紅外傳感器技術

紅外傳感器技術

概述

紅外技術發展到現在，已經爲大家所熟知，這種技術已經在現代科技、國防和工農業等領域獲得了廣泛的應用。紅外傳感系統是用紅外線爲介質的測量系統，按照功能能夠分成五類：（1）輻射計，用於輻射和光譜測量；（2）搜索和跟蹤系統，用於搜索和跟蹤紅外目標，確定其空間位置並對它的運動進行跟蹤；（3）熱成像系統，可產生整個目標紅外輻射的分佈圖像；（4）紅外測距和通信系統；（5）混合系統，是指以上各類系統中的兩個或者多個的組合。

紅外傳感器根據探測機理可分成爲：光子探測器（基於光電效應）和熱探測器（基於熱效應）。

我們先看看紅外系統的組成、主要光學系統和輔助光學系統，在此基礎上對紅外的關鍵元件進行詳細的探討。其實，紅外傳感器的工作原理並不複雜，一個典型的傳感器系統各部分的工作原理如圖所示；圖中的實體分別是：

紅外傳感器工作原理

（1）待側目標。根據待側目標的紅外輻射特性可進行紅外系統的設定。

（2）大氣衰減。待測目標的紅外輻射通過地球大氣層時，由於氣體分子和各種氣體以及各種溶膠粒的散射和吸收，將使得紅外源發出的紅外輻射發生衰減。

（3）光學接收器。它接收目標的部分紅外輻射並傳輸給紅外傳感器。相當於雷達天線，常用是物鏡。

（4）輻射調製器。對來自待測目標的輻射調製成交變的輻射光，提供目標方位信息，並可濾除大面積的干擾信號。又稱調製盤和斬波器，它具有多種結構。

（5）紅外探測器。這是紅外系統的核心。它是利用紅外輻射與物質相互作用所呈現出來的物理效應探測紅外輻射的傳感器，多數情況下是利用這種相互作用所呈現出的電學效應。此類探測器可分爲光子探測器和熱敏感探測器兩大類型。

（6）探測器製冷器。由於某些探測器必須要在低溫下工作，所以相應的系統必須有製冷設備。經過製冷，設備可以縮短響應時間，提高探測靈敏度。

（7）信號處理系統。將探測的信號進行放大、濾波，並從這些信號中提取出信息。然後將此類信息轉化成爲所需要的格式，最後輸送到控制設備或者顯示器中。

（8）顯示設備。這是紅外設備的終端設備。常用的顯示器有示波器、顯像管、紅外感光材料、指示儀器和記錄儀等。

依照上面的流程，紅外系統就可以完成相應的物理量的測量。紅外系統的核心是紅外探測器，按照探測的機理的不同，可以分爲熱探測器和光子探測器兩大類。下面以熱探測器爲例子來分析探測器的原理。

熱探測器是利用輻射熱效應，使探測元件接收到輻射能後引起溫度升高，進而使探測器中依賴於溫度的性能發生變化。檢測其中某一性能的變化，便可探測出輻射。多數情況下是通過熱電變化來探測輻射的。當元件接收輻射，引起非電量的物理變化時，可以通過適當的變換後測量相應的電量變化。

圖上所示爲歐姆龍公司生產的漫反射式和對射式光電傳感器，這兩種傳感器主要用於事件檢測和物體定位。圖中的紅燈和綠燈表示傳感器的狀態。

紅外傳感器已經在現代化的生產實踐中發揮着它的巨大作用，隨着探測設備和其他部分的技術的提高，紅外傳感器能夠擁有更多的性能和更好的靈敏度。

[編輯本段]傳感器市場發展前景

諮詢公司INTECHNOCONSULTING的傳感器市場報告顯示，2008年全球傳感器市場容量爲506億美元，預計2010年全球傳感器市場可達600億美元以上。調查顯示，東歐、亞太區和加拿大成爲傳感器市場增長最快的地區，而美國、德國、日本依舊是傳感器市場分佈最大的地區。就世界範圍而言，傳感器市場上增長最快的依舊是汽車市場，佔第二位的是過程控制市場，看好通訊市場前景。

一些傳感器市場比如壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、水平傳感器已表現出成熟市場的特徵。流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器的市場規模最大，分別佔到整個傳感器市場的21%、19%和14%。傳感器市場的主要增長來自於無線傳感器、MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems，微機電系統)傳感器、生物傳感器等新興傳感器。其中，無線傳感器在2007-2010年複合年增長率預計會超過25%。

目前，全球的傳感器市場在不斷變化的創新之中呈現出快速增長的趨勢。有關專家指出，傳感器領域的主要技術將在現有基礎上予以延伸和提高，各國將競相加速新一代傳感器的開發和產業化，競爭也將日益激烈。新技術的發展將重新定義未來的傳感器市場，比如無線傳感器、光纖傳感器、智能傳感器和金屬氧化傳感器等新型傳感器的出現與市場份額的擴大。

光線也是一種輻射電磁波，以人類的經驗而言，通常指的是肉眼可見的光波域是從400nm（紫光）到700nm（紅光）可以被人類眼睛感覺得到的範圍。

如圖所示把紅光之外、波長760nm到1mm之間輻射叫做紅外光，紅外光是肉眼看不到的，但通過一些特殊光學設備，依然可以感受到。
紅外線是一種人類肉眼看不見的光，所以，它具有光的一切光線的所有特性。但同時，紅外線還有一種還具有非常顯著的熱效應。所有高於絕對零度即－273℃的物質都可以產生紅外線。
因此，簡單地說，紅外線傳感器是利用紅外線爲介質來進行數據處理的一種傳感器。
紅外傳感器的種類
紅外線是一種人類肉眼看不見的光，所以，它具有光的一切光線的所有特性。但同時，紅外線還有一種還具有非常顯著的熱效應。所有高於絕對零度即－273℃的物質都可以產生紅外線。
根據發出方式不同，紅外傳感器可分爲主動式和被動式兩種。
主動紅外傳感器的工作原理及特性

主動紅外傳感器的發射機發出一束經調製的紅外光束，被紅外接收機接收，從而形成一條紅外光束組成的警戒線。當遇到樹葉、雨、小動物、雪、沙塵、霧遮擋則不應報警，人或相當體積的物品遮擋將發生報警。
主動紅外探測器技術主要採用一發一收，屬於線形防範，現在已經從最初的但光束髮展到多光束，而且還可以雙發雙受，最大限度的降低誤報率，從而增強該產品的穩定性，可靠性。

由於紅外線屬於環境因素不相干性良好（對於環境中的聲響、雷電、振動、各類人工光源及電磁干擾源，具有良好的不相干性）的探測介質；同時也是目標因素相干性好的產品（只有阻斷紅外射束的目標，纔會觸發報警），所以主動式紅外傳感器器將會得到進一步的推廣和應用。
被動紅外傳感器器的工作原理及特性
被動紅外傳感器是靠探測人體發射的紅外線來進行工作的。傳感器器收集外界的紅外輻射進而聚集到紅外傳感器上。紅外傳感器通常採用熱釋電元件，這種元件在接收了紅外輻射溫度發出變化時就會向外釋放電荷，檢測處理後產生報警。

這種傳感器是以探測人體輻射爲目標的。所以輻射敏感元件對波長爲10μm左右的紅外輻射必須非常敏感。爲了對人體的紅外輻射敏感，在它的輻射照面通常覆蓋有特殊的濾光片，使環境的干擾受到明顯的控制作用。

被動紅外傳感器包含兩個互相串聯或並聯的熱釋電元。而且製成的兩個電極化方向正好相反，環境背景輻射對兩個熱釋電元幾乎具有相同的作用，使其產生釋電效應相互抵消，於是探測器無信號輸出。
一旦入侵人進入探測區域內，人體紅外輻射通過部分鏡而聚焦，從而被熱釋電元接收，但是兩片熱釋電元接收到的熱量不同，熱釋電也不同，不能抵消，經信號處理而報警。
根據能量轉換方式的不同，紅外線傳感器又可分爲光子式和熱釋電式兩種。
光子式紅外傳感器

光子式紅外傳感器是利用紅外輻射的光子效應而進行工作的傳感器。所謂光子效應，是指當有紅外線入射到某些半導體材料上時，紅外輻射中的光子流與半導體材料中的電子相互作用，改變了電子的能量狀態，從而引起各種電學現象。
通過測量半導體材料中電子性質的變化，就可以知道相應紅外輻射的強弱。光子探測器類型主要有內光電探測器、外光電探測器、自由載流子式探測器、QWIP量子阱式探測器等。

光子探測器的主要特點是靈敏度高、響應速度快，具有較高的響應頻率，但缺點是探測波段較窄，一般工作於低溫（爲保持高靈敏度，常採用液氮或溫差電製冷等方式，將光子探測器冷卻至較低的工作溫度）。
熱釋電式紅外傳感器
熱釋電式紅外傳感器是利用紅外輻射的熱效應引起元件本身的溫度變化來實現某些參數的檢測的，其探測率、響應速度都不如光子型傳感器。
但由於其可在室溫下使用，靈敏度與波長無關，所以應用領域很廣。利用鐵電體熱釋電效應的熱釋電型紅外傳感器靈敏度很高，獲得了廣泛應用。

熱釋電效應某些絕緣物質受熱時，隨着溫度的上升，在晶體兩端將會產生數量相等而符號相反的電荷。這種由於熱變化而產生的電極化現象稱爲熱釋電效應。熱釋電效應在近十年被用於熱釋電紅外傳感器中。能產生熱釋電效應的晶體稱爲熱釋電體，又稱爲熱電元件。熱電元件常用的材料有單晶、壓電陶瓷及高分子薄膜等。

熱釋電紅外傳感器的結構熱釋電紅外傳感器由以下四個主要部分構成：

①構成電路的鋁基板、場效應晶體管(FET)；

②具有熱釋電效應的陶瓷材料；

③ 限制入射紅外波長的窗口材料；

④ 外殼TO—5型管帽和管座。

由於探測器元件單獨使用時，存在着探測距離較短、獲得的信號後續電路不易處理的不足，所以目前多選用紅外組合件來探測。紅外組合件由熱釋電紅外傳感器、透鏡、測量轉換電路和密封管殼構成]。透鏡可以擴大探測範圍，提高測量的靈敏度；測量轉換電路可以完成濾波、放大等信號處理過程；密封管殼能防止因外界噪聲引起的錯誤動作。這種組合件體積小、成本低、功能多樣，所以應用廣泛。
紅外傳感器的應用
從目前應用的情況來看，紅外傳感器有如下幾個優點：
1、環境適應性優於可見光，尤其是在夜間和惡劣天候下的工作能力；
2、隱蔽性好，一般都是被動接收目標的信號，比雷達和激光探測安全且保密性強，不易被幹擾；
3、由於目標和背景之間的溫差和發射率差形成的紅外輻射特性進行探測，因而識別僞裝目標的能力優於可見光；
4、與雷達系統相比，紅外系統的體積小，重量輕，功耗低；
根據紅外傳感器上述的性能特點，可以發展出多種不種的紅外探測器。
利用其光效應：
1、光電導探測器：又稱光敏電阻。半導體吸收能量足夠大的光子後，體內一些載流子從束縛態轉變爲自由態，從而使半導體電導率增大，這種現象稱爲光電導效應。利用光電導效應制成的光電導探測器分爲多晶薄膜型和單晶型兩種。
2、光伏探測器：主要利用p-n結的光生伏特效應。能量大於禁帶寬度的紅外光子在結區及其附近激發電子空穴對。存在的結電場使空穴進入p區，電子進入n區，兩部分出現電位差，外電路就有電壓或電流信號。與光電導探測器比較，光伏探測器背景限探測率大40%，不需要外加偏置電場和負載電阻，不消耗功率，有高的阻抗。
3、光發射-Schottky勢壘探測器：金屬和半導體接觸，形成Schottky勢壘，紅外光子透過Si層被PtSi吸收，使電子獲得能量躍遷至費米能級，留下空穴越過勢壘進入Si襯底，PtSi層的電子被收集，完成紅外探測。
4、量子阱探測器（QWIP）：將兩種半導體材料用人工方法薄層交替生長形成超晶格，在其界面有能帶突變，使得電子和空穴被限制在低勢能阱內，從而能量量子化形成量子阱。
利用量子阱中能級電子躍遷原理可以做紅外探測器。因入射輻射中只有垂直於超晶格生長面的電極化矢量起作用，光子利用率低；量子阱中基態電子濃度受摻雜限制，量子效率不高；響應光譜區窄；低溫要求苛刻。
利用其熱效應：
1、液態的水銀溫度計及氣動的高萊池（Golay cell）：利用了材料的熱脹冷縮效應。
2、 熱電偶和熱電堆：利用了溫度梯度可使不同材料間產生溫差電動勢的溫差電效應。
3、 石英共振器非製冷紅外成像列陣：利用共振頻率對溫度敏感的原理來實現紅外探測。
4、測輻射熱計：利用材料的電阻或介電常數的熱敏效應—輻射引起溫升改變材料電阻—用以探測熱輻射。因半導體電阻有高的溫度係數而應用最多，測溫輻射熱計常稱“熱敏電阻”。
另外，由於高溫超導材料出現，利用轉變溫度附近電阻陡變的超導探測器引起重視。如果室溫超導成爲現實，將是21世紀最引人注目的一類探測器；
5、 熱釋電探測器：有些晶體，如硫酸三甘酞、鈮酸鍶鋇等，當受到紅外輻射照射溫度升高時，引起自發極化強度變化，結果在垂直於自發極化方向的晶體兩個外表面之間產生微小電壓，由此能測量紅外輻射的功率。
按照應用功能、場所的不同，紅外傳感器應用大體上可分成以下幾類：
輻射量、光譜測量
該類測量儀器用途廣泛，如基於中紅外輻射測量的地面輻射強度計，可用於如全球變暖等的氣候變化觀察；基於遠紅外輻射測量的紅外空間望遠鏡，可用於宇宙天體天文觀察；配帶紅外光譜掃描輻射儀的氣象衛星，可實現對雲層等的氣象觀察分析。在工礦企業中，應用較多的是基於輻射量測量的紅外溫度計和基於紅外光譜測量的紅外分析儀。

搜索和跟蹤系統

熟知戰鬥機攜帶的近距格鬥空空導彈就是使用了紅外跟蹤系統，它是基於目標所發出的處於紅外光譜範圍內的電磁輻射波，來搜索和跟蹤紅外目標，確定其空間位置，並對其運動軌跡進行跟蹤的系統。
紅外搜索跟蹤器的圖像品質取決於與像素大小和像素數量相關的空間分辨率。也就是說，若儀器像素數越高，像素尺寸越小，則其顯示的圖像越清晰，可搜索的距離則越遠。
擅長基於MCT（碲鎘汞）冷卻紅外檢測器技術的法國Sofradir公司，近期推出了高性能的基於10μm像距MWIR中紅外的IRST紅外搜索和跟蹤系統，可用於飛行員或士兵不論白天還是夜晚，即使是在煙或霧環境下，仍能有效識別、分辨、定位遠達10km以外的小目標。

熱成像系統
熱成像儀是利用紅外探測器和光學成像物鏡接受被測目標的紅外輻射能量分佈圖形反映到紅外探測器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖，這種熱像圖與物體表面的熱分佈場相對應。通俗地講熱像儀就是將物體發出的不可見紅外能量轉變爲可見的熱圖像。熱圖像的上面的不同顏色代表被測物體的不同溫度。

任何有溫度的物體都會發出紅外線，熱像儀就是接收物體發出的紅外線，通過有顏色的圖片來顯示被測量物表面的溫度分佈，根據溫度的微小差異來找出溫度的異常點，從而起到與維護的作用。一般也稱作紅外熱像儀。

熱像儀在最早是因爲軍事目的而得以開發，近年來迅速向民用工業領域擴展。熱像儀的應用非常廣泛，只要有溫度差異的地方都有應用。
比如：在建築領域，檢查空鼓、缺陷、瓷磚脫落、受潮、熱橋等；在消防領域可以查找火源，判定事故的起因，查找煙霧中的受傷者；公安系統可以找夜間藏匿的人；汽車生產領域可以檢測輪胎的行走性能、空調發熱絲、發動機、排氣喉等性能；醫學可以檢測鍼灸效果、早期發現鼻咽癌、乳腺癌等疾病；電力檢查電線、連接處、快關閘、變電櫃等。
紅外通信系統
採用調製後的紅外輻射光束傳輸編碼後的數據，再由硅光電二極管將收到的紅外輻射信號轉換成電信號，實現近距離通信的一種系統。具有不干擾其它鄰近設備的正常工作，特別適用於人口高密度區域的戶內通信的優點。此外，該通信系統還具有低功耗、低成本、安全可靠的特點。


其它

紅外傳感技術還廣泛用於門禁報警與控制、照明控制、火災檢測、有毒有害氣體泄漏檢測、紅外測距、採暖通風等其它綜合應用場合。在德國紐倫堡舉辦的“SENSOR+TEST”展覽會上，法國ULIS公司展出了其最新研製的、採用了最新的片上（on-chip）創新技術（如採用I2C標準接口、低功耗管理等）的紅外熱式傳感器陣列Micro80P產品。

該傳感器陣列基於有着較高可靠性的非晶硅技術，靈敏度高達80×80像距，其性能遠遠超越了在目前運動檢測器中所用的單元件或四元件熱式傳感器，大大提升了工業級紅外熱檢測傳感器的能力。

該產品不僅可以用於檢測溫度點或溫度面和探測運動，也可以實現對目標或人體活動的計數、定位和分類等功能。如在HVAC場合，可用於對房間內的人員進行計數，對房間牆壁溫度進行測量，從而對室內採暖和空調系統進行自動精細調節，實現建築物最大程度的節能降耗。


紅外傳感器的發展
隨着科學技術水平的提高、計算機微處理器技術的發展、現代數字信號處理技術的提升、新型半導體等材料的推出和加工製造工藝的進步，紅外傳感器近年發展迅猛。據國外某研究機構預測，紅外傳感器全球銷售額將會從2010年的$1.52億美元增長到2016年的2.86億美元。
近年來，紅外傳感器的發展趨勢主要體現在以下四個方面：
一是採用新型材料和處理技術，使得傳感器的紅外探測率提高，響應波長增大，響應時間縮短，像素靈敏度和像素密度更高，抗干擾性能提高，生產成本降低。如Pyreos和Irisys公司已推出薄膜和陶瓷混合的新型熱釋電敏感技術，使得敏感元件可以實現陣列化。
二是傳感器的大型化和多功能化。隨着微電子技術的發展和傳感器的應用領域的不斷擴大，紅外傳感器正從小型、單一功能，向大型化、多功能化方向發展。
如國外所研製的大型紅外傳感器（16×16到64×64像素）除可進行溫度場測量外，還可獲得先進的、小型紅外傳感器所不具有的人體探測功能（即可精確定位個人在空間中的位置，即使人不活動，也可識別出）或大型區域的安全監視等功能，十分適宜於家庭自動化、醫療保健、安全防護等場合的應用。
此外，新型多光譜傳感器的研製，也大大改善了紅外成像陣列的功能性。
三是傳感器的智能化。新型的智能紅外傳感器通常內置多個微處理器，具備傅里葉變換、小波變換等先進數字信號處理或補償功能，自診斷功能，雙向數字通信等功能，使得傳感器的穩定性、可靠性、信噪比、便利性等性能大大提高。
四是傳感器的進一步微型化、集成化。採用片上集成技術（包括盲元替代、非均勻性校正、部分圖像處理功能等）和其它新的器件結構及新的製造工藝技術，在MEMS（微機電系統），甚至基於納米科技的NEMS（納機電系統）推動下，紅外傳感器尺寸大爲縮小，功耗大大降低，集成度顯著提高。
由於紅外傳感器的優越性能，許多主流儀表研究單位和生產製造商對它的研發投入也越來越高。