Le principe de fonctionnement du détecteur infrarouge à ondes moyennes (MWIR) est basé sur l'effet physique de l'interaction du rayonnement infrarouge avec la matière, le mécanisme de base comprend deux grandes catégories d'effets photoélectriques et thermoélectriques, en capturant le rayonnement infrarouge dans la bande de 3 à 5 μm émis par l'objet cible pour le convertir En un signal électrique mesurable. Voici une analyse hiérarchique des principes spécifiques:
I. effet photoélectrique: conversion directe des électrons excités par photons
L'effet photoélectrique est le mécanisme de fonctionnement principal des détecteurs MWIR et est particulièrement adapté aux scénarios nécessitant une vitesse de réponse élevée et une sensibilité élevée (par exemple, reconnaissance militaire, conduite autonome). Son processus de base est le suivant:
Absorption de photons
Lorsque les photons MWIR émis par l'objet cible (longueur d'onde de 3 à 5 μm) sont irradiés dans le matériau du détecteur (par exemple, Antimoniure d'indium InSb, tellure de cadmium Mercure HgCdTe), l'énergie des photons est absorbée par le matériau.
Paramètres clés: l'énergie des photons doit être supérieure à la largeur de bande interdite (eg) du matériau, par exemple la largeur de bande interdite de HgCdTe peut être ajustée en ajustant le composant CD (0,2)
Transition électronique et génération de porteurs
Après absorption des photons, les électrons du matériau passent de la bande de Valence à la bande de conduction, formant des paires électron - trou (porteurs).
Efficacité quantique: les détecteurs MWIR de haute qualité peuvent atteindre une efficacité quantique supérieure à 80%, c’est - à - dire qu’ils peuvent exciter 80 paires électron - trou pour 100 photons incidents.
Sortie de signal électrique
Les porteurs se déplacent directionnellement sous l'effet du champ électrique interne du détecteur, formant un photocourant. En mesurant la taille du photocourant, le nombre de photons entrants peut être inversé pour obtenir l'intensité du rayonnement infrarouge de l'objet cible.
Structure typique:
Type photovoltaïque (PV): utilise un champ électrique intégré à la jonction P - N pour séparer les porteurs sans polarisation externe et convient aux applications à faible consommation d'énergie (telles que les imageurs thermiques portables).
Type Guide de lumière (PC): vitesse de dérive des porteurs augmentée par polarisation externe, vitesse de réponse plus rapide, couramment utilisée pour détecter des scènes à grande vitesse.
II. Effet thermoélectrique: conversion indirecte induite par des variations de température
Détecteur infrarouge à ondes moyennesL'effet thermoélectrique génère indirectement un signal électrique par variation de température après absorption du rayonnement infrarouge par le matériau du détecteur, adapté aux détecteurs MWIR non refroidis (par exemple, détection industrielle, maison intelligente). Son processus de base est le suivant:
Absorption du rayonnement infrarouge et thermalisation
Après l'absorption du rayonnement MWIR par le matériau détecteur (par exemple, oxyde de vanadium voₓ, silicium amorphe), les vibrations moléculaires s'intensifient et la température du matériau augmente.
Capacité thermique vs temps de réponse: plus la capacité thermique du matériau est faible, plus la température change rapidement et plus le temps de réponse est court (typiquement < 10 MS).
Variation de la résistance de l'élément thermique
L'augmentation de la température entraîne des changements dans la résistance du matériau thermosensible (par exemple, la résistance voₓ diminue avec l'augmentation de la température).
Coefficient de température de résistance (TCR): le TCR du matériau thermique de haute qualité peut atteindre - 2% ~ - 5% / ℃, c'est - à - dire que chaque augmentation de température de 1 ℃, la résistance varie de 2% à 5%.
Circuit de pont et amplification de signal
L'élément sensible à la chaleur accède au circuit de pont de Wheatstone, le changement de température provoque un déséquilibre du pont, la sortie d'un signal de tension faible.
Le signal est amplifié jusqu'à une plage traitable (par exemple, l'ordre du millivolt) via un amplificateur à faible bruit (LNA) qui produit finalement une image thermique.