新型红外传感器.ppt

电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作第六章第六章 新型红外传感器新型红外传感器电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作如果有人在你最难过最美好最容易被辜负的时光里陪你走过那如果有人在你最难过最美好最容易被辜负的时光里陪你走过那么一段，陪伴在你的身旁，那么无论将来那个人变成了什么样么一段，陪伴在你的身旁，那么无论将来那个人变成了什么样子，他还是不是你最好的朋友，你都没有办法割舍下，即便最子，他还是不是你最好的朋友，你都没有办法割舍下，即便最后分开甚至陌生，也会对他心存感激。因为太多时候，后分开甚至陌生，也会对他心存感激。因为太多时候，交谈是交谈是一种莫大的温暖和美好一种莫大的温暖和美好。卢思浩卢思浩愿有人陪你一起颠沛流离愿有人陪你一起颠沛流离 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作一、红外辐射的基本知识一、红外辐射的基本知识二、红外传感器二、红外传感器三、非致冷红外传感器三、非致冷红外传感器四、红外技术应用举例四、红外技术应用举例目目 录录电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作红外探测器（或红外传感器）研究历史红外探测器（或红外传感器）研究历史p18001800年年，F.W.F.W.赫赫歇歇耳耳在在太太阳阳光光谱谱中中发发现现了了红红外外辐辐射射的的存存在在。当当时时，他他使用的是使用的是水银温度计水银温度计，即最原始的热敏型红外探测器。，即最原始的热敏型红外探测器。p18301830年年，L.L.诺诺比比利利利利用用当当时时新新发发现现的的温温差差电电效效应应(也也称称塞塞贝贝克克效效应应)，制制成成了了一一种种以以半半金金属属铋铋和和锑锑为为温温差差电电偶偶的的热热敏敏型型探探测测器器。称称作作温温差差电电型型红红外外探探测测器器(也也称称真真空空温温差差电电偶偶)。其其后后，又又从从单单个个温温差差电电偶偶发发展展成成多个电偶串联的温差电堆。多个电偶串联的温差电堆。p18801880年年，S.P.S.P.兰兰利利利利用用金金属属细细丝丝的的电电阻阻随随温温度度变变化化的的特特性性制制成成另另一一种种热敏型红外探测器热敏型红外探测器,称为称为测辐射热计测辐射热计。p19471947年年,M.J.E.,M.J.E.高高莱莱发发明明一一种种利利用用气气体体热热膨膨胀胀制制成成的的气气动动型型红红外外探探测测器器（又称（又称高莱管高莱管）。）。p在在4040年年代代，又又用用半半导导体体材材料料制制作作温温差差电电型型红红外外探探测测器器和和测测辐辐射射热热计计，使使这这两两种种探探测测器器的的性性能能比比原原来来使使用用半半金金属属或或金金属属时时得得到到很很大大的的改改进进。半导体的测辐射热计又称热敏电阻型红外探测器。半导体的测辐射热计又称热敏电阻型红外探测器。电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作红外探测器（或红外传感器）研究历史（续）红外探测器（或红外传感器）研究历史（续）p6060年年代代中中期期，出出现现了了热热释释电电型型探探测测器器。它它也也是是一一种种热热敏敏型型探探测测器器，但但其其工作原理与前三种热敏型红外探测器有根本的区别。工作原理与前三种热敏型红外探测器有根本的区别。p最最早早的的光光电电型型红红外外探探测测器器是是利利用用光光电电子子发发射射效效应应即即外外光光电电效效应应制制成成的的。以以 Cs-O-AgCs-O-Ag为为阴阴极极材材料料的的光光电电管管（19431943年年出出现现）可可以以探探测测到到 1.31.3微微米米。外外光光电电效效应应的的响响应应波波长长难难以以延延伸伸，因因此此，它它的的发发展展主主要要是是近近红红外外成成像像器器件件，如如变变像像管管。利利用用半半导导体体的的内内光光电电效效应应制制成成的的红红外外探探测测器器，对对红红外外技技术术的的发发展展起起了了重重要要的的作作用用。内内光光电电效效应应分分光光电电导导和和光光生生伏伏打打两两种种效效应应。利利用用这这些些效效应应制制成成的的探探测测器器分分别别称称为为光光导导型型红红外外探探测测器器和和光光伏伏型型红红外外探探测测器器（见见光光子子型型探探测测器器）。在在半半导导体体中中引引起起电电导导改改变变或或产产生生电电动动势势是是一一个个激激活活过过程程，需需要要有有一一定定的的能能量量E E。因因此此，入入射射辐辐射射的的光光子子能能量量必必须须大大于于E E。也就是光电型探测器有一个最长的响应波长，称为长波限。也就是光电型探测器有一个最长的响应波长，称为长波限。电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作红外探测器（或红外传感器）研究历史（续）红外探测器（或红外传感器）研究历史（续）p19171917年年,T.W.,T.W.卡卡斯斯发发明明TiSTiS光光电电型型红红外外探探测测器器,但但长长波波限限仅仅到到1.11.1微微米米。3030年年代代末末期期，德德国国人人研研究究PbSPbS光光导导型型探探测测器器，室室温温工工作作时时长长波波限限为为3 3微微米米，液液氮氮温温度度时时可可到到5 5微微米米。第第二二次次世世界界大大战战之之后后，相相继继研研制制成成PbTePbTe和和PbSePbSe光光电电型型探探测测器器，响响应应波波长长延延伸伸到到7 7微微米米。5050年年代代起起,由由于于半半导导体体物物理理学学的的发发展展，光光电电型型探探测测器器所所能能探探测测的的波波长长不不断断延延伸伸。对对于于有有重重要要技技术术用用途途的的 1 11313微微米米波波段段和和限限于于实实验验室室应应用用的的131310001000微微米米波波段段，都都有有适适当当的的光光电电型型探探测测器器可可供供使使用用。6060年年代代起起,又又研研究究成成HgHg1-x1-xCdCdx xTeTe三三元元半半导导体体红红外外探探测测器器，配制不同组分配制不同组分x x的材料的材料,可以制得不同响应波长的红外探测器。可以制得不同响应波长的红外探测器。p整整流流型型红红外外探探测测器器也也是是6060年年代代开开始始问问世世的的。由由于于激激光光的的出出现现,就就有有可可能能利利用用外外差差技技术术进进行行接接收收。因因此此,把把微微波波波波段段用用的的结结型型检检波波器器推推广广应应用用到到更更高高的频率范围，即短毫米波和亚毫米波。的频率范围，即短毫米波和亚毫米波。电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作一、红外辐射的基本知识一、红外辐射的基本知识1、红外辐射2、红外辐射源电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作1 1、红外辐射、红外辐射p红红外外辐辐射射俗俗称称红红外外线线：它它是是一一种种人人眼眼看看不不见见的的光光线线。但但实实际际上上它它和和其其它它任任何何光光线线一一样样，也也是是一一种种客客观观存存在在的的物物质质。任任何何物物体体，只只要要它它的的温温度度高高于于绝绝对对零零度度，就就有有红红外外线线向向周周围围空空间间辐辐射射。红红外外线线是是位位于于可可见见光光中中红红光光以以外外的的光光线线，故故称称为为红红外外线线。它它的的波波长长范范围围大大致致在在0.76m(0.76m(或或0.77m)0.77m)到到1000m1000m的的频谱范围之内。相对应的频率大致在频谱范围之内。相对应的频率大致在41014-31011HzHz之间。之间。p红红外外线线与与可可见见光光、紫紫外外线线、X X射射线线、射射线线和和微微波波、无无线线电电波一起构成了整个无限连续的电磁波谱波一起构成了整个无限连续的电磁波谱。电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作红外分区：红外分区：在红外技术中，一般将红外辐射分为在红外技术中，一般将红外辐射分为4个区域个区域 近近红外区红外区:770 1.5103 nm 中中红外区红外区:1.5103 6103 nm 远远红外区红外区:6103 40103 nm 极远极远红外区红外区:40103 1000 103 nm 注意：这里所说的远近是指红外辐射在注意：这里所说的远近是指红外辐射在 电磁波谱中与可见光的距离。电磁波谱中与可见光的距离。电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作红外辐射的物理本质红外辐射的物理本质p红红外外辐辐射射的的物物理理本本质质是是热热辐辐射射。物物体体的的温温度度越越高高，辐辐射射出出来来的的红红外外线线越越多多，红红外外辐辐射射的的能能量量就就越越强强。研研究究发发现现，太太阳阳光光谱谱各各种种单单色色光光的的热热效效应应从从紫紫色色光光到到红红色色光光是是逐逐渐渐增增大大的的，而而且且最最大大的的热热效效应应出出现现在在红红外外辐辐射射的的频频率率范范围围内内，因因此此人人们们又又将将红红外外辐辐射射称称为热辐射或热射线。为热辐射或热射线。p实实验验表表明明：波波长长在在0.10.1-10001000mm之之间间的的电电磁磁波波被被物物体体吸吸收收时时，可可以以显显著著地地转转变变为为热热能能。可可见见，载载能能电电磁波是热辐射传播的主要媒介物。磁波是热辐射传播的主要媒介物。电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作红外吸收及红外窗口红外吸收及红外窗口p红红外外辐辐射射在在大大气气中中传传播播时时，由由于于大大气气中中的的气气体体分分子子、水水蒸蒸汽汽以以及及固固体体微微粒粒、尘尘埃埃等等物物质质的的吸吸收收和和散散射射作作用用，使使辐辐射射能能在在传传输输过过程程中中逐逐渐渐衰衰减减。空空气气中中对对称称的的双双原原于于分分子子，如如N N2 2，H H2 2，O O2 2不吸收红外辐射不吸收红外辐射，因而不会造成红外辐射在传输过程中衰减。，因而不会造成红外辐射在传输过程中衰减。p红红外外辐辐射射在在通通过过大大气气层层时时被被分分割割成成三三个个波波段段，即即2-2.6m2-2.6m，3-5m3-5m和和8-14m8-14m，统统称称为为“大大气气窗窗口口”(通通常常把把太太阳阳光光透透过过大大气气层层时时透透过过率率较较高高的的光光谱谱段段称称为为大大气气窗窗口口)。这这三三个个大大气气窗窗口口对对红红外外技技术术应应用用特特别别重重要要，因因为为一一般般红红外外仪仪器器都都工工作作在在这这三个窗口之内。三个窗口之内。电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作通过一海里长度的大气透过率曲线通过一海里长度的大气透过率曲线“生命光波生命光波”8-14m波段的光线与人体发射出来的远红外线的波长相近，能与生波段的光线与人体发射出来的远红外线的波长相近，能与生物体内细胞的水分子产生最有效的共振，同时具备渗透功能。物体内细胞的水分子产生最有效的共振，同时具备渗透功能。电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作2、红外幅射源、红外幅射源p当物体温度高于绝对零度时，都有红外线向周围当物体温度高于绝对零度时，都有红外线向周围空间辐射出来。空间辐射出来。p根据辐射源几何尺寸的大小和距探测器的远近，根据辐射源几何尺寸的大小和距探测器的远近，又分为点源和面源。又分为点源和面源。p点源：没有充满红外光学系统瞬时现场的大面源点源：没有充满红外光学系统瞬时现场的大面源叫做点源。叫做点源。p面源：一般情况下，把充满红外光学系统瞬时视面源：一般情况下，把充满红外光学系统瞬时视场的大面辐射源叫做面源。场的大面辐射源叫做面源。电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作二、红外传感器二、红外传感器本小节的主要内容：本小节的主要内容：1 1、常见红外传感器、常见红外传感器2 2、红外传感器的性能参数、红外传感器的性能参数3 3、红外传感器使用中应注意的问题、红外传感器使用中应注意的问题电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作 定义：定义：红外红外传感器传感器（也称为红外（也称为红外探测器探测器）是能将红）是能将红外辐射能转换成电能的外辐射能转换成电能的光敏器件光敏器件，它是红外探测系统，它是红外探测系统的关键部件，其性能好坏，将直接影响系统性能的优的关键部件，其性能好坏，将直接影响系统性能的优劣。劣。因因此此，选选择择合合适适的的、性性能能良良好好的的红红外外传传感感器器，对对于于红红外探测系统是十分重要的。外探测系统是十分重要的。电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作1、常见红外传感器、常见红外传感器（1）热传感器）热传感器（2）光子传感器）光子传感器热效应热效应光电效应光电效应电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作（1）热传感器）热传感器p热热传传感感器器是是利利用用入入射射红红外外辐辐射射引引起起传传感感器器的的温温度度变变化化，进进而而使使相相关关物物理理参参数数发发生生相相应应的的变变化化，通通过过测测量量有有关关物物理理参参数数的的变化来确定红外传感器所吸收的红外辐射。变化来确定红外传感器所吸收的红外辐射。p热热传传感感器器的的主主要要优优点点是是：响响应应波波段段宽宽、可可以以在在室室温温下下工工作作、使使用用简简单单。但但是是，热热传传感感器器响响应应时时间间较较长长、灵灵敏敏度度较较低低，一一般用于低频调制的场合。般用于低频调制的场合。p热传感器主要类型有：热传感器主要类型有：热敏电阻型热敏电阻型、热电偶型热电偶型、高莱气动型高莱气动型和和热释电型热释电型四种。四种。电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作(1.1)(1.1)热敏电阻型传感器热敏电阻型传感器p热敏电阻是由热敏电阻是由锰、镍、钴的氧化物锰、镍、钴的氧化物混合后烧结而成。混合后烧结而成。Q：同热敏电阻温度传感器有何区别呢？：同热敏电阻温度传感器有何区别呢？p热热敏敏电电阻阻一一般般制制成成薄薄片片状状，当当红红外外辐辐射射照照射射在在热热敏敏电电阻阻片片上上，其其温温度度升升高高，电电阻阻值值减减小小。测测量量热热敏敏电电阻阻值值变变化化的的大大小小，即即可可得得知知入入射射红红外外辐辐射射的的强强弱弱，从从而而可可以判断产生红外辐射物体的温度。以判断产生红外辐射物体的温度。p热敏电阻型红外传感器热敏电阻型红外传感器结构如下图所示。结构如下图所示。电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作热敏电阻型热敏电阻型红外传感器结构红外传感器结构p热热敏敏电电阻阻型型红红外外传传感感器器由由锰锰、镍镍、钴钴的的氧氧化化物物混混合合后后烧烧结结而制成。而制成。p热热敏敏电电阻阻一一般般制制成成薄薄片片状状，当当红红外外辐辐射射照照射射在在热热敏敏电电阻阻上上时时，其其温温度度升升高高、内内部部粒粒子子的的无无规规律律运运动动加加剧剧、自自由由电电子子的的数数目目随随温温度度升升高高而而增增加、电阻减小。加、电阻减小。电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作 （1.21.2）热电偶型传感器）热电偶型传感器v材材料料：热热电电偶偶是是由由热热电电功功率率差差别别较较大大的的两两种种金金属属材材料料（如如铋铋/银、铜银、铜/康铜、铋康铜、铋/铋锡合金等）构成。铋锡合金等）构成。v原原理理：当当红红外外辐辐射射入入射射到到热热电电偶偶回回路路的的测测温温接接点点上上时时，该该接接点点温温度度升升高高，而而另另一一个个没没有有被被红红外外辐辐射射辐辐照照的的接接点点处处于于较较低低的的温温度度，此此时时，在在闭闭合合回回路路中中将将产产生生温温差差电电流流，同同时时回回路路中中产产生生温温差差电电势势。温温差差电电势势的的大大小小，反反映映了了接接点点吸吸收收红红外外辐辐射射的强弱。的强弱。v利利用用温温差差电电势势现现象象制制成成的的红红外外传传感感器器称称为为热热电电偶偶型型红红外外传传感感器器，因因其其时时间间常常数数较较大大，响响应应时时间间较较长长，动动态态特特性性较较差差，调调制频率应限制在制频率应限制在10 Hz以下。以下。电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作 （2 2）热电偶型传感器）热电偶型传感器v在在实实际际应应用用中中，往往往往将将几几个个热热电电偶偶串串联联起起来来组组成成热热电电堆堆来来检检测红外辐射的强弱。测红外辐射的强弱。电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作（1.3）高莱气动型传感器）高莱气动型传感器p 结结 构构p 原原 理理电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作高莱气动型传感器结构高莱气动型传感器结构它它有有一一个个气气室室，以以一一个个小小管管道道与与一一块块柔柔性性薄薄片片相相连连。薄薄片片的的背背向向管管道道一一面面是是反反射射镜镜。气气室室的的前前面面附附有有吸吸收收膜膜,它它是是低低热热容容量量(保证将吸收的热能传给气体保证将吸收的热能传给气体)的薄膜。的薄膜。在在室室的的另另一一边边，一一束束可可见见光光通通过过栅栅状状光光阑阑聚聚焦焦在在柔柔镜镜上上，经经柔镜反射回来的栅状图像又经过栅状光阑投射到光电管上。柔镜反射回来的栅状图像又经过栅状光阑投射到光电管上。电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作高莱气动型传感器原理高莱气动型传感器原理p高高莱莱气气动动型型传传感感器器是是利利用用气气体体吸吸收收红红外外辐辐射射后后，温温度度升升高高，体体积积增增大大的特性，来反映红外辐射的强弱。的特性，来反映红外辐射的强弱。p红红外外辐辐射射通通过过窗窗口口入入射射到到吸吸收收膜膜上上，吸吸收收膜膜将将吸吸收收的的热热能能传传给给气气体体，使气体温度升高气压增大，从而使柔镜移动。使气体温度升高气压增大，从而使柔镜移动。p在在室室的的另另一一边边，一一束束可可见见光光通通过过栅栅状状光光阑阑聚聚焦焦在在柔柔镜镜上上，经经柔柔镜镜反反射射回来的栅状图像又经过栅状光阑投射到光电管上。回来的栅状图像又经过栅状光阑投射到光电管上。p当当柔柔镜镜因因压压力力变变化化而而移移动动时时，栅栅状状图图像像与与栅栅状状光光栏栏发发生生相相对对位位移移，使使落落到到光光电电管管上上的的光光量量发发生生改改变变，光光电电管管的的输输出出信信号号也也发发生生改改变变。这这个个变变化化量量就就反反映映出出入入射射红红外外辐辐射射的的强强弱弱。这这种种传传感感器器的的恃恃点点是是灵灵敏敏度度高高，性性能能稳稳定定。但但响响应应时时间间长长，结结构构复复杂杂、强强度度较较差差，只只适适合合于于实实验验室室内内使用。使用。电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作（1.1.4 4）热释电型传感器）热释电型传感器 (pyroelectric)v热释电型传感器用具有热释电效应的材料制作的敏感元件热释电型传感器用具有热释电效应的材料制作的敏感元件v热释电材料是一种具有热释电材料是一种具有自发极化特性自发极化特性的晶体材料。的晶体材料。v自自发发极极化化是是指指由由于于物物质质本本身身的的结结构构在在某某个个方方向向上上正正负负电电荷荷中中心心不不重重合合而而固固有有的的极极化化。一一般般情情况况下下，晶晶体体自自发发极极化化所所产产生生的的表表面面束束缚缚电电荷荷被被吸吸附附在在晶晶体体表表面面上上的的自自由由电电荷荷所所屏屏蔽蔽；当当温温度度变变化化时时，自自发发极极化化发发生生改改变变，从从而而释释放放出出表表面面吸附的部分电荷吸附的部分电荷。电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作热释电型传感器原理 当当红红外外辐辐射射照照射射到到已已经经极极化化的的铁铁电电体体薄薄片片表表面面上上时时，引引起起薄薄片片温温度度升升高高，使使其其极极化化强强度度降降低低（热热运运动动加加剧剧，破破坏坏了了极极化化）、表表面面电电荷荷减减少少，这这相相当当于于释释放放一部分电荷，所以叫一部分电荷，所以叫热释电热释电型传感器。型传感器。将将负负载载电电阻阻与与铁铁电电体体薄薄片片相相连连，则则负负载载电电阻阻上上便便产产生生一一个个电电信信号号输输出出。输输出出信信号号的的大大小小，取取决决于于薄薄片片温温度度变变化化的的快快慢慢，从从而而反反映映出出入入射射的的红红外外辐辐射射的的强强弱弱。由由此此可可见见，热热释释电电型型红红外外传传感感器器的的电电压压响响应应率率正比于入射辐射变化的速率。正比于入射辐射变化的速率。电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作几点注意几点注意v当当恒恒定定的的红红外外辐辐射射照照射射在在热热释释电电传传感感器器上上时时，传传感感器器没没有有电电信信号号输输出出；只只有有铁铁电电体体温温度度处处于于变变化化过过程程中，才有电信号输出。中，才有电信号输出。v必必须须对对红红外外辐辐射射进进行行调调制制（或或称称斩斩光光），使使恒恒定定的的辐辐射射变变成成交交变变辐辐射射，不不断断引引起起传传感感器器的的温温度度变变化化，才能导致热释电产生，并输出交变的信号。才能导致热释电产生，并输出交变的信号。电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作热释电型与其它热敏型红外探测器的根本区别：热释电型与其它热敏型红外探测器的根本区别：后者利用响应元的温度升高值来测量后者利用响应元的温度升高值来测量红外辐射红外辐射，响应时间取决于新的平衡温度的建立过程，时间比响应时间取决于新的平衡温度的建立过程，时间比较长，不能测量快速变化的辐射信号；较长，不能测量快速变化的辐射信号；热释电型探测器所利用的是热释电型探测器所利用的是温度变化率温度变化率，因而能，因而能探测快速变化的辐射信号探测快速变化的辐射信号。电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作（2）光子传感器）光子传感器p光子传感器是利用某些半导体材料在入射光的照射下，产生光子传感器是利用某些半导体材料在入射光的照射下，产生光子效应，使材料电学性质发生变化。通过测量电学性质的光子效应，使材料电学性质发生变化。通过测量电学性质的变化，可以知道红外辐射的强弱。变化，可以知道红外辐射的强弱。利用光子效应所制成的红利用光子效应所制成的红外传感器，统称光子传感器外传感器，统称光子传感器。p光子传感器的主要特点是：灵敏度高、响应速度快、具有较光子传感器的主要特点是：灵敏度高、响应速度快、具有较高的响应频率。高的响应频率。但一般需在低温下工作，探测波段较窄。但一般需在低温下工作，探测波段较窄。p按照光子传感器的工作原理，一般可分为按照光子传感器的工作原理，一般可分为内光电和外光电内光电和外光电传传感器两种，前者又分为感器两种，前者又分为光电导光电导传感器、传感器、光生伏特光生伏特传感器和传感器和光光磁电磁电传感器等三种。传感器等三种。电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作(2.1)(2.1)外光电传感器（外光电传感器（PEPE器件）器件）当光辐射照在某些材料的表面上时，若入射光的光子能当光辐射照在某些材料的表面上时，若入射光的光子能量足够大，就能使材料的量足够大，就能使材料的电子逸出表面电子逸出表面，向外发射出电子，向外发射出电子，这种现象叫这种现象叫外光电效应或光电子发射效应外光电效应或光电子发射效应。光电二极管、光。光电二极管、光电倍增管等便属于这种类型的电子传感器。它的响应速度比电倍增管等便属于这种类型的电子传感器。它的响应速度比较快，一般只需几个毫微秒。但电子逸出需要较大的光子能较快，一般只需几个毫微秒。但电子逸出需要较大的光子能量，只适宜于近红外辐射或可见光范围内使用。量，只适宜于近红外辐射或可见光范围内使用。电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作(2.2)(2.2)光电导传感器（光电导传感器（PCPC器件）器件）p当当红红外外辐辐射射照照射射在在某某些些半半导导体体材材料料表表面面上上时时，半半导导体体材材料料中中有有些些电电子子和和空空穴穴可可以以从从原原来来不不导导电电的的束束缚缚状状态态变变为为能能导导电电的的自自由由状状态态，使使半半导导体体的的导导电电率率增增加加，这这种种现现象象叫叫光光电电导导现现象象。利利用用光光电电导导现现象象制制成成的的传传感感器器称称为为光光电电导导传传感感器器，如如PbSPbS、PbSePbSe、InSbInSb、HgCdTeHgCdTe等材料都可制造光电导传感器。等材料都可制造光电导传感器。p使使用用光光电电导导传传感感器器时时，需需要要制制冷冷和和加加上上一一定定的的偏偏压压，否否则则会会使使响响应应率率降降低低、噪噪声声大大、响响应应波波段段窄窄，以以致致使使红红外外传传感感器器损损坏。坏。电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作 温度特性（复习）光敏电阻性能光敏电阻性能(灵敏度、暗电阻灵敏度、暗电阻)受温度的影响较大。受温度的影响较大。随着温度升高，随着温度升高，其暗电阻和灵敏度下降，光谱特性曲线的峰值向波长短的方向移动。其暗电阻和灵敏度下降，光谱特性曲线的峰值向波长短的方向移动。有时为了提高灵敏度，或为了能够接收较长波段的辐射，将元件降温有时为了提高灵敏度，或为了能够接收较长波段的辐射，将元件降温使用。使用。例如，可利用制冷器使光敏电阻的温度降低。例如，可利用制冷器使光敏电阻的温度降低。I/A100150200-50-1030 5010-30T/C2040608010001.02.03.04.0/mI/mA+20 C-20 C硫化镉硫化镉光敏电阻的温度特性曲线光敏电阻的温度特性曲线电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作(2.3)2.3)光生伏特传感器（光生伏特传感器（PUPU器件）器件）p当当红红外外辐辐射射照照射射在在某某些些半半导导体体材材料料的的pnpn结结上上时时，在在结结内内电电场场的的作作用用下下，自自由由电电子子移移向向n n区区，空空穴穴移移向向p p区区。如如果果pnpn结结开开路路，则则在在pnpn结结两两端端将将产产生生一一个个附附加加电电势势，称称为为光光生生电电动动势势。利利用用这这个个效效应应制制成成的的传传感感器器称称为为光光生伏特传感器或生伏特传感器或pnpn结传感器。结传感器。p常用的材料为常用的材料为InAsInAs、InSbInSb、HgCdTeHgCdTe、PbSnTePbSnTe等几种。等几种。电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作(2.4)(2.4)光磁电传感器（光磁电传感器（PEMPEM器件）器件）p当当红红外外辐辐射射照照射射在在某某些些半半导导体体材材料料的的表表面面上上时时，材材料料表表面面的的电电子子和和空空穴穴将将向向内内部部扩扩散散，在在扩扩散散中中若若受受强强磁磁场场的的作作用用，电电子子与与空空穴穴则则各各偏偏向向一一边边，因因而而产产生生开开路路电电压压，这这种种现现象象称称为为光光磁磁电电效效应应。利利用用此此效效应应制制成成的的红红外外传传感感器器，叫叫做做光光磁电传感器。磁电传感器。p光光磁磁电电传传感感器器不不需需要要致致冷冷，响响应应波波段段可可达达7m7m左左右右，时时间间常常数数小小、响响应应速速度度快快、不不用用加加偏偏压压、内内阻阻极极低低、噪噪声声小小、有有良良好好的的稳稳定定性性和和可可靠靠性性。但但其其灵灵敏敏度度低低、低低噪噪声声前前置置放放大器制作困难，因而影响了使用。大器制作困难，因而影响了使用。电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作禅师问：禅师问：“你觉得是一粒金子好，还是一堆烂泥好呢你觉得是一粒金子好，还是一堆烂泥好呢？”求道者答：求道者答：“当然是金子啊！当然是金子啊！”禅师笑曰：禅师笑曰：“假假如你是一颗种子呢？你还会这么选吗？如你是一颗种子呢？你还会这么选吗？”其实，放对其实，放对位置最重要。位置最重要。-转引自转引自 阚治东阚治东20132013年年4 4月月2 2日所发微博日所发微博 电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作2、红外传感器的性能参数、红外传感器的性能参数式中：式中：U US S：红外传感器的输出电压红外传感器的输出电压P P0 0：投射到红外敏感元件单投射到红外敏感元件单 位面积上的功率位面积上的功率A A：红外传感器敏感元件的：红外传感器敏感元件的 面积面积电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作2.2 2.2 响应波长范围响应波长范围p响响应应波波长长范范围围（或或称称光光谱谱响响应应）是是表表示示传传感感器器的的电电压压响响应应率率与与入入射射的的红红外外辐辐射射波波长长之之间间的的关关系系，一一般般用用曲曲线线表表示（见下页图）。示（见下页图）。p一般将响应率最大值所对应的波长称为一般将响应率最大值所对应的波长称为峰值波长峰值波长。p把把响响应应率率下下降降到到响响应应值值的的一一半半所所对对应应的的波波长长称称为为截截止止波波长长，它表示着红外传感器使用的波长范围。，它表示着红外传感器使用的波长范围。电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作红外传感器的电压响应率曲线红外传感器的电压响应率曲线曲线曲线1 1：热电传感器的电压响热电传感器的电压响应率曲线（与波长无关）。应率曲线（与波长无关）。曲线曲线2 2：光子传感器的电压响应光子传感器的电压响应率曲线。率曲线。电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作 2.3 2.3 噪声等效功率噪声等效功率 如如果果投投射射到到红红外外传传感感器器敏敏感感元元件件上上的的辐辐射射功功率率所所产产生生的的输输出出电电压压，正正好好等等于于传传感感器器本本身身的的噪噪声声电电压压，则则这这个个辐辐射射功功率率就叫做就叫做“噪声等效功率噪声等效功率”。通常用符号。通常用符号“NEPNEP”表示表示其中：其中：UsUs为红外探测器的输出电压；为红外探测器的输出电压；P P0 0为投射到红外敏感元件单位面积上的为投射到红外敏感元件单位面积上的 功率；功率；A A0 0为红外敏感元面积；为红外敏感元面积；U UN N为红外探测器的综合噪声电压；为红外探测器的综合噪声电压；R RV V为为 红外探测器的电压响应率。红外探测器的电压响应率。电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作2.4 2.4 探测率探测率 探测率是噪声等效功率的倒数，即：探测率是噪声等效功率的倒数，即：红红外外传传感感器器的的探探测测率率越越高高，表表明明传传感感器器所所能能探探测测到到的的最小辐射功率越小，传感器就越灵敏。最小辐射功率越小，传感器就越灵敏。电子科技大学电子科技大学电子科技大学电子科技大学 敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器敏感材料与传感器 课程组课程组课程组课程组 制作制作制作制作2.5 2.5 比探测率比探测率 比探测率又叫归一化探测率，或者叫探测灵敏比探测率又叫归一化探测率，或者叫探测灵敏度。实质上就是当传感器的敏感元件面积为度。实质上就是当传感器的敏感元件面积为单位面单位面积积，放大器的，放大器的