超導紅外探測器(Superconductor Infrared Detector)是指利用高溫超導現象研製的探測器。
基本介紹
- 中文名：超導紅外探測器
- 外文名：Superconductor Infrared Detector
- 學科：物理學
- 套用：軍事、民用
- 特點：低功耗、價格低
- 發現者：海克·卡末林·昂納斯
簡介,分類與探測機理,優勢,性能特點,套用領域,
簡介
1911年荷蘭物理學家海克·卡末林·昂納斯在液氦溫度下研究幾種純金屬的電阻與溫度的關係時驚奇的發現，當溫度下降到約-268.85℃(即4.3K)時，汞的電阻從0.125Ω突然下降到零，金屬的這種奇異現象就稱為超導。具有超導電性質的物體稱為超導體。利用超導電現象研製的探測器叫超導探測器。用超導探測器檢測紅外輻射，早在50年代就開始了，但由於20K以下深低溫的工作條件而一直停滯不前。高Tc(>77)超導材料的問世，使這一技術領域得以新生，尤其是1986年以後，國內外竟相開展了高Tc超導技術研究.十幾年來，在“超導熱”中，高溫超導紅外探測器已顯示出良好的套用前景，並且隨著超導膜製備技術的日臻成熟，加上集成的微結構工藝可以直接引用，使高Tc超導探測技術研製水平進人實用階段。
分類與探測機理
與半導體探測器一樣，高溫超導紅外探測器可分為熱敏型和光子型兩大類，以下著重談談這兩類探測器的探測機理。目前國內外高溫超導紅外探測器套用研究，主要精力是放在熱敏型(Bolometer)上，且熱敏型探測器的研製已逐漸成熟，並進入實用階段。其工作原理為:Bolometer即測輻射熱計，是一種測量紅外輻射的熱敏電阻，是一種阻值隨所接收紅外輻射量變化的紅外探測器，它是利用超導體從正常態轉變到超導態時電阻隨溫度變化而急劇變化的特性來檢測紅外輻射的，如圖所示。從圖中可見，在超導轉變邊緣，微小的溫度變化，將產生急劇的電阻變化，且轉變區越陡越好，曲線越陡，超導器件的靈敏度將越高.P.LRichards等人對於超導轉變溫度Tc=90K，超導零電阻溫度Tc0=80K的高溫超導Bolometer的性能進行了估算，其噪聲等效功率NEP為(1~20)x10^-15WHz^1/2。並且由於Bolometer的熱效應，高溫超導Bolometer的光譜回響是很寬的，它提供較平坦的回響直到亞毫米甚至毫米波段，且回響僅與吸收的輻射功率有關，而與波長無關。
光子型紅外探測器，按工作原理可分為3種:光輔助隧道效應、非平衡光電效應和光磁量子效應。3種當中以光輔助隧道效應為基礎的Josephson結探測器進展較快，現簡述其工作原理.光輔助隧道效應即Josephson效應的工作原理是:把具有超導體(s)一絕緣體(I)一超導體(S)結構叫做Josephson結.當對這種隧道結加恆定電場時，結區產生高頻電流，並輻射或吸引電磁波，其頻率v與電壓有如下關係:v=e(V)/h該公式說明光子能量hv可引起超導隧道結的I一V特性發生變化.根據這個原理可以製成性能優良的紅外探測器.但目前高溫超導Josephson結探測器研究由於機理較為複雜，特性較難控制，仍處於實驗室中的探索研究階段。
優勢
- 常規的半導體紅外探測器工作波段受波長範圍的限制，套用範圍即受到局限.而超導紅外探測器就不存在這一缺點，它具有非常寬的回響波段範圍，不僅可以探測從紫外、可見光、紅外到遠紅外的電磁輻射，還可探測X射線、亞毫米波、毫米波、微波，基本上覆蓋了整個電磁波譜;在遠紅外和毫米波譜區內，高Tc超導探測器是性能最好的器件(LN2)，目前在8~14um性能最好的紅外探測器是啼鍋汞(HgCdTe)，但若波長大於20um，它的靈敏度將大大下降，而超導探測器的性能仍保持不變。
- 具有較好的全天候工作能力.
- 列陣器件適合紅外熱像系統.尤其是使亞毫米波段減像的研究成為可能.亞毫米波段成像的顯著特點是:能彌補由於大氣中雨霧的作用而受到影響的紅外系統的缺陷，同時它在空間解析度上優於毫米波探測系統。長期從事紅外技術研究的、美國Honeywell感測器與系統發展中心的.PW.Kurse認為，高Tc超導探測器是紅外與亞毫米波波段的最佳器件(65~90K)，這種探測器猶如架在紅外與毫米波之間的一座橋樑，填補了目前亞毫米波段無探測器的空白.
- 功耗低、噪聲爾，便於研製大面積均勻列陣和焦平面.
- 成品率高、成本低，據SpIE(Vol.2020)報導，1993年美國Honeywell感測器與系統發展中心宣布:澱積在iS微觀結構上的高溫超導Bolometer的成本比HgCdTe的要低幾個數量級。
- 超導積體電路的研製成功將使得未來的星載紅外成像系統能夠探測更冷的物體，而且能使這些成像系統的造價更低。
性能特點
- 低功耗。超導電路可認為是無功耗的，但實際上功耗是存在的。通常它比相同作用的半導體電路的功耗低兩個數量級。超導FPA的研究內容，除敏感元之外還包括前放(可選SQUD)、A/ D轉換和信息處理等電路。總的來看，超導電路的功耗要比半導體電路低1～ 2個數量級。
- 超導線路尺寸極小。從亞微米和納米結構研究報導看，微米級的器件加上微米級的線路將比半導體FPA具有更高的密度，因而可完成更為複雜的信息處理工作。
- 便於研製大面積均勻列陣。由於超導均勻膜已具有Υ 76mm的尺寸，因此利用現有的光刻技術完全可以製造大面積均勻敏感元。而且壞器件極少，甚至沒有。
- 成品率高、價格低。這是由超導制膜和光刻工藝可靠所決定的。用高Tc超導體澱積在Si微結構上的薄膜製成的bolometer器件的成品率很高，且其成本比HgCdTe低5～ 6個量級。
套用領域
高溫超導紅外探測器是紅外至毫米波段的優良接收器，它可用於諸多領域:
- 軍事上，作紅外(尤其是遠紅外)和亞毫米波行掃瞄器、遠紅外雷射器的接收器件，紅外前視系統、熱像儀(用於大於20召In至亞毫米波段的成像)的接收器件，以及用於精密制導、火控、紅外偵查、光電對抗等武器系統.
- 民用上，用於低溫測溫儀、光譜儀、天文探測，特別是天文衛星對外層空間的探測、長波地物輻射波譜檢測、托克馬克離子體電子溫度測量等。
