红外探测器的工作原理（精选9篇）
（一）碘化铯/非晶硅型：
概括原理：X线先经荧光介质材料转换成可见光，再由光敏元件将可见光信号转换成电信号，最后将模拟电信号经A/D转换成数字信号。
具体原理：
1、曝光前，先使硅表面存储阳离子而产生均一电荷，导致在硅表面产生电子场；
2、曝光期间，在硅内产生电子-空穴对，且自由电子游离到表面，导致在硅表面产生潜在的电荷影像，在每一点上电荷密度与局部X线强度相当。
3、曝光后，X线图像被储存在每一个像素中；
4、半导体转换器读出每一个素，完成模数转换。
优点：
1、转换效率高；
2、动态范围广；
3、空间分辨率高；
4、在低分辨率区X线吸收率高（原因是其原子序数高于非晶硒）；
5、环境适应性强。
缺点：
1、高剂量时DQE不如非晶硒型；
2、因有荧光转换层故存在轻微散射效应；
3、锐利度相对略低于非晶硒型。
（二）非晶硒型
概括原理：光导半导体直接将接收的X线光子转换成电荷，再由薄膜晶体管阵列将电信号
读出并数字化。
具体原理：
1、X 线入射光子在非晶硒层激发出电子-空穴对；
2、电子和空穴在外加电场的作用下做反向运动，产生电流，电流的大小与入射的X线光子数量成正比；
3、这些电流信号被存储在TFT的极间电容上，每一个TFT和电容就形成一个像素单元。
优点：
1、转换效率高；
2、动态范围广；
3、空间分辨率高；
4、锐利度好；
缺点：
1、对X线吸收率低，在低剂量条件下图像质量不能很好的保证，而加大X线剂量，不但加大病源射线吸收，且对X光系统要求过高。
2、硒层对温度敏感，使用条件受限，环
境适应性差。
（三）CCD型
概括原理：由增感屏作为X线的交互介质，加CCD来数字化X 线图像。
具体原理：以MOS电容器型为例：是在P型Si的表面生成一层SiO2，再在上面蒸镀一层多晶硅作为电极，给电极P型Si 衬底加一电压，在电极下面就形成了一个低势能区，即势阱。势阱的深浅与电压有关。电压越高势阱越深。而光生成电子就储于势阱之中。光生电子多少与光强成正比。所以所存储的电荷量也就反应了该点的亮度。上百万的光敏单元所存储的电荷就形成与图像对应的电荷图像。优点：
1、空间分辨率高；
2、几何失真小；
3、均匀一致性好。缺点：
1、转换效率低（原因是CCD系统采用增感屏为其X线交互介质，它的MTF调制传递函数和DQE量子检测效能都不会超过增感屏。另外，由于增感屏被X线激发的荧光通常只有小于1%能够通过镜头进入CCD）。
2、生产工艺难：CCD面积难以做大，需多片才能获得足够的尺寸，这便带来了拼接的问题，导致系统复杂度升高可靠性降低，且接缝两面有影
像偏差。
3、像素大小由CCD的最小体积决定，而CCD体积制造工艺受限。
1 基本原理
红外气体探测器主要基于不同气体由于不同的分子结构会对不同波长的红外光进行吸收, 而吸收满足比尔-朗伯定理。穿过气体后光强的减弱与气体的浓度和光线在气体中的行程相关。
式中I1为穿过气体后的光强, I0为入射光强, α为吸收系数, L为光程, c为气体的浓度, 由此可见穿过气体后的光强与入射光强成正比, 与气体浓度和光程长度成反比, 在入射光强确定后, 我们知道吸收系数α, 只要确定光程和出射光强就能根据公式得到气体浓度。
2 整体光路设计
在光路设计中选择了双光源, 单探测器的对射式方式, 具体结构如图1所示。
如图1所示, 探测器的光路由两个红外光源、发射侧的窄带滤光片、发射侧准直透镜、气室、接收透镜、接收侧的窄带滤光片以及Pbse探测器组成。两个红外光源发出的红外光通过一个分划板使两束光沿同一光路传播, 经过准直透镜得到与气室平行的红外光, 红外光通过气室中, 气室中的气体对红外光进行吸收, 在接收端, 通过接收透镜使光聚集成为一个光斑打在Pbse探测器上, 通过探测器观察两个信号的大小。
在光源的选择上, 尽量选择相同的光源来排除长时间工作后由于老化程度的不同对测量造成的影响;在光源传播路径加滤光片得到两个波长的信号:3.9um (甲烷吸收的吸收峰) 和3.1um (甲烷无吸收) 分别作为测量光和参考光。
分划板的作用是通过镀膜使其反射3.3um的红外光, 而可以透过3.9um的光, 这样可以使测量与参考在气室中经过的光程相同。准直透镜使进入气室的光为平行光, 排除由于光路对测量造成的影响。在气室两端我们安装了视窗, 视窗要求有足够高的透过率, 视窗的作用是使气室与发射/接收端隔离, 避免气体进入发射端/接收端, 对光源/探测器造成影响, 从而对测量结果造成影响。在接收端, 接收透镜可以把打过来的平行光聚集成为一个光斑打在探测器上, 这时要求探测器在透镜的中心轴上, 探测器放置的位置在透镜的焦点附近得到最大的光强, 同时在透镜和探测器中间放置一个3-5um的宽带滤波片, 滤除可见光对探测结果造成的影响。同时Pbse传感器相比传统的红外热释电探测器, 灵敏度更高, 响应速度更快, 温飘很小, 可以提高探测下限和测量精度。
3 基本硬件电路设计
红外气体探测器一般由以下几部分组成 (如图2) :光源驱动电路, 探测器电路, 信号处理电路, ADC采样以及MCU, 输出电路构成。MCU控制光源发光, 使测量光源和参考光源交替闪烁, 使探测器可以在一个周期内得到测量信号和参考信号两个完整的信号。探测器得到的信号通信号处理模块进行放大和滤波。最后通过ADC进行采样并传入MCU进行数据处理得到浓度, 并通过4-20m A电路和RS485电路对外输出。
3.1 光源驱动电路
由于系统采用双光源单探测器, 所以要严格控制灯泡的上电时间以及占空比, 信号大小与占空比有直接关系, 信号越大信噪比越高, 所以要使占空比尽量大, 但是实际应用中, 由于探测器和光源的性能原因, 停止给灯泡供电后探测器接收到的信号是一个渐变的信号, 为了防止探测器接收到两个光源发出信号相互影响, 方便探测器接收到的信号的处理, 选择20%的占空比, 这样在一个周期内, 我们可以得到我们所需的两个完整的信号, 同时又可以使信号幅度达到较大的值。在频率选择上最好的是4-8Hz, 小于4Hz的信号在后期信号处理电路中较为复杂, 同时每秒得到的数据会减少, 通过平均达到减小噪声的目的会减弱。而高于8Hz后能量减少较大, 接收到的信号较小, 信噪比会变差。
灯泡的电阻随着灯泡两端施加的电压而改变, 因此在灯泡由关闭突然打开时, 瞬时电流可能过大, 可能产生电流溢出, 为了保护灯泡, 可以采用以下措施: (1) 在关闭灯泡时保持一个0.4V左右的电压; (2) 串联一个小电阻; (3) 使用一个限流调节器。在我们的设计中, 选择串入一个小电阻 (如图4所示) 。
3.2 探测器接收电路
探测器方面选择的是Pb Se探测器, 这种探测器对于1-5微米的红外信号有较宽的探测域, 较快的响应速度, 以及较好的温度特性, 使其可以工作在室温的环境下。Pb Se探测器的主要原理是光传导效应, 是光打在探测器上, 由于光传导效应使Pb Se探测器的阻值发生变化, 随着光强度增加, Pb Se探测器的阻值会降低。利用这个特性, 我们只要使用一颗与Pb Se探测器阻值相近的电阻与探测器串联分压, 通过检测电阻两端的电压变化即可检测探测器接收光信号的大小 (如图5所示) 。
如图5所示可以计算LR两端的电压为
接收的光发生变化之后影响dR, 从而影响oV
3.3 信号处理电路
在信号处理电路上, 应该注意一级放大电路与探测器的距离越小越好, 同时一级放大应选用低噪声, 且要有足够大的放大倍数, 这样可以减小噪声和其他电学信号的干扰。使用的光源信号是8Hz的信号, 因此在信号处理电路中, 放大的同时我们应该设计带通滤波器, 来减小其他频率的噪声的影响, 在设计中, 应该注意带宽的选择, 带宽过宽会导致噪声的引入, 较差的信噪比, 如果带宽过窄, 滤波器会对组成器件的误差和温度变化十分敏感。经过测试隔直, 滤波, 放大之后最后得到一个类似于正弦波的信号 (如图6) 。
3.4 采样与处理器
用ADC对放大后的信号进行采样, 给微处理器进行数据处理, 微处理器将采集的数据进行软件滤波以及峰峰值的采集, 并通过算法进行最后浓度的计算。设计中应注意参考电压的干净, 不应引入过多的噪声。微处理器对采样得到的信号进行处理, 算法计算等工作, 根据完成的功能要求等选择不同的单片机进行控制。
3.5 输出电路
输出电路选择了工业常用的4-20m A输出电路, 连接控制器, 可以直观地显示计算出来的气体浓度;同时我们使用RS485总线与PC通信, 通过上位机对仪器参数进行更改, 以及对采样数据进行观察。
4 软件设计
由于探测器接收到的信号是与光信号相关的, 在同一浓度下信号会以基线为中心上下波动, 而ADC采样是对一个周期内完整信号的采样, 在进入MCU后要经过处理才能得到正确的比值信号, 从而得到最终的浓度值。具体软件处理方法如图7所示:
系统上电后, MCU首先自检, 自检通过后, MCU发出命令, ADC进行数据采样。ADC采到的信号在MCU中进行平滑滤波, 去除单个波形信号中的毛刺, 得到较为平滑的完整波形, 通过时钟判断参考/测量信号后用过峰值算法得到信号的峰峰值。因为峰峰值在同一浓度下也是上下波动的, 所以的到峰峰值之后, 应该进行累加平均来减小噪声。累加平均选取的点数越多信噪比越好, 但是同时也会使响应时间增加, 选取10个点进行累加平均得到较好的信噪比的同时响应时间不会太慢。得到正确的比值之后, 通过ADC采集到的温度信息进行温度补偿, 并通过算法计算浓度。最后对浓度值进行滑动平均后输出浓度值。
5 通气测试结果
仪器的测量结果是基于测量信号 (Um) 与参考信号 (Ur) 的比值而来, 有红外吸收原理可知, 由于气体对特定波长的红外 (Um) 信号的吸收, 笔者得到的比值信号 (Um/Ur) 应随通入气体的浓度的增加而减小。测试了从0到100%LEL (0-5%体积分数) 甲烷进行了测试。测试结果如图8所示:
由图8可以看出, 随着气体浓度的增加信号比值逐渐减小, 而且变化量越来越小 (相同的浓度变化情况下) 。对采集到的数据进行数据统计, 发现虽然信号是在一定范围内波动的, 但是只要在同一浓度取一定点数进行平均, 得到的平均值几乎不变, 也就是说信号是围绕一定基线上下波动的。
由比尔-朗伯定理得到公式:
在实际应用中常将1-I1/I0记为吸收率 (η) , 一般由吸收率对应计算出相应的浓度, 由于引入了参考信号, 可以把吸收率 (η) 表示为:
式中Um1, Ur1为一定浓度时的测量信号与参考信号, Um0, Ur0为浓度为0时的测量信号与参考信号。将得到的比值换算成η与浓度C之间的关系进行拟合得到结果。根据拟合结果编写算法, 对0-100%LEL内每10%为一个点对浓度进行测试, 以观察仪器线性度及满量程误差。
由此可见, 红外气体探测器误差小于1%LEL, 线性度误差满足≤±2%FSD, 重复性C.V=0.49%重复性, 线性度良好, 误差较小。同时响应时间小于6s, 响应时间较快, 满足设计要求。
6 小结
本设计是基于气体红外光谱吸收原理的一种双光源单探测器的甲烷气体检测装置, 通过对光源占空比和频率的调节, 使探测器可以检测到较为完整而准确的信号, 从而提高仪器的准确性, 使得仪器能够实时、准确地检测环境中甲烷的含量 (0-100%LEL) 。相较于传统的电化学, 催化燃烧传感器, 该设计具有响应快, 精度高, 使用寿命长等优点, 在环保, 化工, 以及放置气体泄漏等领域将会有较好的应用。
参考文献
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关键词： 粘接强度； 室温硫化； 固化
中图分类号： TJ762文献标识码： A文章编号： 1673-5048（2016）04-0069-05
Abstract： In order to improve the adhesive strength of silicone rubber and reduce the effects to the detector structure size， taking RTV511 room temperature vucanized silicone rubber as an example， the key factors which impact the silicone rubber adhesive properties are indepth analyzed， detector sealing structure is improved， the optimal curing process condition is determined based on a series of process experiments， and then the improved detector sealing structure is verified. The results show that the optimized scheme can meet the expected requirements.
Key words： adhesive strength； room temperature vulcanization； cure
0引言
硅橡胶是重要的有机硅材料之一， 具有耐热性、 耐寒性、 耐臭氧、 化学稳定性、 高透气性和低压缩永久变形等诸多优异性[1]， 是以线形有机硅氧烷为基础聚合物（生胶）， 加入交联剂， 补强填料及其他配合剂， 经配合、 硫化， 形成的弹性体。 可以使用的温度范围很广（-100～315 ℃）。 目前， 硅橡胶灌封材料已在军事、 电子工业领域以及要求比较严苛的航空航天等高技术领域得到广泛的应用[2]。 灌封技术是在电子产品中将未固化可流动的灌封材料填充到电子元件的周围， 排除空气后进行固化[3]。 在实际生产过程中所使用的硅橡胶RTV511为室温硫化型硅橡胶， 利用缩合反应进行固化， 加入固化剂加速固化反应。 该液体硅橡胶是由中等聚合度的线形聚有机硅氧烷为基础聚合物， 配合填料、 各种助剂及添加剂配制的， 具有自流平性或触变性的基料[4]。 使用时可根据品种及用途在大气或加热下硫化成形为弹性体。
灌封硅橡胶的作用是将杜瓦器件与金属外壳固定在一起， 使玻璃杜瓦器件与金属外壳位置精确固定， 保证光敏面到定位面长度要求、 与定位金属壳体的角度要求、 同轴度和垂直度形状公差要求、 减少振动幅值、 降低振动噪声、 固定外引线等。 因此对硅橡胶与金属壳体、 玻璃壳体的粘接性能， 以及硅橡胶固化后的物理特性要求较高。
1硅橡胶固化粘接机理
1.1硅橡胶固化机理
液体硅橡胶按产品的包装形式分为单组分和双组分两类， 根据其交联硫化机理， 又可分为缩合型和加成型两个体系， 如图1所示[5]。
航空兵器2016年第4期张筱楠等： 室温硫化硅橡胶在红外探测器中的应用RTV511属于双组分缩合型液体硅橡胶， 第一组分为基料， 由基础聚合物和填料为主要成分配成， 并加有交联剂； 第二组分为催化剂（固化剂）。 缩合型双组分RTV硅橡胶的硫化过程是在催化剂存在下， 基础聚合物分子链末端的羟基与交联剂分子中的可水解性基的缩合交联反应。 脱醇缩合交联反应式如下所示：
其中催化剂（硫化剂）普遍为有机锡， 如二丁基二月桂酸锡、 二丁基二辛酸锡等[6]。 缩合型双组分RTV硅橡胶使用时， 基料与硫化剂按一定比例混合（其混合比应考虑可使用时间和完全硫化时间）， 在室温下就会逐渐变稠， 最后硫化成弹性体。 硫化速度可用硫化剂来控制， 在硫化剂及其用量不变的情况下， 提高温度及增加环境湿度可以加快硫化速度[7]， 缩短硫化时间。 某缩合型双组分RTV硅橡胶硫化温度及湿度对硫化时间的影响如图所示， 由图可见， 固化时环境温湿度对固化时间的影响较大。
1.2硅橡胶粘接机理
由于硅橡胶的表面能低， 分子极性小， 与异种材料的粘接非常困难， 因此需要采用硅烷类偶联剂（底涂）对杜瓦、 壳体（玻璃、 金属）表面进行处理， 将其与硅橡胶进行良好的粘接。 偶联剂是一种能增进无机物质与有机物质之间粘合性能的助剂， GC100是硅烷类偶联剂， 其分子中含有两种不同性质的基团， 一个是亲无机物的基团， 易与无机材料的表面起化学反应； 另一个是亲有机物的基团， 能与有机聚合物发生物理或化学反应。 因此偶联剂常被称作“分子桥”， 用以改善无机物与有机物之间的界面作用， 从而大大提高复合材料的各种性能[8-9]。
偶联剂作用过程如下：（1）硅烷偶联剂的可水解基团首先水解， 成为硅醇； （2）水解物缩合成低聚物； （3）低聚物再与无机材料表面上的羟基形成氢键； （4）在干燥和固化条件下与无机材料失水形成共价键， 最终使无机材料表面被硅烷偶联剂所覆盖。 与此同时， 硅烷偶联剂的亲有机基团则与有机聚合物的有机官能基团发生化学反应从而完成了无机材料和有机材料之间的偶联过程[10]， 具体如图3所示。
偶联剂涂刷后的晾置时间对硅橡胶的粘接性能影响较大， 这是因为硅烷偶联剂必须要进行水解反应后才能起偶联作用， 偶联剂的水解反应要适当， 不能不反应， 也不能完全反应。 一般来说， 环境的湿度越高， 偶联剂的水解和固化反应越快， 反之， 反应速度就慢。 当温湿度太低时， 一般温度低于10 ℃， 湿度小于35%， 反应速度就很慢。 在一定的时间内水解反应还未达到最佳水平则容易产生脱粘现象。 相反， 温湿度过高， 底涂液的反应速度很快， 在一定时间内反应基本完全， 不再与硅橡胶发生反应， 也极易脱粘。 因此选取合适的温湿度条件， 并优化晾置时间， 才能使反应程度适中， 从而达到最好的粘接效果。
2硅橡胶固化粘接分析与优化
红外探测器根据其采用技术方案的不同， 主要采用两种杜瓦结构， 玻璃杜瓦或金属杜瓦。 玻璃杜瓦是探测器中重要的部件， 为阵列光敏芯片提供了一个洁净的真空环境， 是探测器真空储存寿命的重要保证， 其由于材料特殊性需要通过金属外壳实现光敏面定位、 电磁屏蔽、 机械接口连接以及防磕碰损伤等作用。 如果探测器采用玻璃杜瓦器件就需要将其灌封于金属外壳内， 用硅橡胶将杜瓦器件与金属外壳固定在一起， 通过相应的灌封夹具保证光敏面到定位面长度、 角度、 同轴度等要求， 同时起减少振动幅值、 降低振动噪声、 固定外引线、 保护玻璃杜瓦器件等作用。 探测器灌封主要需要注意两个方面： 首先， 硅橡胶与金属外壳及玻璃杜瓦表面的粘接强度要达到一定的要求。 其次， 硅橡胶固化后的物理特性要稳定， 从而满足尺寸的要求。 采用玻璃杜瓦器件的红外探测器结构示意图如图4所示， 即本文进行灌封试验所选用的结构器件。
固化时环境温湿度对固化时间的影响较大， 硫化剂在固化过程中起催化作用， 对固化时间具有一定的影响， 且不同的硫化剂具有不同的用途， 如标准、 快速、 深层固化等。 另外根据硅橡胶固化机理， 不同基料的配比， 如基础聚合物、 填料、 其他配比剂等都会对硅橡胶的性能产生影响。 综上所述， 在分析硅橡胶固化机理方面， 开展了不同工艺条件、 不同硫化剂配比、 不同硅橡胶材料固化试验以及相关环境试验。
2.1硅橡胶底层粘接影响因素分析及优化
针对所采用的底层涂料、 室温硫化RTV511硅橡胶以及硅橡胶与金属壳体脱粘现象， 对可能影响硅橡胶粘接性能的因素进行了分析， 认为有以下影响因素： 硅橡胶的配比、 硅橡胶的固化温度及时间、 底层涂料失效、 底涂厚度、 底涂固化时间及温湿度。 针对以上原因， 分别进行了6组试验， 逐项剔除各种可能原因。 最后找到关键原因即底涂厚度及其底涂固化温湿度和时间， 并对各项参数进行优化。
首先针对不同的硅橡胶组分（A：硅橡胶， B：固化剂）配比、 不同固化温度、 不同固化时间展开试验， 发现硅橡胶与壳体和玻璃器件不粘连与硅胶配比、 不同固化温度、 不同固化时间均无关系。 其次采用不同的底层涂料， 按照标准硅橡胶A， B配比， 标准固化温度、 标准固化时间和现有的湿度条件展开试验， 发现在温湿度达不到要求的情况下， 硅橡胶与玻璃及金属都不粘连。 之后对底涂固化温湿度和时间对固化粘连的影响进行验证， 发现不同组分配比、 不同底涂， 在适当的温湿度条件（温度25±5 ℃， 湿度45%～75%）下， 硅橡胶与玻璃及金属粘接性能较好。 之后在满足温湿度的条件下， 对底层涂料的涂覆厚度以及固化时间进行优化。
经过一系列的试验（试验对比如图5所示）， 认为影响灌封粘接性能最主要的因素有两点：一是底涂涂抹及固化的环境温度、 湿度和时间； 二是玻璃和金属表面的清洁度。 灌封间应保持干净， 减少污染物的影响。 同时， 在实际操作过程中， 底涂晾置时间最长可能会接近24 h， 为此试验中也验证了底涂在温度25±5 ℃、 湿度45%～75%条件下晾置24 h， 是否会过度水解导致与硅橡胶脱粘。 试验证明在此条件下底涂未出现过度水解的情况， 粘接性能良好。 优化后的工艺条件如下：材料为RTV511硅橡胶和固化剂， 底层涂料为GC-100， 所有材料从冰箱取出后在室温条件下放置2 h以上； 硅橡胶与底涂配比为100∶0.5； 杜瓦及金属外壳表面用141B及丙酮擦洗干净并晾干； 底涂涂覆两次， 中间间隔10 min； 底涂固化温湿度条件：温度25±5 ℃， 湿度45%～75%， 固化时间为1～24 h， 硅橡胶在此温湿度条件下固化时间不少于48 h。
2.2硅橡胶固化影响因素分析及优化
硅橡胶在固化之后应该达到稳定的物理状态， 在所使用的温度范围内， 其硬度、 强度以及尺寸等都能够满足探测器的要求。 根据硅橡胶的固化机理， 固化过程与材料状态、 环境温湿度、 器件结构（深层灌封、 不对称结构灌封等）等有关， 针对不同的影响因素， 开展不同硅橡胶材料、 探测器灌封结构优化等固化试验以及相关环境试验验证。
试验中分别采用了RTV511缩合型硅橡胶、 蓝星加成型硅橡胶LX、 航天材料研究院缩合型硅橡胶HM305， 采用图4结构的红外探测器进行灌封并在室温条件下固化， 探测器特征长度随时间的变化如图6所示。
由图6可以看出， 硅橡胶固化拆装后， 随着时间的变化， 探测器的特征尺寸呈变大趋势， 而与硅橡胶种类无关。 针对RTV511缩合型硅橡胶进行不同温湿度、 不同组分配比等试验， 发现探测器尺寸仍会变化。 分析其原因， 可能是与该探测器灌封结构有关， 硅橡胶填充厚度不均匀， 受力不对称， 在伸缩或膨胀时会对金属壳体与玻璃杜瓦产生作用力， 从而造成尺寸的变化。 通过对灌封结构进行优化， 减少硅橡胶厚度的不均匀性， 具体方法如图7所示。 图7中阴影部分为减少此处硅橡胶厚度而增加的填充物， 由于不同批次硅橡胶物理特性参数会在一定范围内波动， 较大的收缩率及热膨胀系数会造成此处形变量大于其他部位， 从而导致尺寸变化， 通过填充物可以明显减弱材料某些特性参数变化所造成的影响。
改进灌封结构后， 采用RTV511缩合型硅橡胶进行了4组灌封试验， 在固化拆装之后， 对探测器特征尺寸进行跟踪记录， 如图8所示。 由图8可以看出， 探测器特征尺寸基本变化范围在测试误差范围内。
2.3结构优化后环境适应性验证
结构改进前， 某些器件在灌封后的存放过程中器件尺寸有增大的趋势， 基本在增大0.1 mm左右以后保持稳定， 改进后器件的试验数据如表1所示。
3结论
对RTV511缩合型硅橡胶在红外探测器中的应用进行了试验， 并对粘接性能与固化性能的影响因素进行了分析。 结果表明影响硅橡胶与金属壳体与玻璃杜瓦粘接性能的关键因素为底涂固化的环境温湿度， 最佳温度为25±5 ℃、 湿度为45%～75%， 且表面洁净度也对粘接性能有一定的影响。 采用图7结构的探测器进行灌封试验， 结果表明该灌封结构对硅橡胶固化后探测器整体尺寸的稳定性起着至关重要的作用， 在进行探测器结构设计时， 需要保证灌封硅橡胶厚度相对均匀一致、 结构对称。
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红外探测技术在国防、气象、工业、医疗等领域应用广泛。基于半导体纳米结构的光子红外探测器作为一种新型的探测器技术，近些年越来越受到人们的关注。然而，受到探测器材料尺寸等技术因素的制约，此类光电子器件的性能仍不能满足使用需要。
据介绍，合肥工业大学科研人员首次将重掺杂金属氧化物这一新型表面等离子材料应用到红外光电探测器中，有效解决了现有元器件光吸收不足的问题，实现了新型红外探测器在响应度、探测率、响应速度等方面性能的大幅提升。
现有红外探测器采用贵金属纳米结构作为表面等离子体材料，通过金属纳米颗粒散射等方式提升光电子器件对入射光的吸收能力。由于贵金属的表面等离子体共振位置通常在可见光范围内，目前表面等离子增强型器件主要局限于可见光范围内的光电探测器。
合肥工业大学电子科学与应用物理学院罗林保教授领导的微纳功能材料与器件实验室，开创性地制备出一种新型的重掺杂的氧化铟锡纳米颗粒表面等离子体材料，并将这类材料应用到纳米红外光探测器中。器件的相关分析结果显示，经过结构优化的器件在1550nm(通讯波段)的光吸收能力有了显著增强，对应的响应度与探测率也有大幅的提升。同时，这种器件对频率高达1兆赫兹的光信号仍然具有优异的响应能力，其响应速度可以达到450纳秒，远优于现有纳米红外光探测器。
“这一新型材料能够有效解决红外探测器的探测波长与传统的贵金属纳米结构表面等离子体材料局域表面等离子体的能量匹配问题。它不仅在常用通讯波段实现了性能的大幅提升，还可以通过改变材料中锡的掺杂浓度，实现其它波长红外光的有效探测。”罗林保教授介绍说。
付玉红2013/01/07
一、指导思想：
依据学校的工作部署，认真学习研读课程标准和考试说明，考试大纲，深层次地研究教材。深化高中英语课程改革、提高英语新课程实施水平为重点，抓住影响全面提升英语教学质量的主要矛盾，勇于创新工作思路，大胆探索提高学生学习英语积极性的有效方法，全面提升英语教学质量。将英语教研、英语培训工作结合起来，努力提升全体高中英语教师业务水平。强化对课改典型教师培养力度，推动课改工作向纵深发展。我们始终坚持以教学为中心，强化管理。进一步规范教学行为，并力求常规与创新的有机结合，促进教师严谨、扎实、高效、科学的良好教风及学生严肃、勤奋、求真、善问的良好学风的形成。
二、工作目标的实现：
1、深入进行高效课堂的探索和研究，狠抓常规教学，提高课堂效率，尽最大努力做到“减负增效”。各备课组都能在英语教学上动脑筋想办法提高教学质量，如：高三精选高考信息试题，高二在新学期中资源共享。高一狠抓错题检测和单词竞赛活动等并逐渐开展第二课堂活动。
2、引导学生学会学习，形成乐学合作、主动参与、积极探究的学习习惯；培养学生的各种能力，为学生的可持续发展奠定坚实的基础。
3、深化集体备课，讨论教学方法，优化教学手段，统一教学进度和资料，把集体备课落实到实处，因此各备课组工作都比较得心应手。坚持相互听课，取长补短。有经验的老教师能够不辞辛苦帮助新教师，青蓝工程工作做得很到位。
4.09月19号；12月19号 开展了2次全组教研活动 09月19号全组教研
推广高三年级迎考复习经验。全盟基本功验收的评课：教案要规范；板书标题；教学设计；师生互动;多媒体使用
我们存在的问题：* 教案格式
* 各部分衔接过渡太突兀
* 教学内容的把握个别人不过关
* 操练不够；自己表演过多
* 突发事件的处理经验不足
我们可保留的长处：* 重视比赛；认真准备
* 多数师生互动良好
各年段按经验交流：* 新高一注意利用假期备课
* 嘉兴英语的利用；
* 新高三资料的使用：推荐步步高
* 高一高二打好英语基础，高三别和理科抢时间。
* 关于英语组课题
12月19号全组教研
李敏老师谈教案的规范性；以老带新的重要性。
各年段按经验交流：
* 高一：单词听写的五个步骤
* 高二：问题：语法适合用学案讲解
* 高三：材料的使用科学性。提倡学生多听，多备。
提醒：推荐英语电影《Akeela and Bee>
课题： 王健： 多渠道提高学生的英语写作能力：缩写，续写，改写。。
5.落实名师工作室的工作和推门课
继续推进青蓝工程，完成好名师工作室的工作，通过新老教师相互听课促进青年教师快速成长。虽然工作忙，我们教研组内能够常常互相听课评课，取他人之长，补已之短。达到共同进步，提高学生成绩的目的。
6.介绍高三好的资料配备：步步高；英语周报；作业本；七选五.四、其他工作
备课组利用集体的力量和个人的智慧，按照“新课标”的指导思想，再根据教材的基本要求灵活地进行内容新编，精心地设计编导课堂教学活动。特色;高三选择的资料；高二的分单元备课。高一的分模块式的主备试教。
红外气体探测技术广泛应用于石油天然气、石油化工、冶金、油库和家庭生活等存在可燃性气体的各个领域, 如有害气体的泄漏、有毒气体的浓度测量, 生活环境的监测等。
如何提高红外气体探测器的工作性能、自动化程度、灵敏度, 以及降低成本是值得研究的课题。
1 红外线气体探测器原理
当红外辐射通过被测气体时, 它的分子就会吸收光能量, 不同的气体分子化学结构是不同的, 不同波长的红外辐射的吸收程度也就会不同, 当不同波长的红外辐射依次照射在样品物质上时, 某一些波长的辐射能被样品物质选择性吸收从而变弱, 产生红外吸收光谱。在一种物质不同浓度时, 在同一吸收峰位置有着不同的吸收强度, 并且吸收强度与浓度成正比关系。气体分子对红外辐射有选择性的吸收就是红外气体传感器的设计理论基础。
红外气体探测器核心部件为红外气体传感器, 红外气体传感器利用不同气体对红外波吸收程度不同, 通过测量红外吸收波长来检测气体。任何有温度的物体都会发射红外线, 温度越高, 发射量越大, 当有害气体进入红外探测范围内时, 其所发射的红外线会被报警器接收到, 当超过报警器的报警量时, 会自动接通电路报警。
2 红外线气体探测器电路设计
红外气体探测器电路由三端稳压电源电路、单片机电路、红外报警传感与显示电路三部分组成, 如图1所示。
2.1 三端稳压电源电路
三端稳压电源电路如图2所示。采用220V工频交流电, 经过降压、整流、滤波后, 通过LML7805三端集成稳压器芯为系统提供+5V工作电压, 使单片机系统、红外传感报警与显示电路正常工作。
LM78L05为输出晶体管提供了安全区域保护, 限制内部功耗。假如内部功耗超出了散热范围, 热关断电路将会启动, 防止芯片过热。电容C6、C7以滤除低频干扰为主, 防止芯片自激振荡;C4, C5以滤除高频干扰为主, 减少高频噪声。
2.2 单片机电路
单片机电路由晶振电路、复位电路和STC89C51单片机组成, 如图3所示。STC89C51单片机主要有以下功能:
(1) 自诊断功能:控制硬件和传感器正确运行。
(2) 零点自动跟踪:能够自动修正探测器由于受到温度和物理变化的影响出现的零点漂移, 保持零点不变。
(3) 迟滞循环:用于报警输出, 当危险气体浓度接近极限值时, 可避免探测器连续输出开关量。
STC89C51单片机的时钟信号通常有两种产生方式:内部时钟;外部时钟。图3中电容C1和C21是单片机的起震电容, 与X1组成正弦波振荡电路, 作用是向单片机提供一个稳定的正弦波信号, 为单片机提供能量。电容值为5~30p F, 典型值为30p F。晶振CYS的振荡频率范围为1.2~12MHz, 典型值为12MHz和6MHz。
电阻R1与C3组成上电复位电路, 为单片机上电时提供一个复位信号, 上电瞬间复位信号为一个正脉冲信号。电容C3接高电平, 电阻R1接地, R1与C3右端接单片机引脚RST复位输入。当振荡器工作时, RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。这种复位电路的工作原理:通电时, 电容两端相当于是短路, RST引脚上为高电平, 电源通过电阻对电容充电, RST端电压慢慢下降, 降到一定程度, 即为低电平, 单片机开始正常工作。电容充电的过程中, 复位信号电压逐渐变低, 直到电容充满时, 复位信号电压完全降到0。
2.3 红外传感报警与显示电路
红外传感报警电路由红外线气体传感器、扬声器组成, 显示电路由电阻R2~R9和发红光二极管 (LED) D1~D8组成, 如图4所示。8个二极管为红外报警指示灯, 采用共阴极连接, 需要用高电平去驱动。电阻R2~R9为LED报警指示灯的限流电阻, 以防止电流过大而烧坏LED报警指示灯, 额定电流为6~8m A。限流电阻值需要根据LED正常点亮时的工作电流来计算, 不同颜色的LED其两端电压降不同, 限流电阻的阻值也不同, 计算公式:R= (U-ULED) /ILED, U为驱动电压值, ULED为LED正常亮度时的正向压降, ILED为LED正常点亮时的工作电流。
工业或家庭环境中可燃或有毒气体泄露, 当红外气体传感器检测到气体浓度达到爆炸下限或上限的临界点时, 报警与显示电路就会发出报警信号。这时, 扬声器发声, 同时排列成圆形的8个发红光二极管D1~D8顺时针连续闪烁, 及时警示工作人员和居民采取安全措施, 驱动排风系统、切断气源, 防止发生爆炸、火灾、中毒事故, 从而保障工业安全生产和居民生命安全。
3 仿真与实物实验
使用PROTEUS软件对红外气体探测系统进行仿真实验, 仿真电路如图5所示。
根据图1红外线气体探测器电路, 用电路板装接制作成红外气体探测器。通过现场测试, 当有可燃气体泄露时, 红外气体探测器检测到后立即报警, 扬声器发声, 8个红色的二极管D1~D8顺时针连续闪烁, 发出红光, 指示报警。实验结果与仿真实验结果相同, 实际能够实现红外气体探测报警。
4 结语
该红外气体传感器报警具有可靠性高、选择性好、精度高、无毒、受环境干扰小、寿命长、对氧气不依赖等优点, 市场前景广阔。用单片机对红外气体传感器进行控制, 具有硬件电路简单、设计程序简单和运算速度快、易实现、控制灵敏等特点。
摘要：介绍红外吸收式气体探测器的设计。系统主要由三端集成稳压电源、红外气体传感器、单片机、时钟振荡电路、LED报警指示电路等部分所组成, 具有报警及时、灵敏度高、稳定性好、适合气体多等优点。
六岁至十五岁的儿童青少年，为什么信息处理能力日益提升？
同年龄段的孩子，为什么会出现不一样的认知行为？
……
群体效应、个体差异，在儿童青少年身上表现明显，如何更好地认识他们的行为？采取合适的教育手段，是确保孩子健康成长的关键。
北京师范大学脑与认知科学研究院研究员牛海晶认为，无论是青少年的信息接收与处理能力，还是他们的发育状态等，都能够通过对其大脑网络的研究给与一定的解释。除利用磁共振进行人体组织的“穿越”探测外，近红外脑成像技术尚不能小觑。
走近近红外光谱脑成像
人生的际遇很奇妙。2006年，牛海晶从天津大学光学专业硕士毕业。硕士所学虽然不与近红外脑成像研究直接相关，但是期间导师的科研工作已经让她对近红外光谱——这个被称为生物组织的探测窗，有了一定的认识和了解。之后她有幸考入北京师范大学光学专业攻读博士学位。巧合的是，她的博士导师为她指定的研究方向就是近红外光谱成像，但更侧重于一些基础理论及算法的研究。通过仔细阅读导师安排的每一篇参考文献，认真推导每一个计算公式，短短一个学期她就对这个领域从最初的几乎不懂发展成略知一二，慢慢有了兴趣。
2006年春，牛海晶被派到中国科学院自动化所蒋田仔研究员的课题组，迎来了人生中第一次科研抉择。当时蒋老师的实验室只有两个硕士在开展近红外研究，其余20多人都是从事磁共振相关方向，近红外成像在那儿属于冷门。是选择大众化的研究方向（如核磁共振成像），还是继续开展近红外脑成像研究？牛海晶决定选择后者。促使她做出这个决定的原因之一，与中科院研究室一台引自国外的高端先进设备——国内唯一的近红外脑成像设备有关。她像发现新大陆一般惊喜，坚信这台设备会帮助到她以后的实验。
那段时间的研究经历大大锻炼了牛海晶的心志。“当时这个方向的人很少，研究室就我一个”“没人交流、讨论，只能自己一点一点地摸索”，也正是这样培养她成为一名合格的、不惧怕孤独的科研工作者。
拓展近红外光谱脑成像到儿童脑发育研究
分子生物学奠基人之一、诺贝尔奖获得者沃森曾宣称：“20世纪是基因的世纪，21世纪是脑的世界”。
2009年博士毕业的牛海晶深知，唯有站在国际最前沿，才能找准自己未来的科研方向。于是她来到美国德州大学阿灵顿分校，开始了博士后研究生涯。在这期间，她跟随导师一直从事近红外光谱脑成像的计算方法学及应用研究。
科研无国界，科学家却有自己的国家。每个海外学子心中都有一个“中国梦”。为了圆梦报效祖国，2010年7月，牛海晶回到祖国，在母校北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室开启了新的科研旅程，跟随在脑网络研究领域成果斐然的贺永老师一起做研究。这时的她，又迎来了科研路途上的第二个抉择——究竟该采用哪种方法进行脑组织网络研究？是单纯开展近红外成像研究，还是应该涉猎一些功能磁共振成像，做到双模态同时研究？权衡再三后，牛海晶决定遵循内心，依然选择自己做了近十年的近红外成像。
近红外脑成像是一种无损的光学成像技术。“当近红外光入射到大脑皮层组织时，由于组织内含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白对光的吸收相对较小，因此有部分光子将有幸从组织出射。这样我们就可以通过监测光强度的变化，进而推测大脑组织内部的脑活动”。“我们可以通过监测儿童青少年脑组织对光的吸收来判定其内部大脑活动，因而就可以探究儿童大脑发育特点以及大脑与行为之间的内在联系了”。牛海晶向记者展现了近红外成像的“神奇”，这样一种神奇的科技还有待于发展：“它需要有熟悉它的人来进行深入拓展。”牛海晶告诉记者。
于是近年来，牛海晶在近红外脑成像（fNIRS）领域开展了一系列前沿工作。她从fNIRS三维脑图像重构、fNIRS脑网络构建以及脑网络属性的重测可靠性评价等多方面出发，在国际权威期刊中共发表20多篇SCI论文，为儿童青少年脑网络研究提供了诸多理论及实践支撑。其中，2011年创新性地将数学图论方法引入到全脑静息态fNIRS领域，构建了首个全脑静息态fNIRS脑功能网络，并发现fNIRS脑网络具有“小世界”属性，证明了静息态fNIRS与图论方法相结合开展脑功能网络研究的可行性。2013年，牛海晶把在静息态fNIRS领域多年来的研究结果形成首篇脑网络研究综述论文，发表在the Neuroscientist杂志，在当期最多阅读量排名中位居第九。
随着“人脑连接组学”概念的提出，科学家们开始试图从功能整合的角度，来考察不同脑区间的信息交互与合作，给深入窥探大脑内部的神经活动规律及揭示儿童大脑认知能力差异提供了全新的视角。
有了概念，还要有手段。fNIRS作为一种新兴的非侵入式脑功能成像技术，更易于被家长及儿童所接受，加之仪器设备操作简单，便携性能好等优势，牛海晶认为这是儿童研究的最好利器。
2015年，她申请主持国家自然科学基金面上科学基金项目“基于静息态fNIRS的儿童脑功能连接组学研究”，尝试从静态脑网络和动态脑网络两个不同的视角，建立具有儿童特异性的脑网络构建与分析方法学框架，进而获得大样本低龄健康儿童（7?9岁）脑网络拓扑属性特征量，为病理条件下的儿童脑网络研究提供评价和对照依据。多年来，牛海晶已经采集整理了足够引以为傲的近200名儿童脑发育数据集，这将会为她今后的研究带来诸多便利。
那么，如何全面地刻画儿童大脑功能网络拓扑属性；如何评价不同的脑网络构建方法对儿童大脑功能网络的影响；如何评价儿童大脑功能网络属性的可靠性……为解决上述各种复杂问题，牛海晶决定把传统的静态脑网络分析和新兴的动态脑网络分析相结合，对儿童大脑网络特征进行刻画，进而获取反映儿童不同脑活动特征的网络指标。
为确保网络拓扑属性计算及其可靠性评价，她通过整合多种不同的脑功能连接构建框架方法，对可能出现的偏差进行评估与预测，为儿童静态和动态脑网络构建及网络属性的可靠性评价建立起优化的方法学框架。同时，牛海晶为了进一步验证优化后的方法框架对儿童这一特殊群体是否具备针对性，还引入成人数据进行全方位、多角度对比分析。
一系列问题的提出与技术手段的应用，牛海晶认为，基于fNIRS数据的儿童脑网络计算方法和评价体系将会系统化、规范化、科学化。并且在此基础上，可以在儿童脑网络拓扑组织的静态与动态特征之下，建立探索与认知能力相关的脑网络指标。
坚守本心，铿锵前行
科研，是牛海晶最感兴趣的事情。而教学，同样是她倾注很大精力的部分。
在培养研究生时，她的要求甚为严格。“毕业时，我的硕士生都能发表至少两篇SCI论文”，牛海晶自信地说。通过对学生设定高目标，一是可以培养学生勤奋努力、刻苦认真的做事态度；二是将会为学生毕业后的去向增添筹码；三是可以筛选出真正对科研有兴趣的学生，这样的学生才能够接手科研的“衣钵”，推动着未来科研走得更远。
为了扩大本研究领域的影响力，提高广大科研工作者的交流效率，牛海晶课题组基于多年fNIRS的研究成果，开发了一套完整的基于光学成像的儿童脑网络分析平台，从数据处理到质量检验、再到功能连接构建以及大脑网络分析等，都能够在这个平台上完成。此举得到了国内外同行的高度认可。
该项研究通过在传统量子点红外探测器元件上增加金纳米薄膜和小孔结构的方式, 可将现有量子点红外探测器的灵敏度提高两倍。
研究人员称, 红外探测器的灵敏程度从根本上取决于在去除干扰后所能接收到的光线的多寡。目前, 大多数红外探测器都以碲镉汞技术 (MCT) 为基础。该元件对红外辐射极为敏感, 可获得较强信号, 但同时也面临着无法长时间使用的缺憾 (信号强度会逐步降低) 。
红外探测器在通讯、热成像以及传感方面具有广泛的应用。实用化的红外探测器除HgCdTe、InSd等本征结构红外探测器外, 还采用硅和硅化物的肖特基势垒光电探测器, 由于使用厚的金属电极, 使得响应率低, 导致其发展受到一定限制。纳米材料制作的红外光电探测器由于具有高的光响应率, 因此近年来基于量子阱、量子点、石墨烯、有机半导体的红外探测器被大量报道[1]。作为红外探测器的一种重要的半导体材料, PbS量子点的响应率达到2700A/W, 可以与单晶硅制作器件的响应性相比较[1]。由于半导体光电探测器的响应性与其载流子迁移率成正比, 但是量子点的迁移率远低于石墨烯的迁移率。因此, 使得量子点红外光电探测器的发展受到了一定限制。
2 石墨烯在光电探测器中的应用前景
石墨烯是碳六元环单原子层构成的二维纳米材料, 具有非凡的载流子迁移率200, 000cm2V-1s-1、良好的透明性和导电性等优异性质[2]。与现有其他纳米材料相比, 石墨烯天然的平面结构更容易实现与现有半导体器件制造工艺兼容, 从而可以获得基于石墨烯的超敏、超快、高性能的探测器件。由于石墨烯缺乏带隙, Dirac电子线性色散使其在超宽带能够得以调节, 这个线性色散暗示了对于任何激发总会有一个电子-空穴对的共振。石墨烯作为超快的光电探测器具有宽带 (>500 GHz) 光探测能力, 宽光波长探测范围, 低的暗电流操作, 良好的内部量子效率和容易制作等优点。但是, 由于石墨烯在广泛的光谱范围内对光吸收仅约为2.3%, 使得其响应率 (6.1mAW-1) 较低, 光电流在nA量级, 同时也缺乏波长调控性。
3 石墨烯与PbS纳米点在光电探测器方面的应用
将石墨烯与PbS纳米点结合来提高光电探测器的响应特性是一条重要途径。Chitara, et al.报道了还原型氧化石墨烯和石墨烯纳米带在红外波段的光电响应率为1A/W, 这一值远低于相应纳米点的光电响应率。Konstantatos等报道了机械剥离的单层或两层石墨烯和PbS量子点的光电响应率达到107A/W。但是从技术和实用的角度来讲, 目前机械剥离的石墨烯尺寸大部分都在微米量级, 大面积制作机械剥离的石墨烯是不可能的。因此, 采用CVD法大面积 (超过厘米见方) 的石墨烯与PbS量子点结合是提高石墨烯基近红外光电探测器的有效途径。
4 结束语
从以上国内外研究进展可以看出, 虽然石墨烯-硫化铅纳米点异质结红外光电探测器研究方面取得了一定进展, 但以上研究中石墨烯表面的硫化铅纳米点的尺寸和分布不可控, 导致器件的可重复性不高, 性能不可控, 以及由此而产生的效率不高。本课题组已经在超薄氧化铝模板制备及光电探测器件制造及高效能量转化材料器件研究方面已经有了丰富的积累。因此, 通过在高结晶性的化学气相沉积法制备的石墨烯表面, 利用高度有序的超薄氧化铝模板制备技术结合, 有望构建高性能的石墨烯基红外光电探测器。
参考文献
[1]G.Konstantatos, E.H.Sargent, Nanostructured materials for pho-ton detection[J].Nat.Nanotechnol.2010, 5, 391-400.
[2]Guoan Tai, et al.Nonlithographic fabrication of crystalline silicon nanodots on graphene[J].Journal of Physical Chemistry C2012, 116, 532-537.
【红外探测器的工作原理】推荐阅读：
