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2025-04-20 6 电子行业报告
根据红外光谱可以将红外线分为近红外波段、中红外波段和远红外波段,对应的波 长范围分别为 1μm-3μm、3μm-40μm、40μm-1000μm。在红外探测领域,一般按照红外 线大气透射情况将红外线分为近红外波段、短波红外波段、中波红外波段和长波红外波 段,对应的波长范围分别为 1.1μm-2.5μm、3μm-5μm、8μm-14μm。波长在这些波段以外 的红外线大都被大气吸收或散射,很难被探测器识别,因此红外探测器的红外响应波段 和红外线大气透射波段相吻合。用于探测物体红外辐射信号的电子元件被称为红外探测器。探测器的核心组成部分 为探测器芯片,探测器芯片由 MEMS 传感器和 CMOS 读出电路构成。 MEMS 传感器用来接收物体的红外辐射并产生响应信号,CMOS 读出电路芯片接 收 MEMS 传感器的响应信号,并将其处理为可被后端成像电路识别的电信号。MEMS 的材料不同,接收红外辐射后产生的响应信号也不同。常见的 MEMS 材料有两大类,一类是以氧化钒、非晶硅为代表的常温工作材料,另一类是以碲镉汞、锑化铟、二类超 晶格为代表的低温工作材料。常温工作材料主要利用红外辐射的热效应进行工作,接收 红外辐射后材料的电阻率会改变而产生电信号。
低温工作材料依据光电效应工作,材料 接收红外辐射后产生光生载流子而产生电信号。制冷型红外探测器的 MEMS 传感器材料为低温工作材料,工作原理是依据红外辐 射产生的光电效应。这类探测器的工作灵敏度很高,多用于军用高端装备领域和航天探 测系统。由于探测器工作时需要低温环境(70K-200K),该类探测器通常配有小型低温 制冷机,另外为了减少冷量损失,还设计有真空杜瓦结构,因此该类探测器的体积、重 量相对较大。JT 制冷机作时需要携带高压气瓶,高压气瓶为制冷机提供高压气源,气体节流过程 中温度下降,实现对探测器的冷却。相比其他制冷机,JT 制冷机最大的特点是不需要电 力驱动,因此其结构简单、紧凑。另外其启动时间也远快于其他类型的制冷机,甚至可 以在数秒内达到制冷温度,常被用于精确制导领域。美国的标枪反坦克导弹、俄罗斯的 R73 空空导弹、国产的 PL-9C 空空导弹均采用 JT 制冷机作为红外冷却设备。 脉管制冷机一端封闭,另一端连接蓄冷器和冷端换热器。当高压气体进入脉管时, 由于压缩而在脉管中形成温度梯度,封闭端温度最高,压缩热被冷却水带走。在高压气 体被抽真空时,在脉管的出口端形成低温制冷区。脉管制冷机冷端无运动部件,可以到 达极低的制冷温度,常被用于航天领域的探测器组件。国内 2018 年发射的高分五号卫 星搭载的甚高光谱红外光谱仪采用的制冷机为脉管制冷机。
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