红外探测器技术的发展 探测器是如何工作的

1、前言 

所有物体均发射与其温度和特性相关的热辐射，环境温度附近物体的热辐射大多位于红外波段。红外辐射占据相当宽的电磁波段(0.8μm～1000μm)。可知，红外辐射提供了客观世界的丰富信息，充分利用这些信息是人们追求的目标。 

将不可见的红外辐射转换成可测量的信号的器件就是红外探测器。探测器作为红外整机系统的核心关键部件，探测、识别和分析红外信息并加以控制。 

热成像是红外技术的一个重要方面，得到了广泛应用，首要的当属军事应用。反之，由于应用的驱使，红外探测器的研究、开发乃至生产，越来越受重视而得以长足发展。 

1800年Herschel 发现太阳光谱中的红外线用的涂黑水银温度计为比较早的红外探测器，此后，尤其是二次大战以来，不断出现新器件。现代科学技术的进展提供红外探测器研制的广阔天地，高性能新型探测器层出不穷。今天的探测器制备已成为涉及物理、材料等基础科学和光、机、微电子和计算机等多领域的综合科学技术。

2、物理学的进展是红外探测器的基础 

红外辐射与物质(材料)相互作用产生各种效应。100多年来，从经典物理到20世纪开创的近代物理，特别是量子力学、半导体物理等学科的创立，到现代的介观物理、低维结构物理等等，有许多而且越来越多可用于红外探测的物理现象和效应。 

2.1热探测器： 

热辐射引起材料温度变化产生可度量的输出。有多种热效应可用于红外探测器。 

(1)热胀冷缩效应的液态的水银温度计、气态的高莱池(Golay cell); 

(2)温差电(Seebeck)效应。可做成热电偶和热电堆，主要用于测量仪器。 

(3)共振频率对温度的敏感可制作石英共振器非致冷红外成像阵列。 

(4)材料的电阻或介电常数的热敏效应--辐射引起温升改变材料电阻用以探测热辐射- 测辐射热计(Bolometer)：半导体有高的温度系数而应用较多，常称 " 热敏电阻"。利用转变温度附近电阻巨变的超导探测器引起重视。如果室温度超导成为现实，将是21世纪最引人注目的探测器。 

(5)热释电效应：快速温度变化使晶体自发极化强度改变，表面电荷发生变化，可作成热释电探测器。 热探测器一般不需致冷( 超导除外 )而易于使用、维护，可靠性好；光谱响应与波长无关，为无选择性探测器；制备工艺相对简易，成本较低。但灵敏度低，响应速度慢。热探测器性能限制的主要因素是热绝缘的设计问题。 

2.2光电探测器： 

红外辐射光子在半导体材料中激发非平衡载流子(电子或空穴)，引起电学性能变化。因为载流子不逸出体外，所以称内光电效应。量子光电效应灵敏度高，响应速度比热探测器快得多，是选择性探测器。为了达到较佳性能，一般都需要在低温下工作。光电探测器可分为： 

(1)光导型：又称光敏电阻。入射光子激发均匀半导体中的价带电子越过禁带进入导带并在价带留下空穴，引起电导增加，为本征光电导。从禁带中的杂质能级也可激发光生载流子进入导带或价带，为杂质光电导。截止波长由杂质电离能决定。量子效率低于本征光导，而且要求更低的工作温度。 

(2)光伏型：主要是p－n结的光生伏特效应。能量大于禁带宽度的红外光子在结区及其附近激发电子空穴对。存在的结电场使空穴进入p区，电子进入 n 区，两部分出现电位差。外电路就有电压或电流信号。与光导探测器比较，光伏探测器背影限探测率大于40％；不需要外加偏置电场和负载电阻，不消耗功率，有高的阻抗。这些特性给制备和使用焦平面阵列带来很大好处。 

(3)光发射－Schottky势垒探测器：金属和半导体接触，典型的有PtSi/Si结构，形成Schott ky势垒，红外光子透过Si层为PtSi吸收，电子获得能量跃上 Fermi能级，留下空穴越过势垒进入Si衬底，PtSi层的电子被收集，完成红外探测。充分利用Si集成技术，便于制作，具有成本低、均匀性好等优势，可做成大规模(1024×1024甚至更大)焦平面阵列来弥补量子效率低的缺陷。有严格的低温要求。用这类探测器，国内外已生产出具有像质良好的热像仪。Pt Si/Si结构FPA是比较早制成的IRFPA。 

(4)量子阱探测器(QWIP)：将两种半导体材料A和B用人工方法薄层交替生长形成超晶格，在其界面，能带有突变。电子和空穴被限制在低势能阱A层内，能量量子化，称为量子阱。利用量子阱中能级电子跃迁原理可以做红外探测器。90年代以来发展很快，已有512×512、64 0×480规模的QWIP GaAs/AlGaAs焦平面制成相应的热像仪诞生。因为入射辐射中只有垂直于超晶格生长面的电极化矢量起作用，光子利用率低；量子阱中基态电子浓度受掺杂限制，量子效率不高；响应光谱区窄；低温要求苛刻。人们正深入研究努力加以改进，可望与碲镉汞探测器一争高低。 

3、新技术飞速发展促进红外探测器更新换代 

60年代以前多为单元探测器扫描成像，但灵敏度低，二维扫描系统结构复杂笨重。增加探测元，例如有N元组成的探测器，灵敏度增加N1/2倍，一个M×N阵列，灵敏度增长(M×N)1/2倍。元数增加还将简化光机扫描机构，大规模凝视焦平面阵列，不再需要光机扫描，大大简化整机系统。现代探测器技术进入第二、第三代，重要标志之一就是元数大大增加。另一方面是开发同时覆盖两个波段以上的双色和多光谱探测器。所有进展都离不开新技术特别是半导体技术的开发和进步。几项具有里程碑意义的技术有： 

(1)半导体精密光刻技术 使探测器技术由单元向多元线列探测器迅速发展，即后来称为第一代探测器。 

(2)Si集成电路技术 Si读出电路与光敏元大面阵耦合，诞生了所谓第二代的大规模红外焦平面阵列探测器 。更进一步有Z平面和灵巧型智能探测器等新品种。此项技术还诱导产生非制冷焦平面阵列 ，使一度冷落的热探测器重现勃勃生机。 

(3)先进的薄层材料生长技术 分子束外延、金属有机化学汽相淀积和液相外延等技术可重复、精密控制生长大面积高度均匀材料，使制备大规模红外焦平面阵列成为可能。也是量子阱探测器出现的前提。 

(4)微型制冷技术 高性能探测器低温要求驱动微型制冷机的开发，制冷技术又促进了探测器的研制和应用。 

我国红外探测器研制从1958年开始，至今已40多年。先后研制过PbS、PbSe、Ge:Au、Ge:Hg 、InSb、PbSnTe、HgCdTe、PtSi/Si、GaAs/AlGaAs量子阱和热释电探测器等。 随着低维材料出现，纳米电子学、光电一体化等技术日新月异，21世纪红外探测器必有革命性的进展。物理学及材料科学是现代技术发展的主要基础，现代技术飞速发展对物理学研究 又有巨大的反作用。 

4、高性能红外探测器-碲镉汞探测器 

1959年，英国Lawson等首先制成可变带隙Hg1－xCdxTe固溶体合金，提供了红外探测器设计空前的自由度。 

碲镉汞有三大优势： 

1）本征激发、高的吸收系数和高的量子效率(可超过80％)且有高的探测率； 

2）其最吸引人的特性是改变Hg、Cd配比调节响应波段，可以工作在各个红外光谱区段并获得较佳性能。而且晶格参数几乎恒定不变，对制备复合禁带异质结结构新器件特别重要 

3）同样的响应波段，工作温度较高，可工作的温度范围也较宽。 

碲镉汞中，弱Hg－Te键(比Cd－Te键弱约30％)，可通过热处理或特定途径形成P或N型，并可完成转型。其电学性质如1载流子浓度低，2少数载流子寿命长，3电子空穴有效质量比大(～10.0），电子迁移率高，4介电常数小等有利于探测器性能。 

第一代碲镉汞探测器主要是多元光导型，美国采用60、120和180元光导探测器作为热像仪通用组件，英国则以70年代中期开发的SPRITE为通用组件。SPRITE是一种三电极光导器件，利用半导体中非平衡载流子扫出效应，当光点扫描速度与载流子双极漂移速度匹配，使探测器在完成辐射探测的同时实现信号的时间延迟积分功能。8条SPRIET的性能可相当100元以上的多元探测器。结构、制备工艺和后续电子学大大简化。现有技术又克服了高光机扫描速度和空间分辨率受限制等两个缺陷。 

1992年诞生了第一台国产化通用组件高性能热像仪，SPRITE探测器研制成功是关键。到90年代初，第一代碲镉汞光导探测器纷纷完成技术鉴定，性能达到世界先进水平。 

兵器工业211所的SPRITE、32和60元探测器已实用化并投入批量生产，规模和市场不断扩大。国外在80年代就已大批量生产。由于电极、杜瓦瓶设计和制冷机方面的重重困难，第一代碲镉汞探测器元数一般无法超过200。大的碲镉汞光敏阵列和Si读出集成电路分别制备并较佳化，然后两者进行电学耦合和机械联结形成混合式焦平面阵列，就是第二代碲镉汞探测器。 

目前国际上已研制出256×256甚至640×480规模的长波IRFPA。中波红外已有用于天文的1024×1024的规模，现阶段典型产品是法国的4N系列288×4扫描式FPA。国内仍处于研制开发阶段。晶体碲镉汞材料也有鲜明的弱势： 

1）相图液线和固线分离大，分凝引起径向、纵向组分不均匀； 
2）高Hg压使大直径晶体生长困难，晶格结构完整性差； 
3）重复生产成品率低。薄膜材料的困难在于难以获得理想的CdZnTe衬底材料。 

人们致力于研究替代衬底，如PACE(Producible Alternative to CdTe for Epitaxy )－ I ( HgCdTe / CdTe/ 宝石)，PACE－II(HgCdTe/C dTe/GaAs)和PACE－III(HgCdTe/CdTe/Si)。日本和法国还报道Ge衬底，目标是与MCT的晶格 匹配并有利于与Si读出线路的耦合。 优质碲镉汞材料制备困难、均匀性差、器件工艺特殊，成品率低，因而成本高一直是困扰碲镉汞IRFPA的主要障碍。人们始终没有放弃寻找材料的努力，但迄今还没有一种新材料能超过碲镉汞的基本优点。为满足军事应用更高的性能要求，碲镉汞FPA仍然是探测器。 

5、非致冷焦平面阵列 (UFPA)红外探测器 

非制冷焦平面阵列省去了昂贵的低温制冷系统和复杂的扫描装置，敏感器件以热探测器为主。突破了历来热像仪成本高昂的障碍，"使传感器领域发生变革"。另外，它的可靠性也大大提高、维护简单、工作寿命延长，因为低温制冷系统和复杂扫描装置常常是红外系统的故障源。非致冷探测器的灵敏度(D）比低温碲镉汞要小1个量级以上，但是以大的焦平面阵列来弥补，便可和第一代MCT探测器争雄。对许多应用，特别是监视与夜视而言已经足够。广阔的准军事和民用市场更是它施展拳脚的领域。为避免大量投资，把硅集成电路工艺引入低成本、非制冷红外探测器开发生产，制造大型高密度阵列和推进系统集成化的信号处理，即大规模焦平面阵列技术，潜力十分巨大。正因为如此，单元性能较低的热电探测器又重新引人注目，而且可能成为21世纪具有竞争力的探测器之一。目前发展较快、前景看好的有两类UFPA： 

（1）热释电FPA。热释电探测器的研究早在60年代和70年代就颇为盛行，有过多种材料，较新型的有钛酸锶钡(BST)陶瓷和钛酸钪铅(PST)等。美国TI公司推出的328×240钛酸锶钡(BST)FPA已形成产品，NETD优于0.1K，有多种应用。计划中还有640×480的FPA，发展趋势是将铁电材料薄膜淀积于硅片上，制成单片式热释电焦平面，有很高的潜在性能，可望实现1000×1000阵列的优质成像。 

(2)微测辐射热计(Microbolometer)。它是在IC－CMOS硅片上以淀积技术，用Si3N4支撑有高电阻温度系数和高电阻率的热敏电阻材料Vox或α－Si，做成微桥结构器件(单片式FPA)。接收热辐射引起温度变化而改变阻值，直流耦合无须斩波器，仅需一半导体制冷器保持其稳定的工作温度。90年代初，由Honeywell公司首先开发，研制成工作在8μm～14μm的320×240 UFPA，并以此制成实用的热像系统，NETD已达到0.1K以下，可望在近期达到0.02K。此类FPA90年代发展神速，成为热点。与热释电UFPA比较，微测辐射热计采用硅集成工艺，制造成本低廉；有好的线性响应和高的动态范围；像元间好的绝缘而有低的串音和图像模糊；低的1/f噪声；以及高的帧速和潜在高灵敏度(理论NETD可达0.01K)。其偏置功率受耗散功率限制和大的噪声带宽不足以与热释电相比。 

6、红外探测器技术的发展 

历史上，红外探测器的发展得益于战争尤其是二次大战的刺激。随后的冷战时期，到现今的局部战争，人们不断加深对红外探测器重要性的认识。至今，军事应用仍占整个红外敏感器市场的75%。更高的性能指标和降低成本对红外技术提出了愈来愈高的要求。由于民用需求的急剧增长，军事应用的比例正在稳步减小。据美国市场调查，到2002年军事应用将下降到50%以下。今后焦平面红外图像系统及传感器的需求量会继续增长，年增长率将达29%。军事应用中的商用成品有望每年增加15%。估计增长较快的将是非制冷焦平面系统，年增长率将超过60%。2002年美国红外技术市场将达到12亿美元。据中国光学学会预测，今后 5年，我国热像设备总数在4万台左右，而年自产不足500台。所有这些，势必使21世纪的红外科学技术加速开拓前进，首先是红外探测器技术的突飞猛进。
安全第一！许多工业过程涉及到有毒化合物，例如：制造塑料、农用化学品和医药产品会用到氯气；生产半导体需要使用磷化氢和砷化氢；燃烧消费类包装材料会释放出氰化氢。因此，了解有毒气体浓度是否达到危险程度十分重要。

在美国，国家职业安全与健康研究所(NIOSH)和美国政府工业卫生学家会议(ACGIH)已规定了许多有毒工业气体的短时间和长时间接触限值。“阈限值—时间加权平均值”(TLV-TWA)是指大多数工人可以在正常8小时工作日内反复接触而不会受到有害影响的时间加权平均浓度。“阈限值—短时间接触限值”(TLV-STEL)是指大多数工人可以短时间接触而不会受到刺激或伤害的浓度。“立即威胁生命或健康的浓度”(IDLHC)是一种限制性浓度，它会对生命立即或缓慢产生威胁，导致不可逆转的健康损害，或者影响工人独立逃生的能力。表1列出了几种常见气体的限值。

对于检测或测量有毒气体浓度的仪器，电化学传感器能够提供多项优势。大多数传感器都是针对特定气体而设计，可用分辨率小于气体浓度的百万分之一(1 PPM)，所需工作电流极小，非常适合便携式电池供电的仪器。电化学传感器的一个重要特性是响应缓慢：首次上电后，传感器可能需要数分钟时间才能建立至最终输出值；暴露于中间量程的气体浓度时，传感器可能需要25到40秒时间才能达到最终输出值的90%。

本文描述一种使用电化学传感器的便携式一氧化碳(CO)探测器。一氧化碳的IDLH浓度远高于大多数其它有毒气体，处理起来相对更安全。但一氧化碳仍然属于致命性气体，测试本文所述电路时应极其小心并采取适当的通风措施。

图1. CO-AX一氧化碳传感器

图1所示为 Alphasense公司的CO-AX传感器。表2是CO-AX传感器技术规格摘要。

表2. CO-AX传感器技术规格

对于这种应用中的便携式仪表，实现最长的电池寿命是较为重要的目标，因此，必须将功耗降到最低，这一点至关重要。在典型的低功耗系统中，测量电路上电后执行一次测量，然后关断进入长时间待机状态。然而，在这种应用中，由于电化学传感器的时间常数很长，测量电路必须始终保持上电状态。幸运的是，因为响应缓慢，所以我们可以使用微功耗放大器、高值电阻和低频滤波器，从而将约翰逊噪声和1/f噪声降至最低。此外，单电源供电可避免双极性电源的功率浪费现象。

图2给出了该便携式气体探测器的电路。双通道微功耗放大器 ADA4505-2在恒电位配置(U2-A)和跨导配置(U2-B)下使用。该放大器的功耗和输入偏置电流非常低，对于恒电位部分和跨导部分都是很好的选择。每个放大器的功耗仅10 μA，因此电池寿命非常长。

图2. 使用电化学传感器的便携式气体探测器

在三电极电化学传感器中，目标气体扩散到传感器，通过一层薄膜后作用于工作电极(WE)。恒电位电路检测参考电极(RE)的电压，并向辅助电极(CE)提供电流，使RE端与WE端之间的电压保持恒定。RE端没有电流流进或流出，因此流出CE端的电流流进WE端，该电流与目标气体浓度成正比。流过WE端的电流可能是正值，也可能是负值，具体取决于传感器中发生的是还原反应还是氧化反应。对于一氧化碳，发生氧化时，CE端电流为负值（电流流入恒电位运算放大器的输出端）。电阻R4通常非常小，因此WE端的电压约等于VREF.

流入WE端的电流会导致U2-A的输出端产生相对于WE端的负电压。对于一氧化碳传感器，此电压通常为数百毫伏，但对于其它类型的传感器，此电压可能高达1 V。为采用单电源供电，微功耗基准电压源 ADR291(U1)将整个电路提升到地以上2.5 V。ADR291的功耗仅12 μA；它还能提供基准电压，以使模数转换器可对此电路的输出进行数字化处理。

跨导放大器的输出电压为：

其中：
IWE 为流入WE端的电流。
Rf 为跨导电阻（在图2中显示为U4）。

传感器的最大响应为90 nA/ppm，如表2所示，其最大输入范围为2,000 ppm。因此，最大输出电流为180 μA，最大输出电压由跨导电阻决定，如公式2所示。

针对不同气体或来自不同制造商的传感器具有不同的电流输出范围。如果U4使用可编程变阻器AD5271，而不是固定电阻，就可以针对不同的气体传感器采用相同的结构和材料。此外，这样的产品还支持调换传感器，因为微控制器可以针对不同的气体传感器，将AD5271设置为适当的电阻值。AD5271的温度系数为5 ppm/°C，优于大多数分立电阻；其电源电流为1 μA，对系统功耗的影响极小。

采用5 V单电源供电时，根据公式1可知，跨导放大器U2-B的输出范围为2.5 V。如果将AD5271设置为12.5 kΩ，就可以利用传感器最差灵敏度情况下的范围，并能提供大约10%的超量程能力。

使用65 nA/ppm的典型传感器响应，可以通过下式将输出电压转换为一氧化碳的ppm：

采用差分输入ADC时，只需将2.5 V基准电压输出端连接到ADC的AIN-端，从而消除公式3中的2.5 V项。

电阻R4使跨导放大器的噪声增益保持在合理水平。R4的值需权衡两个因素：噪声增益的幅度和暴露于高浓度气体时传感器的建立时间误差。对于本电路，R4 = 33 Ω，由此可计算噪声增益等于380，如公式4所示。

跨导放大器的输入噪声应乘以此增益。ADA4505-2的0.1 Hz至10 Hz输入电压噪声为2.95 μV p-p，因此输出端的噪声为：

该输出噪声相当于1.3 ppm p-p以上的气体浓度，这种低频噪声难以滤除。幸好传感器响应非常慢，因此由R5和C6构成的低通滤波器可以具有0.16 Hz的截止频率。此滤波器的时间常数为1秒，与传感器的30秒响应时间相比可忽略不计。

Q1为P沟道JFET。电路启动时，栅极电压为VCC，晶体管断开。系统关断时，栅极电压降至0 V，JFET开启，使RE端和WE端保持相同的电位。当电路再次启动时，这可以大大改善传感器的开启建立时间。

该电路由两节AAA电池供电。使用二极管提供反向电压保护会浪费宝贵的电能，因此本电路使用P沟道MOSFET (Q2)。该MOSFET通过阻塞反向电压来保护电路，施加正电压时导通。MOSFET的导通电阻小于100 mΩ，因此它引起的压降远小于二极管。除AAA电池以外，降压-升压调节器ADP2503还允许使用最高5.5 V的外部电源。在省电模式下工作时，ADP2503的功耗仅38 μA。由L2、C12和C13构成的滤波器可消除模拟电源轨产生的任何开关噪声。连接外部电源时，该仪表不是通过一个电路来断开电池，而是利用一个插孔以机械方式断开电池，从而避免电能浪费。

使用AAA电池时，正常情况（未检测到气体）下的总功耗约为100 μA，最差情况（检测到2,000 ppm CO）下的总功耗约为428 μA。如果该仪表与一个微控制器相连，在不进行测量时可进入低功耗待机模式，则电池寿命可达1年以上。

参考文献
NIOSH化学危害袖珍指南
http://www.cdc.gov/niosh/npg/
Alphasense CO-AX数据手册
http://www.alphasense.com/pdf/COAX.pdf

作者简介
Luis Orozco [luis.orozco@analog.com] 是ADI公司工业和仪器仪表部系统应用工程师，主要涉足精密仪器仪表、化学分析和环境监测应用。他于2011年2月加入ADI公司。

金属探测器操作方法

　　金属探测器是一款高性能专为安防设计的金属探测器。主要有三大类：电磁感应型X射线检测型，微波检测型，是用于探测金属的电子仪器，可应用于多个领域。

　　操作方法

　　1、打开电源开关(8)，听到"嗒"声，表示电源已接通，同时绿灯亮。如绿灯不亮表示未装电池或电池接触不良，如连续发声不停或连续振动，表示电池不能再用，应换新电池。

　　2、声音、振动转换开关选择：按下红色按钮开关(10)，报警为振动。释放红色按钮开关(10)，报警为声音。

　　3、打开电源后，即可进行高灵敏度探测，手握手柄将探测面在被测物周围探扫，有金属物时即发出报警声音或振动，同时，绿灯变为红灯;停止探扫，报警声音或振动即停，红灯变为绿灯。

　　4、低灵敏度测试：如果需要排除掉金属物中体积很小的物体，可以按住低灵敏度开关(7)。对被测物周围探扫，有金属物时即发出报警声音或振动，同时，绿灯变为红灯;停止探扫，声音或振动即停，红灯变为绿灯。因这时灵敏度降低了5倍以上。所以这时测到的一般都是比较大的金属物。

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