Как работают инфракрасные детекторы. Какие бывают типы ИК-детекторов. Где применяются ИК-сенсоры. Каковы преимущества и недостатки разных видов ИК-детекторов. Какие параметры важны при выборе ИК-детектора.
Принцип работы инфракрасных детекторов
Инфракрасные (ИК) детекторы — это устройства, предназначенные для обнаружения и измерения инфракрасного излучения. Принцип их работы основан на физическом явлении, согласно которому любое тело при температуре выше абсолютного нуля излучает электромагнитные волны в инфракрасном диапазоне.
ИК-детекторы преобразуют это невидимое глазу тепловое излучение в измеримый электрический сигнал. Это позволяет бесконтактно определять температуру объектов, обнаруживать движение, анализировать состав газов и решать множество других задач.
Основные типы инфракрасных детекторов
Существует два основных типа ИК-детекторов:
- Фотонные детекторы
- Тепловые детекторы
Фотонные детекторы напрямую преобразуют падающие ИК-фотоны в электрический сигнал. Они обладают высокой чувствительностью и быстродействием, но требуют охлаждения. Тепловые детекторы измеряют нагрев чувствительного элемента под действием ИК-излучения. Они менее чувствительны, но могут работать при комнатной температуре.

Фотонные ИК-детекторы
К основным видам фотонных ИК-детекторов относятся:
Фотопроводящие детекторы
Принцип работы основан на изменении проводимости полупроводника под действием ИК-излучения. Наиболее распространены детекторы на основе PbS, PbSe, InSb, HgCdTe.
Фотодиоды
Используют p-n переход для преобразования ИК-фотонов в электрический ток. Популярны InGaAs фотодиоды для ближнего ИК-диапазона.
Фотоэмиссионные детекторы
Основаны на внешнем фотоэффекте — эмиссии электронов из фотокатода под действием ИК-излучения. Применяются в фотоэлектронных умножителях.
Тепловые ИК-детекторы
Основные виды тепловых ИК-детекторов:
Болометры
Измеряют изменение сопротивления чувствительного элемента при нагреве ИК-излучением. Широко применяются в тепловизорах.Пироэлектрические детекторы
Используют пироэлектрический эффект — возникновение электрической поляризации при изменении температуры кристалла. Часто применяются в датчиках движения.
Термопары и термобатареи
Генерируют термоЭДС, пропорциональную разности температур между горячим и холодным спаями под действием ИК-излучения.

Ключевые параметры ИК-детекторов
При выборе ИК-детектора важно учитывать следующие характеристики:
- Спектральный диапазон чувствительности
- Обнаружительная способность
- Время отклика
- Рабочая температура
- Размер чувствительной области
- Угол обзора
Оптимальный выбор зависит от конкретной задачи и условий применения детектора.
Области применения ИК-детекторов
Инфракрасные детекторы нашли широкое применение в различных сферах:
Термография и тепловидение
ИК-камеры позволяют визуализировать распределение температуры на поверхности объектов. Это используется в строительстве, медицине, промышленности для неразрушающего контроля.
Системы безопасности
Пассивные ИК-датчики обнаруживают движение по тепловому излучению человека. Они применяются в охранных системах и автоматическом управлении освещением.
Газовый анализ
Многие газы имеют характерные линии поглощения в ИК-диапазоне. Это позволяет определять их концентрацию с помощью недисперсионных ИК-анализаторов.
Астрономия
ИК-телескопы позволяют наблюдать холодные космические объекты и заглянуть сквозь межзвездную пыль, непрозрачную для видимого света.

Преимущества и недостатки разных типов ИК-детекторов
Сравним основные достоинства и ограничения фотонных и тепловых ИК-детекторов:
Фотонные детекторы
Преимущества:
- Высокая чувствительность
- Быстрый отклик
- Узкая спектральная селективность
Недостатки:
- Необходимость глубокого охлаждения
- Высокая стоимость
- Сложность изготовления
Тепловые детекторы
Преимущества:
- Работа при комнатной температуре
- Широкий спектральный диапазон
- Простота и дешевизна
Недостатки:
- Меньшая чувствительность
- Низкое быстродействие
- Зависимость от температуры окружающей среды
Как выбрать подходящий ИК-детектор?
При выборе ИК-детектора следует учитывать несколько ключевых факторов:
Спектральный диапазон
Какова длина волны излучения, которое требуется детектировать? Это определяет выбор материала и конструкции детектора.
Требуемая чувствительность
Насколько слабые сигналы нужно регистрировать? От этого зависит выбор между фотонными и тепловыми детекторами.
Быстродействие
Какова требуемая скорость отклика? Для быстрых процессов подойдут только фотонные детекторы.

Условия эксплуатации
Каковы диапазон рабочих температур и другие условия? Это влияет на необходимость охлаждения и защиты детектора.
Стоимость
Какой бюджет доступен? Охлаждаемые фотонные детекторы значительно дороже неохлаждаемых тепловых.
Правильный выбор ИК-детектора позволит оптимально решить поставленную задачу с учетом всех требований и ограничений.
ДЕТЕКТОРЫ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Детекторы инфракрасного излучения широко используются в промышленности и исследованиях. Примером являются устройства, связанные со спектрометрией, включая мониторинг качества воздуха, состава выхлопных газов, обнаружение опасных веществ в системах противопожарной защиты, анализ химического состава, а также в диагностике заболеваний или контроле выбросов парниковых газов.
Каждое вещество по-своему поглощает электромагнитное излучение. Это явление используется в газовых датчиках, например в популярных NDIR (недисперсионных инфракрасных) сенсорах, обнаруживающих углекислый газ. Но аналогичные детекторы, использующие ИК-излучение, имеют гораздо более широкое применение. В первую очередь это устройства которые проверяют качество воздуха и состав газов, выбрасываемых промышленными предприятиями и автомобилями внутреннего сгорания. Конечно инфракрасная спектроскопия позволяет анализировать вещества без цвета и запаха, поэтому она также используется в современных системах безопасности.
Например газовая промышленность (обнаружение утечек) или горнодобывающая промышленность, где инфракрасный детектор помогает обнаруживать метан и другие опасные химические вещества.
Анализ, выполняемый с помощью инфракрасного лазерного луча, не ограничивается газами. Одной из областей применения будет проверка качества воды (водопроводные станции, очистные сооружения). Различные, но основанные на одних и тех же предположениях решения, могут быть применены в медицине (изучение кровообращения в капиллярах), микробиологии, а также метеорологии и климатологии. Детекторы инфракрасного излучения также являются ключевым элементом современной железнодорожной безопасности, где они контролируют прочность механических элементов. Оони используются в системах противопожарной защиты, в том числе в нефтехимической промышленности.
Инфракрасные детекторы VIGO System
VIGO System – лидер в производстве детекторов инфракрасного излучения, которые используются в таких областях, как онкология, астрономия и даже в НАСА. Производственный процесс основан на методе MOCVD (осаждение полупроводниковых слоев из паров металлоорганических соединений). Это позволяет изготавливать детекторы с превосходной точностью и лучшим подтверждением качества модулей, предлагаемых этим производителем, является их использование в исследовательских программах NASA и Европейского космического агентства, они в настоящее время находятся на Марсе и принадлежат бортовым приборам марсохода Curiosity и посадочного модуля Schiaparelli.
В последнее время детекторы и готовые измерительные модули на их основе можно легко приобрести в любом количестве, имеются:
- миниатюрные ИК-модули обнаружения,
- детекторы общего назначения,
- высокоскоростные детекторы,
- модули для лабораторных устройств.
Далее обзор ассортимента продукции, который включает как специализированные модули, так и универсальные решения, предназначенные для использования во многих отраслях промышленности.
Лабораторные инфракрасные детекторы LabM-I-10.

Эти модули адаптированы для лабораторных целей. Их настройка выполняется с помощью программного обеспечения Smart Manager. Пользователь может изменять такие параметры, как: усиление (до 40 дБ), диапазон (1,5, 15, 100 МГц), контроль температуры и другое. Полный диапазон обнаружения охватывает излучение от 2 до 12 мкм. Благодаря широкому спектру, модуль может использоваться для калибровки лазерных излучателей. Он также используется в производстве микросхем, мониторинге содержания глюкозы (диабетология) и стоматологии.
Инфракрасные детекторы среднего диапазона LabM-I-6
LabM-I-6 – это продукт, предназначенный в первую очередь для лабораторных работ. Он также программируется. Разница между модулями заключается в спектральном диапазоне обнаружения, который тут более избирательный, охватывает длины волн от 3 до 7,5 мкм, определяемый как средний инфракрасный диапазон, MWIR (Midwave Infrared). LabM-I-6 также обеспечивает большую полосу пропускания (до 200 МГц). Благодаря этим характеристикам детектор используется в первую очередь для анализа состава газа.
Миниатюрные ИК-модули обнаружения microM-10.6
Это миниатюрный детекторный модуль предназначенный для устройств с ограниченным пространством. Он характеризуется широким углом обзора около 85 °. Нет встроенного монитора напряжения и охлаждающей ячейки (только предусилитель, работающий в режиме постоянного тока), которые должны быть включены в конструкцию. Это универсальный продукт (калибровка лазера, измерения CO2), работающий в широком спектре (примерно 2–12 мкм), но оптимизированный для «длинного инфракрасного» (LWIR) диапазона.
Детекторы общего назначения UM-I-10.6
Эти модули имеют параметры обнаружения, аналогичные модулю microM-10.6. У них сенсорное окно из селенида цинка, покрытое антибликовым покрытием. Спектр пропускания окон изготовленных из этого соединения составляет от 2 до 22 мкм, что идеально соответствует характеристикам инфракрасных детекторов. Модули имеют монтажный кронштейн, разъем питания (от 2,5 до 5,5 В, типовое 5 В DC), выходной разъем (сигнал переменного тока подается на коаксиальный разъем SMA) и разъем для контроля напряжения питания предусилителя для точной компенсации смещения. Для охлаждения модуля стоит термопара, снабженная радиатором и вентилятором (питание от того же источника что и схема детектора).
Сверхбыстрые инфракрасные детекторы UHSM-10.6, UHSM-I-10.6
UHSM-10.6 – это детектор с частотой 1 ГГц, оптимизированный для излучения 10,6 мкм. Он предназначен для лазерного измерения расстояний, 3D-сканирования и интерферометрии. Таким образом, это подходящее решение для ряда областей: от коммуникации через точный контроль качества в промышленности до научных приборов в таких дисциплинах, как: метрология, сейсмология, астрономия, химия. Детекторы с этой характеристикой используются в спектроскопии с использованием двух оптических гребенок (двойная гребенчатая спектроскопия).
Модули ИК детекторов UHSM-I-10.6
В случае модели UHSM-I-10.6, параметры и область применения аналогичны. Фотоэлектрический детектор встроен в микрообъектив («I» в символе означает «погруженный»). Это позволило обеспечить высокое отношение сигнал / шум (SNR) с полосой пропускания 700 МГц и углом луча (от 80 ° до 36 °).
Схема простейшего ИК детектора
И в завершение обзора приводим самодельную конструкцию простого детектора инфракрасного излучения с исполнительным реле.
При отсутствии излучения на фототранзистор Q1 реле К1 находится в нормально разомкнутом состоянии. Чувствительность устройства определяется параметрами D1, Q1, R2 и конструкцией ИК датчика.
Приборы ИК-диапазона
ИК поддиапазоны:
- Ближний ИК (англ. near IR, сокращённо NIR ): 0.78 — 1 мкм;
- Коротковолновый ИК (англ. short wavelength IR, сокращённо SWIR ): 1 — 3 мкм;
- Средневолновый ИК (англ. medium wavelength IR, сокращённо MWIR ): 3 — 6 мкм;
- Длинноволновый ИК (англ. long wavelength IR, сокращённо LWIR ): 6 — 15 мкм;
- Сверхдлиннволновый ИК (англ. very long wavelength IR, сокращённо VLWIR ): 15 — 1000 мкм.
Инфракрасный спектральный диапазон 0,78 — 3 мкм применяется в ВОЛС (сокр. от волоконно-оптическая линия связи), приборах внешнего наблюдения за объектами и аппаратуре для проведения химического анализа.
Все ИК-приборы разрабатываются в соответствии с графиком пропускания ИК излучения, который приведён ниже.
Существует два типа ИК детекторов:
- Фотонные. Чувствительные элементы состоят из полупроводников различных типов, а так же могут включать в свою структуру различные металлы, принцип их работы основан на поглощении фотонов носителями заряда, в результате чего изменяются электрические параметры чувствительной области, а именно: изменение сопротивления, возникновение разности потенциалов, фототока и др.
- Тепловые. ИК излучение поглощается чувствительной областью сенсора, нагревая её до некоторой температуры, что приводит к изменению физических параметров. Данные отклонения которые могут быть зарегистрированы измеряющими схемами, выполненными непосредственно на одной подложке с фоточувствительной областью. Описанные выше типы датчиков имеют высокую инерционность, значительное время отклика и относительно низкую чувствительность, в сравнении с фотонными детекторами.
По типу используемого полупроводника датчики разделяются на:
- Собственный (нелегированный полупроводник с равной концентрацией дырок и элеткронов).
- Примесный (легированный полупроводник n- или p-типа).
Основным материалом всех фоточувствительных сенсоров является кремний или германий, которые могут быть легированы различными примесями бора, мышьяка, галлия и др. Примесный фоточувствительный датчик схож с собственным детектором, с той лишь разницей что носители с донорных и акцепторных уровней могут перемещаться в зону проводимости преодолевая более низкий энергетический барьер, вследствие чего данный детектор может работать с более короткими длинами волн, чем собственный.
Типы конструкций детекторов:
Фотовольтаический. Под воздействием ИК излучения в электронно-дырочном переходе возникает фотовольтаический эффект: фотоны с энергией, превышающей ширину запрещённой зоны, поглощаются электронами, в результате чего они занимают места в зоне проводимости, способствуя тем самым возникновению фототока. Детектор может быть выполнен на основе как примесного так и собственного полупроводника.
Фоторезистивный. Чувствительным элементом сенсора является полупроводник, принцип работы данного датчика основан на эффекте изменения сопротивления проводящего материала под воздействием ИК излучения. Свободные носители заряда, генерируемые фотонами в чувствительной области, приводят к уменьшению её сопротивления. Сенсор может быть выполнен на основе как примесного так и собственного полупроводника.
Фотоэмиссионный, он же «детектор на свободных носителях» или на барьере Шоттки.; Чтобы избавиться от необходимости глубокого охлаждения примесных полупроводников, и в некоторых случаях достичь чувствительности в более длинноволновом диапазоне, существует третий тип детекторов, называемых фотоэмиссионными. В датчиках данного типа металлическая или металло-кремниевая структура покрывает примесный кремний. Свободный электрон, который образуется в результате взаимодействия с фотоном, попадает из проводника в кремний. Преимуществом такого детектора является отсутствие зависимости отклика от характеристик полупроводника.
Фотодетектор на квантовой яме. Принцип действия схож с примесными детекторами, в которых примеси используются для изменения структуры запрещённой зоны. Но в данном типе детектора примеси сконцентрированы в микроскопических областях где ширина запрещенной зоны значительно сужена. Образованная таким образом «яма» называется квантовой. Регистрация фотонов происходит, за счет поглощения и образования зарядов в квантовой яме, которые затем вытягиваются полем в другую область. Такой детектор намного чувствительнее по сравнению с другими типами, так как целая квантовая яма — это не отдельный атом примеси, а от десяти до ста атомов на единице площади. Благодаря этому можно говорить о достаточно высокой эффективной площади поглощения.
Термопары. Основным элементом данного устройства является контактная пара двух металлов с различной работой выхода, в результате чего на границе возникает разность потенциалов. Это напряжение пропорционально температуре контакта.
Пироэлектрические детекторы изготовлены с использованием пироэлектрических материалов и принцип работы которых основан на возникновении заряда в пироэлектрике при прохождении через него теплового потока.
Микробалочные детекторы. Состоит из микробалки и проводящего основания, которые выполняют роль обкладок конденсатора, микробалка сформирована из двух плотно соединённых металлических частей, имеющих разные коэффициенты теплового расширения. При нагреве балка изгибается и изменяет ёмкость структуры.
Болометры (Терморезисторы) состоят из терморезистивного материала, в основе принципа работы данного сенсора поглощение ИК излучения материалом чувствительного элемента, что приводит к увеличению его температуры, что в свою очередь вызывает изменение электрического сопротивления. Есть два пути снятия информации: измерение тока, протекающего в чувствительной области, при постоянном напряжении и измерение напряжения при постоянном токе.
Основные параметры
Чувствительность — отношение изменения электрической величины на выходе приёмника излучения, вызванного падающим на него излучением, к количественной характеристике этого излучения. В/лк-с.
Интегральная чувствительность — чувствительность к немонохроматическому излучению заданного спектрального состава. Измеряется в А/лм.
Спектральная чувствительность — зависимость чувствительности от длины волны излучения.
Обнаружительная способность — величина обратная величние минимального потока излучения, который вызывает на выходе сигнал, равный собственному шуму. Она обратно пропорциональна квадратному корню из площади примёмника излучения. Измеряется в 1/Вт.
Удельная обнаружительная способность — Обнаружительная способность умноженная на корень квадратный из произведения полосы частот в 1 Гц и площадь в 1 см2. Измеряется в см*Гц1/2/Вт.
Время отклика — время, необходимое для установления сигнала на выходе, соответствующего входному воздействию. Измеряется в миллисекундах.
Рабочая температура — максимальная температура сенсора и окружающей среды, при которой сенсор имеет возможность правильно выполнять свои функции. Измеряется в °C.
Параметр |
Фотонный детектор |
Тепловой детектор |
Чувствительность |
Высокая |
Низкая |
Интегральная чувствительность |
Средняя |
Высокая |
Спектральная чувствительность |
Узкая и избирательная |
Широкая и однородная |
Время отклика |
Малое |
Значительное |
Рабочая температура |
Криогенная |
Комнатная |
Стоимость |
Высокая |
Низкая |
Прочие требования |
Система охлаждения |
Затвор |
Применение:
- Космические системы наблюдения;
- Система обнаружения стартов МБР;
- В бесконтактных термометрах;
- В датчиках движения;
- В ИК спектрометрах;
- В приборах ночного видения;
- В головках самонаведения.
Инфракрасные детекторы | Хамамацу Фотоникс
Чтобы использовать все доступные функции на этом сайте, в вашем браузере должен быть включен JavaScript.
Кампания по специальной цене!
В течение ограниченного времени Термобатарея T15770 продается по специальной цене, независимо от количества заказов.
Для получения подробной информации, пожалуйста, используйте веб-форму запроса или свяжитесь с нашим офисом продаж.
Фотодиоды InGaAs для обнаружения света в ближнем инфракрасном диапазоне. Особенности включают высокую скорость, высокую чувствительность, низкий уровень шума и спектральные характеристики в диапазоне от 0,5 мкм до 2,6 мкм.
Линейки InGaAs и фотодиоды сегментного типа.
InGaAs APD обеспечивают высокую чувствительность в ближнем инфракрасном диапазоне для обнаружения при слабом освещении на высоких скоростях.
Высокоскоростные инфракрасные детекторы с низким уровнем шума, способные обнаруживать инфракрасный свет длиной примерно до 3,5 мкм.
Высокоскоростные малошумящие инфракрасные детекторы, обеспечивающие высокую чувствительность в атмосферном окне в диапазоне 3–5 мкм. Инфракрасный свет в диапазоне 5 мкм может быть обнаружен с максимальной чувствительностью и высокой скоростью отклика.
Фотогальванические детекторы InAsSb обеспечивают высокую чувствительность в пределах 5 мкм, 8 мкм и 11 мкм.
Массив из 16, 46 элементов, способный обнаруживать диапазон до 5 мкм.
Инфракрасный детектор на сверхрешетке типа II с чувствительностью, расширенной до диапазона 14 мкм, с использованием уникальной технологии выращивания кристаллов Hamamatsu и технологического процесса.
Сверхбыстрый фотоприемник среднего инфракрасного диапазона с полосой отклика более 20 ГГц.
Недорогие датчики, генерирующие термоэлектродвижущую силу, пропорциональную уровню энергии падающего инфракрасного света. Концентрацию различных типов газов можно измерить, прикрепив полосовой фильтр к детекторам на термобатареях.
Детекторы с одним датчиком, установленным над вторым датчиком вдоль той же оптической оси, чтобы обеспечить широкий спектральный диапазон отклика.
Компактные модули, содержащие инфракрасный детектор и предусилитель. Термоэлектрическое охлаждение и охлаждение жидким азотом доступны для приложений, требующих низкого уровня шума.
Модули инфракрасного обнаружения.
Усилители, регуляторы температуры и радиаторы.
Комплектация «Приборы для измерения газа» уже доступна!
Hamamatsu предлагает широкий ассортимент источников света и детекторов, необходимых для оптических измерений газа. В этом документе представлены подходящие продукты и примеры применения для каждого метода измерения.
Инфракрасный детектор — ИК-детектор
Принцип инфракрасного излучения
Принцип инфракрасного излучения основан на физическом явлении, согласно которому любое тело при температуре выше абсолютного нуля (-273,15 °C) излучает электромагнитное излучение. Существует четкая корреляция между поверхностью тела и интенсивностью и спектральным составом испускаемого им излучения. Таким образом, определяя интенсивность его излучения, можно бесконтактным способом определить температуру объекта.
Инфракрасное излучение – это та часть электромагнитного спектра, которая непосредственно примыкает к красному свету (инфракрасному свету) длиной прибл. 760 нм на длинноволновой стороне видимого спектра и простирается до длины волны прибл. 1 мм.
Преимущества пироэлектрических инфракрасных детекторов компании InfraTec
Являясь частью семейства тепловых детекторов, пироэлектрический детектор, в отличие от полупроводниковых детекторов (InGaAs, PbS, PbSe), оснащен высокоэффективным поглощающим черным слоем и, таким образом, имеет чрезвычайно широкая, спектрально и латерально однородная чувствительность. Полупроводниковые детекторы обеспечивают более высокую удельную обнаруживающую способность, чем пироэлектрические инфракрасные детекторы, при работе в диапазоне длин волн до 3 мкм при комнатной температуре.
По сравнению с детекторами на термоэлементах, которые также могут обнаруживать длинноволновое инфракрасное излучение при комнатной температуре, пироэлектрический инфракрасный детектор InfraTec работает намного быстрее и работает со значительно более высоким напряжением сигнала даже без дополнительного предварительного усиления. Оптимальными условиями для пироэлектрических детекторов являются длины волн от 2,5 до 25 мкм и частоты модуляции от 0,5 до 400 Гц.
Пироэлектрические инфракрасные датчики InfraTec используют специальные черные слои для поглощения и поэтому могут использоваться даже в качестве крупномасштабных долговременно стабильных приемников УФ-излучения (т.е. 193 нм), но также может использоваться для терагерцового излучения в диапазоне от 100 мкм до 1 мм.
Предложение инфракрасных детекторов
- Высокая гибкость в отношении измеряемых веществ
- Применение хемометрических методов для многокомпонентного анализа
- Измерение известных составов с перекрывающимися полосами
- Идентификация неизвестных веществ
- Экономичный, надежный и миниатюрный решение
Инфракрасный детектор в использовании
Пироэлектрические инфракрасные извещатели чаще всего используются для обнаружения движения. Обычно для этой цели достаточно недорогих пироэлектрических керамических датчиков. Другие области применения включают недисперсионный анализ газа в инфракрасном диапазоне (анализ газа NDIR), а также обнаружение и мониторинг пламени в инфракрасном диапазоне. В этих областях в качестве пироэлектрического материала используется в основном высококачественный монокристаллический танталат лития (LiTaO3). Это также обеспечивает долговременную стабильную работу при большом соотношении сигнал/шум. Возможно также использование пироэлектрических инфракрасных детекторов для спектроскопии или радиометрии.
Совершенство производства
Все этапы разработки и производства происходят в нашем главном здании в Дрездене, начиная с разработки и моделирования и заканчивая проектированием и прототипированием, а также серийным производством детекторов. Технологии проектируются с резервированием и производят полный внутренний технологический процесс. PVD, соединение чипов и проводов, а также измерения продукта автоматизированы, что исключает варианты ручного производства. Это приводит к неизменно высокому качеству во всех областях, даже при самых требовательных процессах производства и испытаний.
В пироэлектрических инфракрасных детекторах InfraTec в качестве полиэлектрического материала используются полированные двухсторонние монокристаллы LiTaO3, которые благодаря особому процессу позволяют производить очень тонкие (25 мкм), высокочувствительные пироэлектрические чипы с низким уровнем шума в автоматизированном периодическом процессе.