1.2.2　探测器各部分功能

1．红外敏感材料

红外敏感材料的功能是实现红外辐射光信号转换。制冷红外焦平面探测器属于PC探测器，其功能实现的原理是基于入射光子流与红外敏感材料相互作用产生的光电效应。图1-8所示为半导体光电激发原理图。光电效应具有选择性，其响应波段与红外敏感材料的能带结构相关。可以通过对材料的带隙设计，覆盖整个红外波段（1～30μm）的探测需求。按材料带隙激发的原理不同，材料可分为本征半导体（HgCdTe、InSb等）、非本征半导体（Si:As、Si:Ga、Ge:Hg等）、自由载流子吸收半导体（PtSi、IrSi等），以及超晶格材料（GaAs/AlGaAs量子阱、InAs/GaSb二类超晶格等）四大类。

图1-8　半导体光电激发原理图

2．红外焦平面芯片

红外焦平面芯片主要由红外焦平面阵列和读出电路（ROIC）组成，图1-9所示是其构成示意图。探测器工作时，红外焦平面阵列基于光电效应，将入射的红外辐射转化为电荷（光生载流子），这些电荷被读出电路收集、处理并输出，最终形成探测目标的红外图像。

图1-9　红外焦平面芯片构成示意图

根据可响应的不同波段，红外焦平面芯片可分为短波、中波、长波及甚长波芯片。此外，还有同时对两个或多个波段响应的红外焦平面芯片，如双色、三色等多波段芯片。

红外焦平面芯片的主要性能指标包括阵列规格、像元中心距、噪声等效温差（NETD）、盲元率、响应非均匀性等。

3．杜瓦

微型杜瓦采用金属封装结构，通过高可靠、超低漏率密封焊接而成。杜瓦提供红外探测器的光学接口、电学接口、热学接口，与制冷机集成后提供红外探测器的机械安装接口。

杜瓦内部为高真空环境，且内部配有吸气剂，可重复激活以维持其高真空度。杜瓦冷指是杜瓦与制冷机耦合连接并进行冷量传导的部件；杜瓦冷屏主要用来限制视场并抑制背景辐射干扰；滤光片是用来选取所需辐射波段的光学器件。图1-10所示是武汉高德红外公司生产的320×256/30μm制冷红外焦平面探测器杜瓦结构示意图。

制冷红外焦平面探测器封装用真空杜瓦的主要性能指标包括滤光片波段、F数、杜瓦组件尺寸、质量及杜瓦冷损等。

4．制冷机

制冷机的主要作用时是为制冷红外焦平面探测器提供低温工作环境，保证其正常工作。目前广泛应用的主要是斯特林制冷机和焦耳-汤姆逊（Joule-Thomson，J-T）制冷机。其中，J-T制冷机不使用膨胀机的液化系统，依赖于焦耳-汤姆逊效应产生低温，具有体积小、质量轻、启动快的优点。

图1-10　武汉高德红外公司生产的320×256/30μm制冷红外焦平面探测器杜瓦结构示意图

斯特林制冷机是利用斯特林循环工作的制冷机（如图1-11所示）。与J-T制冷机相比，它没有笨重的高压供气系统，实现了制冷机的微型化、长寿命、长工作时间等特点。斯特林制冷机具有结构紧凑、工作温度及制冷范围宽、启动快、效率高、操作简单等特点。

图1-11　斯特林制冷机

对于制冷红外焦平面探测器使用的制冷机，它的性能指标主要包括制冷机质量、外形尺寸、制冷温度、制冷时间、功耗、工作电压及漏率等。