Detector térmico infravermelhoA função principal é converter a radiação infravermelha invisível (a manifestação externa da temperatura do objeto) em sinais elétricos quantificáveis, gerando imagens térmicas. Seu desempenho superior ou inferior depende diretamente da eficiência do mecanismo de conversão fotoelétrica, que determina se "pode capturar o sinal com precisão", a seguir a partir desta dimensão central para uma análise detalhada:

A energia dos fótons da radiação infravermelha é muito menor do que a luz visível (comprimento de onda geralmente de 1 a 14 μm), e não é capaz de estimular os semicondutores diretamente para produzir fortes efeitos fotoelétricos, como um detector de luz visível, por isso a conversão de energia é necessária por meio de processos físicos "indiretos ou diretos especiais". De acordo com o princípio de conversão, o detector de infravermelho principal pode ser dividido em três categorias de eletricidade de liberação térmica, termométrica de radiação de micromedição (MEMS) e fotônica (armadilha quântica / mercúrio de cadmio-cadmio), com diferenças essenciais no mecanismo de conversão.

1. detector elétrico de liberação térmica: "mudança de temperatura → carga polarizada → sinal elétrico"

O detector de liberação térmica usa as propriedades físicas dos cristales de liberação térmica (como tantato de lítio, sulfato de trigliptídeo TGS) para realizar a conversão, pertencente à categoria de "detecção térmica" (primeiro converter a radiação infravermelha em mudanças de temperatura e depois em sinais elétricos), aplicável a ondas infravermelhas de médio comprimento (3 ~ 14 μm).

Processo de conversão:

Absorção de infravermelho: a membrana preta metálica da superfície do detector (alta taxa de absorção) absorve a radiação infravermelha, transformando a energia de radiação em energia térmica, levando ao aumento da temperatura do cristal de liberação térmica;

Mudança de polarização: a "intensidade de polarização espontânea" do cristal de liberação térmica muda com a mudança de temperatura (intensidade de polarização diminui quando a temperatura aumenta);

Separação de carga: o eletrodo em ambas as extremidades do cristal detecta a carga polarizada, quando a taxa de mudança de temperatura (dT / dt) não é zero, a carga elétrica no eletrodo gerará fluxo, formando um sinal de corrente fraca;

Leitura do sinal: a corrente fraca é convertida em sinal de tensão através do pré-amplificador e processada em um sinal elétrico quantificável pelo circuito posterior.

Características principais:

- Só sensível a "mudanças de temperatura" (temperatura estática sem sinal), e precisa trabalhar com decapadores mecânicos (bloqueio periódico de radiação infravermelha, produção de flutuações de temperatura);

Estrutura simples, baixo custo, mas resposta lenta (em milissegundos) para cenários que exigem taxas de quadros baixas (por exemplo, monitoramento de segurança, detecção de temperatura corporal).

Detector termométrico de radiação de micromedição (tecnologia MEMS): "mudança de temperatura → mudança de resistência → sinal elétrico"

Microbolómetro de radiação (Microbolómetro) é a tecnologia atual de câmeras térmicas de infravermelho civil (como segurança, eletrônica de consumo), também pertence à "detecção térmica", o núcleo é baseado na estrutura de microponte MEMS termoresistor, aplicável ao infravermelho de onda longa de 8 ~ 14 μm.

Processo de conversão:

1. absorção de infravermelho e aquecimento: microponte MEMS (feita de isolamento térmico, como nitreto de silício, suporte a termistor) a camada de absorção da superfície (como óxido de vanádio, silício não cristalino) absorver a radiação infravermelha, aumento da temperatura (estrutura de microponte pode reduzir a condução de calor para a base, melhorar a sensibilidade térmica);

Mudanças de resistência: a resistência de materiais sensíveis ao calor (como óxido de vanádio VOx) muda significativamente com a temperatura (o fator de temperatura TCR é geralmente -2% ~ -4% / K, o sinal negativo indica a redução da resistência à elevação da temperatura);

3. conversão de sinal elétrico: conectar o termistor à ponte de Whiston (por meio de desvio de corrente contínua), a mudança de resistência levará a sinal de diferença de tensão de saída da ponte (a variação de tensão está positivamente relacionada com a variação de temperatura);

Leitura em Arrays:Detector térmico infravermelhoComposta de centenas de milhares ou até milhões de unidades de microponte, uma "matriz de plano focal (FPA)", cada unidade corresponde a um pixel de imagem térmica que lê o sinal de tensão ponto a ponto através de um circuito de accionamento em fila, juntando-se para uma imagem térmica completa.

Características principais:

- Não é necessário um decapador (pode detectar diretamente a temperatura estática), a velocidade de resposta é mais rápida do que a liberação térmica (em microsegundos), a taxa de quadros pode chegar a 30 ~ 60fps;

Os processos MEMS podem ser miniaturizados e de baixo custo, mas o uso a longo prazo é vulnerável às temperaturas ambientais (compensação de temperatura é necessária).

3. Detector de fotões (armadilha quântica / QWIP, MCT de mercúrio de cadmio): "Fotões infravermelhos → portadores → sinais elétricos"

O detector de fótons usa diretamente o efeito quântico de semicondutores para converter fótons infravermelhos em pares eletrônicos-buracos (portadores), pertencentes à categoria de "detecção quântica", adequado para infravermelhos de ondas curtas e médias (1 a 5 μm), com alta sensibilidade e velocidade de resposta, principalmente para cenários (como militares, aeroespaciais).

Por exemplo, o detector de fotões infravermelhos de armadilha quântica (QWIP) mais amplamente utilizado tem o seguinte processo de conversão:

Estrutura de armadilha quântica: o crescimento alternado de GaAs (arsenito de gálio) e AlGaAs (arsenito de gálio de alumínio) forma uma estrutura de camadas múltiplas, a faixa de energia da camada de GaAs está abaixo da camada de AlGaAs, formando uma "armadilha quântica" (os elétrons estão limitados à camada de GaAs e só podem migrar entre níveis de energia específicos);

2. absorção de fótons e excitação do veículo: quando a energia de fótons infravermelhos (E = hν, h é a constante de Planck, ν é a frequência) é igual à diferença de nível de energia da armadilha quântica, os elétrons absorvem a energia de fótons, saltando do nível de baixa energia para o nível de alta energia (guia livremente móvel), gerando pares elétron-buraco;

Separação e coleta de portadores: aplicar uma tensão de desvio em ambas as extremidades do detector, o campo elétrico faz com que os elétrons e os buracos se movam na direção oposta, formando um sinal de corrente óptica (o tamanho da corrente óptica está positivamente relacionado com o número de fótons infravermelhos entrantes);

Trabalho a baixa temperatura: para suprimir o "fluxo obscuro" (fluxo de vazamento quando não há luz) gerado pela excitação térmica, o detector de fotões deve trabalhar em ambientes a baixa temperatura (geralmente refrigerado a 77K / -196 ° C por meio de refrigeradores Stirling ou nitrogênio líquido), garantindo que apenas os fotões infravermelhos possam excitar o transportador.

Características principais:

Alta sensibilidade (sinais de nível de fotão único podem ser detectados), velocidade de resposta rápida (em nanossegundos), mas estrutura complexa, alto custo e dependência de sistemas de refrigeração para cenários exigentes para a precisão da detecção.