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1、第三章 红外探测器,3.1 红外探测器的分类,任何温度高于绝对零度的物体都会产生红外辐射。如何检测它的存在，测定它的强弱并将其转变为其他形式的能量(多数情况是转变为电能)以便应用，就是红外探测器的主要任务。红外探测器是红外系统中最关键的元件之一。红外探测器所用的材料是制备红外探测器的基础，没有性能优良的材料就制备不出性能优良的红外探测器。,完整的红外探测器的构成,一个完整的红外探测器包括红外敏感元件、红外辐射入射窗口、外壳、电极引出线以及按需要而加的光阑、冷屏、场镜、光锥、浸没透镜和滤光片等，在低温工作的探测器还包括杜瓦瓶，有的还包括前置放大器。按探测器工作机理区分，可将红外探测器分为热探测器
2、和光子探测器两大类。,3.1.1 热探测器,工作原理：热探测器吸收红外辐射后产生温升，然后伴随发生某些物理性能的变化。测量这些物理性能的变化就可以测量出它吸收的能量或功率。常见的类型：常利用的物理性能变化有下列四种，利用其中一种就可以制备一种类型的热探测器。,1.热敏电阻,热敏物质吸收红外辐射后，温度升高，阻值发生变化。阻值变化的大小与吸收的红外辐射能量成正比。利用物质吸收红外辐射后电阻发生变化而制成的红外探测器叫做热敏电阻。热敏电阻常用来测量热辐射，所以又常称为热敏电阻测辐射热器。常见的热敏电阻及其应用形式十分广泛，例如图3-1至3-8所示。,图3-1 热敏电阻,图3-2 NTC热敏电阻,图
3、3-3 常用热敏电阻,图3-5 常用热敏电阻出现形式,图3-6 热敏电阻接头和引出线,图3-7 热敏电阻用作温度传感实验,图3-8 热敏电阻测试仪,热敏电阻器种类繁多，一般按阻值温度系数可分为负电阻温度系数和正电阻温度系数热敏电阻器；按其阻值随温度变化的大小可分为缓变和突变型；按其受热方式可分为直热式和旁热式；按其工作温度范围可分为常温。高温和超低温热敏电阻器；按其结构分类有棒状。圆片。方片。垫圈状。球状。线管状。薄膜以及厚膜等热敏电阻器。,热敏电阻器的主要特点是对温度灵敏度高，热惰性小，寿命长，体积小，结构简单，以及可制成各种不同的外形结构。因此，随着工农业生产以及科学技术的发展，这种元件已
4、获得了广泛的应用，如温度测量。温度控制。温度补偿。液面测定。气压测定。火灾报警。气象探空。开关电路。过荷保护。脉动电压抑制。时间延迟。稳定振幅。自动增益调整。微波和激光功率测量等等。,电阻测辐射热器，有半导体测辐射热器、金属测辐射热器和超导体测辐射热器。热敏电阻是一种半导体测辐射热器，常用Mn、Co和Ni的氧化物按一定比例混匀烧结成薄片，在吸收红外辐射的表面制备一层吸收层，引出电极，封装好后性能达到要求的即可使用。光敏面积一般为10的-2次平方毫米到几个平方毫米。为了在确保所需视场的情况下提高探测灵敏度，常制备成浸没型热敏电阻探测器。,热敏电阻在温度补偿中的应用,在仪表电路中，有很多像线绕电阻
5、一样用金属丝做的元件。金属丝一般都具有正温度系数，采用负温度系数的NTC热敏电阻进行补偿，就能抵消由于温度变化所产生的误差。图3-9是一种温度补偿电路。是将NTC热敏电阻与电阻温度系数非常小的锰铜丝电阻并联后再与被补偿的元件串联，达到温度补偿的作用。,图3-9 热敏电阻在仪表温度补偿中的应用示意图,热敏电阻用在晶体管电路中稳定工作点,图3-10(a)所示为一个简单晶体管电流放大器，在基极回路中接大了一个NTC热敏电阻RT。在环境温度变化时，线路输出电流也会有变化，加大了NTC后就可自动调整这一级晶体管的集电极直流电流，稳定晶体管的输出增益。图2用NTC稳定晶体管工作点图3-10(b)中将NTC
6、热敏电阻肝与发射极电阻并联，当晶体管发射结电阻随温度升高而阻值增大时，NTC热敏电阻RT就起到补偿作用。图3-10(c)为一晶体管收音机低频功率放大级。在该级的下偏置电阻上并联了一只NTC热敏电阻RT，当温度升高引起集电极电流增加时，由于下偏置电阻减小，基极电流也减小，因而使集电极电流下降，起到了稳定工作点的作用。,图3-10 三种NTC热敏电阻稳定晶体管工作点的电路,用NTC热敏电阻作温度测量装置,图3-11为一热敏电阻温度计。图中RT为热敏电阻，由于热敏电阻的阻值随温度变化而变化，因而使接在电桥对角线间的微安表指示也相应地变化。热敏电阻温度计的精确度可以达到0.1 感温灵敏度在10s以下。
7、,图3-11 热敏电阻温度计,热敏电阻温度采集电路,图3-12 温度采集电路,热敏电阻温度特性曲线,图3-13 温度特性曲线,2.热电偶,把两种不同的金属或半导体细丝(也有制成薄膜结构)连成一个封闭环，当一个接头吸热后其温度和另一个接头不同，环内就产生电动势，这种现象称为温差电现象。利用温差电现象制成的感温元件称为温差电偶(也称热电偶)。温差电动势的大小与接头处吸收的辐射功率或冷热两接头处的温差成正比，因此，测量热电偶温差电动势的大小就能测知接头处所吸收的辐射功率或冷热两接头处的温差。,图3-14 热电偶原理图,图3-15 铂铑合金热电偶,图3-16 直角弯头热电偶,图3-17 环形热电偶,图
8、3-19 热电偶表面探头,图3-20 耐腐蚀热电偶,制造温差电偶的材料有纯金属、合金和半导体。常用于直接测温的热电偶一般是纯金属与台金相配而成，如铂锭铂、镍铬镍铝和铜康铜等，它们被广泛用于测量1300以下的温度。用半导体材料制成的温差电偶比用金属作成的温差电偶的灵敏度高，响应时间短，常用作红外辐射的接收元件。将若干个热电偶串联在一起就成为热电堆。在相同的辐照下，热电堆可提供比热电偶大得多的温差电动势。因此，热电堆比单个热电偶应用更广泛。,两种不同材料或材料相同而逸出功不同的物体，当它们构成闭环回路时，如果两个接点的温度不相同，环路中就产生温差电动势，这就是温差电效应，也称为塞贝克效应。单个热电
9、偶提供的温差电动势比较小，满足不了某些应用的要求，所以常把几个或几十个热电偶串联起来组成热电堆。热电堆比热电偶可以提供更大的温差电动势，新型的热电堆采用薄膜技术制成，可称为薄膜型热电堆。,热电偶的温度补偿及信号解调,图3-21 热电偶温度冷端补偿电路,图3-22 热电偶信号放大电路,图3-23 热电偶信号解调电路,热电堆,图3-24 热电堆示意图,3.气体探测器,气体在体积保持一定的条件下吸收红外辐射后引起温度升高，压强增大。压强增加的大小与吸收的红外辐射功率成正比，由此，可测量被吸收的红外辐射功率。利用上述原理制成的红外探测器叫做气体探测器。高莱管就是一种典型的气体探测器。,高莱管,图3-2
10、5 高莱管结构示意图,工作原理：,当辐射通过红外窗口到吸收膜上时，膜吸收辐射并传给气室的气体，气体温度升高，压力增大，柔镜膨胀。为了测出它的移动量，另用一光源将投射到柔镜背面的反射膜上。在没有辐照时，气室内气压稳定，柔镜处于正常状态，由柔镜背面反射的光因被光栅遮挡照射不到光电管上。当有辐照时，辐射透过窗口照射到吸收膜，吸收膜将吸收的能量传给气室，气室温度升高，气压增大，柔镜膜片变形，从而引起反射光线的移动，通过光栅到达光电管的光强发生变化，由此可检测红外辐射的强弱。,4.热释电探测器,有些晶体，如硫酸三甘肽，钽酸锂和铌酸锶钡等，当受到红外辐射时，温度升高，在某一晶轴方向上产生电压。电压大小与吸
11、收红外辐射的功率成正比。热释电红外传感器在热辐射能量发生改变时，会产生电荷变化。这个效应被用来探测红外辐射的变化。这些热释电传感器应用于人体移动探测器，被动红外防盗报警器，以及自动灯开关。基于同样的原理，热释电传感器通过红外吸收方法，应用于气体探测。,热释电探测器的特点,低噪声，高响应度 优异的共模平衡-双单元类型 TO-39，TO-5封装 各种滤波器窗口供宽带或者窄带应用 单通道或者双通道器件 双元或者四元器件应用于防盗产品 单元器件带热补偿,典型应用,被动红外防盗报警：Lhi968，对强烈的白光以及电磁辐射具有优异的抗干扰性能。人体移动探测：天花板安装人体探测 气体分析 非接触红外测量,产
12、品类型介绍,1、双元探测器：双元探测器包含两个单元，它们对共同的FET输出是反极性连接的。型号：Lhi954、Lhi968、Lhi778、Lhi958、Lhi874、Lhi878 2、四元探测器：四元探测器包含四个单元，两个输出，这两个独立的通道使信号的处理避免错误报警 型号：Lhi1448、Lhi1548、Lhi1148 3、天花板安装类型：这类探测器具备独特的结构适合天花板安装设计，它们包含两个或者四个不同的单元，同一个FET输出通道。型号：Lhi906、Lhi1128,4、单元探测器：这类带FET输出的探测器，具有不同的尺寸，自带热补偿，专门的窄带红外滤波窗口 型号：Lhi807、Lhi
13、807TC、PYS4198、PYS4198TC、PYS3151TC 5、双通道探测器：这些特殊的设计包含两个单元探测器，TO-5封装。每个单元探测器具备独立的滤波器合输出通道，各种窄带滤波器可以选择。型号：Lhi814G1/G20、Lhi814G2/G20,图3-26 LHI778热释电探测器,小结：,热探测器是一种对一切波长的辐射都具有相同响应的无选择性探测器。但实际上对某些波长的红外辐射的响应偏低，等能量光谱响应曲线并不是一条水平直线，这主要是由于热探测器材料对不同波长的红外辐射的反射和吸收存在着差异。物体吸收辐射，晶格振动加剧，辐射能转换成热能，温度升高。由于物体温度升高，与温度有关的物
14、理性能发生变化。这种物体吸收辐射使其温度发生从而引起物体的物理、机械等性能相应变化的现象称为热效应。利用热效应制成的探测器称为热探测器。,3.2 光子探测器,光子探测器吸收光子后，发生电子状态的改变，从而引起几种电学现象。这些现象统称为光子效应。测量光子效应的大小可以测定被吸收的光子数。利用光子效应制成的探测器称为光子探测器。,1.光电子发射器件（外光电效应）,当光入射到某些金属、金属氧化物或半导体表面时，如果光子能量足够大，能使其表面发射电子，这种现象统称为光电子发射，属于外光电效应。利用光电子发射制成的器件称为光电子发射器件。如光电管和光电倍增管。光电倍增管的灵敏度很高，时间常数较短（约几
15、个毫微秒），所以在激光通讯中常使用特制的光电倍增管。,光电倍增管的应用场合,将微弱光信号转换成电信号的真空电子器件。光电管通常用于自动控制、光度学测量和强度调制光的检测。如用于保安与警报系统、计数与分类装置、影片音膜复制与还音、彩色胶片密度测量以及色度学测量等。光电倍增管用在光学测量仪器和光谱分析仪器中。它能在低能级光度学和光谱学方面测量波长 2001200纳米的极微弱辐射功率。闪烁计数器的出现，扩大了光电倍增管的应用范围。激光检测仪器的发展与采用光电倍增管作为有效接收器密切有关。电视电影的发射和图像传送也离不开光电倍增管。光电倍增管广泛地应用在冶金、电子、机械、化工、地质、医疗、核工业、天文
16、和宇宙空间研究等领域。,图3-27 光电倍增管原理图,光电管由真空管壳内的光电阴极和阳极所构成（图中 a）。阳极相对阴极为正电位。光或辐射照射阴极时，阴极发射光电子。光电子在电场的作用下到达阳极，在电路中产生光电流。光电倍增管由真空管壳内的光电阴极、阳极以及位于其间的若干个倍增极构成（图中 b）。工作时在各电极之间加上规定的电压。当光或辐射照射阴极时，阴极发射光电子，光电子在电场的作用下逐级轰击次级发射倍增极，在末级倍增极形成数量为光电子的106108倍的次级电子。众多的次级电子最后为阳极收集，在阳极电路中产生可观的输出电流。,光电倍增管的发展历史,第一种实用光电阴极是1929年由L.R.科勒
17、制成的银氧铯阴极，从此出现了光电管。1934年.库别茨基提出光电倍增管雏形。1939年V.K.兹沃雷金制成实用的光电倍增管。多碱光电阴极和-族负电子亲和势光电阴极发明后，出现了宽光谱光电倍增管、高灵敏度光电倍增管等品种,采用-族镓磷铯倍增极以后可以制成检测单个光量子的光电倍增管。还出现了快速光电倍增管、异形窗光电倍增管和孪生光电倍增管。70年代末期，采用微通道板电子倍增器,使快速性能达到了新的高度,并出现了位敏光电倍增管。光电管分为真空光电管和充气光电管两类。充气光电管存在不少缺点，限制了它的应用。真空光电管按受照方式可分为侧窗式和端窗式。端窗式包括弱流和强流两种。强流光电管具有平行平板结构。
18、按倍增系统的结构，光电倍增管可分为分立式和连续式。分立式光电倍增管有圆笼式、直列式、快速式、盒栅式和百叶窗式等。连续式光电倍增管有单通道和微通道板两种。,光电倍增管的特性和参数,阴极灵敏度是光电管和光电倍增管最基本的参数，光谱响应特性是最基本的特性（见真空电子器件阴极）。通常将光谱响应特性峰值处的阴极光谱灵敏度称为阴极辐射灵敏度。这个参数是表征光电阴极性能的重要特征数据之一。在合适的工作电压下，光电管和光电倍增管的输出电流在很宽的光照范围内精确地与阴极受照光通量成正比，称为光电管和光电倍增管的光电线性。光电管和光电倍增管长时间连续使用时，其灵敏度有减小趋势，在强光照射下或大电流下更是如此。若在
19、黑暗处存放适当时间，灵敏度可以部分或全部恢复。,光电倍增管的特性和参数,光电倍增管的倍增性能可用阳极灵敏度来描述。阳极灵敏度表示入射于光电阴极的单位光通量所产生的阳极电流,单位为安/流明。阳极灵敏度与阴极灵敏度的比值，为光电倍增管的增益。光电倍增管无光照时，阳极电路中的电流称为暗电流。暗电流是决定光电倍增管测量阈值的因素之一。阳极灵敏度越高，暗电流越小，则光电倍增管能测量更为微弱的光信号。阳极灵敏度和暗电流均随工作电压的提高而上升，但是上升斜率不同，因此存在最佳工作电压，使信噪比最大。一般用途的光电倍增管，只要阳极灵敏度能满足需要，总是选择在较低的电压下工作。,光电倍增管的特性和参数,进行脉冲
20、幅度测试时，通常采用在核辐射源137Cs作用下的 NaI(Tl)闪烁体作为脉冲光源。一定的信号脉冲幅度对应于一定的脉冲光。但由于光电发射和次级发射的统计性，即使入射相同光强的脉冲光，输出信号脉冲幅度也会出现分散现象。因此又用脉冲幅度分辨率来表征光电倍增管和闪烁体对两个不同输入信号脉冲的幅度分辨能力。脉冲幅度分辨率规定为脉冲幅度分布曲线上与所考虑的峰相应的半峰宽（半峰值处的全宽度）对于峰位幅度的比值的百分数。幅度分辨率即区分两个幅度相差不超过某一相对值的脉冲的能力。用于闪烁计数的光电倍增管，幅度分辨率一般应小于10。,光电倍增管的特性和参数,光电倍增管在输出信号脉冲的同时，也产生噪声脉冲。噪声常
21、常与暗电流相并考虑，但是噪声与暗电流又有区别。噪声是指由于光电倍增管内电流传输过程的统计性而在输出中产生的统计起伏。暗电流的统计起伏构成暗噪声;信号电流的统计起伏构成信号中噪声,后者的主要来源是散粒噪声和倍增噪声。噪声可用信噪比、暗噪声计数率、噪声等效输入以及噪声等效能量等参量表示。光电倍增管的脉冲时间特性，包括脉冲上升时间、脉冲响应宽度、电子渡越时间和渡越时间分散等参数。而通常用上升时间、响应宽度和渡越时间三个参数来表征快速光电倍增管的脉冲时间特性。典型的快速光电倍增管的上升时间应小于2纳秒,响应宽度不超过4纳秒,渡越时间约40纳秒。,光电倍增管的发展方向,提高光电阴极的灵敏度、拓宽光谱响应
22、特性是光电管和光电倍增管的重要课题。因此，光电管和光电倍增管的主要发展方向是采用双碱阴极、多碱阴极,以及-族镓砷化合物阴极。钯银氧铯阴极的阈值波长可延伸至1400纳米，因此也具有发展前景。对于紫外光电倍增管，光谱响应的拓宽在于发展各种透紫光窗。除石英光窗外，氟化物光窗是最有希望的。,光电倍增管的发展方向,连续式微通道板用作倍增系统，除了在增益、抗磁、直流线性以及脉冲工作特性等方面具备良好的性能外，由于渡越时间(约1纳秒)和渡越时间分散(约 15皮秒)均很短，而空间分辨率（约30线对/毫米）很高,在新型快速光电倍增管方面很引人注目。在此基础上采用多阳极技术所开创的新一代位敏光电倍增管，在快速响应
23、、激光检测以及高能物理研究上已取得有价值的应用。这种管子的阳极数目已发展到2020个。也有采用硅二维位置敏感片，并将微通道板增加到三块而构成二维光子计数管。,光电倍增管的发展方向,低噪声和光子计数用光电倍增管要求倍增极具有较高次级发射系数,宜采用-族镓磷化合物倍增极。高温管、高稳定管以及快速管普遍采用合金倍增极。后者的重要性并不亚于光电阴极。用于液体闪烁计数器的球形窗光电倍增管直径已达508毫米,而适合医疗扫描机的小型光电倍增管直径只有10毫米。随着计算机辅助横切技术(CT)的兴起，异型窗管和孪生管将形成系列。,2.光电导探测器,当半导体吸收入射光子后，半导体内有些电子和空穴从原来不导电的束缚
24、状态转变到能导电的自由状态，从而使半导体的电导率增加，这种现象称为光电导效应。利用半导体的光电导效应制成的红外探测器叫做光电导探测器，是目前，它是种类最多应用最广的一类光子探测器。,光电导探测器的分类,光电导探测器可分为单晶型和多晶薄膜型两类。多晶薄膜型光电导探测器的种类较少，主要的有响应于13微米波段的FbS、响应于35pm波段的PbSe和PbTe(PbTe探测器，有单晶型和多晶薄膜型两种)。单晶型光电导探测器，早期以锑化铟(InSb)为主，只能探测7微米以下的红外辐射，后来发展了响应波长随材料组分变化的锑镉汞(Hg1-xCdxTe)和锑锡铅(Pb1-xSnxTe)三元化合物探测器，在77K
25、温度下对8到14微米波段的红外辐射的探测率很高。,3.光伏探测器,p-n结及其附近吸收光子后产牛电子和空穴。在结区外，它们靠扩散进入结区；在结区内，则受结的静电场作用电子漂移到n区，空穴漂移到p区。n区获得附加电子，p区获得附加空穴，结区获得一附加电势差。它与p-n结原来存在的势垒方向相反，这就要降低p-n结原有的势垒高度，使得扩散电流增加，直到达到新的平衡为止。如果把半导体两端用导线连结起来，电路中就有反向电流流过，用灵敏电流计可以测量出来；如果p-n结两端开路，可用高阻毫伏计测量出光生伏特电压。这就是p-n结的光伏效应。利用光伏效应制成的红外探测器称为光伏探测器(简称PV器件)。,4.光磁
26、电探测器,在样品横向加一磁场，当半导体表面吸收光子后所产生的电子和空穴随即向体内扩散，在扩散过程中由于受横向磁场的作用，电子和空穴分别向样品两端偏移，在样品两端产生电位差。这种现象叫做光磁电效应。利用光磁电效应制成的探测器称为光磁电探测器(简称PEM器件)。,小结：,光电子发射属于外光电效应。光电导、光生伏特和光磁电三种属于内光电效应。光子探测器能否产生光子效应，决定于光于的能量。入射光于能量大于本征半导体的禁带宽度Eg(或杂质半导体的杂质电离能Ed或Ea)就能激发出光生载流子。入射光于的最大波长(也就是探测器的长波限)与半导体的禁带宽度Eg有如下关系：,热探测器与光子探测器性能比较,(1)热
27、探测器一般在室温下工作，不需要致冷；多数光子探测器必须工作在低温条件下才具有优良的性能。工作在13微米波段的PbS探测器主要在室温下工作，但适当降低工作温度，性能会相应提高，在于冰温度下工作性能最好。(2)热探测器对各种波长的红外辐射均有响应，是无选择性探测器；光子探测器只对短于或等于截止波长入的红外辐射才有响应，是有选择性的探测器。(3)热探测器的响应率比光子探酗器的响应率低12个数量级，响应时间比光于探测器的长得多。,单晶型光子探测器与薄膜型光子探测器的性能比较,(1)薄膜型光子探测器光敏面上各处的响应率难以作得均匀，而目前已能制备出多种性能优良的单晶体，所以原晶型光子探测器各处的性能比较容易均匀。但像锑镉汞这类三元化合物半导体也难以制备出组分均匀、性能优良的单晶体，所以蹄镉汞探测器性能的均匀性仍是一个需要进一步解决的问题。(2)由于薄膜型光子探测器的光敏层厚度约为1微米，比单晶材料制备的探酗器芯片薄，太阳光、紫外光等强光源的照射和高温冲击容易导致器件损坏。,
