Détecteur de caméra thermique infrarougeLa fonction principale est de transformer le rayonnement infrarouge invisible (la manifestation extrinsèque de la température d'un objet) en un signal électrique quantifiable, qui génère finalement une image thermique. Ses performances supérieures ou inférieures dépendent directement de l'efficacité du mécanisme de conversion optoélectronique, qui détermine "si le signal peut être capturé avec précision", et les éléments suivants sont analysés en détail à partir de cette dimension centrale:

L'énergie des photons du rayonnement infrarouge est beaucoup plus faible que celle de la lumière visible (la longueur d'onde est généralement de 1 à 14 μm), il n'est pas possible d'exciter directement les semi - conducteurs comme les détecteurs de lumière visible pour produire un effet photoélectrique puissant, donc la conversion d'énergie doit être réalisée par un processus physique "indirect ou spécial direct". Selon le principe de conversion différent, les détecteurs infrarouges principaux peuvent être divisés en trois catégories de type pyroélectrique, de type microbolomètre (MEMS) et de type Photonique (puits quantiques / tellure - cadmium - Mercure), dont les mécanismes de conversion sont intrinsèquement différents.

1. Détecteur de type pyroélectrique: "changement de température → charge polarisée → signal électrique"

Les détecteurs pyroélectriques utilisent les propriétés physiques des cristaux pyroélectriques (tels que le Tantalate de lithium, le sulfate de triglycoprotéine tgs) pour réaliser la conversion, qui appartient à la catégorie de « détection thermique» (d'abord convertir le rayonnement infrarouge en changement de température, puis en signal électrique), applicable à l'infrarouge à ondes moyennes et longues (3 ~ 14 μm).

Processus de conversion:

1. Absorption infrarouge: le film noir métallique (taux d'absorption élevé) sur la surface du détecteur absorbe le rayonnement infrarouge, convertit l'énergie du rayonnement en énergie thermique, ce qui entraîne une augmentation de la température du cristal pyroélectrique;

2. Changement de polarisation: l '"intensité de polarisation spontanée" du cristal pyroélectrique change avec le changement de température (l'intensité de polarisation diminue lorsque la température augmente);

3. Séparation de charge: les électrodes aux deux extrémités du cristal induisent une charge polarisée, lorsque la vitesse de changement de température (DT / DT) n'est pas nulle, la charge sur l'électrode crée un flux, formant un signal de courant faible;

4. Lecture du signal: convertit un courant faible en un signal de tension via un préamplificateur, qui est ensuite traité par un circuit ultérieur en un signal électrique quantifiable.

Caractéristiques clés:

- sensible uniquement aux "variations de température" (température statique sans signal), il est nécessaire de travailler avec un hacheur mécanique (blocage périodique du rayonnement infrarouge, fluctuation de la température de fabrication);

- structure simple et peu coûteuse, mais vitesse de réponse plus lente (de l'ordre de la milliseconde) pour les scénarios où la fréquence d'images n'est pas très exigeante (p. ex. surveillance de la sécurité, dépistage de la température corporelle).

2. Détecteur de type microbolomètre (technologie MEMS): "changement de température → changement de résistance → signal électrique"

Le microbolomètre (microbolomètre) est la technologie courante actuelle des caméras thermiques infrarouges civiles (telles que la sécurité, l'électronique grand public), qui appartient également à la « détection thermique», le noyau est une thermistance basée sur la structure de micro - Pont MEMS, applicable à l'infrarouge à ondes longues de 8 à 14 μm.

Processus de conversion:

1. Absorption infrarouge et réchauffement: MEMS micropont (fait de nitrure de silicium et d'autres matériaux d'isolation thermique, supportant la thermistance) la couche absorbante sur la surface (par exemple, l'oxyde de vanadium, le silicium amorphe) absorbe le rayonnement infrarouge, la température augmente (la structure de micropont peut réduire la conduction de chaleur vers la base, améliorer la sensibilité thermique);

2. Changement de résistance: la résistance d'un matériau sensible à la chaleur (tel que l'oxyde de vanadium Vox) varie considérablement avec la température (le coefficient de température TCR est généralement de - 2% ~ - 4% / K, le signe négatif indique que la résistance de montée en température diminue);

3. Conversion de signal électrique: Connectez la thermistance au pont de Wheatstone (via la polarisation DC), le changement de résistance entraînera le signal de différence de tension de sortie du pont (la quantité de changement de tension est positivement corrélée avec la quantité de changement de température);

4. Lecture matricielle:Détecteur thermique infrarougeComposé de centaines de milliers voire de millions de cellules de micropont, chacune correspondant à un pixel d'une image thermique, le « Focal Plane Array (FPA) » lit le signal de tension point par point à travers un circuit de commande de rangée, assemblé en une image thermique complète.

Caractéristiques clés:

- pas besoin de hacheur (peut détecter directement la température statique), la vitesse de réponse est plus rapide que la pyroélectricité (microseconde), la fréquence d'image peut atteindre 30 ~ 60fps;

- le procédé MEMS permet une miniaturisation, un faible coût, mais une utilisation à long terme est sensible à la température ambiante (avec compensation de température).

3. Détecteur de type Photonique (puits quantiques / qwip, MCT tellure - - Mercure): "photons infrarouges → porteurs → signaux électriques"

Le détecteur de type photon utilise directement l'effet quantique du semi - conducteur pour convertir les photons infrarouges en paires électron - trou (porteurs), qui appartiennent à la catégorie de « détection quantique», convient à l'infrarouge à ondes courtes et moyennes (1 ~ 5 μm), avec une sensibilité et une vitesse de réponse élevées, principalement utilisées dans des scénarios (tels que l'armée, l'aérospatiale).

Prenons l'exemple d'un détecteur de photons infrarouge à puits quantiques (qwip) plus largement appliqué, dont le processus de conversion est le suivant:

Structure de puits quantiques: la croissance alternée de GaAs (arséniure de gallium) et d'AlGaAs (arséniure d'aluminium et de gallium) pour former une structure multicouche, la bande d'énergie de la couche de GaAs est inférieure à celle de la couche d'AlGaAs, formant un « puits quantique» (les électrons sont confinés à l'intérieur de la couche de GaAs et ne peuvent transitionner qu'à des niveaux d'énergie spécifiques);

Absorption des photons et excitation des porteurs: lorsque l'énergie des photons infrarouges (E = hν, H est la constante de Planck et ν est la fréquence) est égale à la différence d'énergie du puits quantique, les électrons absorbent l'énergie des photons, passent d'un niveau d'énergie faible à un niveau d'énergie élevé (bande de conduction mobile librement), créant une paire électron - trou;

Séparation et collecte des porteurs: une tension de polarisation est appliquée aux deux extrémités du détecteur, un champ électrique déplace les électrons et les trous dans des directions opposées, formant un signal de photocourant (la taille du photocourant est positivement corrélée au nombre de photons infrarouges incidents);

Fonctionnement à basse température: pour inhiber les « porteurs sombres» (courant de fuite en l'absence de lumière) générés par l'excitation thermique, le détecteur de type photon doit fonctionner dans un environnement à basse température (généralement refroidi à 77k / - 196 ° C par un refroidisseur Stirling ou de l'azote liquide), assurant que seuls Les photons infrarouges excitent les porteurs.

Caractéristiques clés:

- haute sensibilité (détecte un signal de niveau photon unique), vitesse de réponse rapide (niveau nanoseconde), mais structure complexe, coût élevé, nécessite un système de réfrigération et convient aux scénarios exigeants en termes de précision de détection.