2.5 紅外探測器
2.5.1 紅外輻射的基本知識
一切溫度高于絕對零度的有生命和無生命的物體都在不停地輻射紅外線。研究表明，紅外線是從物質內部發射出來的，物質是由原子、分子組成的，它們按一定的規律不停地運動著，其運動狀態也不斷地變化，因而不斷地向外輻射能量，這就是熱輻射現象，紅外輻射的物理本質就是熱輻射。這種輻射的量主要由這個物體的溫度和材料本身的性質決定。特別是，熱輻射的強度及光譜成分取決于輻射體的溫度，也就是說，溫度這個物理量對熱輻射現象起著決定性的作用。
根據電磁學理論，物質內部的帶電粒子（如電子）的變速運動都會發射或吸收電磁輻射，如γ射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線、微波、無線電波等都是電磁輻射。可以把這些輻射按其波長（或頻率）的次序排列成一個連續譜，稱為電磁波譜。電磁輻射具有波動性，它們在真空中具有相同的傳播速度，稱為光速c。光速c與電磁波的頻率ν、波長λ的關系是：νλ=c。
紅外線有一些與可見光不一樣的特性。
①紅外線對人的眼睛不敏感，所以必須用對紅外線敏感的紅外探測器才能接收到。
②紅外線的光量子能量比可見光的小，例如10μm波長的紅外光子的能量大約是可見光光于能量的1/20。
③紅外線的熱效應比可見光要強得多。
④紅外線更易被物質所吸收，但對于薄霧來說，長波紅外線更容易通過。
在電磁波譜中，紅外輻射只占有小部分波段。整個電磁波譜包括20個數量級的頻率范圍，可見光譜的波長范圍為0.38～0.75μm，而紅外波段為0.75～1000μm。因此，紅外光譜區比可見光譜區含有更豐富的內容。
在紅外技術領域中，通常把整個紅外輻射波段按波長分為4個波段，見表2-2。
表2-2 紅外輻射波段
2.5.2 紅外探測器分類
簡單來說，用來檢測紅外輻射存在的器件稱為紅外探測器，它能把接收到的紅外輻射轉變成體積、壓力、電流等容易測量的物理量。而且真正有實用意義的紅外探測器，還必須滿足兩個條件：一是靈敏度高，對微弱的紅外輻射也能檢測到；二是物理量的變化與受到的輻射成比例，這樣才能定量測量紅外輻射。現代探測器大都以電信號的形式輸出。所以也可以說，紅外探測器的作用就是把接收到的紅外輻射轉換成電信號輸出，是實現光電轉換功能的靈敏器件。
眾所周知，任何溫度高于絕對零度的物體都會產生紅外輻射。紅外探測器的主要功用就是檢測紅外輻射的存在，測定它的強弱，并將其轉變為其他形式的能量，多數情況是轉變為電能，以便應用。按探測器工作機理區分，可將紅外探測器分為熱探測器和光子探測器兩大類，如圖2-48所示。
圖2-48 紅外探測器分類
2.5.3 熱探測器
熱探測器吸收紅外輻射后產生溫升，然后伴隨發生某些物理性能的變化，測量這些物理性能的變化就可以測量出它吸收的能量或功率，主要有以下4種常用熱探測器，在吸收紅外輻射后將產生相應的物理性能變化以供測量。
（1）熱釋電探測器
電壓電類晶體中的極性晶體，如硫酸三甘肽（TGS）、鉭酸鋰（LiTaO3）和鈮酸鍶鋇（Srl-xBaxNb2O6）等，具有自發的電極化功能，當受到紅外輻照時，溫度升高，在某一晶軸方向上能產生電壓。電壓大小與吸收的紅外輻射功率成正比，這種現象被稱為熱釋電效應。所以，稱極性晶體為熱釋電晶體。熱釋電晶體自發極化的弛豫時間很短，約為10-12s。因此熱釋電晶體可響應快速的溫度變化。利用這一原理制成的紅外探測器叫熱釋電探測器，見圖2-49。給出了兩種電極結構的熱釋電探測器示意圖，即在切割成薄片的熱釋電晶體垂直于極軸兩個平行平面（正面和側面皆可）鍍上電極，便構成熱釋電探測器的面電極結構［圖2-49（a）］，或邊電極結構［圖2-49（b）］。如果受連續恒定輻射的照射，探測器由于溫升會輸出電量，但由于自由電子的中和作用，此電量會不斷衰減直至消失。當用調制輻射照射探測器，只要調制周期小于中和時間，就會輸出與調制頻率相同的交變電量，這說明熱釋電探測器只能探測調制和脈沖輻射。熱釋電紅外探測器探測率高，屬于熱探測器中最好的，因此得到了廣泛應用。
圖2-49 熱釋電探測器的兩種電極結構
（2）氣體探測器
氣體在體積保持一定的條件下吸收紅外輻射后會引起溫度升高、壓強增大。壓強增加的大小與吸收的紅外輻射功率成正比，由此，可測量被吸收的紅外輻射功率。利用上述原理制成的紅外探測器叫氣體（動）探測器。
（3）測輻射熱電偶
測輻射熱電偶是基于溫差電效應制成的熱探測器，其熱電偶的原理見圖2-50。在材料A和B的連接點上粘上涂黑的薄片，形成接受輻照的光敏面，在輻照作用下產生溫升，稱為熱端。在材料A和B與導線形成的連接點保持同一溫度，形成冷端。在兩個導線間（輸出端）產生開路的溫差電勢。這種現象稱為溫差電現象。利用溫差電現象制成的感溫元件稱為溫差電偶（也稱熱電偶）。溫差電動勢的大小與接頭處吸收的輻射功率或冷熱兩接頭處的溫差成正比，因此，測量熱電偶溫差電動勢的大小就能測知接頭處所吸收的輻射功率，或冷熱兩接頭處的溫差。熱電偶的缺點是熱響應時間較長。
圖2-50 采用單個熱敏電阻的測量電路
（4）熱敏電阻
熱敏物質吸收紅外輻射后，溫度升高，阻值發生變化。阻值變化的大小與吸收的紅外輻射能量成正比。利用物質吸收紅外輻射后電阻發生變化而制成的紅外探測器叫熱敏電阻。熱敏電阻常用來測量熱輻射，所以又常稱為熱敏電阻測輻射熱器。
電阻測輻射熱器，有半導體測輻射熱器、金屬測輻射熱器和超導體測輻射熱器。熱敏電阻是一種半導體測輻射熱器，常用Mn、Co、Ni的氧化物按一定比例混勻燒結成薄片，在吸收紅外輻射的表面制備一層吸收層，引出電極，封裝好后性能達到要求的即可使用（圖2-51）。熱敏電阻的光敏面積一般為10-2mm2到幾個平方毫米。
圖2-51 圖2-51 熱敏電阻結構示意圖
1—黑化吸收層；2—熱敏電阻薄片；3—襯底；4—散熱片；5—電極引線
2.5.4 光子探測器
光子探測器吸收光子后發生電子狀態的改變，從而引起幾種電學現象，這些現象統稱為光子效應。測量光子效應的大小可以測定被吸收的光子數，利用光子效應制成的探測器稱為光子探測器。光子探測器有下列4種。
①光電子發射（外光電效應）器件 當光入射到某些金屬、金屬氧化物或半導體表面時，如果光子能量足夠大，能使其表面發射電子，這種現象統稱為光電子發射，屬于外光電效應。利用光電子發射制成的器件稱為光電子發射器件。
②光電導探測器 利用半導體的光電導效應制成的紅外探測器稱為光電導探測器（簡稱PC器件），目前，它是種類最多、應用最廣的一類光子探測器。已制出響應波段為3～5μm和8～14μm或更長的多種紅外探測器。
③光伏探測器 利用光伏效應制成的紅外探測器稱為光伏探測器（簡稱PV器件）。如果PN結上加反向偏壓，則結區吸收光子后反向電流會增加。從表面看，這種情況有點兒類似于光電導，但實際上它是由光伏效應引起的，這就是光電二極管。
④光磁電探測器 如圖2-52所示，在樣品橫向加一磁場，當半導體表面吸收光子后所產生的電子和空穴隨即向體內擴散，在擴散過程中由于受橫向磁場的作用，電子和空穴分別向樣品兩端偏移，在樣品兩端產生電位差。這種現象稱為光磁電效應。利用光磁電效應制成的探測器稱為光磁電探測器（簡稱PEM器件）。
圖2-52 光磁電效應
光磁電探測器實際應用很少。因為對于大部分半導體，不論在室溫或是在低溫下工作，這一效應的本質使它的響應率比光電導探測器的響應率低，光譜響應特性與同類光電導或光伏探測器相似，工作時必須加磁場又增加了使用的不便。
熱探測器與光子探測器在使用場合上要有所區別。
①熱探測器一般在室溫下工作，不需要制冷；多數光子探測器必須工作在低溫條件下才具有優良的性能。工作于1～3μm波段的PbS探測器主要在室溫下工作，但適當降低工作溫度，性能會相應提高，在干冰溫度下工作性能最好。
②熱探測器對各種波長的紅外輻射均有響應，是無選擇性探測器，而光子探測器只對短于或等于截止波長的紅外輻射才有響應，是有選擇性的探測器。
③熱探測器的響應率比光子探測器的響應率低1～2個數量級，響應時間比光子探測器的長得多。