Detector de imágenes térmicas infrarrojasLa función central de este es convertir la radiación infrarroja invisible (expresión externa de la temperatura del objeto) en una señal eléctrica cuantificable y, en última instancia, generar imágenes térmicas. Sus ventajas y desventajas de rendimiento dependen directamente de la eficiencia del mecanismo de conversión fotoeléctrica, que determina "si se puede capturar con precisión la señal", y el siguiente análisis detallado se lleva a cabo a partir de esta dimensión central:

La energía fotónica de la radiación infrarroja es mucho menor que la de la luz visible (la longitud de onda suele ser de 1 a 14 micras) y no puede estimular directamente a los semiconductores a producir efectos fotoeléctricos fuertes como los detectores de luz visible, por lo que es necesario lograr la conversión de energía a través de procesos físicos "indirectos o particularmente directos". De acuerdo con los diferentes principios de conversión, los detectores infrarrojos convencionales se pueden dividir en tres categorías: tipo piroeléctrico, tipo de termómetro de radiación micrométrica (micro - medida) y tipo fotónico (pozo cuántico / telurio de cadmio y mercurio), y sus mecanismos de conversión son esencialmente diferentes.

1. detector piroeléctrico: "cambio de temperatura → carga polarizada → señal eléctrica"

Los Detectores piroeléctricos utilizan las propiedades físicas de los cristales piroeléctricos (como el Tantalio de litio y el sulfato de triglicerina tgs) para lograr la conversión, que pertenecen a la categoría de "detección térmica" (primero la radiación infrarroja se convierte en un cambio de temperatura y luego en una señal eléctrica), y son adecuados para el infrarrojo de onda media y larga (3 a 14 micras).

Proceso de conversión:

1. absorción infrarroja: la película negra metálica (alta tasa de absorción) en la superficie del detector absorbe la radiación infrarroja y convierte la energía de radiación en energía térmica, lo que resulta en un aumento de la temperatura de los cristales piroeléctricos;

2. cambio de polarización: la "intensidad de polarización espontánea" de los cristales piroeléctricos cambia con el cambio de temperatura (la intensidad de polarización disminuye cuando la temperatura aumenta);

3. separación de cargas eléctricas: los electrodos en ambos extremos del cristal inducen cargas polarizadas, y cuando la tasa de cambio de temperatura (dt / dt) no es cero, las cargas eléctricas en los electrodos producirán flujo, formando una señal de corriente débil;

4. lectura de la señal: la corriente débil se convierte en una señal de voltaje a través de un preamplificador, y luego se procesa en una señal eléctrica cuantificable a través de un circuito posterior.

Características clave:

- solo sensible al "cambio de temperatura" (la temperatura estática no tiene señal) y debe cooperar con un helicóptero mecánico (que bloquea periódicamente la radiación infrarroja y crea fluctuaciones de temperatura) para funcionar;

- estructura simple, bajo costo, pero respuesta más lenta (nivel milisegundo), adecuada para escenarios con baja tasa de fotogramas (como monitoreo de seguridad, detección de temperatura corporal).

2. detector de tipo termómetro de micrometría (tecnología microelectromes): "cambio de temperatura → cambio de resistencia → señal eléctrica"

El termómetro de micromedición (microbolometer) es la tecnología principal de los termómetros infrarrojos civiles actuales (como la seguridad y la electrónica de consumo), que también pertenece a la "detección térmica", y su núcleo es un Termistor basado en la estructura de micropuente de microelectromes, adecuado para infrarrojos de onda larga de 8 a 14 micras.

Proceso de conversión:

1. absorción infrarroja y calentamiento: las capas absorbentes (como óxido de vanadium y silicio amorfo) en la superficie de los microchips microelectrónicos (hechos de materiales de aislamiento térmico como el nitruro de silicio y que apoyan los termistores) absorben la radiación infrarroja y aumentan la temperatura (la estructura de los microchips puede reducir la transmisión de calor al sustrato y aumentar la sensibilidad térmica);

2. cambio de resistencia: la resistencia de los materiales sensibles al calor (como el óxido de vanadium vox) cambia significativamente con la temperatura (el coeficiente de temperatura tcr suele ser de - 2% ~ 4% / k, y el número negativo significa que la resistencia al aumento de la temperatura disminuye);

3. conversión de señales eléctricas: conecte el Termistor al puente Wheaton (sesgado a través de dc), y el cambio de resistencia hará que el puente emita una señal de diferencia de voltaje (la cantidad de cambio de voltaje está positivamente relacionada con la cantidad de cambio de temperatura);

4. lectura de matriz:Detector de imágenes térmicas infrarrojasLa "matriz de plano focal (fpa)" está compuesta por cientos de miles o incluso millones de unidades de micropuente, cada una de las cuales corresponde a un píxel del mapa de imágenes térmicas, que lee la señal de voltaje punto a punto a través del Circuito de conducción de filas y filas y se empalma en imágenes térmicas completas.

Características clave:

- sin necesidad de un helicóptero (que puede detectar directamente la temperatura estática), la velocidad de respuesta es más rápida que la piroelectricidad (nivel de microsegundos) y la tasa de fotogramas puede alcanzar entre 30 y 60 fps;

El proceso microelectromes puede ser miniaturizado y de bajo costo, pero el uso a largo plazo es vulnerable a la temperatura ambiente (requiere compensación de temperatura).

3. detectores de tipo fotónico (pozo cuántico / qwip, telurio de cadmio mercurio mct): "fotones infrarrojos → transportistas → señales eléctricas"

Los detectores de fotones utilizan directamente los efectos cuánticos de los semiconductores para convertir fotones infrarrojos en pares de electrones - agujeros (transportistas), que pertenecen a la categoría de "detección cuántica", son adecuados para infrarrojos de ondas cortas y medianas (1 a 5 micras), tienen una alta sensibilidad y velocidad de respuesta, y se utilizan principalmente en escenarios (como asuntos militares, aeroespacial).

Tomando como ejemplo el detector de fotones infrarrojos de pozo cuántico (qwip), que es más ampliamente utilizado, su proceso de conversión es el siguiente:

1. estructura de pozo cuántico: el crecimiento alternativo de GaAs (arseniuro de galio) y algaas (aluminio, galio y arsénico) forma una estructura multicapa, la banda de energía de la capa de GaAs es inferior a la de algaas, formando un "pozo cuántico" (los electrones están limitados a la capa de GaAs y solo pueden saltar entre niveles de energía específicos);

2. absorción de fotones y excitación de transportistas: cuando la energía de fotones infrarrojos (e = h / h, H es la constante de planck, V es la frecuencia) es igual a la diferencia de nivel de energía de un pozo cuántico, los electrones absorben la energía de fotones y saltan de un nivel de baja energía a un nivel de alta energía (banda Guía que se puede mover libremente) para producir pares de electrones - agujeros;

3. separación y recogida de transportistas: aplicar un voltaje de sesgo en ambos extremos del detector, y el campo eléctrico hace que los electrones y agujeros se muevan en la dirección opuesta, formando una señal de fotocorriente (el tamaño de la fotocorriente está positivamente relacionado con el número de fotones infrarrojos incidente);

4. trabajo a baja temperatura: para frenar el "portador oscuro" generado por la excitación térmica (corriente de fuga sin luz), los detectores fotónicos deben funcionar a baja temperatura (generalmente enfriados a 77k / - 196 ° C a través de un refrigerador Stirling o nitrógeno líquido), asegurando que solo los fotones infrarrojos pueden estimular el portador.

Características clave:

- alta sensibilidad (detección de señales de nivel fotón único), velocidad de respuesta rápida (nivel nanosegundo), pero estructura compleja y Alto costo, dependiendo del sistema de refrigeración, adecuado para escenarios que requieren una precisión de detección exigente.