Máy dò nhiệt hồng ngoạiChức năng cốt lõi là chuyển đổi bức xạ hồng ngoại vô hình (biểu hiện bên ngoài của nhiệt độ của vật thể) thành tín hiệu điện có thể định lượng được, cuối cùng tạo ra hình ảnh nhiệt. Hiệu suất của nó phụ thuộc trực tiếp vào hiệu quả của cơ chế chuyển đổi quang điện, quyết định "tín hiệu có thể được chụp chính xác hay không", sau đây được phân tích chi tiết từ chiều cốt lõi này:

Năng lượng photon của bức xạ hồng ngoại thấp hơn nhiều so với ánh sáng nhìn thấy (bước sóng thường là 1~14μm) và không thể kích thích trực tiếp chất bán dẫn để tạo ra hiệu ứng quang điện mạnh như máy dò ánh sáng nhìn thấy, do đó cần phải thực hiện chuyển đổi năng lượng thông qua các quá trình vật lý "gián tiếp hoặc trực tiếp đặc biệt". Theo nguyên tắc chuyển đổi khác nhau, máy dò hồng ngoại chính thống có thể được chia thành ba loại: loại giải phóng nhiệt, loại nhiệt kế bức xạ vi mô (MEMS) và loại photon (bẫy lượng tử/thủy ngân tellurid), có sự khác biệt về cơ bản trong cơ chế chuyển đổi của nó.

1. Máy dò loại giải phóng nhiệt: "Thay đổi nhiệt độ → Điện tích phân cực → Tín hiệu điện"

Máy dò phát hành nhiệt sử dụng các đặc tính vật lý của tinh thể phát hành nhiệt (chẳng hạn như lithium tantalat, triglyceride sulfate TGS) để thực hiện chuyển đổi, thuộc loại "phát hiện nhiệt" (trước tiên chuyển đổi bức xạ hồng ngoại thành thay đổi nhiệt độ, sau đó chuyển đổi thành tín hiệu điện), thích hợp cho hồng ngoại sóng trung và dài (3~14μm).

Quy trình chuyển đổi:

1. Hấp thụ hồng ngoại: màng đen kim loại (hấp thụ cao) trên bề mặt máy dò hấp thụ bức xạ hồng ngoại, chuyển đổi năng lượng bức xạ thành năng lượng nhiệt, dẫn đến tăng nhiệt độ tinh thể giải phóng nhiệt;

2. Thay đổi phân cực: "cường độ phân cực tự phát" của tinh thể điện giải phóng nhiệt thay đổi theo sự thay đổi nhiệt độ (cường độ phân cực giảm khi nhiệt độ tăng);

3. Tách điện tích: điện cực ở cả hai đầu của tinh thể cảm nhận điện tích phân cực, khi tốc độ thay đổi nhiệt độ (dT/dt) không bằng 0, điện tích trên điện cực sẽ tạo ra dòng chảy, tạo thành tín hiệu hiện tại yếu;

4. Đọc tín hiệu: dòng điện yếu được chuyển đổi thành tín hiệu điện áp thông qua bộ tiền khuếch đại, sau đó được xử lý thành tín hiệu điện có thể định lượng bằng mạch tiếp theo.

Các tính năng chính:

- Chỉ nhạy cảm với "thay đổi nhiệt độ" (không có tín hiệu ở nhiệt độ tĩnh), cần hợp tác với máy băm cơ khí (định kỳ che chắn bức xạ hồng ngoại, tạo ra biến động nhiệt độ) để hoạt động;

- Cấu trúc đơn giản, chi phí thấp nhưng đáp ứng chậm (bước mili giây), phù hợp cho các tình huống không đòi hỏi nhiều về tốc độ khung hình (như giám sát an ninh, sàng lọc nhiệt độ cơ thể).

2. Máy dò loại nhiệt bức xạ vi mô (Công nghệ MEMS): "Thay đổi nhiệt độ → Thay đổi điện trở → Tín hiệu điện"

Máy đo nhiệt bức xạ vi mô (Microbolometer) là công nghệ chính của máy ảnh nhiệt hồng ngoại dân dụng hiện nay (như an ninh, điện tử tiêu dùng), cũng thuộc về "phát hiện nhiệt", cốt lõi là điện trở nhiệt dựa trên cấu trúc cầu vi MEMS, phù hợp với hồng ngoại sóng dài 8~14μm.

Quy trình chuyển đổi:

1. Hấp thụ hồng ngoại và sưởi ấm: MEMS microbridge (làm bằng silicon nitride và các vật liệu cách nhiệt khác, hỗ trợ thermistor) lớp hấp thụ bề mặt (như vanadi oxit, silicon vô định hình) hấp thụ bức xạ hồng ngoại, tăng nhiệt độ (cấu trúc microbridge có thể làm giảm sự dẫn nhiệt đến cơ sở và cải thiện độ nhạy nhiệt);

2. Thay đổi điện trở: điện trở của vật liệu nhạy cảm như vanadi oxit VOx thay đổi đáng kể với nhiệt độ (hệ số nhiệt độ TCR thường là -2%~4%/K, dấu âm cho thấy giảm điện trở tăng nhiệt độ);

3. Chuyển đổi tín hiệu điện: kết nối thermistor với cầu Wheatstone (thông qua độ lệch DC), thay đổi điện trở có thể gây ra tín hiệu chênh lệch điện áp đầu ra của cầu (thay đổi điện áp có liên quan tích cực đến thay đổi nhiệt độ);

4. Đọc mảng:Máy dò nhiệt hồng ngoạiBao gồm hàng trăm nghìn hoặc thậm chí hàng triệu đơn vị microbridge tạo thành "mảng mặt phẳng tiêu điểm (FPA)", mỗi đơn vị tương ứng với một pixel của hình ảnh nhiệt, đọc tín hiệu điện áp từng điểm thông qua các mạch điều khiển hàng ngũ, được ghép thành hình ảnh nhiệt đầy đủ.

Các tính năng chính:

- Không cần chopper (có thể phát hiện nhiệt độ tĩnh trực tiếp), phản ứng nhanh hơn giải phóng nhiệt (cấp micro giây), tốc độ khung hình lên đến 30~60fps;

- Quy trình MEMS có thể thu nhỏ, chi phí thấp, nhưng sử dụng lâu dài dễ bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường (cần bù nhiệt độ).

3. Máy dò loại photon (Bẫy lượng tử/QWIP, Telluridium Mercury MCT): "Photon hồng ngoại → Carrier → Tín hiệu điện"

Máy dò loại photon trực tiếp sử dụng hiệu ứng lượng tử của chất bán dẫn để chuyển đổi các photon hồng ngoại thành cặp electron-hole (tàu sân bay), thuộc loại "thăm dò lượng tử", thích hợp cho hồng ngoại sóng ngắn và trung bình (1~5 μm), có độ nhạy và tốc độ phản ứng cao, chủ yếu được sử dụng trong các tình huống (ví dụ: quân sự, hàng không vũ trụ).

Lấy ví dụ về máy dò quang tử hồng ngoại bẫy lượng tử (QWIP) được sử dụng rộng rãi hơn, với quy trình chuyển đổi như sau:

1. Cấu trúc bẫy lượng tử: cấu trúc nhiều lớp được hình thành bởi sự tăng trưởng xen kẽ của GaAs (gallium arsenide) và AlGaAs (gallium arsenide) với dải năng lượng của lớp GaAs thấp hơn lớp AlGaAs, tạo thành một "bẫy lượng tử" (các electron bị giới hạn trong lớp GaAs và chỉ có thể chuyển đổi giữa các mức năng lượng cụ thể);

2. Hấp thụ photon so với kích thích tàu sân bay: khi năng lượng photon hồng ngoại (E=hμ, h là hằng số Planck và μ là tần số) bằng với sự khác biệt mức năng lượng của bẫy lượng tử, electron hấp thụ năng lượng photon, chuyển từ mức năng lượng thấp đến mức năng lượng cao (dây dẫn di chuyển tự do), tạo ra cặp electron-lỗ;

3. Tách và thu thập tàu sân bay: áp dụng điện áp lệch ở cả hai đầu của máy dò, điện trường làm cho các electron và lỗ di chuyển theo hướng ngược lại, tạo thành tín hiệu quang hiện tại (kích thước quang hiện tại tương quan tích cực với số lượng photon hồng ngoại tới);

4. Làm việc ở nhiệt độ thấp: Để ức chế "tàu sân bay tối" (rò rỉ hiện tại khi không có ánh sáng) do kích thích nhiệt tạo ra, máy dò loại photon cần hoạt động trong môi trường nhiệt độ thấp (thường được làm mát đến 77K/-196 ° C bằng máy làm lạnh Stirling hoặc nitơ lỏng), đảm bảo rằng chỉ các photon hồng ngoại có thể kích thích tàu sân bay.

Các tính năng chính:

- Độ nhạy cao (có thể phát hiện tín hiệu cấp photon đơn), tốc độ phản ứng nhanh (nano giây), nhưng cấu trúc phức tạp và chi phí cao, cần dựa vào hệ thống làm lạnh, thích hợp cho các tình huống đòi hỏi độ chính xác phát hiện khắt khe.