Infrarot-WärmedetektorDie Kernfunktion besteht darin, die unsichtbare Infrarotstrahlung (äußere Ausdruck der Objekttemperatur) in quantifizierbare elektrische Signale zu verwandeln und schließlich ein Thermobild zu erzeugen. Seine Leistung hängt direkt von der Effizienz des optischen Umwandlungsmechanismus ab, der entscheidet, ob es "das Signal genau erfassen kann", die folgende detaillierte Analyse aus dieser Kerndimension:

Infrarotstrahlung hat eine deutlich niedrigere Photonenergie als sichtbares Licht (Wellenlänge in der Regel von 1 bis 14 μm) und kann den Halbleiter nicht direkt zur Erzeugung starker photoelektrischer Effekte anregen, so dass die Energieumwandlung durch einen "indirekten oder speziellen direkten" physikalischen Prozess erfolgen muss. Je nach Konvertierungsprinzip können Infrarot-Detektoren in drei Kategorien unterteilt werden: Wärmefreisetzungs-Elektrotyp, Mikromessstrahlungsthermotyp (MEMS) und Photonentyp (Quantenfalle / Cadmium-Quecksilber), deren Konvertierungsmechanismus wesentlich unterschiedlich ist.

1. Wärmefreisetzungsdetektor: "Temperaturänderung → polarisierte Ladung → elektrisches Signal"

Der Wärmefreisetzungsdetektor verwendet die physikalischen Eigenschaften des Wärmefreisetzungskristalls (wie Lithium-Tantat, Triglycid-Sulfat TGS) zur Umsetzung und gehört zur Kategorie der "Wärmedetektion" (zunächst Infrarotstrahlung in Temperaturänderungen umwandeln und dann in elektrisches Signal) und eignet sich für mittlere Infrarotwellen (3 ~ 14 μm).

Konvertierungsprozess:

1. Infrarot-Absorption: Die Metallschwarze Folie der Detektoroberfläche (hohe Absorptionsrate) absorbiert Infrarotstrahlung und wandelt Strahlenergie in Wärmeenergie um, was zu einer erhöhten Temperatur des wärmefreisetzenden Kristalls führt;

2. Polarisationsänderung: Die "spontane Polarisationsstärke" des thermisch freisetzenden Kristalls ändert sich mit einer Temperaturänderung (die Polarisationsstärke verringert sich, wenn die Temperatur steigt);

3. Ladungstrennung: Die Elektroden an beiden Enden des Kristalls induzieren eine polarisierende Ladung, wenn die Temperaturänderungsrate (dT / dt) nicht null ist, erzeugt die Ladung auf der Elektrode einen Fluss und bildet ein schwaches Stromsignal;

4. Signallesung: Über den Vorverstärker wird der schwache Strom in ein Spannungssignal umgewandelt und dann durch die anschließende Schaltung in ein quantifizierbares elektrisches Signal verarbeitet.

Hauptmerkmale:

- nur empfindlich für "Temperaturänderungen" (statische Temperatur ohne Signal) und in Zusammenarbeit mit einem mechanischen Deckplator (periodische Blockierung von Infrarotstrahlung, Herstellung von Temperaturschwankungen) funktionieren;

Einfache Struktur, niedrige Kosten, aber langsame Reaktionsgeschwindigkeit (Millisekunden), geeignet für Szenarien mit geringen Anforderungen an die Bildrate (wie Sicherheitsüberwachung, Körpertemperatur-Screening).

Mikromessung Radiothermometrischer Detektor (MEMS-Technologie): "Temperaturänderung → Widerstandsänderung → elektrisches Signal"

Mikrometerstrahlung Thermometer (Microbolometer) ist die aktuelle zivile Infrarot-Thermometer (wie Sicherheit, Verbraucherelektronik) Mainstream-Technologie, ebenfalls gehört zur "Wärmedetektion", der Kern basiert auf MEMS Mikrobrückenstruktur Thermostor, geeignet für 8 ~ 14 μm lange Wellen Infrarot.

Konvertierungsprozess:

1. Infrarot-Absorption und Erwärmung: MEMS-Mikrobrücke (aus Siliziumnitrid und anderen Isolationsmaterialien hergestellt, die den Thermostor unterstützen) Absorptionsschicht der Oberfläche (wie Vanadiumoxid, nicht-kristallines Silizium) absorbiert Infrarotstrahlung, erhöhte Temperatur (Mikrobrückenstruktur kann die Wärmeleitung auf den Grund reduzieren und die Wärmeempfindlichkeit erhöhen);

2. Widerstandsänderungen: Der Widerstand des thermisch empfindlichen Materials (z. B. Vanadiumoxid VOx) ändert sich erheblich mit der Temperatur (der Temperaturkoeffizient TCR beträgt in der Regel -2% ~ -4% / K, das negative Zeichen bedeutet, dass der Widerstand der Temperaturerhöhung verringert wird);

3. elektrische Signalwandlung: den Thermostor an die Whiston-Brücke anschließen (durch Gleichstromversetzung), die Widerstandsänderung führt zu einem Ausgangsspannungsdifferenzsignal der Brücke (die Menge der Spannungsänderungen ist positiv mit der Menge der Temperaturänderungen korreliert);

4. Array Lesen:Infrarot-WärmedetektorEin "Focal Plane Array" (FPA), bestehend aus Hunderttausenden oder sogar Millionen von Mikrobrückeneinheiten, die jeweils einem Pixel eines Thermobildes entsprechen, lesen das Spannungssignal durch eine Reihenantriebsschaltung Punkt für Punkt und verbinden es zu einem vollständigen Thermobild.

Hauptmerkmale:

- Kein Schnapper erforderlich (kann die statische Temperatur direkt erkennen), die Reaktionsgeschwindigkeit ist schneller als die Wärmefreisetzung (Mikrosekunden), die Bildrate kann bis zu 30 ~ 60 fps sein;

Der MEMS-Prozess kann miniaturisiert und kostengünstig sein, aber der langfristige Einsatz ist anfällig für die Umgebungstemperatur (Temperaturkompensation erforderlich).

3. Photonendetektor (Quantenfalle/QWIP, Cadmium-Quecksilber-MCT): „Infrarot-Photonen → Träger → elektrisches Signal“

Photonendetektoren verwenden die Quanteneffekte von Halbleitern direkt, um Infrarot-Photonen in Elektronen-Loch-Paare (Träger) umzuwandeln, gehören zur Kategorie der "Quantendetektion", eignet sich für mittlere und kurze Wellen Infrarot (1 bis 5 μm), hat eine hohe Empfindlichkeit und Reaktionsgeschwindigkeit, vor allem für Szenarien (wie Militär, Luft- und Raumfahrt).

Nehmen wir zum Beispiel den weit verbreiteten Quantenfellen-Infrarot-Photonendetektor (QWIP), dessen Umwandlungsprozess wie folgt ist:

1. Quantenfallstruktur: durch das abwechselnde Wachstum von GaAs (Gallium-Arsenid) und AlGaAs (Aluminium-Gallium-Arsen) bildet sich eine mehrschichtige Struktur, der Energieband der GaAs-Schicht ist niedriger als die AlGaAs-Schicht und bildet eine "Quantenfall" (Elektronen sind innerhalb der GaAs-Schicht begrenzt und können nur zwischen bestimmten Energieniveaus migrieren);

2. Photonen-Absorption und Träger-Anregung: Wenn die Infrarot-Photonen-Energie (E = hν, h für die Planck-Konstante, ν für die Frequenz) gleich der Energiestufenunterschied der Quantenfalle ist, absorbieren die Elektronen die Photonen-Energie, wechseln von niedriger Energiestufe zu hoher Energiestufe (frei bewegliche Leiter), um ein Elektronen-Loch-Paar zu erzeugen;

3. Trennung und Sammlung von Trägern: Durch die Anwendung einer Verfassungsspannung an beiden Enden des Detektors bewegen sich Elektronen und Löcher in die entgegengesetzte Richtung und bilden ein optisches Stromsignal (die Größe des optischen Stroms ist positiv mit der Anzahl der eingehenden Infrarot-Photonen korreliert);

4. Tieftemperaturarbeit: Um den durch thermische Anregung erzeugten "Dunkelstrom" (Leckstrom ohne Licht) zu unterdrücken, muss der Photonendetektor in einer niedrigen Temperaturumgebung arbeiten (normalerweise durch einen Sterling-Kühler oder flüssigen Stickstoff auf 77K / -196 ° C gekühlt), um sicherzustellen, dass nur Infrarot-Photonen den Träger anregen können.

Hauptmerkmale:

Hohe Empfindlichkeit (Signale auf Einzelfotonenstufe erkennbar), schnelle Reaktionsgeschwindigkeit (auf Nanosekundstufe), aber komplexe Struktur, hohe Kosten und die Abhängigkeit von Kühlsystemen für Szenarien mit hohen Anforderungen an die Detektionsgenauigkeit.