嵌入式發(fā)展及定義與發(fā)展簡史(編輯修改稿)
2025-07-18 19:12 本頁面
【文章內容簡介】 劇而產生熱。當紅外輻射有足夠強度時，即超過了生物體的散熱能力，就會使被照射機體局部溫度升高，這是紅外線的熱效應。理論分析和實驗研究表明，不僅太陽光中有紅外線，而且任何溫度高與絕對零度的物體(如人體等)都在不停地輻射紅外線。就是冰和雪，因為它們的溫度也源源高與絕對零度，所以也在不斷的輻射紅外線。因此，紅外線的最大特點是普遍存在于自然界中。也就是說，任何“熱”的物體雖然不發(fā)光但都能輻射紅外線。因此紅外線又稱為熱輻射線簡稱熱輻射?！ 〖t外線和可見光相比的另一個特點是，色彩豐富多樣。由于可見光的最長波長是最短波長的1倍(780nm～380nm)，所以也叫作一個倍頻程。而紅外線的最長波長是最短波長的10倍，即具有10個倍頻程。因此,如果可見光能表現為7種顏色，則紅外線便可能表現70種顏色，顯示了豐富的色彩。紅外線是一種電磁輻射，具有與可見光相似的特性，服從反射和折射定律，也有干涉、衍射和偏振等現象；同時，它又具有粒子性，即它可以光量子的形式發(fā)射和吸收。此外，紅外線還有一些與可見光不一樣的獨有特性: (1) 紅外線對人的眼睛不敏感，所以必須用對紅外線敏感的紅外探測器才能接收到； (2) 紅外線的光量子能量比可見光的小，例如10μm波長的紅外光子的能量大約是可見光光子能量的1/20； (3) 紅外線的熱效應比可見光要強得多； (4) 紅外線更易被物質所吸收，但對于薄霧來說，長波紅外線更容易通過。19世紀：研究天文星體的紅外輻射，應用紅外光譜進行物質分析。20世紀：紅外技術首先受到軍事部門的關注，因為它提供了在黑暗中觀察、探測軍事目標自身輻射及進行保密通訊的可能性。 第一次世界大戰(zhàn)期間研制了一些實驗性紅外裝置，如信號閃爍器、搜索裝置等。第二次世界大戰(zhàn)前夕，德國：紅外顯像管； 戰(zhàn)爭期間：德國，美國：紅外輻射源、窄帶濾光片、紅外探測器、紅外望遠鏡、測輻射熱計等。 第二次世界大戰(zhàn)后：前蘇聯。50年代以后，美國：響尾蛇導彈上的尋的器制導裝置和u—2間諜飛機上的紅外照相機代表著當時軍用紅外技術的水平。前視紅外裝置(FLIR)獲得了軍界的重視，并廣泛使用：機載前視紅外裝置能在1500m上空探測到人、小型車輛和隱蔽目標，在20000 m高空能分辨出汽車，特別是能探測水下40m深處的潛艇。 在海灣戰(zhàn)爭中，紅外技術，特別是熱成像技術在軍事上的作用和威力得到充分顯示。第2章 紅外探測技術 紅外探測器 物理學的進展與紅外探測器紅外輻射與物質(材料)相互作用產生各種效應。100多年來，從經典物理到20世紀開創(chuàng)的近代物理，特別是量子力學、半導體物理等學科的創(chuàng)立，到現代的介觀物理、低維結構物理等等，有許多而且越來越多可用于紅外探測的物理現象和效應。 ： 熱輻射引起材料溫度變化產生可度量的輸出。有多種熱效應可用于紅外探測器。 (1)熱脹冷縮效應的液態(tài)的水銀溫度計、氣態(tài)的高萊池(Golay cell)。 (2)溫差電(Seebeck)效應?？勺龀蔁犭娕己蜔犭姸眩饕糜跍y量儀器。 (3)共振頻率對溫度的敏感可制作石英共振器非致冷紅外成像陣列。 (4)材料的電阻或介電常數的熱敏效應輻射引起溫升改變材料電阻用以探測熱輻射 測輻射熱計(Bolometer)：半導體有高的溫度系數而應用最多，常稱 熱敏電阻。利用轉變溫度附近電阻巨變的超導探測器引起重視。如果室溫度超導成為現實，將是21世紀最引人注目的探測器。 (5)熱釋電效應：快速溫度變化使晶體自發(fā)極化強度改變，表面電荷發(fā)生變化，可作成熱釋電探測器。 熱探測器一般不需致冷( 超導除外 )而易于使用、維護，可靠性好；光譜響應與波長無關，為無選擇性探測器；制備工藝相對簡易，成本較低。但靈敏度低，響應速度慢。熱探測器性能限制的主要因素是熱絕緣的設計問題。 ： 紅外輻射光子在半導體材料中激發(fā)非平衡載流子(電子或空穴)，引起電學性能變化。因為載流子不逸出體外，所以稱內光電效應。量子光電效應靈敏度高，響應速度比熱探測器快得多，是選擇性探測器。為了達到最佳性能，一般都需要在低溫下工作。光電探測器可分為： (1)光導型：又稱光敏電阻。入射光子激發(fā)均勻半導體中的價帶電子越過禁帶進入導帶并在價帶留下空穴，引起電導增加，為本征光電導。從禁帶中的雜質能級也可激發(fā)光生載流子進入導帶或價帶，為雜質光電導。截止波長由雜質電離能決定。量子效率低于本征光導，而且要求更低的工作溫度。 (2)光伏型：主要是p－n結的光生伏特效應。能量大于禁帶寬度的紅外光子在結區(qū)及其附近激發(fā)電子空穴對。存在的結電場使空穴進入p區(qū)，電子進入 n 區(qū)，兩部分出現電位差。外電路就有電壓或電流信號。與光導探測器比較，光伏探測器背影限探測率大于40％；不需要外加偏置電場和負載電阻，不消耗功率，有高的阻抗。這些特性給制備和使用焦平面陣列帶來很大好處。 (3)光發(fā)射－Schottky勢壘探測器：金屬和半導體接觸，典型的有PtSi/Si結構，形成Schott ky勢壘，紅外光子透過Si層為PtSi吸收，電子獲得能量躍上 Fermi能級，留下空穴越過勢壘進入Si襯底，PtSi層的電子被收集，完成紅外探測。充分利用Si集成技術，便于制作，具有成本低、均勻性好等優(yōu)勢，可做成大規(guī)模(10241024甚至更大)焦平面陣列來彌補量子效率低的缺陷。有嚴格的低溫要求。用這類探測器，國內外已生產出具有像質良好的熱像儀。Pt Si/Si結構FPA是最早制成的IRFPA。 (4)量子阱探測器(QWIP)：將兩種半導體材料A和B用人工方法薄層交替生長形成超晶格，在其界面，能帶有突變。電子和空穴被限制在低勢能阱A層內，能量量子化，稱為量子阱。利用量子阱中能級電子躍遷原理可以做紅外探測器。90年代以來發(fā)展很快，已有5125164 0480規(guī)模的QWIP GaAs/AlGaAs焦平面制成相應的熱像儀誕生。因為入射輻射中只有垂直于超晶格生長面的電極化矢量起作用，光子利用率低；量子阱中基態(tài)電子濃度受摻雜限制，量子效率不高；響應光譜區(qū)窄；低溫要求苛刻。人們正深入研究努力加以改進，可望與碲鎘汞探測器一爭高低。60年代以前多為單元探測器掃描成像，但靈敏度低，二維掃描系統結構復雜笨重。增加探測元，例如有N元組成的探測器，靈敏度增加N1/2
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