Der photoelektrische Effekt ist der Hauptfunktionsmechanismus von MWIR-Detektoren und eignet sich besonders für Szenarien, die hohe Reaktionsgeschwindigkeit und hohe Empfindlichkeit erfordern (z. B. militärische Aufklärung, autonomes Fahren). Der Kernprozess lautet wie folgt:
Photonen absorbieren
Wenn MWIR-Photonen (Wellenlängen von 3 bis 5 μm), die vom Zielobjekt emittiert werden, auf das Detektormaterial (z. B. Indium-Antimid InSb, Cadmium-Quecksilber HgCdTe) ausgestrahlt werden, wird die Photonenergie vom Material absorbiert.
Schlüsselparameter: Die Photonenergie muss größer sein als die Bandbreite des Materials (z.B.), z.B. die Bandbreite von HgCdTe kann durch Anpassung der Cd-Komponente (0,2)
Elektronenübergang und Trägergeneration
Nach der Absorption von Photonen springen die Elektronen im Material vom Preisband zum Leitband und bilden ein Elektronen-Loch-Paar (Träger).
Quanteneffizienz: Der hochwertige MWIR-Detektor hat eine Quanteneffizienz von mehr als 80%, d.h. 80 Elektronen-Loch-Paare pro 100 eingehenden Photonen.
Elektrosignalausgang
Der Träger bewegt sich unter der Wirkung eines elektrischen Feldes im Detektor und bildet einen optischen Strom. Durch die Messung der Größe des optischen Stroms kann die Anzahl der Reflektoren zurückgeschoben werden und die Infrarotstrahlungsintensität des Zielobjekts ermittelt werden.
Typische Struktur:
Photovoltaik (PV): Trennen Sie die Träger ohne externen Abdruck mit integrierten elektrischen Feldern mit p-n-Knoten und eignen sich für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch (z. B. tragbare Wärmebildgeräte).
Lichtleitfähigkeit (PC): Erhöhung der Träger-Drift-Geschwindigkeit durch externen Abdruck und schnellere Reaktionsgeschwindigkeit, häufig in Hochgeschwindigkeits-Erkennungsszenarien verwendet.
Thermoelektrischer Effekt: indirekte Umwandlung durch Temperaturänderungen
Mittelwellen-Infrarot-DetektorDer thermoelektrische Effekt erzeugt indirekt elektrische Signale durch Temperaturänderungen nach Absorption von Infrarotstrahlung durch das Detektormaterial und eignet sich für nicht gekühlte MWIR-Detektoren (z. B. industrielle Prüfung, Smart Home). Der Kernprozess lautet wie folgt:
Infrarotstrahlung absorbiert und erwärmt
Nach der Absorption von MWIR-Strahlung durch Detektormaterialien (z. B. Vanadium-Oxid, Silizium) verstärken sich die molekularen Vibrationen und die Materialtemperatur erhöht.
Wärmekapazität und Reaktionszeit: Je kleiner die Wärmekapazität des Materials ist, desto schneller ändert sich die Temperatur und desto kürzer ist die Reaktionszeit (typischer Wert < 10ms).
Änderung des thermischen Elementwiderstands
Eine erhöhte Temperatur führt zu einer Veränderung des Widerstands des wärmeempfindlichen Materials (z. B. der VO-Widerstand sinkt mit einer erhöhten Temperatur).
Widerstandstemperaturkoeffizient (TCR): TCR von hochwertigen thermisch empfindlichen Materialien kann -2% ~ -5% / ℃ erreichen, d. h. bei jedem Temperaturanstieg von 1 ℃ ändert sich der Widerstand von 2% ~ 5%.
Brücken und Signalverstärkung
Die thermischen Elemente verbinden sich mit den Whistlestone-Brückenkreitkreisen und die Temperaturänderungen verursachen ein Brückengewicht und geben ein schwaches Spannungssignal aus.
Das Signal wird mit einem geräuscharmen Verstärker (LNA) auf einen verarbeitbaren Bereich (z. B. Millivolt) verstärkt, um schließlich ein Wärmebild zu erzeugen.