非制冷紅外焦平面課件

非制冷紅外焦平面

一紅外成像的概述二非制冷型紅外探測器三非制冷型紅外焦平面陣列原理紅外成像的概述紅外熱成像系統(tǒng)： 能夠攝取景物紅外輻射分布圖像，并將其轉(zhuǎn)換為人眼可見視圖的裝置。電子學(xué)組件紅外望遠(yuǎn)鏡光學(xué)機(jī)械掃描器紅外探測器組件軟件及相關(guān)算法非制冷紅外探測器根據(jù)紅外探測器組件的不同，非制冷型熱成像儀可分為三類：第一代 熱釋電攝像機(jī)（紅外熱釋電攝像管）

第二代 凝視型（非制冷凝視焦平面探測器）

第三代 掃描性（非制冷線列焦平面探測器）非制冷紅外探測器探測器性能的改進(jìn)混合式和集成式探測器的大規(guī)模生產(chǎn)混合式和單片機(jī)式技術(shù)

探索期技術(shù)

成熟期新技術(shù)

探索期非制冷紅外成像的歷史與發(fā)展非制冷紅外探測器

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(jì)的某種轉(zhuǎn)換機(jī)制轉(zhuǎn)換為電信號或可見光信號。其核心部件是紅外焦平面陣列（IRFPA）非制冷型紅外焦平面陣列原理3.1

熱敏電阻型

利用熱敏電阻的阻值隨溫度變化來探測輻射的強(qiáng)弱

探測材料：氧化釩、非晶硅、鈦、釔鋇銅氧等

非制冷型紅外焦平面陣列原理熱敏電阻型

紅外探測器

結(jié)構(gòu)非制冷型紅外焦平面陣列原理

通常定義紅外探測器的響應(yīng)率R為輸出信號（電流或電壓）除以輸入輻射能量。假定輸出信號，則（2.1—3）式中

是通過探測像素的偏置電流，是輸入輻射能量

又由熱能量公式可知：（2.1—4）（2.1—5）

非制冷型紅外焦平面陣列原理3.2

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(qiáng)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(qiáng)弱

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、鈦酸鋇非制冷型紅外焦平面陣列原理熱釋電效應(yīng)：

在熱平衡條件下，電介質(zhì)因自發(fā)極化要產(chǎn)生表面束縛電荷，這種電荷被來自空氣中附集于電介質(zhì)表面上的自由電荷所補(bǔ)償，其電不能顯現(xiàn)出來，當(dāng)溫度發(fā)生變化，由溫度變化引起電介質(zhì)的極化狀態(tài)的改變不能及時被來自電介質(zhì)表面上的自由電荷所補(bǔ)償，使電介質(zhì)對外顯電性。Ps=pT（具有自發(fā)極化的晶體）鈦酸鋇的結(jié)構(gòu)：鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)非制冷型紅外焦平面陣列原理

下圖是典型的熱釋電紅外焦平面單元的電路連接示意圖。若用調(diào)制頻率為f的紅外輻射照射熱釋電近體，則晶體溫度、自發(fā)極化強(qiáng)度以及由此引起的面束縛電荷密度均隨頻率f發(fā)生周期性變化。如果1/f（T）小于自由電荷中和面束縛電荷所需要的時間，那么在垂直于自發(fā)極化強(qiáng)度的兩個斷面間就會產(chǎn)生交變開路電壓，通過負(fù)載連成閉合回路，就會在回路中有電流流過，而且在負(fù)載的兩端產(chǎn)生交變的電壓信號，完成光電轉(zhuǎn)換。非制冷型紅外焦平面陣列原理

由于熱釋電探測器是電容性的，需考慮探測單元的電容

，則熱釋電輸出信號電壓為：從而，探測單元響應(yīng)率為：

如果照射熱釋電晶體是沒有經(jīng)過調(diào)制的紅外輻射，則輻射使晶體的溫度升高到新的平衡值，同時電極表面的感應(yīng)電荷也變化到新的平衡值，不再“釋放電荷”，也就不再有輸出信號。非制冷型紅外焦平面陣列原理

因此，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。在實(shí)際系統(tǒng)中，通常使用調(diào)制盤來調(diào)制紅外輻射。

介電熱釋電材料主要有兩類：

（1）熱電型，特點(diǎn)是極化強(qiáng)度方向能隨外加電場而改變

（2）熱電—非鐵電體，特點(diǎn)是自發(fā)極化方向不能隨外電場改

變。

熱釋電紅外焦平面所用的材料通常屬于熱電—鐵電體。非制冷型紅外焦平面陣列原理3.3 熱電堆型

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(diǎn)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，這種現(xiàn)象稱為Seebeck效應(yīng)。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，其示意圖如右所

示。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(qiáng)弱。非制冷型紅外焦平面陣列原理3.4 二極管型

這種紅外探測技術(shù)利用半導(dǎo)體PN結(jié)具有良好的溫度特性。與前面所述的各種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)。非制冷型紅外焦平面陣列原理3.5 熱電容型

這種非制冷紅外焦平面陣列首先由美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室在上世紀(jì)90年代中期提出，隨后Samoff,SarconMicrosystems公司繼續(xù)研發(fā)，這種技術(shù)采用熱膨脹系數(shù)不同的兩種材料的薄膜黏合在一起形成雙材料薄膜，它隨著溫度的變化而發(fā)生彎曲。

非制冷型紅外焦平面陣列原理

例如可以采用金屬鋁和氮化硅薄膜組成雙材料微懸臂梁，氮化硅在紅外輻射下吸收熱量并且溫度升高，導(dǎo)致微懸臂梁發(fā)生彎曲。在硅襯底上淀積的一層鋁與微懸臂梁上的鋁形成一個可變電容，微懸臂梁的彎曲使電容的大小發(fā)生改變，通過集成在探測器上的CMOS讀出電路測出電容的改變，從而探測出紅外輻射的強(qiáng)弱。非制冷型紅外焦平面陣列原理4.1 應(yīng)用光力學(xué)效應(yīng)的焦平面陣列

當(dāng)FPA單元吸收入射的紅外輻射產(chǎn)生溫升時，由于組成微懸臂梁的雙材料熱膨脹系數(shù)存在差