По классификации инфракрасные датчики можно разделить на термодатчики и фотонные датчики.

Термальный датчик

Тепловой детектор использует элемент обнаружения для поглощения инфракрасного излучения, вызывая повышение температуры, а затем сопровождается изменениями определенных физических свойств. Измерение изменений этих физических свойств позволяет измерить энергию или мощность, которую он поглощает. Конкретный процесс заключается в следующем: первый шаг заключается в поглощении инфракрасного излучения тепловым детектором, чтобы вызвать повышение температуры; второй шаг — использовать некоторые температурные эффекты теплового детектора для преобразования повышения температуры в изменение электричества. Обычно используются четыре типа изменения физических свойств: тип термистора, тип термопары, пироэлектрический тип и пневматический тип Гаолая.

# Тип термистора

После того как термочувствительный материал поглощает инфракрасное излучение, температура повышается и значение сопротивления изменяется. Величина изменения сопротивления пропорциональна поглощенной энергии инфракрасного излучения. Инфракрасные детекторы, изготовленные путем изменения сопротивления после поглощения веществом инфракрасного излучения, называются термисторами. Термисторы часто используются для измерения теплового излучения. Существует два типа термисторов: металлические и полупроводниковые.

R(T)=AT-CeD/T

R(T): значение сопротивления; Т: температура; A, C, D: константы, которые зависят от материала.

Металлический термистор имеет положительный температурный коэффициент сопротивления, и его абсолютное значение меньше, чем у полупроводника. Зависимость между сопротивлением и температурой в основном линейная, и он обладает сильной устойчивостью к высоким температурам. В основном он используется для измерения температуры при моделировании;

Полупроводниковые термисторы являются полной противоположностью и используются для обнаружения радиации, например, в системах сигнализации, системах противопожарной защиты, а также для поиска и отслеживания тепловых излучателей.

# Тип термопары

Термопара, также называемая термопарой, является самым ранним термоэлектрическим устройством обнаружения, принцип ее работы — пироэлектрический эффект. Соединение, состоящее из двух разных проводниковых материалов, может генерировать электродвижущую силу в месте соединения. Конец термопары, принимающий излучение, называется горячим концом, а другой конец — холодным концом. Так называемый термоэлектрический эффект, то есть, если эти два разных проводниковых материала соединить в петлю, когда температура в двух соединениях разная, в петле будет генерироваться ток.

Чтобы улучшить коэффициент поглощения, на горячий конец устанавливается фольга из черного золота, образующая материал термопары, который может быть металлическим или полупроводниковым. Структура может представлять собой либо линию, либо полосчатый объект, либо тонкую пленку, изготовленную по технологии вакуумного напыления или по технологии фотолитографии. Термопары цельного типа в основном используются для измерения температуры, а термопары тонкопленочного типа (состоящие из множества последовательно соединенных термопар) в основном используются для измерения излучения.

Постоянная времени инфракрасного детектора типа термопары относительно велика, поэтому время отклика относительно велико, а динамические характеристики относительно плохие. Частота изменения излучения на северной стороне обычно должна быть ниже 10 Гц. В практических приложениях несколько термопар часто соединяют последовательно, образуя термобатарею для определения интенсивности инфракрасного излучения.

# Пироэлектрический тип

Пироэлектрические инфракрасные детекторы изготавливаются из пироэлектрических кристаллов или «сегнетоэлектриков» с поляризацией. Пироэлектрический кристалл – это разновидность пьезоэлектрического кристалла, имеющего нецентросимметричную структуру. В естественном состоянии центры положительных и отрицательных зарядов не совпадают в определенных направлениях, и на поверхности кристалла образуется определенное количество поляризованных зарядов, которое называется спонтанной поляризацией. Когда температура кристалла изменяется, это может привести к смещению центра положительных и отрицательных зарядов кристалла, поэтому соответственно изменяется поляризационный заряд на поверхности. Обычно ее поверхность захватывает плавающие в атмосфере заряды и поддерживает состояние электрического равновесия. Когда поверхность сегнетоэлектрика находится в электрическом равновесии, при облучении его поверхности инфракрасными лучами температура сегнетоэлектрика (листа) быстро возрастает, интенсивность поляризации быстро падает, а связанный заряд резко уменьшается; при этом плавающий заряд на поверхности меняется медленно. Внутреннее сегнетоэлектрическое тело не изменяется.

За очень короткое время от изменения интенсивности поляризации, вызванного изменением температуры, до состояния электрического равновесия на поверхности снова появляются избыточные плавающие заряды на поверхности сегнетоэлектрика, что эквивалентно высвобождению части заряда. Это явление называется пироэлектрическим эффектом. Поскольку свободному заряду требуется много времени для нейтрализации связанного заряда на поверхности, это занимает более нескольких секунд, а время релаксации спонтанной поляризации кристалла очень мало, около 10-12 секунд, поэтому пироэлектрический кристалл может реагировать на быстрые изменения температуры.

# Гаолай пневматического типа

Когда газ поглощает инфракрасное излучение при условии сохранения определенного объема, температура увеличивается и давление увеличивается. Величина повышения давления пропорциональна мощности поглощенного инфракрасного излучения, поэтому можно измерить мощность поглощенного инфракрасного излучения. Инфракрасные детекторы, изготовленные по вышеуказанным принципам, называются детекторами газа, а трубка Гао Лай является типичным детектором газа.

Фотонный датчик

Инфракрасные детекторы фотонов используют определенные полупроводниковые материалы для создания фотоэлектрических эффектов под воздействием инфракрасного излучения для изменения электрических свойств материалов. Измеряя изменения электрических свойств, можно определить интенсивность инфракрасного излучения. Инфракрасные детекторы, созданные на основе фотоэлектрического эффекта, называются детекторами фотонов. Основными особенностями являются высокая чувствительность, быстрая скорость отклика и высокая частота отклика. Но обычно ему приходится работать при низких температурах, а полоса обнаружения относительно узкая.

По принципу работы детектора фотонов его можно разделить на внешний фотодетектор и внутренний фотодетектор. Внутренние фотодетекторы делятся на фотопроводящие детекторы, фотогальванические детекторы и фотомагнитоэлектрические детекторы.

# Внешний фотодетектор (устройство PE)

Когда свет падает на поверхность некоторых металлов, оксидов металлов или полупроводников, если энергия фотонов достаточно велика, поверхность может испускать электроны. Это явление в совокупности называется фотоэлектронной эмиссией, которая относится к внешнему фотоэлектрическому эффекту. К этому типу детекторов фотонов относятся фототрубки и фотоумножители. Скорость отклика высокая, и в то же время фотоумножительная трубка имеет очень высокий коэффициент усиления, который можно использовать для измерения одиночных фотонов, но диапазон длин волн относительно узок, а самая длинная из них составляет всего 1700 нм.

# Фотопроводящий детектор

Когда полупроводник поглощает падающие фотоны, некоторые электроны и дырки в полупроводнике переходят из непроводящего состояния в свободное состояние, которое может проводить электричество, тем самым увеличивая проводимость полупроводника. Это явление называется эффектом фотопроводимости. Инфракрасные детекторы, изготовленные за счет фотопроводящего эффекта полупроводников, называются фотопроводящими детекторами. В настоящее время это наиболее широко используемый тип детектора фотонов.

# Фотоэлектрический детектор (устройство ПУ)

При облучении инфракрасным излучением PN-перехода некоторых структур полупроводниковых материалов под действием электрического поля в PN-переходе свободные электроны в P-области перемещаются в N-область, а дырки в N-области - в Площадь П. Если PN-переход открыт, на обоих концах PN-перехода создается дополнительный электрический потенциал, называемый фотоэлектродвижущей силой. Детекторы, созданные с использованием эффекта фотоэлектродвижущей силы, называются фотоэлектрическими детекторами или переходными инфракрасными детекторами.

# Оптический магнитоэлектрический детектор

Магнитное поле прикладывается к образцу сбоку. Когда поверхность полупроводника поглощает фотоны, образующиеся электроны и дырки диффундируют в тело. В процессе диффузии электроны и дырки смещаются к обоим концам образца из-за воздействия бокового магнитного поля. Между обоими концами существует разница потенциалов. Это явление называется оптомагнетоэлектрическим эффектом. Детекторы на фотомагнитоэлектрическом эффекте называются фотомагнитоэлектрическими детекторами (ФЭМ-устройствами).