下一代红外传感器：半导体材料与应用创新
2025-11-23 21:12:08 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
红外传感器可探测可见光谱之外的辐射，在热成像、安防、医疗诊断、环境监测及太空探索等多个领域发挥着关键作用。近期的一项研究对红外传感器技术的最新进展进行了深入概述，重点涵盖新材料、增强型探测能力。
近期的一项研究对红外传感器技术的最新进展进行了深入概述，重点涵盖新材料、增强型探测能力，以及该技术在工业、医疗、安防和环境领域的扩展应用。该研究探讨了量子点、石墨烯及新型纳米材料如何革新红外探测器领域，如何为更高效、功能更多的传感器系统奠定基础。
用于红外传感器的创新型半导体材料
历经三代发展演变，红外传感器技术已取得显著进步。据麦姆斯咨询报道，近期，来自德国MAT4NRG有限公司、比利时鲁文大学（KU Leuven）和希腊雅典国立技术大学（National Technical University of Athens）的科研团队开展了一项研究，对红外传感器领域进行了全面综述。该研究以“IR Sensors, Related Materials, and Applications”为题，发表在Sensors期刊上，着重阐述了新兴材料在提升红外传感器性能与拓展市场应用中的核心作用。
红外传感器的作用日益扩大
红外传感器可探测可见光谱之外的辐射，在热成像、安防、医疗诊断、环境监测及太空探索等多个领域发挥着关键作用。研究指出，红外辐射分为短波红外（SWIR，1~3µm）、中波红外（MWIR，3~5µm）、长波红外（LWIR，8~12µm）和甚长波红外（VLWIR，>12µm）四个频段。每个频段均有特定用途，其中，中波红外和长波红外在热成像和监控技术中尤为重要。
传统的红外探测依赖碲镉汞（MCT）、锑化铟（InSb）等半导体材料，以及量子阱红外光电探测器（QWIP）。然而，该研究强调，纳米技术和量子材料的突破正重塑这一领域，不仅推动了红外传感器性能的提升，还催生出很多全新功能。
变革红外传感的新兴材料
该研究着重指出，新型半导体材料将成为未来红外探测技术发展的核心驱动力，具体包括以下几类：
·量子点红外光电探测器（QDIP）：量子点（QD）具有独特的电子特性，可显著提升红外传感器的灵敏度，降低暗电流，并实现多色探测功能。
·石墨烯与二维材料：石墨烯及过渡金属二硫属化合物（TMD）具备高载流子迁移率与可调电子特性，为研发“低冷却需求、高性能”的红外探测器提供了可能。
用于红外传感器的二维材料：（a）石墨烯的原子结构与能带结构；（b）黑磷（BP）的原子结构；（c）过渡金属硫属化合物的构成元素及结构。
·胶体量子点（CQD）和II类超晶格：相较于传统块状半导体，这类材料的红外吸收能力更强，且可在更高温度环境下稳定工作。
尽管上述技术已取得突破，研究仍揭示出了当前存在的挑战：例如量子点红外探测器的量子效率偏低、大面积石墨烯基探测器的制备难度较大。不过，当前针对“材料均匀性优化”与“纳米制备技术升级”的研究正在推进，有望逐步攻克这些难题。
红外传感器结构与功能的技术进展
本研究根据探测原理，将红外传感器分为光子探测器与热探测器两大类。其中，光导探测器、光伏探测器等光子探测器，在光子与载流子发生相互作用时会产生电响应；热释电探测器、热电堆探测器等热探测器，则通过探测红外辐射吸收后产生热量所引发的材料特性变化实现传感功能。
此外，该研究还探讨了主动式与被动式红外传感器的差异：主动式红外传感器可自主发射并探测红外光，因此在机器人接近传感、安防监测等场景中具有重要应用价值；而常用于运动监测的被动式红外（PIR）传感器，无需主动发射信号，完全依赖物体自身发射的红外辐射进行工作。
未来展望：人工智能（AI）和仿生传感器系统
该研究概述了红外传感器的未来愿景，其中先进的电子技术与人工智能将在传感器功能升级中发挥核心支撑作用。人工智能驱动的自适应传感器系统，有望强化实时图像处理能力、优化信号解析精度，并实现仿生解决方案——例如单像素多光谱探测技术。
此外，研究人员预计，红外传感器小型化与成本控制领域将取得重大突破，这将让高性能红外探测技术更广泛地应用于消费电子、医疗诊断及环境监测等领域。同时，多光谱与高光谱成像技术的创新，也有望进一步拓展其在农业、食品安全及气候科学领域的应用场景。
在量子材料、纳米技术及人工智能集成技术的突破推动下，红外传感器技术正迎来革命性变革。尽管材料优化与大规模制备仍是当前面临的挑战，但是红外传感器技术的未来已显现明确前景：灵敏度持续提升、成本逐步降低、应用场景不断拓展，将在各行业的技术革新过程中发挥着越来越重要的作用。
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