热敏电阻红外探测器

一场突如其来的新冠肺炎疫情，成为了2020开年的头等大事。全民防疫的举措让这场没有硝烟的战争不再猝不及防。飞机场、火车站、公司、小区、超市等入口处都能见到防疫工作者的身影。他们是防疫先锋，是公共健康的卫士，是居民区的守护者。而他们的必备神器之一——手持测温仪，也进入了公众的视野，广为人知。今天，我们就来聊一聊测温仪的那些事。受疫情影响，很多人在家办公，出门不是去超市买菜，就是门口取快递。当然，还有不少人在硬核上班。无论出入小区，还是车站进站，现阶段都要经过体温检测。相信大家都有经历过，防疫工作者手持测温仪，对着额头一扫，立刻就显示你的体温数据，非常方便。有很多人对这测温仪都深感好奇，想知道它是怎么工作的。也有人担心它的准确性，担心把自己体温测高了。那么，我们就从测温仪的原理和精确度控制这两点说起。首先，大家都熟悉传统体温计测温的方法，而这种方法显然不适合用于传染性强的新型冠状病毒的防护工作。在这次防疫战中，小巧便携，无需身体接触的手持测温仪就成了急先锋。扫一扫，一秒之内测出体温的测温神器让人们眼前一亮；更令人印象深刻的，还有车站、机场等带有视频的成像测温仪，后者能在快速行进的人流中，辨别每个人的体温，并用保存视频成像。相信你肯定好奇过它们究竟是怎么做到的。接着，我们来一探究竟其中的科学原理。[1] 地铁站检票口的体温监测站（图片摘自人民网）温度和光我们都知道，水银体温计能够测人体的温度，是水银玻璃泡和人体接触后，经过一段时间的热量传递，最终与人体温度达到一致的原理（热平衡）。而测温仪并没有和人体接触，为何能如此快速采集温度信息呢？[2] 水银温度计（图片摘自百度网）答案其实大家也是耳熟能详，那就是---光！没错，就是我们所熟知的那个光！但是这个光，并不是人眼能看到的可见光，而是与可见光相邻的红外光，这里需要科普一下，我们平时所说的可见光实际上是电磁波的一种，电磁波有连续的波谱分布，红外光的波段在红色光之外，因此得名红外光。再简单提一下，除了可见光和红外光，很多电磁波都与大家的生活息息相关，按波长由短到长，有医院CT的X射线，防晒霜防的紫外线，太阳光，灯光，微波炉的微波，电台的射频信号等等，都属于电磁波。[3] 生活中的电磁波（图片摘自NASA Science)说到这里，肯定有人表示，道理我都懂，但是红外光跟人体温度有什么关联呢？关联是必然的，因为人体发射的光，就是红外光！没说错，人体是发光的，而且是无时无刻的在发光。复杂的原理就不赘述了，大家只要记住，任何温度高于绝对零度（零下273.15摄氏度）的物体都会以电磁波的形式向外辐射能量，至于绝对零度（-273.15℃）的物体嘛，大家放心，那是不存在的！红外光和人体温度的关系那么问题来了，既然每人每时每刻都在发射红外光，仪器凭什么就能辨别出正常温度和高烧呢？还能准确读出每个人的温度？这里，我们请一位大佬帮忙解答，他就是与爱因斯坦并称20世纪最重要的两大物理学家，量子力学奠基人之一的马克斯普朗克，他于1900年提出的普朗克黑体辐射定律，完美诠释了温度与辐射的关系。马克斯普朗克简单来讲就是，不同温度的物体发射的光是不一样的，如下示意图， 四条不同的曲线，代表不同温度下黑体辐射的光谱分布，这里的K是热力学温度，数值等于摄氏度+273.15。大家可以看到，温度越高，黑体辐射光的强度就越大，峰值的位置就越靠近紫外区域。那么，答案就呼之欲出了，如果探测到了人体的辐射强度和波谱分布，就完全可以反推出温度T！这就是测温仪测体温的原理。（人体虽不是黑体，却也遵循普朗克定律）。利用红外光探测人体温度究竟准不准？说完测温仪原理的故事，我们再来说说怎么确保每个测温仪都能测得准。上文中，细心的小伙伴发现，普朗克定律图示并没有想象中那么简单，图中展示差异性的谱图都相差了1000℃，人体怎么可能差上1000℃呢？没错，我们人体的温度平均值也就在36℃到37℃之间了，高过37℃的，抗疫期间怕是要去隔离观察了。那么关键点来了，相差几摄氏度的人体辐射谱图中，辐射强度和波谱的差异是非常小的，如何确保测温仪能把握这细小的差异呢？要知道，人体测温的准确性要求是比较高的，特别是在抗疫期间，正常的体温就是大家的通行证。这点上，咱们国家更是不含糊，对于此类测温装置也出台了相应的国家标准来规定精准度。那么，生产厂家是如何确保每台测温仪的准确性呢？下面就让我们来剖析测温仪，探究这里的科学原理。测温仪的"CPU"是什么？我们先从测温仪的构成说起，可以看到下图中，真正与红外光直接相关的，便是红外探测器，顾名思义，这正是测温仪利用红外测温的核心元件,就好比CPU芯片是手机电脑的核心。而它的质量直接决定了测温的准确性。那么，如何判定红外探测器的质量呢？[4] 额温枪（图片摘自网络）这就需要了解红外探测器测红外的细节。简单来说，红外探测器也是由材料构成，红外探测器上的特殊光感材料可以接收外界的红外辐射，并将其转换为电信号，再进行分析计算，最终给出温度值。因此评价红外探测器的好坏，就是评判其将光转换为电信号的能力。在讲红外探测器的评价之前，我们插一句，火车站，机场中带成像系统的测温仪，采用的是更高端的焦平面阵列红外探测器（FPA技术）。[5] 设置在火车站的带成像系统的测温仪（图片摘自包头新闻网）这类成像测温仪就如同照相机或摄像仪，内部感光平面内，分布了很多像素点，焦平面上每一个像素点就是一个红外探测器，这种技术具有二维空间分辨的能力，具备红外成像功能，可以将发高烧的人从人群中辨别出来。如何评价红外探测器，确保其准确性？一般来说，无论是采用单点红外检测器的耳温枪还是FPA焦平面检测器的红外成像测温仪都不需要极快的反应时间或极高的空间分辨率，甚至无需光谱分辨率。所以这类红外检测器的精确度通常是采用激光功率计或热敏电阻等方法来评定的。但是，类似原理的红外探测器还有很多其他的应用领域，尤其是需要FPA焦平面检测器的红外成像仪已经被广泛的应用于军需夜视或热追踪系统、高速热成像、质检或产品研发（针对散热或热工特性）、医疗热成像及红外显微镜等诸多方面。这些应用领域对红外检测器件本身以及对由这些器件组成的测量仪器的性能都有更严苛的要求，比如，需要微秒甚至纳秒级的超短反应时间，需要光谱信息用于化学成像，需要较高的空间分辨率以表征微小物品，需要较高的光谱分辨率，最佳的灵敏度和信噪比，甚至对FPA检测器中每个像素点的均匀一致性都有要求。为了研制和开发这些高端的红外检测器件，科学家们需要用到一种重要的表征方法---傅立叶红外光谱法。实现该法的核心设备就是在科学研究、监测分析领域常见的傅立叶红外光谱仪（简称FTIR红外光谱仪）。FTIR红外光谱仪——表征红外探测器FTIR红外光谱仪是专门应用于红外光谱研究相关的科学仪器，配有标准的红外光源，所发射的红外光经过干涉仪后，经过照射样品，最终到达红外探测器，解析探测器的电信号，并进行FT转换计算，即可得到包含能量强度和波谱分布的红外谱图。科学家们就是把这种检测技术应用到了评价红外探测器材料好坏的研究中，在对光敏度、稳定性等等复杂的研究分析之后，才研发出适合于各种不同应用领域的红外探测器材料，进而工厂将其研究的材料转化为探测器并且大量生产而成为真正实用的商品（包括红外测温仪及其他更为复杂的尖端仪器），发挥了科学家研究的作用。换言之，红外光谱仪对于探测器的表征研究，就好比是一把精准的卡尺，用它来检验每一根直尺的长度是否达到科学家们想要实现的标准。傅立叶变换红外光谱仪以上就是测温仪背后故事的小科普，相信大家对于最近很亮眼的测温仪会有更进一步的了解，对红外探测器精确度的控制以及红外探测器的诸多应用领域也有了更深层次的认知。通过科学家们的努力，和我们生活息息相关的大型红外成像测温仪的准确度、检测能力、检测距离、检出速度和检测区域内的均匀性（即精准度）都会越来越好。所谓工欲善其事必先利其器，实际上并不是所有的红外光谱仪都能做红外探测器的研究与表征，能作为标尺的设备，当然只有技术过硬，具备特殊技能红外光谱仪才能实现！如果您对检测器表征科研课题感兴趣，可以阅读布鲁克的相关应用信息。如果您对红外整体技术感兴趣，长按下方二维码填写产品需求信息表，与我们取得联系。疫情期间，大家做好防护，注意安全。一起为祖国加油！为武汉加油！点击下载布鲁克应用手册——红外检测器表征如果您对我们的红外技术感兴趣，欢迎与我们取得联系，请拨打400热线电话400-777-2600。

1. 概述MCT 中红外探测器是一种热电冷却光电导 HgCdTe(碲镉汞，MCT)探测器， 这种材料对 2 到 12um 的中红外光谱波段光波敏感。海尔欣的中红外探测器可采用直流或交流耦合输出，直流耦合方便用户实时观测探测器上的光强信号，继而方便系统对光调试；交流耦合输出可以让用户解调微弱的交流小信号，一定程度上避免过高的直流光信号将探测器饱和。探测器与热电冷却器（TEC）相连接， TEC 采用一个热敏电阻反馈电路对探测器元件的温度控制在-30℃甚至更低温度，从而将热噪声和背景辐射对输出信号的影响最小化。为有效地减少电磁噪声对检测输出信号的影响， 探测器外壳采用了铝合金屏蔽壳体制作，同时起到散热的作用。2. 性能• 半导体冷却型碲镉汞红外光电探测器；• 对2~12 um的中红外光谱波段光波敏感；• 内部一体化集成低噪声前置运放+TEC控制单元；• TEC热电冷却稳定 -80℃ 至-30℃ ，极大地降低了热噪声；3. 优势l • 前放+制冷控制一体化，噪声能进一步降低，使用也更为便捷l • 性价比高于同款进口产品，波长覆盖也更宽l • 海尔欣针对红外探测应用自主研发，更适合系统集成，更及时完善的售后服务4 探测器噪声测试l 测试原理待测噪声A，频谱分析仪基底噪声为B，噪声A 接入频谱分析仪后，测得噪声为频谱分析仪总噪声C（探测器放大后噪声A和频谱分析仪基底噪声B）。它们之间关系如下：A2+B2=C2图.1 HPPD-M-B探测器噪声测试系统 由于HPPD-M-B探测器感光单元噪声Ain信号较小，需要对噪声信号Ain进行放大处理，图.1 中间框HPPD-M-B专指探测器前置放大电路，实际探测器芯片已集成到HPPD-M-B探测器产品中。 其中Ain为归一化到探测器输入端的电流噪声密度（单位为pA/√Hz）,为我们的待求结果，A0为Ain经探测器HPPD-M-B放大N倍后的信号，Rout为探测器的输出阻抗（Ω），A为频谱分析仪输入端信号，Rin为频谱分析仪的输入阻抗（Ω），B为频谱仪基底噪声（与测量系统基底噪声相同），C为频谱分析仪的频率扫描结果。可以得到系统中存在如下关系：A0=Ain*NA=A0*Rin/(Rin+Rout)A2+B2=C2 注：功率dBm转volts：http://wera.cen.uni-hamburg.de/DBM.shtmlvolts转噪声密度：噪声密度（nV/√Hz）= RMS volts/√RBW故通过频率分析仪测试探测器输出端噪声，便可容易的推算出归一化到探测器输入端的电流噪声密度。l 测试系统参数说明：放大倍数N = 15000V/A，探测器输出阻抗Rout =16Ω，频谱分析仪输入阻抗Rin = 50Ω频率扫描范围0-100 kHz，分辨率带宽RBW = 10Hzl 测试过程：1.短路频谱分析仪的信号输入端口，为频谱仪噪声基底的频率扫描结果得到系统基底噪声B1；2.按图1连接测试系统，将配套SMA转BNC同轴线缆一端连接到探测器的SMA输出端口，另一端连接到频谱分析仪（型号N9320B）的信号输入端口；得到未供电时的测试系统频率扫描结果，为测试系统的噪声基底B,可以发现测试系统的噪声基底B与频谱仪输入端短路时噪声B1相同，如下图2中的曲线V1（该曲线为系统的基底噪声B）。3.系统供电，将配套+5V电源适配器一端插入探测器电源供电口，另一端插入市电插座，拨动电源开关上电，此时风扇将正常工作，探测器开始温度调节，热机约10分钟后，温控指示灯亮，温度稳定于预设值。此时，可得到供电状态下，测试系统的频率扫描结果，如下图2中的曲线V2（该曲线为系统的总噪声C）。注意：测试过程中，探测器感光单元一直为遮光状态。l 计算结果读图：100kHz时，频谱仪基底B =-120dBm，扫频结果C = -117dBm，两者RMS均为10Hz。功率dBm转RMS volts：查表http://wera.cen.uni-hamburg.de/DBM.shtml-120dBm对应RMS volts为223.607nV；-117dBm对应RMS volts为315.853nV。根据RBM volts转噪声密度公式：噪声密度（nV/√Hz）= RMS volts/√RBW计算噪声密度B 为70.71nV/√Hz ，噪声密度C 为99.88nV/√Hz。根据计算公式：A2+B2=C2可以等到A=70.54nV/√Hz根据计算公式 ：A=A0*Rin/(Rin+Rout)；Rin=50?、Rout=16? 可以得到A0=93.11nV/√Hz 。通过公式：A0=Ain*N其中N为放大倍数15000V/A 可以得到Ain=6.2pA/√Hz。l 附1.探测器芯片的电流噪声密度HPPD-M-B编号：96610，芯片电流噪声 4.7 pA/√Hz5V适配器编号：01191027140测试结果表明，归一化到探测器输入端的电流噪声密度Ain为6.2pA/√Hz，则海尔欣的前置低噪声运放的噪声系数仅为2.4dB。计算方法为：信噪比：信号功率/噪声功率（下述计算提到的功率都以归一化噪声电流同比表示）噪声系数NF = 输入端信噪比/输出端信噪比 噪声系数可由下列式表示：Si为输入信号功率，即为光电流信号；Ni 为输入噪声功率，即为芯片电流噪声 4.7 pA/√HzS0为输出端信号功率，即为S0=Si*NN0为输出噪声功率，即为Ain*N通过上计算可以得到噪声系数NF=Ain/Ni根据上面计算结果可知Ain=6.2 pA/√Hz，Ni=4.7 pA/√Hz则噪声系数NF=1.32，根据噪声系数转换噪声dB公式：dB=20lgNF=2.4可以得到噪声系数为2.4 dB.（关于低噪声前置运放的噪声系数概念，请参考：http://www.ti.com.cn/cn/lit/an/zhca525/zhca525.pdf） l 附2.与进口探测器比较 图.3 VIGO探测器与HPPD-M-B噪声比较V3为HPPD-M-B ,适配器供电(放大15000倍)V2为某进口探测器，本底比HPPD-M-B低是因其放大倍数较低的缘故。 5 结论综合来看，海尔欣的HPPD-M-B型中红外探测器噪声与进口探测器处于同一水平，从功能上来讲没有太大差别。再结合其运放与TEC制冷高度集成的设计，HPPD-M-B型探测器极大地方便了用户的使用和系统集成，是一款小巧、出色的制冷型单像素红外探测器。

近日，大连化物所二维热电材料研究组（DNL2104组）陆晓伟副研究员、姜鹏研究员、包信和院士团队在高灵敏、低功耗人体红外热辐射探测器研制及其在非接触人机交互系统中的应用方面取得新进展。人体自发热辐射主要位于长波红外（8至14 μm）波段，呈现出光子能量低（~0.1 eV）、光强弱（~5 mw/cm2）等特点。实现人体红外热辐射的高灵敏探测，对构建低功耗、非接触人机交互系统具有重要意义。作为一种热敏型探测器，光热电探测器是基于光热转换、热电转换两个能量转换过程，具有光谱响应范围宽、无需制冷、功耗低等优点。目前，商业的光热电探测器通常采用分立式的热电堆结构，需要复杂的MEMS微机械加工制备工艺，且在探测人体热辐射时，其输出电压相对较小（数十至数百微伏），需要额外的高信噪比信号采集电路。本工作中，该研究团队突破传统热电堆材料和构架的限制，构建了基于SrTiO3-x/CuNi异质界面结构的一体式热电堆。该异质界面结构一方面将SrTiO3-x高的Seebeck系数（-737 μV/K）与CuNi高的电导率（5×105 S/m）协同耦合，在降低器件内阻的同时，可保持高的电压输出；另一方面，通过结合声子共振吸收和自由载流子吸收，该异质结展现出优异的吸光能力，其在长波红外波段的吸光率最高可达98%。结合这些优势，基于SrTiO3-x/CuNi的热电堆在探测人体辐射时展现出高灵敏度、低噪音、高稳定性等特征，其输出电压最高可达13 mV，相比商业热电堆有数量级的提升。通过进一步构建热电堆阵列，团队还实现了实时手势识别、非接触式数字/字母输入等功能。该研究为开发低功耗非接触人机交互系统提供了新思路，在人工智能技术、公共卫生安全领域具有广阔的实际应用价值。相关研究成果以“SrTiO3/CuNi Heterostructure-based Thermopile for Sensitive Human Radiation Detection and Noncontact Human-machine Interaction”为题，发表在《先进材料》（Advanced Materials）上。上述工作得到国家自然科学基金、中国科学院创新交叉团队、大连化物所创新基金等项目的资助。