看一条两年前的信息：据悉，今年秋天，饱受渐冻人之苦长达半个多世纪的著名物理学家斯蒂芬霍金将出版回忆录，坦诚披露自己71年人生的细节。据说这是霍金第一部完全由他自己在没有他人帮助的情况下写的书。那么，霍金是怎么一直和别人说话，做演讲的呢？
原来安装在霍金下面和后面的电脑的轮椅包含一个音频放大器和一个声音合成器，由霍金身上的红外传感器控制眼镜，并能对面部运动引起的光线变化做出反应…
从上面我们可以看出，如今，红外传感器技术已经非常成熟，已经融入人们的日常生活中，并发挥着巨大的作用。
在我们了解红外传感器之前，首先要知道什么是红外，或者说红外光。
我们知道，光也是一种辐射电磁波。根据人类的经验，通常是指人眼能感觉到的400nm(紫光)到700nm(红光)的可见光波段。
如图，我们把红光外波长在760nm-1mm之间的辐射称为红外光。红外光是肉眼看不见的，但是我们还是可以通过一些特殊的光学装置感受到。
红外线是一种人眼看不见的光，因此它具有所有光线的所有特征。然而，与此同时，还有另一种红外线也具有非常显著的热效应。绝对零度(-273)以上的所有物质都能产生红外线。
所以简单来说，红外传感器就是一种以红外为媒介来处理数据的传感器。
红外传感器的类型
红外线是一种人眼看不见的光，因此它具有所有光线的所有特征。然而，与此同时，还有另一种红外线也具有非常显著的热效应。绝对零度(-273)以上的所有物质都能产生红外线。
根据发射方式的不同，红外传感器可分为主动型和被动型。
主动红外传感器的工作原理及特点
主动式红外传感器的发射器发出调制后的红外光束，由红外接收器接收，从而形成由红外光束组成的警戒线。遇到树叶、雨、小动物、雪、灰尘、雾，不要报警，但是有相当体积的人或物体会挡住你。
主动红外探测器技术主要采用一次发射一次接收，属于线性预防。现在，它已经从最初的单波束发展到多波束，还可以收发两束，从而最大限度地降低了虚警率，增强了产品的稳定性和可靠性。
因为红外线是一种环境因素非相干性好的探测介质(对环境中的声音、雷电、振动、各种人工光源、电磁干扰源都有很好的非相干性)；同时也是目标因素相干性较好的产品(只有阻挡红外光束的目标才会触发报警)，因此主动式红外传感器将得到进一步推广应用。
被动式红外传感器的工作原理及特点
被动红外传感器通过检测人体发出的红外线来工作。传感器收集外部红外辐射，然后将其收集在红外传感器上。红外传感器通常采用热释电元件，当红外辐射的温度发生变化时会释放电荷，经过检测处理后产生报警。
这种传感器旨在检测人体辐射。因此，辐射敏感元件必须对波长约为10m m的红外辐射非常敏感，为了对人体的红外辐射敏感，其辐射表面通常覆盖有特殊的滤光片，从而使环境干扰得到明显控制。
被动红外传感器包括两个串联或并联的热电元件。而且两个热释电元件的极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释电元件的作用几乎相同，使得它们的放电效应相互抵消，所以探测器没有信号输出。
一旦入侵者进入探测区域，人体的红外辐射被一些镜子聚焦，从而被热释电元件接收。然而，两个热电元件接收不同的热量和热电能量，这可能被抵消，信号处理后报警。
根据能量转换方式的不同，红外传感器可分为光子型和热释电型。
光子红外传感器
光子红外传感器是利用红外辐射的光子效应工作的传感器。所谓光子效应，是指当红外线入射到一些半导体材料上时，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，可以知道相应红外辐射的强度。光子探测器主要包括内部光电探测器、外部光电探测器、自由载流子探测器、QWIP量子阱探测器等。
光子探测器的主要特点是灵敏度高、响应速度快、响应频率高，但缺点是探测波段窄，一般工作在低温下(为了保持高灵敏度，常采用液氮或热电制冷将光子探测器冷却到较低的工作温度)。
热释电红外传感器
热释电红外传感器利用红外辐射的热效应引起元器件的温度变化来实现某些参数的检测，其检测率和响应速度不如光子传感器。
但它可以在室温下使用，而且灵敏度与波长无关，因此应用范围很广。基于铁电体热释电效应的热释电红外传感器灵敏度高，应用广泛。
热释电效应某些绝缘材料受热时，随着温度的升高，晶体两端会产生数量相等，符号相反的电荷。这种由热变化引起的电极化现象称为热电效应。近十年来，热释电效应已被用于热释电红外传感器。能产生热电效应的晶体称为热电体，也称为热电元件。热电元件常用的材料有单晶、压电陶瓷和聚合物薄膜。
热释电红外传感器的结构热释电红外传感器由以下四个主要部分组成：
构成电路的铝基板和场效应晶体管(FET)；
具有热释电效应的陶瓷材料；
(3)用于限制入射红外波长的窗口材料；
外壳的TO-5型管帽和管座。
当探测器元件单独使用时，存在探测距离短、获得的信号后续电路处理困难等缺点，所以目前多采用红外元件进行探测。红外组件由热释电红外传感器、透镜、测量转换电路和密封管壳组成】。该镜头可以扩大探测范围，提高测量灵敏度；测量电路可以完成滤波、放大等信号处理。密封外壳可以防止外界噪音引起的误动作。这种组件体积小，成本低，功能多样，应用广泛。
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红外传感器的应用
从目前的应用情况来看，红外传感器具有以下优点：
1、环境适应能力优于可见光，尤其是夜间和恶劣天气下的工作能力；
2、隐蔽性好。一般是被动接收目标的信号，比雷达和激光探测更安全保密，不易被干扰；
3、由于目标与背景的温差和发射率差形成的红外辐射特性，识别伪装目标的能力优于可见光；
4、与雷达系统相比，红外系统体积小、重量轻、功耗低；
根据红外传感器的上述性能特点，我们可以开发多种红外探测器。
使用它的灯光效果：
1、光导探测器：又称光敏电阻。当半导体吸收足够能量的光子后，体内的一些载流子从束缚态变为自由态，这增加了载流子的迁移率
2、光伏探测器：主要利用pn结的光伏效应。能量大于带隙的红外光子激发结区中和结区周围的电子-空穴对。现有的结电场使空穴进入P区，电子进入N区，两部分之间存在电位差，所以外电路有电压或电流信号。与光电导探测器相比，光伏探测器的背景探测率高40%，不需要外加偏置电场和负载电阻，不消耗功率，阻抗高。
3、光发射-肖特基势垒探测器：金属与半导体接触形成肖特基势垒。红外光子通过Si层被PtSi吸收，使电子获得能量并跃迁到费米能级，留下空穴穿过势垒进入Si衬底。收集PtSi层中的电子，完成红外探测。
4、量子阱探测器(QWIP):两种半导体材料通过人工薄层交替生长形成超晶格，在界面处出现能带突变，使电子和空穴被限制在一个低势能阱中，从而能量被量子化形成量子阱。
量子阱中能级电子跃迁的原理可以用作红外探测器。由于入射辐射中只有垂直于超晶格生长面的极化矢量起作用，光子利用率低；量子阱中基态电子的浓度受到掺杂的限制，所以量子效率不高。响应谱窄；低温要求高。
利用它的热效应：
1、液体水银温度计和气动戈莱电池：利用材料的热胀冷缩效应。
2、热电偶和热电堆：利用温度梯度，可以在不同的材料之间产生热电电动势的热电效应。
3、非制冷应时谐振腔红外成像阵列：利用谐振频率对温度敏感的原理实现红外探测。
4、量热计：它利用材料的电阻或介电常数的热效应——辐射引起的温升改变材料的电阻——来检测热辐射。半导体电阻器因其高温度系数而被广泛使用。温度计通常被称为热敏电阻。
此外，由于高温超导材料出现，在转变温度附近具有陡峭电阻的超导探测器受到了关注。如果室温超导成为现实，它将是21世纪最有吸引力的探测器。
5、热释电探测器：一些晶体，如硫酸三乙烯、铌酸锶钡等。当暴露于红外辐射时，将导致自发偏振强度改变。因此，在垂直于自发极化方向的晶体的两个外表面之间将产生小电压，从而可以测量红外辐射的功率。
根据不同的应用功能和场所，红外传感器的应用一般可分为以下几类：
辐射和光谱测量
这类测量仪器应用广泛，如基于中红外辐射测量的地面辐射强度仪，可用于观测全球变暖等气候变化。基于远红外辐射测量的红外空间望远镜可用于宇宙天体的天文观测；搭载红外光谱扫描辐射计的气象卫星可以实现对云的气象观测和分析。在工矿企业中，广泛使用基于辐射测量的红外温度计和基于红外光谱测量的红外分析仪。
搜索和跟踪系统
我们熟悉的战斗机携带的近程战斗空空导弹，就是使用的红外跟踪系统。它是根据红外光谱中目标发出的电磁辐射波，搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置，跟踪其运动轨迹的系统。
红外搜索跟踪器的图像质量取决于与像素大小和像素个数有关的空间分辨率。也就是说，仪器的像素数越高，像素尺寸越小，显示的图像就越清晰，可搜索的距离也就越远。
法国Sofradir公司，擅长MCT(碲镉汞)制冷红外探测器
热像仪利用红外探测器和光学成像物镜接收被测目标的红外辐射能量分布图，并反射到红外探测器的光敏元件上，从而获得与物体表面热分布场相对应的红外热像。一般来说，热像仪就是将物体发出的不可见的红外能量转化为可见的热图像。图像顶部的不同颜色代表被测物体的不同温度。
任何有温度的物体都会发出红外线。热像仪就是接收物体发出的红外线，通过彩色图片显示被测物体表面的温度分布，根据温度的细微差异找出温度的异常点，从而起到维修的作用。也称为红外热像仪。
热像仪最早是为军事目的开发的，近年来迅速扩展到民用工业领域。热像仪应用广泛，只要有温差就行。
比如在施工现场，检查有无空鼓、缺陷、瓷砖脱落、受潮、热桥等。在灭火领域，可以找到火源，确定事故原因，在烟雾中找到伤者；公安系统可以发现晚上躲藏的人；在汽车生产领域，可以测试轮胎、空调电热丝、发动机、排气喉等的性能。医学可以检测针灸的效果，早期发现鼻咽癌、乳腺癌等疾病；检查电源线、连接、快速关闭门、变电站柜等。
红外通信系统
它是利用调制后的红外辐射光束传输编码数据，然后将接收到的红外辐射信号通过硅光电二极管转换成电信号，实现短距离通信的系统。不干扰其他相邻设备的正常工作，特别适用于高密度区域的室内通信。此外，该通信系统还具有低功耗、低成本、安全可靠的特点。
其他的
红外传感技术还广泛应用于其他综合应用领域，如门禁报警与控制、照明控制、火灾探测、有毒有害气体泄漏检测、红外测距、供暖通风等。在传感器测试在德国纽伦堡举行的展会上，法国ULIS公司展出了其最新开发的红外热传感器阵列Micro80P产品，该产品采用了最新的片上创新技术(如I2C标准接口和低功耗管理等)。).
传感器阵列基于高可靠性的非晶硅技术，其灵敏度高达8080像距。其性能远远超过目前运动检测器中使用的单元素或四元素热传感器，大大提高了工业红外热检测传感器的能力。
该产品不仅可用于探测温度点或表面及运动，还可实现对目标或人体活动的计数、定位和分类等功能。比如在暖通空调中，可以用来统计室内人数，测量房间墙壁温度，从而实现室内采暖空调系统的自动精细调节，实现建筑的最大节能降耗。
红外传感器的发展
随着科学技术的进步、计算机微处理器技术的发展、现代数字信号处理技术的提高、新型半导体材料的引入和制造技术的进步，红外传感器近年来发展迅速。根据国外一家研究机构的预测，红外传感器的全球销售额将从2010年的1.52亿美元增长到2016年的2.86亿美元。
近年来，红外传感器的发展趋势主要体现在以下四个方面：
一是通过采用新的材料和加工工艺，提高了传感器的红外探测率，增加了响应波长，缩短了响应时间，像素灵敏度和每英寸像素更高，提高了抗干扰性能，降低了生产成本。例如，Pyreos和Irisys推出了一种混合薄膜和陶瓷的新热电传感技术，这种技术可以制作传感器阵列。
第二，传感器大，功能多。随着微电子技术的发展
比如国外开发的大型红外传感器(1616到6464像素)，不仅可以测量温度场，还可以获得人体探测功能(即精确定位个体在空间中的位置，即使人不活动也可以识别)或者大区域的安全监控，非常适合家庭自动化、医疗、安全防护等场合。
此外，新的多光谱传感器的发展大大提高了红外成像阵列的功能。
第三是传感器的智能化。新型智能红外传感器通常内置多个微处理器，具有傅里叶变换、小波变换等先进的数字信号处理或补偿功能、自诊断功能、双向数字通信等功能，大大提高了传感器的稳定性、可靠性、信噪比和便捷性。
第四，传感器的进一步小型化和集成化。随着片上集成技术的采用(包括盲元替换、非均匀性校正、部分图像处理功能等。)等新的器件结构和新的制造技术，在基于纳米技术的MEMS(微机电系统)乃至NEMS(纳机电系统)的驱动下，红外传感器的尺寸大幅缩小，功耗大幅降低，集成度显著提高。
由于红外传感器的优越性能，许多主流仪器研究所和制造商对其研发投入越来越大。
标签：传感器探测器技术