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  先從紅外傳感 器說起

  紅外傳感器

  紅外技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)為大家所熟知，這種技術(shù)已經(jīng)在現(xiàn)代科技、國防和工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。紅外傳感系統(tǒng)是用紅外線為介質(zhì)的測量系統(tǒng)，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(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外目標(biāo)，確定其空間位置并對它的運動進行跟蹤;

  (3)熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個目標(biāo)紅外輻射的分布圖象;

  (4)紅外測距和通信系統(tǒng);

  (5)混合系統(tǒng)，是指以上各類系統(tǒng)中的兩個或者多個的組合。

  我們先看看紅外系統(tǒng)的組成、主要光學(xué)系統(tǒng)和輔助光學(xué)系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上對紅外的關(guān)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(fù)雜，一個典型的傳感器系統(tǒng)各部分的工作原理如下所示;

  (1)待側(cè)目標(biāo)。根據(jù)待側(cè)目標(biāo)的紅外輻射特性可進行紅外系統(tǒng)的設(shè)定。

  (2)大氣衰減。待測目標(biāo)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(fā)出的紅外輻射發(fā)生衰減。

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

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

  (5)紅外探測器。這是紅外系統(tǒng)的核心。它是利用紅外輻射與物質(zhì)相互作用所呈現(xiàn)出來的物理效應(yīng)探測紅外輻射的傳感器，多數(shù)情況下是利用這種相互作用所呈現(xiàn)出來的電學(xué)效應(yīng)。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(yīng)的系統(tǒng)必須有制冷設(shè)備。經(jīng)過制冷，設(shè)備可以縮短響應(yīng)時間，提高探測靈敏度。

  (7)信號處理系統(tǒng)。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(zhuǎn)化成為所需要的格式，蕞后輸送到控制設(shè)備或者顯示器中。

  (8)顯示設(shè)備。這是紅外設(shè)備的終端設(shè)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(tǒng)就可以完成相應(yīng)的物理量的測量。紅外系統(tǒng)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(yīng)，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(fā)生變化。檢測其中某一性能的變化，便可探測出輻射。

  多數(shù)情況下是通過熱電變化來探測輻射的。當(dāng)元件接收輻射，引起非電量的物理變化時，可以通過適當(dāng)?shù)淖儞Q后測量相應(yīng)的電量變化。

  紅外傳感器已經(jīng)在現(xiàn)代化的生產(chǎn)實踐中發(fā)揮著它的巨大作用，隨著探測設(shè)備和其他部分的技術(shù)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(nèi)供應(yīng)

  一、原理

  自然界所有溫度在絕對零度(-273℃)以上的物體都會發(fā)出紅外輻射，紅外圖像傳感器則將探測到的紅外輻射轉(zhuǎn)變?yōu)槿搜劭梢姷膱D像信息。

  紅外成像技術(shù)涵蓋了紅外光學(xué)、材料科學(xué)、電子學(xué)、機械工程技術(shù)、集成電路技術(shù)、圖像處理算法等諸多技術(shù)，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(shù)概述

  2.1 非制冷紅外技術(shù)原理

  非制冷紅外探測器利用紅外輻射的熱效應(yīng)，由紅外吸收材料將紅外輻射能轉(zhuǎn)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(shù)隨之發(fā)生變化，再通過所設(shè)計的某種轉(zhuǎn)換機制轉(zhuǎn)換為電信號或可見光信號，以實現(xiàn)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(guān)鍵技術(shù)

  熱釋電型

  紅外輻射使材料溫度改變，引起材料的自發(fā)極化強度變化，在垂直于自發(fā)極化方向的兩個晶面出現(xiàn)感應(yīng)電荷。通過測量感應(yīng)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(jīng)過調(diào)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(dǎo)體材料所組成的閉合回路，當(dāng)兩接觸點處的溫度不同時，由于溫度梯度使得材料內(nèi)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(chǎn)生熱電勢。(塞貝克效應(yīng)Seebeck)

  而這種結(jié)構(gòu)稱之為熱電偶。一系列的熱電偶串聯(lián)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(dǎo)體PN結(jié)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(jié)，與CMOS工藝完全兼容，易于單片集成，非常適合大批量生產(chǎn)。

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

  微測輻射熱計探測器的響應(yīng)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(shù)TCR大，熱導(dǎo)小，熱容小，在8-14pm波段內(nèi)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(tài)VO2和V2O5可達4%。VOx具有電阻溫度系數(shù)大，噪聲小的特點，被廣泛用作非制冷式紅外焦平面?zhèn)鞲衅鞯臒崦舨牧�。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(fā)法。

  讀出電路IC技術(shù)TYCO  4098-9793EA  ISOLATOR BASE 國內(nèi)供應(yīng)

  ROIC對微弱的紅外輻射信號產(chǎn)生的電信號進行提取、積分、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換。甚至完成片上非均勻性矯正、片上數(shù)模轉(zhuǎn)換功能。

  ROIC是�；旌想娐废到y(tǒng)模擬部分：單元偏置電路、積分電路、采樣/保持電路等。

  數(shù)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(shù)

  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(zhì)發(fā)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(yōu)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(shù)可分為芯片級、晶圓級、像元級等，其中芯片級封裝技術(shù)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(shù)，技術(shù)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(dǎo)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(yīng)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(shù)，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(tǒng)的金屬管殼封裝大為降低，適合大批量電子元器件的生產(chǎn)。TYCO  4098-9793EA  ISOLATOR BASE 國內(nèi)供應(yīng)