综述：红外传感器及其相关材料和应用
2025-11-22 22:35:27 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
探测红外辐射的器件可分为三类：光子探测器、热探测器以及辐射场探测器。根据其工作原理，红外传感器主要可分为热敏型和量子型。热敏型传感器可将红外光转换为热能，再通过电阻变化和热电动势将信号输出。量子型传感器主要利用半导体跃迁能的光导效应和PN结的光伏效应。
红外（IR）传感器凭借其探测红外辐射的能力而被广泛应用于各类场景。目前，红外探测器技术已进入第三代发展阶段，正面临着巨大挑战。红外辐射的传播可划分为不同光学窗口，中波红外（MWIR）和长波红外（LWIR）波段在红外热成像领域最具研究价值。红外热成像探测器广泛应用于消费、工业、安防、搜救、监控、医疗等诸多领域。目前，高性能红外成像技术主要依赖于窄带隙体合金碲镉汞（MCT）、锑化铟（InSb）以及砷化镓（GaAs）基量子阱红外光电探测器（QWIP）的外延生长结构，具体选择取决于应用场景及波长范围。包括二维材料、石墨烯、量子点（QD）、阱中量子点（DWELL）和胶体量子点（CQD）在内的具有适宜电学和力学性能的纳米结构及纳米材料，将显著提升红外光电探测器、过渡金属二硫族化合物和金属氧化物的电子特性，这些材料正引发研究者的高度关注。
图1 电磁波谱及其代表性区域、能量水平和应用示例
据麦姆斯咨询报道，来自德国MAT4NRG GmbH、比利时鲁汶大学（KU Leuven）和希腊国立雅典理工大学（NTUA）等机构的研究人员组成的团队以“IR Sensors, Related Materials, and Applications”为题在Sensors期刊上发表了关于红外传感器研究进展的综述论文。这篇论文全面介绍了红外传感器的类型、常用材料以及相关应用实例。
红外传感器的类型
探测红外辐射的器件可分为三类：光子探测器、热探测器以及辐射场探测器。根据其工作原理，红外传感器主要可分为热敏型和量子型。热敏型传感器可将红外光转换为热能，再通过电阻变化和热电动势将信号输出。量子型传感器主要利用半导体跃迁能的光导效应和PN结的光伏效应。热释电红外传感器则属于热敏传感器。
根据是否具有光源，红外传感器可分为主动型和被动型。主动型红外传感器（AIR）在红外波段进行发射与接收（如图2），其由光源和探测器两部分构成；当物体接近主动传感器时，红外光源发射的红外光经物体反射并被探测器捕获；主动型红外传感器常用作接近传感器，用于机器人等的障碍物探测系统。被动型红外传感器专门用于红外辐射探测，无光源；被动型红外传感器（PIR）由两层热释电材料（热释电传感器）、红外滤光片（滤除其他波长光）、菲涅尔透镜（将多角度光线聚焦至单点）、外壳单元（保护传感器不受温湿度等环境变量影响）构成。被动型红外传感器主要应用于基于被动红外技术的运动探测系统。
图2 搭载主动型和被动型红外传感器的无人机示意图
光导探测器、光伏探测器和光电磁探测器的性能本质上取决于光激发载流子的寿命。在光子探测器中，入射光子通过与电子相互作用而被吸收，这些电子可能与晶格原子、杂质原子甚至自由电子相关。被测量的信号来自于电子能级分布的改变。图3展示了半导体中基本光激发机制。
图3 半导体中的基本光激发过程：（a）本征吸收；（b）非本征吸收；（c）自由载流子吸收。
红外传感器的材料
有机材料已成为热释电红外传感器敏感材料研究的重要课题，随着聚合物基材料的发展，众多功能性聚合物材料也展现出铁电、压电和热释电特性。聚偏氟乙烯（PVDF）是研究最深入的热释电材料之一。多项研究采用PVDF和P(VDF)-TrFE等有机-无机复合材料作为基体，结合绝缘锆钛酸铅（PZT），用于压电和热释电传感器中。关于有机材料和碳基材料的红外传感器研究如图4和图5所示。
图4（a）多壁碳纳米管（MWCNT）功能化与交联反应方案；（b）π-π堆叠方案。
图5 双层薄膜制备工艺和单壁碳纳米管（SWCNT）在湿润表面（左图）/干燥表面（右图）附着工艺的扫描电镜（SEM）图像
近年来，采用PZT薄膜的热释电红外传感器因其成本效益高、结构紧凑、宽谱响应以及优于传统光子红外探测器的可靠性，在军事、国土安全及民用领域备受关注。基于PZT薄膜的红外传感器研究主要涉及夜视成像仪、气体监测、运动感知等领域。
非制冷肖特基光调谐势垒探测器（SPBD）可突破内部光发射极限，实现宽带超灵敏光探测能力。SPBD结构包括用于载流子抑制的石墨烯-硅肖特基结和用于红外光吸收的窄带隙碲化铅（PbTe）。SPBD的光响应原理与传统肖特基红外探测器（如图6）存在根本差异，这是源于红外光照下肖特基势垒的动态变化。图6A和图6B对比了SPBD与传统光发射探测器的工作机理差异。
图6 SPBD与传统肖特基红外探测器的对比
量子点系统呈现零维量子限制效应。在无外部影响时，载流子将受限于量子点三维空间内。载流子将被限制在半导体器件内的指定区域内。此外，通过调节电场、器件温度等外部变量，可选择性捕获或释放载流子。量子点红外光电探测器（QDIP）与QWIP原理基本一致，但可通过零维量子限制机制解决相关问题。多量子点材料体系呈现II型能带对准，例如GaAs量子点沉积于砷化铟（InAs）衬底，或InSb量子点沉积于InAs衬底。
图7 块体材料、量子阱、量子线和量子点的空间分布和态密度分布示意图
量子阱是一种半导体材料超薄片层，“夹”在另一种材料的两层（或两个三维块体）之间。载流子被限制在该平面内，但可在该平面内移动。基于子带间跃迁的QWIP技术利用III-V族异质结构，多年来在中波红外和长波红外光谱范围的热成像应用中备受关注。QWIP对长波红外光子密集系统至关重要，涵盖医学成像、气体检测和监控应用等领域。然而，其存在量子效率低、暗电流高、缺乏典型入射吸收且需低工作温度等问题。
数年前提出的一种结合QWIP和QDIP特性的混合结构，被称为阱中量子点（DWELL）。这种结构展现出多重优势，包括依赖偏压的多光谱响应特性。DWELL的有源部分由嵌入InGaAs量子阱内的InAs量子点构成，实现传统QWIP与QDIP的融合。DWELL结构具备多重优势，其多光谱响应特性与QWIP类似，具有偏压依赖的光谱可调性及可重复的波长控制能力。此外，DWELL同时兼具低暗电流和QDIP的垂直入射工作模式。多光谱响应源于多种跃迁能级，包括量子点间跃迁、量子点到量子阱跃迁及量子点到连续能带跃迁。其光谱的可调性通过能带弯曲来实现，而能带弯曲受改变跃迁能量的偏置电压的影响。
II型InAs/GaInSb超晶格结构（T2SL）是一种新型替代红外材料体系，在长波红外/甚长波红外（VLWIR）光谱范围内显示出巨大潜力，其性能在等效截止波长下可媲美HgCdTe材料。基于GaSb衬底制备的II型InAs/GaSb超晶格结构，凭借其优越的空间均匀性和精确调节截止波长的能力，成为主流MCT光电二极管和量子阱红外光电导体的有力替代方案。T2SL光电二极管通常采用P-i-N结构，其特征在于在带隙更大且晶格匹配的重掺杂p型与n型材料之间存在偶然掺杂的本征区（ν或π区）。高带隙层中少数载流子浓度的降低可减少扩散电流，提高RoA值并增强探测灵敏度。
亚单层量子点（SML QD）作为量子点制备的替代方案，因其生成高密度均匀量子点而备受关注。与传统的S-K QDIP相比，采用多层堆叠SML量子点的红外光电探测器表现出增强的器件性能：暗电流密度降低、响应度提高、探测率增强。此外，通过构建合适的AlGaAs势垒，可显著提高SML QDIP性能，该结构利于实现载流子的卓越量子限制效应。
红外传感器的应用
红外传感器广泛应用于消费、工业、安防、搜救、监控、医疗、研究、气象学、气候学和天文学等诸多领域。
图8 各种坐姿探测的输出图像
图9 利用易获取的人体呼出气体结合红外CO₂气体传感器构建用于呼吸系统疾病监测的架构
图10 包含富集层的微型红外CO₂传感器示意图
综上所述，红外探测系统的应用前景需满足以下要求：提升像素灵敏度，提高像素密度；通过更高效或无需制冷的探测器技术，以及将探测器与信号处理功能集成（显著增强片上信号处理），显著降低红外成像阵列系统成本；通过开发多光谱传感器提升红外成像阵列功能。未来红外探测器技术的发展愿景包括将光电探测器与执行复杂算法的先进电子器件相结合，其中，人工智能（AI）可能成为自适应系统的重要工具。
论文链接：https://doi.org/10.3390/s25030673
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