وفقا للتصنيف، يمكن تقسيم أجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء إلى أجهزة استشعار حرارية وأجهزة استشعار الفوتون.

جهاز استشعار حراري

يستخدم الكاشف الحراري عنصر الكشف لامتصاص الأشعة تحت الحمراء لإنتاج ارتفاع في درجة الحرارة، ومن ثم يصاحبه تغيرات في بعض الخصائص الفيزيائية. وقياس التغيرات في هذه الخصائص الفيزيائية يمكن أن يقيس الطاقة أو الطاقة التي يمتصها. العملية المحددة هي كما يلي: الخطوة الأولى هي امتصاص الأشعة تحت الحمراء بواسطة الكاشف الحراري لإحداث ارتفاع في درجة الحرارة؛ والخطوة الثانية هي استخدام بعض التأثيرات الحرارية للكاشف الحراري لتحويل ارتفاع درجة الحرارة إلى تغير في الكهرباء. هناك أربعة أنواع من تغييرات الخصائص الفيزيائية شائعة الاستخدام: نوع الثرمستور، والنوع المزدوج الحراري، والنوع الكهروحراري، والنوع الهوائي Gaolai.

#نوع الثرمستور

بعد أن تمتص المادة الحساسة للحرارة الأشعة تحت الحمراء، ترتفع درجة الحرارة وتتغير قيمة المقاومة. يتناسب حجم تغير المقاومة مع طاقة الأشعة تحت الحمراء الممتصة. تسمى أجهزة الكشف عن الأشعة تحت الحمراء التي يتم تصنيعها عن طريق تغيير المقاومة بعد أن تمتص المادة الأشعة تحت الحمراء بالثرمستورات. غالبًا ما تستخدم الثرمستورات لقياس الإشعاع الحراري. هناك نوعان من الثرمستورات: المعدنية وأشباه الموصلات.

R(T)=AT−CeD/T

R(T): قيمة المقاومة؛ T: درجة الحرارة؛ أ، ج، د: ثوابت تختلف باختلاف المادة.

يحتوي الثرمستور المعدني على معامل درجة حرارة مقاومة موجبة، وقيمته المطلقة أصغر من قيمة أشباه الموصلات. العلاقة بين المقاومة ودرجة الحرارة خطية بشكل أساسي، ولها مقاومة قوية لدرجات الحرارة العالية. يستخدم في الغالب لقياس محاكاة درجة الحرارة.

الثرمستورات شبه الموصلة هي عكس ذلك تمامًا، فهي تستخدم للكشف عن الإشعاع، مثل أجهزة الإنذار وأنظمة الحماية من الحرائق والبحث عن المبرد الحراري وتتبعه.

#نوع الحرارية

المزدوجة الحرارية، والتي تسمى أيضًا المزدوجة الحرارية، هي أول جهاز كشف حراري كهربائي، ومبدأ عملها هو التأثير الكهروحراري. يمكن للوصلة المكونة من مادتين موصلتين مختلفتين أن تولد قوة دافعة كهربائية عند التقاطع. تسمى نهاية الإشعاع المستقبلة للمزدوجة الحرارية بالنهاية الساخنة، ويسمى الطرف الآخر بالنهاية الباردة. ما يسمى بالتأثير الكهروحراري، أي أنه إذا تم توصيل هاتين المادتين الموصلتين المختلفتين في حلقة، فعندما تكون درجة الحرارة عند المفصلين مختلفة، سيتم توليد تيار في الحلقة.

من أجل تحسين معامل الامتصاص، يتم تثبيت رقائق الذهب الأسود على الطرف الساخن لتشكيل مادة المزدوجة الحرارية، والتي يمكن أن تكون معدنية أو شبه موصلة. يمكن أن يكون الهيكل إما خطيًا أو كيانًا على شكل شريط، أو طبقة رقيقة مصنوعة بواسطة تقنية الترسيب الفراغي أو تقنية الطباعة الحجرية الضوئية. تُستخدم المزدوجات الحرارية من النوع الكياني في الغالب لقياس درجة الحرارة، وتستخدم المزدوجات الحرارية من النوع الرقيق (التي تتكون من العديد من المزدوجات الحرارية المتسلسلة) في الغالب لقياس الإشعاع.

الثابت الزمني لكاشف الأشعة تحت الحمراء من النوع المزدوج الحراري كبير نسبيًا، وبالتالي فإن وقت الاستجابة طويل نسبيًا، والخصائص الديناميكية سيئة نسبيًا. يجب أن يكون تردد تغير الإشعاع على الجانب الشمالي بشكل عام أقل من 10 هرتز. في التطبيقات العملية، غالبًا ما يتم توصيل العديد من المزدوجات الحرارية على التوالي لتكوين عمود حراري للكشف عن شدة الأشعة تحت الحمراء.

#نوع كهربي حراري

أجهزة الكشف عن الأشعة تحت الحمراء الكهروضوئية مصنوعة من بلورات كهروضوئية أو "كهروضوئية" ذات استقطاب. البلورة الكهرضغطية هي نوع من البلورات الكهرضغطية، التي لها بنية غير متماثلة مركزية. وفي الحالة الطبيعية لا تتطابق مراكز الشحنات الموجبة والسالبة في اتجاهات معينة، ويتكون على سطح البلورة قدر معين من الشحنات المستقطبة، وهو ما يسمى بالاستقطاب التلقائي. عندما تتغير درجة حرارة البلورة، يمكن أن يتسبب ذلك في تحول مركز الشحنات الموجبة والسالبة للبلورة، وبالتالي تتغير شحنة الاستقطاب على السطح وفقًا لذلك. عادةً ما يلتقط سطحه الشحنات العائمة في الغلاف الجوي ويحافظ على حالة التوازن الكهربائي. عندما يكون سطح متعلق بالعازل الكهربائي الشفاف في حالة توازن كهربائي، وعندما يتم تشعيع الأشعة تحت الحمراء على سطحه، ترتفع درجة حرارة العازل الكهربائي الشفاف (الورقة) بسرعة، وتنخفض شدة الاستقطاب بسرعة، وتنخفض الشحنة المقيدة بشكل حاد؛ بينما تتغير الشحنة العائمة على السطح ببطء. لا يوجد أي تغيير في الجسم متعلق بالعازل الكهربائي الشفاف الداخلي.

وفي وقت قصير جدًا من تغير شدة الاستقطاب الناتج عن تغير درجة الحرارة إلى حالة التوازن الكهربائي على السطح مرة أخرى، تظهر شحنات عائمة زائدة على سطح الفيروكهربائي، وهو ما يعادل إطلاق جزء من الشحنة. وتسمى هذه الظاهرة التأثير الكهروحراري. نظرًا لأن الشحنة الحرة تستغرق وقتًا طويلاً لتحييد الشحنة المقيدة على السطح، فإنها تستغرق أكثر من بضع ثوانٍ، ووقت استرخاء الاستقطاب التلقائي للبلورة قصير جدًا، حوالي 10-12 ثانية، وبالتالي فإن يمكن أن تستجيب البلورات الكهربية الحرارية للتغيرات السريعة في درجات الحرارة.

# نوع Gaolai هوائي

عندما يمتص الغاز الأشعة تحت الحمراء بشرط الحفاظ على حجم معين، سترتفع درجة الحرارة ويزداد الضغط. يتناسب حجم زيادة الضغط مع طاقة الأشعة تحت الحمراء الممتصة، لذلك يمكن قياس طاقة الأشعة تحت الحمراء الممتصة. كاشفات الأشعة تحت الحمراء التي تم تصنيعها وفقًا للمبادئ المذكورة أعلاه تسمى كاشفات الغاز، وأنبوب Gao Lai هو كاشف غاز نموذجي.

مستشعر الفوتون

تستخدم كاشفات الفوتون تحت الحمراء مواد معينة من أشباه الموصلات لإنتاج تأثيرات كهروضوئية تحت إشعاع الأشعة تحت الحمراء لتغيير الخواص الكهربائية للمواد. ومن خلال قياس التغيرات في الخواص الكهربائية، يمكن تحديد شدة الأشعة تحت الحمراء. تُسمى أجهزة الكشف بالأشعة تحت الحمراء الناتجة عن التأثير الكهروضوئي مجتمعة بكاشفات الفوتون. الميزات الرئيسية هي الحساسية العالية وسرعة الاستجابة السريعة وتردد الاستجابة العالي. ولكنها بشكل عام تحتاج إلى العمل في درجات حرارة منخفضة، ونطاق الكشف ضيق نسبيًا.

وفقًا لمبدأ عمل كاشف الفوتون، يمكن تقسيمه عمومًا إلى كاشف ضوئي خارجي وكاشف ضوئي داخلي. تنقسم أجهزة الكشف الضوئية الداخلية إلى أجهزة كشف ضوئية وكاشفات ضوئية وكاشفات كهروضوئية.

# كاشف ضوئي خارجي (جهاز PE)

عندما يسقط الضوء على سطح بعض المعادن أو أكاسيد المعادن أو أشباه الموصلات، إذا كانت طاقة الفوتون كبيرة بما فيه الكفاية، يمكن أن ينبعث من السطح إلكترونات. ويشار إلى هذه الظاهرة مجتمعة باسم انبعاث الإلكترون الضوئي، الذي ينتمي إلى التأثير الكهروضوئي الخارجي. تنتمي الأنابيب الضوئية وأنابيب المضاعف الضوئي إلى هذا النوع من كاشفات الفوتون. سرعة الاستجابة سريعة، وفي الوقت نفسه، يتمتع منتج أنبوب المضاعف الضوئي بكسب مرتفع جدًا، والذي يمكن استخدامه لقياس الفوتون الفردي، ولكن نطاق الطول الموجي ضيق نسبيًا، والأطول هو 1700 نانومتر فقط.

# كاشف الموصلية الضوئية

عندما يمتص شبه الموصل الفوتونات الساقطة، تتغير بعض الإلكترونات والثقوب الموجودة في شبه الموصل من حالة غير موصلة إلى حالة حرة يمكنها توصيل الكهرباء، وبالتالي تزيد من موصلية شبه الموصل. وتسمى هذه الظاهرة تأثير الموصلية الضوئية. تسمى أجهزة الكشف بالأشعة تحت الحمراء المصنوعة من خلال التأثير الضوئي لأشباه الموصلات بكاشفات الموصلة الضوئية. في الوقت الحاضر، هو النوع الأكثر استخدامًا لكاشف الفوتون.

# الكاشف الكهروضوئي (جهاز PU)

عندما يتم تشعيع الأشعة تحت الحمراء عند تقاطع PN لبعض هياكل مواد أشباه الموصلات، تحت تأثير المجال الكهربائي في تقاطع PN، تنتقل الإلكترونات الحرة في المنطقة P إلى المنطقة N، وتنتقل الثقوب الموجودة في المنطقة N إلى المنطقة منطقة P. إذا كان الوصل PN مفتوحًا، يتم توليد جهد كهربائي إضافي عند طرفي الوصلة PN يسمى القوة الدافعة الكهربائية الضوئية. تسمى الكاشفات المصنوعة باستخدام تأثير القوة الدافعة الكهربائية الضوئية الكاشفات الكهروضوئية أو كاشفات الأشعة تحت الحمراء الوصلية.

# الكاشف الكهرومغناطيسي البصري

يتم تطبيق المجال المغناطيسي أفقيا على العينة. عندما يمتص سطح أشباه الموصلات الفوتونات، تنتشر الإلكترونات والثقوب المتولدة في الجسم. أثناء عملية الانتشار، يتم إزاحة الإلكترونات والثقوب إلى طرفي العينة بسبب تأثير المجال المغناطيسي الجانبي. هناك فرق محتمل بين كلا الطرفين. وتسمى هذه الظاهرة التأثير الكهروضوئي المغناطيسي. تسمى الكاشفات المصنوعة من التأثير الكهروضوئي المغناطيسي الكاشفات الكهروضوئية المغناطيسية (يشار إليها باسم أجهزة PEM).