非制冷式红外探测器原理研究

非制冷式红外探测器原理研究

程琳

山东协和学院  闫旭垚 250109

摘 要：随着信息技术的发展，红外探测技术已经被广泛应用于军事、民用、科研等众多领域。其中，非制冷红外焦平面探测器具有无需制冷、成本低、功耗小、重量轻、小型化、使用灵活方便等特点，是当前非制冷红外探测技术研究和应用的热点和重点。自然界所有温度在绝对零度（-273℃）以上的物体都会发出红外辐射，红外图像传感器则将探测到的红外辐射转变为人眼可见的图像信息。红外成像技术涵盖了红外光学、材料科学、电子学、机械工程技术、集成电路技术、图像处理算法等诸多技术，红外成像装置的核心为红外焦平面探测器。非制冷红外焦平面探测器的工作原理是利用红外辐射的热效应，由红外吸收材料将红外辐射能转换成热能，引起敏感元件温度上升。敏感元件的某个物理参数随之发生变化，再通过所设计的某种转换机制转换为电信号或可见光信号，以实现对物体的探测。非制冷红外焦平面探测器分为五大类：热释电型、热电堆型、二极管型、热敏电阻型热电容型。本文对前四种红外探测器的工作原理进行了详细阐述，并且对每种红外焦平面探测器的关键技术例如读出电路IC技术进行了详细探究，总结了不同类型探测器的优缺点。

关键词：红外探测技术；非制冷红外焦平面探测器；读出电路；敏感元件

第一章 绪 论

1.1研究背景及课题意义

随着科学技术的飞速发展以及信息社会的到来，各行各业甚至人类日常生活对信息的获取需求与日俱增。与制冷红外成像系统相比，非制冷红外成像系统可在室温工作，省掉了昂贵且笨重的制冷设备，从而大大减小了系统的体积、成本和功耗；此外还可提供更宽的地频谱响应和更长的工作时间。国外机构已经为军事用户提供了大量成本低、可靠性更高的高灵敏非制冷红外成像仪。

同众多高新技术一样，红外技术也是由于军事的强烈需求牵引而得以迅速发展的。红外成像系统可装备各类战术和战略武器，常用于红外预警、侦查、跟踪、导航、夜视、大地测绘和精确制导，是电子战、信息战中获取信息的主要技术之一。与其他探测方式不同的是，红外探测属于被动探测系统，探测系统并不主动向目标发射探测信号，相反只是通过接受目标红外辐射来完成识别任务。所以，极其具有隐蔽性，由于它工作在红外波段，所以不受到电磁波的干扰，可以在强的电磁辐射环境下生存，可以做到全天候全天时工作，正符合了现代战争的需求。最近30年来，红外技术已经成为一门迅速发展的技术。除了军事应用以外，它广泛地应用于工业、农业、医疗和科学研究等各个民用领域。比如，红外技术是发展遥感技术和空间科学的重要手段；红外成像系统可以进行无损检测；工业过程监控、检查维护和热流研发；医疗领域的疾病诊断和传染病预防等。随着微机械系统（MEMS）加工技术、大规模集成电路、信号处理技术的飞速发展，红外探测技术拥有着巨大的发展潜力。

非制冷红外热成像系统的核心是非制冷焦平面其发展水平直接决定了非制冷热成像系统的发展从1978 年非制冷式热成像技术首次研究成功 到目前非制冷热成像仪装备到部队 已有20 多年的发展历史 世界各国都在竞相开展非制冷焦平面的研究其中美国.英国.法国等国家处于领先地位 探测器像素已由原来的单元结构发展到目前的大规模面阵并逐步向超大规模阵列发展，像素尺寸也在明显减小。

综上所述，非制冷红外成像技术正经历从焦平面成像系统向高性价比、多功能、多波段成像系统的转变，且该技术融合了探测器材料、MEMS、微电子、信号处理、光成像等多种学科。本文对不同类型非制冷探测器的原理进行了阐述与探究，对以后的非制冷探测器的研究具有现实意义和实际应用价值。

1.2 本文的主要工作

鉴于以上的分析，我们知道现如今的非制冷红外探测器主要分为五大类，分别是由硫酸三甘肽、胆酸锂等材料构成的热释电型非制冷红外探测器；由N型和P型的多晶硅构成的热电堆型非制冷红外探测器；由单晶或多晶PN结构成的二极管型非制冷红外探测器；由氧化钒、非晶硅等材料构成的热敏电阻型非制冷红外探测器；由双材料薄膜构成的热电容型非制冷红外探测器。本文对前四种探测器的工作原理进行了详细的阐述，并且对每种非制冷红外探测器的读出电路电路部分进行了细致的研究与探讨，并且一一列举了美中非制冷红外探测器的特点以及应用。

第二章 热释电型非制冷红外探测器

热释电型红外探测器以热释电材料为敏感单元，利用其热释电效应将红外信号转化成微弱电信号，再经过前置放大电路将微弱电信号放大读出﹑处理，实现热成像。热释电效应是指：在具有自发极化的热释电材料中，当材料温度发生变化或吸收热量后，因材料自发极化强度发生变化而在材料表面释放出电荷的现象。通过对热释电电荷的检测，可以获得有关热辐射强度的信息。由于只对变化的温度响应，所以热释电探测器的响应信号为交流信号，需要专门的辐射调制手段。但是交流的信号处理电路可采用交流耦合方式，从而大大降低低频噪声影响，并且消除了信号的直流漂移问题，使得热释电探测器的信号处理电路显得简洁许多。

2.1 工作原理

热释电探测器是在垂直于晶体极轴(自发极化强度Ps方向) 的两个面上涂敷电极, 构成类似于平板电容器的热传感器, 其工作机理是热释电效应。

由于热释电晶体具有自发极化强度Ps, 晶体的内表面出现面束缚电荷。在稳定状态下, 这些面束缚电荷被体内的扩散电荷和体外的自由电荷中和,因此显现不出自发极化现象。晶体内部的扩散电荷起中和作用的平均时间为τ=ε/σ, 其中ε为晶体的介电常数, σ为晶体的电导率。如图1所示,用调制频率为f的红外辐射照射热释电晶体, 就会使得晶体的温度、晶体的自发极化强度以及由此引起的面束缚电荷随频率f发生变化。当f ≥1 /τ时, 变化的面束缚电荷不能立即被体内的扩散电荷和体外的自由电荷中和, 在负载R的两端就会产生正比于入射辐射功率的交流讯号电压。这就是热释电探测器的工作原理。

第三章 热电堆型非制冷红外探测器

目前常用的红外探测技术主要有基于运动特征的方法、基于形状信息的方法、基于人体模型的方法等，采用红外成像设备系统是非常昂贵且计算复杂度高; 然而红外目标的入侵识别应用往往不需要由图像设备提供高分辨率，利用红外传感器对目标辐射特征识别来代替视频追踪，作为价格昂贵的热成像红外设备的替代品是可行的。现有的红外探测系统大多是基于热释电红外传感器的运动特征识别，其探测系统只能实现红外目标的运动入侵识别，应用领域受到很大局限。

为了实现红外目标入侵探测和静态识别，本章介绍了一种基于微系统( MEMS) 热电堆红外传感器的红外探测系统，采用梯析( GRIN) 透镜会聚目标辐射以提高有效探测距离，利用热电堆传感器探测目标红外辐射，对探测器信号进行小波分解和重构，滤除背景辐射带来的基线漂移，通过多阈值设定实现目标的分类识别。

3.1 工作原理

热电堆探测器是一种可以对外界红外辐射产生响应的传感器，近10年来，由于微细加工技术的发展进步，MEMS热电堆红外传感器也取得了飞速发展。热电堆探测器采用赛贝克效应( Seebeck effect) 设计制作，如果两种不同的材料或者材料相同而逸出功不同的物体A和B，在热结相连，而在冷端区开路，热结和冷结存在一定的温差ΔTHC，则在冷端的两端就会产生一开路温差电动势Vout，赛贝克效应的数学公式可表述为：

Vout = SAB·ΔTHC(V) (1)

式中SAB为物体A和物体B之间赛贝克系数差，V·K － 1。对于半导体材料，产生赛贝克效应的主要原因是热端的载流子往冷端扩散的结果。一般而言，微机械热电堆红外探测器主要由红外吸收体，绝缘结构和热电堆组成(图10)，热结区与红外吸收体相邻，其温度随红外吸收体变化而变化，冷结区与热结区通过绝缘结构隔离，其温度与环境温度保持一致。当红外吸收体吸收外界辐射时，热结区温度升高，而冷结区温度不变，导致热结与冷结温差增大，通过赛贝克效应，热电偶材料将温差转换为电压，故可以通过热电堆两端的输出电压测量外界红外辐射的大小。

3.2 信号调理电路
设计信号调理电路是为了在充分抑制噪声的前提下，实现红外信号的有效放大，同时保证最小的失真，电路设计的好坏对探测器性能的发挥起着关键性作用。设计一个放大调理电路，首先需要对输出信号进行分析，常用比探测率D* 描述探测器的综合性能，定义为：

式中NEP为噪声功率密度，S和N为探测器的信号电压和噪声电压，PD为探测器靶面接收的辐射功率密度，A为探测器靶面面积，Δf为放大器带宽( 它影响着系统中的噪声) 。D*为一个综合反映探测信号、噪声及带宽的指标，D* 越大，探测器性能越好。传感器的关键参数: 噪声等效功率NEP为0.05 nW/槡Hz ; 比探测率( D* ) 为 1.5×108 cm槡Hz /W; 响应度 Ｒ 为182 V/W; 时间常数 Τ 为15 ms;输出电阻RS为100 kΩ。首先确定输出信号的带宽，热电堆探测器输出信号的数学形式为:

式中Vt为一定辐照度下探测器的瞬时输出电压，Vmax为一定辐照度下的探测器稳态响应电压τ为时间常数。对式( 3) 进行傅里叶变换并取值衰减至10 % 处为信号带宽，得到探测器输出信号带宽为11 Hz。其次需要确定探测器本地的噪声，即噪声等效电压。根据探测器的噪声等效功率为 0．05 nW/槡Hz 和响应度182 V/W，得到噪声等效电压为9．1 nV/槡Hz。当明确了放大信号的基本特征后，方可进行电路设计，为了满足上述信号放大，选用运放AD8629 作为前置放大器，电路实现框图如图11所示，前置放大电路用以对信号低噪声放大，低通滤波器用以限制噪声带宽并进行模/数转换之前的抗混叠滤波，后级放大用以对信号进行二级放大，从而有效利用模/数转换的满量程。

由于热电堆传感器信号微弱且内阻很大，同相比例运算电路具有较高的输入阻抗和很低的输出阻抗，增益不受信号源内阻的影响，不仅能够实现传感器的阻抗匹配，且可以实现传感器微弱信号的拾取。热电堆传感器输出信号受环境温度影响，导致偏置电压，影响目标的识别，采用热电阻作为补偿单元，消除环境温度带来的影响。模拟低通滤波器的主要作用在于对高斯分布的广谱噪声进行限带滤波，为后级的模/数转换提供抗混叠滤波，为了尽可能减小信号失真，需要滤波器衰减陡度较大，所以采用二阶低通滤波器，截止频率设置为15．9 Hz。在滤波后，为了充分利用后级模/数转换器的满量程，需要进行二级放大，电路总的放大倍数为41×201 = 8 241倍，热电堆信号由几个微伏量级信号被放大到几十毫伏量级。

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