紅外熱成像儀原理

　紅外輻射是指波長(zhǎng)在0.75um至1000um，介于可見(jiàn)光波段與微波波段之間的電磁輻射。紅外輻射的存在是由天文學(xué)家赫胥爾在1800年進(jìn)行棱鏡試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)。紅外輻射具有以下特點(diǎn)及應(yīng)用：　　

　　（1）所有溫度在熱力學(xué)零度以上的物體都自身發(fā)射電磁輻射，而一般自然界物體的溫度所對(duì)應(yīng)的輻射峰值都在紅外波段。因此，利用紅外熱像觀察物體無(wú)需外界光源，相比可見(jiàn)光具有更好的穿透煙霧的能力。紅外熱像是對(duì)可見(jiàn)光圖像的重要補(bǔ)充手段，廣泛用于紅外制導(dǎo)、紅外夜視、安防監(jiān)控和視覺(jué)增強(qiáng)等領(lǐng)域。　　

　　（2）根據(jù)普朗克定律，物體的紅外輻射強(qiáng)度與其熱力學(xué)溫度直接相關(guān)。通過(guò)檢測(cè)物體的紅外輻射可以進(jìn)行非接觸測(cè)溫，具有響應(yīng)快、距離遠(yuǎn)、測(cè)溫范圍寬、對(duì)被測(cè)目標(biāo)無(wú)干擾等優(yōu)勢(shì)。因此，紅外測(cè)溫特別是紅外熱像測(cè)溫在預(yù)防性檢測(cè)、制程控制和品質(zhì)檢測(cè)等方面具有廣泛應(yīng)用。　　

　　（3）熱是物體中分子、原子運(yùn)動(dòng)的宏觀表現(xiàn)，溫度是度量其運(yùn)動(dòng)劇烈程度的基本物理量之一。各種物理、化學(xué)現(xiàn)象中，往往都伴隨熱交換及溫度變化。分子化學(xué)鍵的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)對(duì)應(yīng)紅外輻射波段。因此，通過(guò)檢測(cè)物體對(duì)紅外輻射的發(fā)射與吸收，可用于分析物質(zhì)的狀態(tài)、結(jié)構(gòu)、狀態(tài)和組分等。　　

　　（4）紅外輻射具有較強(qiáng)的熱效應(yīng)，因此廣泛地用于紅外加熱等。　　

　　綜上所述，紅外輻射在我們身邊無(wú)處不在。而對(duì)于紅外輻射的檢測(cè)及利用，更是滲透到現(xiàn)代軍事、工業(yè)、生活的各個(gè)方面。由于人眼對(duì)于紅外輻射沒(méi)有響應(yīng)，因此對(duì)于紅外輻射的感知和檢測(cè)必須利用專門的紅外探測(cè)器。紅外輻射波段對(duì)應(yīng)的能量在0.1eV-1.0eV之間，所有在上述能量范圍之內(nèi)的物理化學(xué)效應(yīng)都可以用于紅外檢測(cè)。在發(fā)現(xiàn)紅外輻射后至今的幾百年內(nèi)，人們研制了各種各樣的紅外探測(cè)器。　　

紅外熱成像儀原理

　　非制冷紅外焦平面探測(cè)器由許多MEMS微橋結(jié)構(gòu)的像元在焦平面上二維重復(fù)排列構(gòu)成，每個(gè)像元對(duì)特定入射角的熱輻射進(jìn)行測(cè)量，其基本原理如圖4所示，a):紅外輻射被像元中的紅外吸收層吸收后引起溫度變化，進(jìn)而使非晶硅熱敏電阻的阻值變化；b):非晶硅熱敏電阻通過(guò)MEMS絕熱微橋支撐在硅襯底上方，并通過(guò)支撐結(jié)構(gòu)與制作在硅襯底上的COMS獨(dú)處電路相連；c):CMOS電路將熱敏電阻阻值變化轉(zhuǎn)變?yōu)椴罘蛛娏鞑⑦M(jìn)行積分放大，經(jīng)采樣后得到紅外熱圖像中單個(gè)像元的灰度值。

　　為了提高探測(cè)器的響應(yīng)率和靈敏度，要求探測(cè)器像元微橋具有良好的熱絕緣性，同時(shí)為保證紅外成像的幀頻，需使像元的熱容盡量小以保證足夠小的熱時(shí)間常數(shù)，因此MEMS像元一般設(shè)計(jì)成如圖5所示的結(jié)構(gòu)。利用細(xì)長(zhǎng)的微懸臂梁支撐以提高絕熱性能，熱敏材料制作在橋面上，橋面盡量輕、薄以減小熱質(zhì)量。在襯底制作反射層，與橋面之間形成諧振腔，提高紅外吸收效率。像元微橋通過(guò)懸臂梁的兩端與襯底內(nèi)的CMOS讀出電路連接。所以，非制冷紅外焦平面探測(cè)器是CMOS-MEMS單體集成的大陣列器件。