红外传感技术.doc

1 概述
　　物联网最初是以美国麻省理工学院Auto—ID中心研究的产品电子代码为核心,利用射频识别、无线数据通信等技术,基于计算机互联网构造的实物互联网。简单地说,物联网就是将各种信息传感设备如射频识别装置、红外感应器等与互联网结合形成的一个巨大网络,让相关物品都与网络连接在一起,以实现物品的自动识别和信息的互联共享。
　　射频识别（RFID）技术目前已经很成熟，射频识别系统阅读器发送的频率基本上划归三个范围：（1）低频（30kHz～300kHz）；（2）中高频（3MHz～30MHz）；（3）超高频（300MHz～3GHz）或微波（>3GHz）。虽然理论上无线电频谱是无限的，但是在实际的制造技术中，在某一个时间段里面可以使用频率资源是有限的，各个无线电系统之间如何区别，而目前我们生活中无线电使用又非常多，这个数字会越来越大，也同时使有限的频谱中更加拥挤。物联网中的无线电设备都需要使用频率资源，大量使用将会给频率，频谱管理带来很大的挑战。因此，迫切需要开发包括红外技术在内的更多技术，来代替物联网终端的通信。
　　红外线是波长在750nm至1mm之间的电磁波，它的频率高于微波而低于可见光，是一种人的眼睛看不到的光线。红外通信一般采用红外波段内的近红外线，波长在0.75μm~25μm之间。由于红外线的波长较短，对障°-物的衍射能力差，适合于短距离、方向性强的无线通讯场合。红外线通信是一种廉价、近距离、无线、低功耗、保密性强的通讯方案，主要应用于近距离的无线数据传输，也有用于近距离无线网络接入的。
　　2 红外传感原理
　　红外技术发展到现在，已经为大家所熟知，这种技术已经在现代科技、国防和工农业等领域获得了广泛的应用。红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按照功能能够分成五类：（1）辐射计，用于辐射和光谱测量；（2）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；（3）热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像；（4）红外测距和通信系统；（5）混合系统，是指以上各类系统中的两个或者多个的组合。
　　2.1 红外探测机理
　　不同种类的物体发射出的红外光波段是有其特定波段的，该波段的红外光处在可见光波段之外。因此人们可以利用这种特定波段的红外光来实现对物体目标的探测与跟踪。将不可见的红外辐射光探测出并将其转换为可测量的信号的技术就是红外探测技术。从目前应用的情况来看，红外探测有如下几个优点：环境适应性优于可见光，尤其是在夜间和恶劣天候下的工作能力；隐蔽性好，一般都是被动接收目标的信号，比雷达和激光探测安全且保密性强，不易被干扰；由于是对目标和背景之间的温差和发射率差形成的红外辐射特性进行探测，因而识别伪装目标的能力优于可见光；与雷达系统相比，红外系统的体积小，重量轻，功耗低；探测器的光谱响应从短波扩展到长波；探测器从单元发展到多元、从多元发展到焦平面；发展了种类繁多的探测器和系统；从单波段探测向多波段探测发展；从制冷型探测器发展到室温探测器；由于红外探测技术有其独特的优点从而使其在军事国防和民用领域得到了广泛的研究和应用，尤其是在军事需求的牵引和相关技术发展的推动下，作为高新技术的红外探测技术在未来的应用将更加广泛，地位更加重要。红外探测器是将不可见的红外辐射能转变成其它易于测量的能量形式的能量转化器，作为红外整机系统的核心关键部件，红外探测器的研究始终是红外物理与技术发展的中心。自1800年Herschel发现太阳光谱中的红外线时所用的涂黑水银温度计为最早的红外探测器以来，随着红外实验和理论的发展，新器件不断涌现。红外探测器制备涉及物理、材料、化学、机械、微电子、计算机等多学科，是一门综合科学。
　　（1）热探测器:
　　热探测器吸收红外辐射后，温度升高，可以使探测材料产生温差电动势、电阻率变化，自发极化强度变化，或者气体体积与压强变化等，测量这些物理性能的变化就可以测定被吸收的红外辐射能量或功率。分别利用上述不同性能可制成多种热探测器：
　　①液态的水银温度计及气动的高莱池（Golay cell）：利用了材料的热胀冷缩效应。
　　②热电偶和热电堆：利用了温度梯度可使不同材料间产生温差电动势的温差电效应。
　　③石英共振器非制冷红外成像列阵：利用共振频率对温度敏感的原理来实现红外探测
　　④测辐射热计：利用材料的电阻或介电常数的热敏效应—辐射引起温升
　　改变材料电阻—用以探测热辐射。因半导体电阻有高的温度系数而应用最多，测温辐射热计常称“热敏电阻”。另外，由于高温超导材料出现，利用转变温度附近电阻陡变的超导探测器引起重视。如果室温超导成为现实，将是21世纪最引人注目的一类探测器；
　　⑤热释电探测器：有些晶体，如硫酸三甘酞、铌酸锶钡等，当受到红外辐射照射温度升高时，引起自发极化强度变化，结果在垂直于自发极化方向的晶体两个外表面之间产生微小电压，由此能测量红外辐射的功率。
　　（2）光子探测器
　　光子探测器吸收光子后，本身发生电子状态的改变，从而引起内光电效应和外光电效应等光子效应，从光子效应的大小可以测定被吸收的光子数。
　　①光电导探测器：又称光敏电阻。半导体吸收能量足够大的光子后，体内一些载流子从束缚态转变为自由态，从而使半导体电导率增大，这种现象称为光电导效应。利用光电导效应制成的光电导探测器分为多晶薄膜型和单晶型两种。
　　②光伏探测器：主要利用p-n结的光生伏特效应。能量大于禁带宽度的红外光子在结区及其附近激发电子空穴对。存在的结电场使空穴进入p区，电子进入n区，两部分出现电位差，外电路就有电压或电流信号。与光电导探测器比较，光伏探测器背景限探测率大40%，不需要外加偏置电场和负载电阻，不消耗功率，有高的阻抗。
　　③光发射-Schottky势垒探测器：金属和半导体接触，形成Schottky势垒，红外光子透过Si层被PtSi吸收，使电子获得能量跃迁至费米能级，留下空穴越过势垒进入Si衬底，PtSi层的电子被收集，完成红外探测。
　　④量子阱探测器（QWIP）：将两种半导体材料用人工方法薄层交替生长形成超晶格，在其界面有能带突变，使得电子和空穴被限制在低势能阱内，从而能量量子化形成量子阱。利用量子阱中能级电子跃迁原理可以做红外探测器。因入射辐射中只有垂直于超晶格生长面的电极化矢量起作用，光子利用率低；量子阱中基态电子浓度受掺杂限制，量子效率不高；响应光谱区，低温要求苛刻。

一、成果简介
本项目为我国带来自己的红外芯片技术，并已开发出接近产品性能的热像仪，打破了美国对中国的芯片禁运和技术封锁，以及欧洲在中国市场的芯片垄断。更重要的是，本项目的红外芯片开创了光读出的新一代热像仪，芯片的成本大大降低，系统的设计大大简化，将热像仪的生产成本降到与普通摄像机接近，这一优势使得本技术有能力在全球范围内与FLIR等红外巨头竞争。
二、技术指标
本项目的技术采用一种新颖的光读出方法，通过芯片将红外信号转换为可见光信号，用成熟的CCD和CMOS成像系统来观察可见光信号，从而得到热图像。这种做法的好处是红外芯片是一个信号转换器，不需要读出电路，因此生产成本低。信号读出通过传统的CCD或CMOS芯片，其本身和后端的信号读出和处理已非常成熟，不需要专门设计。这样，芯片和系统的价格都大大降低了。并且，本项目发明的芯片灵敏度高，响应时间短，已成功制造出性能远高于国内各大研究所的红外成像芯片，并取得了优质的视频录像，在光读出的热像仪领域世界领先。本项目已进入产品开发阶段和芯片性能的进一步提高。
三、应用说明
任何物体都有热辐射，即红外辐射。热像仪探测物体的热辐射，并将景物的温度分布形成视频图像，因此在全黑的情况下也能清晰成像。热像仪具有很高的军事和民用价值。在军事上可用于夜视侦查、武器瞄具、搜索跟踪、卫星遥感、导弹定位等；在民用方面，用于安防、汽车夜视、消防、无接触全景测温(电力、煤炭、石油化工等)、建筑缺陷检测、设备诊断、生产监控、自动测试等。
热像仪的发展始于美国，最开始应用于军事领域的夜视仪，其使用的致冷技术技术难度大，一台热像仪的售价可高达100万美元。图1为美国FLIR公司热像仪在全黑的情况下摄取的夜视图。随着非制冷红外技术的发展，热像仪的价格大大下降，目前零售价在1万美元左右，因而在民用领域开始得到广泛的应用。例如在2006年，美国FILR公司取得了宝马公司为其新款7系列轿车配备热像夜视仪的批量订单。2006年全球民用热像仪的销售额为16.3亿美元，同比增长17.35%。据美国权威的红外热像仪咨询公司Maxtech International 的预测，未来5年全球民用红外热像仪市场需求年均增长率为15%，到2012年，全球民用红外热像仪的市场需求将达到40亿美元。
随着我国经济、社会的快速发展，热像仪行业具有巨大的发展空间。仅我国军队的热像仪需求量就达200多亿元。长期来看，民用市场的潜在需求巨大。比如，由于红外成像的透烟雾及测温特性，热像仪广泛用于消防的火场搜索和救生设备。目前在发达国家，消防车配备热像仪已成为一种趋势。据统计，我国消防行业的热像仪市场可达15亿元。电力行业是目前我国民用红外热像仪应用最多的行业。热像仪在电力系统中的主要检测目标是发电机组装置、输电线路接头、绝缘部件、变电所设备、各种开关、电路分配调度中心等。图2 是热像仪对输电系统监测的温度分布图，观测到一个接头温度异常。区别于单点测温的方法，热像仪每幅图像包含几万到几十万个点的温度信息，可用于全景测温。作为最成熟、最有效的电力在线检测手段，热像仪能早期发现隐患或迅速诊断出事地点，大大提高了供电设备运行的可靠性，因而大大减少了经济损失。据统计，我国电力行业热像仪的总需求量约为15亿元。
另外，热像仪还可用于建筑，制造业，安防，医疗，边防，交通，环境监测，节能，警用等领域。从长期来看，中国热像仪市场的潜在需求可达500亿元，年均增长率可达到20%。
近年来，我国热像仪市场需求快速增长，良好的发展前景吸引了许多资本进入该行业。目前我国热像仪的大部分企业的研发实力弱，品牌影响力小，许多企业实际上是国外产品的代理商或者是组装商。这些公司都缺乏热像仪的核心技术：用于热成像的红外传感芯片。由于美国对其他国家，包括中国，实施严格的芯片和技术出口禁运，中国的热像仪公司只能从欧洲进口芯片。进货渠道单一，价格昂贵。
四、合作方式
传统热像仪从技术到市场都是非常专门的领域，本项目的革新技术使产品和市场的开发完全不同于以往。本项目的核心芯片把红外信号转换为可见光信号，然后用可见光相机观察得到图像，籍此与成熟强大的可见光相机工业相结合。计划与工业照相机和安全监控照相机厂商紧密合作共同开发热像仪，结合其成熟的技术和销售渠道，开发周期短，进入市场快，成本低计划在2009年开始销售，实现1000万元销售额。2010年实现盈利。2011年达到3亿元销售额，包括上述三种产品，约占全球民用热像仪市场的百分之一，全国民用热像仪销售总额的十分之一。公司目标是在2013年占据全球民用市场的百分之四，约12亿元的市场份额。

任何温度高于绝对零度的物体，都会向外部空间以红外线的方式辐射能量。利用红外辐射实现相关物理量测量的传感技术，即为红外传感技术。
红外传感器技术是近年来发展最快的技术之一，红外传感器目前已广泛应用于航空航天、天文、气象、军事、工业和民用等众多领域，起着不可替代的重要作用。红外线，实质上是一种电磁辐射波，其波长范围大致在0.78m～1000m频谱范围内，因其是位于可见光中红光以外的光线，故而得名为红外线。任何温度高于绝对零度的物体，都会向外部空间以红外线的方式辐射能量。利用红外辐射实现相关物理量测量的传感技术，即为红外传感技术。
光子式红外传感器是利用红外辐射的光子效应而进行工作的传感器。所谓光子效应，是指当有红外线入射到某些半导体材料上时，红外辐射中的光子流与半导体材料中的电子相互作用，改变了电子的能量状态，从而引起各种电学现象。通过测量半导体材料中电子性质的变化，就可以知道相应红外辐射的强弱。光子探测器类型主要有内光电探测器、外光电探测器、自由载流子式探测器、QWIP量子阱式探测器等。内光电探测器又细分为光电导型、光生伏特型和光磁电等类型。光子探测器的主要特点是灵敏度高、响应速度快，具有较高的响应频率，但缺点是探测波段较窄，一般工作于低温(为保持高灵敏度，常采用液氮或温差电制冷等方式，将光子探测器冷却至较低的工作温度)。
基于红外光谱技术的成分分析仪表，具有绿色、快速、非破坏、在线等特点，是分析化学领域迅猛发展的高新分析技术之一。许多由非对称双原子和多原子所构成的气体分子，在红外辐射波段都有相应的吸收带，且因其被测对象所含分子的不同，吸收带所在的波长和吸收的强弱也不相同。根据各类气体分子吸收带分布情况及吸收的强弱，可以识别出被测对象中所含气体分子的组成及含量。红外气体分析仪即是采用红外光照射被测介质，并根据各类分子介质的红外吸收特性，利用气体的红外吸收光谱特征，通过对光谱分析而实现气体组分或浓度分析的。
利用近红外光谱对羟基、水、碳酸盐以及Al-OH、Mg-OH和Fe-OH等分子键非常敏感的特性，通过对目标对象的红外照射来获得其诊断性光谱，然后对光谱波长位置、深度和宽度进行测量分析，即可获取其种属、组分和主要金属元素比值等，从而实现对固体等介质的成分分析。

红外传感器技术是近年来发展最快的技术之一，红外传感器目前已广泛应用于航空航天、天文、气象、军事、工业和民用等众多领域，起着不可替代的重要作用。 红外红，实质上是一种电磁辐射波其波长范围大致在0.78μm～1000μm频谱范围内，因其是位于可见光中红光以外的光线，故而得名为红外线。任何温度高于绝对零度的物体，都会向外部空间以红外线的方式辐射能量。利用红外辐射实现相关物理量测量的传感技术，即为红外传感技术。
按检测机理不同，通常将红外传感器
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分为热式和光子式(也称量子式)两大类。热式是利用红外辐射的热效应，即当热式传感器的敏感元件吸收所入射的红外辐射后，其温度随之变化，进而使敏感元件的相关物理参数发生相应变化，通过对这些物理参数及其变化的测量就可确定传感器所吸收的红外辐射量。热式传感器主要优点是：响应波段达整个红外区域，可以在常温下工作，轻便可靠，成本较低，使用简单方便等。但其不足之处是响应时间相对较长(ms级)，灵敏度较低，一般用于低频调制的场合。常用的热式红外传感器类型主要有热敏电阻/(微)辐射热计型、热电偶/热电堆型、高莱气动型和热释电型等。其中，热释电型的敏感元件通常采用具有热释电效应的晶体材料，具有检测效率最高，频率响应最宽，能探测辐射信号的快速变化等显著优点，故该类传感器发展较快，应用范围也较广。
光子式红外传感器是利用红外辐射的光子效应而进行工作的传感器
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。所谓光子效应，是指当有红外线入射到某些半导体材料上时，红外辐射中的光子流与半导体材料中的电子相互作用，改变了电子的能量状态，从而引起各种电学现象。通过测量半导体材料中电子性质的变化，就可以知道相应红外辐射的强弱。光子探测器类型主要有内光电探测器、外光电探测器、自由载流子式探测器、QWIP量子阱式探测器等。内光电探测器又细分为光电导型、光生伏特型和光磁电等类型。光子探测器的主要特点是灵敏度高、响应速度快，具有较高的响应频率，但缺点是探测波段较窄，一般工作于低温(为保持高灵敏度，常采用液氮或温差电制冷等方式，将光子探测器冷却至较低的工作温度)。
按照红外传感器应用功能、场所的不同，大体可将其应用分成以下几类：
辐射量、光谱测量：该类测量仪器用途广泛，如基于中红外辐射测量的地面辐射强度计，可用于如全球变暖等的气候变化观察;基于远红外辐射测量的红外空间望远镜，可用于宇宙天体天文观察;配带红外光谱扫描辐射仪的气象卫星，可实现对云层等的气象观察分析。在工矿企业中，应用较多的是基于辐射量测量的红外温度计和基于红外光谱测量的红外分析仪。 按照斯蒂芬-玻尔兹曼定律，物体红外辐射的强度与物体的温度和辐射率相关。依此制成的红外温度计，属比较先进的测温方法，具有诸多优点：适用于远距离和非接触测量，可以测量高速运动物体、带电物体、腐蚀介质、高温或高压物体或介质的温度;因其测量不需要热平衡过程，故其响应速度快，一般在毫秒级，甚至微秒级;因为物体红外辐射的强度与物体温度的四次方成正比，因而物体温度微小变化，都会引起辐射能量成倍变化，因而其测温灵敏度高;由于测量的非接触性，故不会破坏实测对象原先温度场分布状况，因而其测出温度失真较小;可以测量从摄氏零下几十度到零上几千度的温度，因而其测温范围非常广泛。
基于红外光谱技术的成分分析仪表，具有“绿色、快速、非破坏、在线”等特点，是分析化学领域迅猛发展的高新分析技术之一。许多由非对称双原子和多原子所构成的气体分子，在红外辐射波段都有相应的吸收带，且因其被测对象所含分子的不同，吸收带所在的波长和吸收的强弱也不相同。根据各类气体分子吸收带分布情况及吸收的强弱，可以识别出被测对象中所含气体分子的组成及含量。红外气体分析仪即是采用红外光照射被测介质，并根据各类分子介质的红外吸收特性，利用气体的红外吸收光谱特征，通过对光谱分析而实现气体组分或浓度分析的。
利用近红外光谱对羟基、水、碳酸盐以及Al-OH、Mg-OH 和Fe-OH 等分子键非常敏感的特性，通过对目标对象的红外照射来获得其诊断性光谱，然后对光谱波长位置、深度和宽度进行测量分析即可获取其种属、组分和主要金属元素比值等，从而实现对固体等介质的成分分析。
搜索和跟踪系统：是基于目标所发出的处于红外光谱范围内的电磁辐射波，来搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置，并对其运动轨迹进行跟踪的系统。红外搜索跟踪器的图像品质取决于与像素大小和像素数量相关的空间分辨率。也就是说，若仪器像素数越高，像素尺寸越小，则其显示的图像越清晰，可搜索的距离则越远。
热成像系统：通过热成像仪以非接触方式探测被测目标所释放的红外辐射能量，能形成整个目标的红外辐射分布(即温度分布)图像，以便分析、研究目标物体的结构，探测其内部缺陷或工作状况，进而进行故障诊断分析等。微辐射热计热式红外技术是红外热成像仪中应用最多的技术，由其构成的热成像仪的图像分辨率超过10000像素。
红外通信系统：是采用调制后的红外辐射光束传输编码后的数据，再由硅光电二极管将收到的红外辐射信号转换成电信号，实现近距离通信的一种系统。具有不干扰其它邻近设备的正常工作，特别适用于人口高密度区域的户内通信的优点。此外，该通信系统还具有低功耗、低成本、安全可靠的特点。
其它，红外传感技术还广泛用于门禁报警与控制、照明控制、火灾检测、有毒有害气体泄漏检测、红外测距、采暖通风等其它综合应用场合。