Nguyên lý hoạt động của máy dò hồng ngoại sóng trung bình (MWIR) dựa trên hiệu ứng vật lý của sự tương tác giữa bức xạ hồng ngoại và vật chất, cơ chế cốt lõi bao gồm hai loại chính là hiệu ứng quang điện và hiệu ứng nhiệt điện, bằng cách bắt bức xạ hồng ngoại dải 3~5 μm phát ra từ vật thể mục tiêu, biến nó thành tín hiệu điện có thể đo được. Sau đây là phân tích phân tầng của các nguyên tắc cụ thể:

I. Hiệu ứng quang điện: photon kích thích chuyển đổi trực tiếp các electron

Hiệu ứng quang điện là cơ chế hoạt động chính của máy dò MWIR, đặc biệt thích hợp cho các tình huống đòi hỏi tốc độ phản ứng cao và độ nhạy cao (ví dụ: trinh sát quân sự, lái xe tự động). Quá trình cốt lõi của nó như sau:

Hấp thụ photon

Năng lượng photon được hấp thụ bởi vật liệu khi các photon MWIR (bước sóng 3~5 μm) phát ra từ vật thể mục tiêu được chiếu vào vật liệu dò như indium antinium InSb, tellurium cadmium thủy ngân HgCdTe.

Thông số chính: Năng lượng photon cần lớn hơn chiều rộng cấm vật liệu (Eg), chẳng hạn như chiều rộng cấm của HgCdTe có thể được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh thành phần Cd (0,2)

Chuyển tiếp điện tử và tạo tàu sân bay

Sau khi hấp thụ photon, các electron trong vật liệu chuyển từ dải giá sang dải dẫn, tạo thành cặp electron-hole (tàu sân bay).

Hiệu suất lượng tử: Máy dò MWIR chất lượng cao có thể đạt hiệu suất lượng tử hơn 80%, tức là 80 cặp electron-hole có thể được kích thích trên 100 photon tới.

Đầu ra tín hiệu điện

Các tàu sân bay di chuyển theo hướng dưới tác động của điện trường bên trong máy dò, tạo thành dòng điện quang. Bằng cách đo kích thước của dòng ánh sáng, số lượng photon phát xạ có thể được đẩy ngược, từ đó thu được cường độ bức xạ hồng ngoại của vật thể mục tiêu.

Cấu trúc tiêu biểu:

Loại quang điện (PV): Sử dụng điện trường tích hợp trong nút p-n để tách các tàu sân bay mà không cần thiên vị bên ngoài và phù hợp cho các ứng dụng năng lượng thấp (như máy ảnh nhiệt di động).

Loại dẫn ánh sáng (PC): Tăng cường tốc độ trôi của tàu sân bay với độ lệch bên ngoài, phản ứng nhanh hơn và thường được sử dụng để phát hiện cảnh ở tốc độ cao.

II. Hiệu ứng nhiệt điện: chuyển đổi gián tiếp của ổ đĩa thay đổi nhiệt độ

　　Máy dò hồng ngoại sóng trung bìnhHiệu ứng nhiệt điện gián tiếp tạo ra tín hiệu điện thông qua sự thay đổi nhiệt độ sau khi hấp thụ bức xạ hồng ngoại từ vật liệu dò, thích hợp cho các máy dò MWIR không được làm lạnh (ví dụ: phát hiện công nghiệp, nhà thông minh). Quá trình cốt lõi của nó như sau:

Hấp thụ bức xạ hồng ngoại và nhiệt hóa

Sau khi hấp thụ bức xạ MWIR bởi các vật liệu dò như vanadi oxit VOₓ, silicon vô định hình, rung động phân tử tăng lên và nhiệt độ vật liệu tăng lên.

Nhiệt dung và thời gian đáp ứng: nhiệt dung vật liệu càng nhỏ, nhiệt độ thay đổi càng nhanh, thời gian đáp ứng càng ngắn (điển hình<10ms).

Thay đổi điện trở của yếu tố nhiệt

Sự gia tăng nhiệt độ gây ra những thay đổi trong điện trở của vật liệu nhạy nhiệt (chẳng hạn như điện trở VOₓ giảm khi nhiệt độ tăng).

Hệ số nhiệt độ kháng (TCR): TCR của vật liệu nhiệt chất lượng cao có thể đạt đến -2%~5%/℃, nghĩa là mỗi lần tăng nhiệt độ 1 ℃, điện trở thay đổi 2%~5%.

Mạch cầu và khuếch đại tín hiệu

Các yếu tố nhiệt được kết nối với mạch cầu Wheatstone, và sự thay đổi nhiệt độ gây ra sự mất cân bằng cầu, đầu ra tín hiệu điện áp yếu.

Phóng to tín hiệu đến một phạm vi xử lý (chẳng hạn như mức milivolt) thông qua bộ khuếch đại tiếng ồn thấp (LNA), cuối cùng tạo ra hình ảnh nhiệt.