Микроболометр

упрощенное представление болометрического пикселя

Микроболометр используемый — это особый тип болометра, в качестве детектора в тепловизионной камере . Инфракрасное излучение с длиной волны от 7,5 до 14 мкм воздействует на материал детектора, нагревая его и тем самым изменяя его электрическое сопротивление . Это изменение сопротивления измеряется и преобразуется в температуру, которую можно использовать для создания изображения. В отличие от других типов инфракрасного детекторного оборудования, микроболометры не требуют охлаждения.

Теория строительства

Микроболометр – это неохлаждаемый термодатчик . Термальные датчики высокого разрешения требуют экзотических и дорогостоящих методов охлаждения, включая охладители с циклом перемешивания и охладители с жидким азотом . Эти методы охлаждения тепловизоров высокого разрешения дороги в эксплуатации и громоздки в перемещении. Кроме того, перед использованием тепловизоров высокого разрешения требуется время охлаждения, превышающее 10 минут.

Рис. 1. Вид микроболометра в разрезе.

Микроболометр состоит из массива пикселей , каждый пиксель состоит из нескольких слоев. Диаграмма поперечного сечения, показанная на рисунке 1, дает обобщенное представление пикселя. Каждая компания, производящая микроболометры, имеет свою уникальную процедуру их производства и даже использует различные материалы, поглощающие ИК-излучение. В этом примере нижний слой состоит из кремниевой подложки и интегральной схемы считывания ( ROIC ). Электрические контакты осаждаются, а затем избирательно вытравливаются. Под материалом, поглощающим ИК-излучение, создается отражатель, например, титановое зеркало. Поскольку некоторое количество света может пройти через поглощающий слой, отражатель перенаправляет этот свет обратно, чтобы обеспечить максимально возможное поглощение, что позволяет создать более сильный сигнал. Затем наносится жертвенный слой, чтобы позже в процессе можно было создать зазор для термической изоляции материала, поглощающего ИК-излучение, от ROIC. Затем наносится слой поглощающего материала и выборочно протравливается, чтобы можно было создать окончательные контакты. Чтобы создать окончательную структуру, подобную мосту, показанную на рисунке 1, жертвенный слой удаляется так, чтобы поглощающий материал подвешивался примерно на 2 мкм над схемой считывания. Поскольку микроболометры не подвергаются никакому охлаждению, поглощающий материал должен быть термически изолирован от нижнего ROIC, и мостоподобная структура позволяет это сделать. После создания массива пикселей микроболометр инкапсулируется под вакуумом, чтобы увеличить срок службы устройства. В некоторых случаях весь процесс изготовления осуществляется без нарушения вакуума.

Матрица микроболометров обычно бывает двух размеров: 320×240 пикселей или менее дорогая 160×120 пикселей. Современные технологии привели к производству устройств с разрешением 640x480 или 1024x768 пикселей. Также произошло уменьшение размеров отдельных пикселей. Размер пикселя обычно составлял 45 мкм в старых устройствах и был уменьшен до 12 мкм в современных устройствах. Поскольку размер пикселя уменьшается и количество пикселей на единицу площади пропорционально увеличивается, создается изображение с более высоким разрешением, но с более высокой NETD (шумоэквивалентной разницей температур (дифференциалом)) из-за того, что меньшие пиксели менее чувствительны к ИК-излучению. .

Определение свойств материала

Для изготовления детекторного элемента в микроболометрах используется широкий спектр материалов. Основным фактором, определяющим, насколько хорошо будет работать устройство, является его чувствительность . Чувствительность — это способность устройства преобразовывать входящее излучение в электрический сигнал. Свойства материала детектора влияют на это значение, поэтому необходимо изучить несколько основных свойств материала: TCR, шум 1/f и сопротивление.

Температурный коэффициент сопротивления (TCR)

Материал, используемый в детекторе, должен демонстрировать большие изменения сопротивления в результате малейших изменений температуры. По мере нагрева материала за счет поступающего инфракрасного излучения сопротивление материала снижается. материала Это связано с температурным коэффициентом сопротивления (TCR), в частности с его отрицательным температурным коэффициентом . В настоящее время промышленность производит микроболометры, содержащие материалы с TCR около -2%/K. Хотя существует множество материалов с гораздо более высоким TCR, существует несколько других факторов, которые необходимо учитывать при производстве оптимизированных микроболометров.

1/f шум

Основная статья: Розовый шум

Шум 1/f , как и другие шумы , вызывает помехи, которые влияют на сигнал и могут искажать информацию, передаваемую сигналом. Изменения температуры поглощающего материала определяются изменениями тока смещения или напряжения, протекающего через детекторный материал. Если шум велик, возникающие небольшие изменения могут быть не видны четко, и устройство становится бесполезным. Использование материала детектора, который имеет минимальное количество шума 1/f, позволяет поддерживать более четкий сигнал между ИК-обнаружением и отображаемым выходным сигналом. Материал детектора должен быть проверен, чтобы убедиться, что этот шум не оказывает существенного влияния на сигнал.

Сопротивление

Использование материала, обладающего низкой устойчивостью к комнатной температуре, важно по двум причинам. Во-первых, более низкое сопротивление детекторного материала означает, что потребуется меньше энергии. Во-вторых, чем выше сопротивление, тем выше шум Джонсона-Найквиста .

Обнаружение материалов

Двумя наиболее часто используемыми материалами для обнаружения ИК-излучения в микроболометрах являются аморфный кремний и оксид ванадия . Проблема с некоторыми потенциальными материалами заключается в том, что для создания желаемых свойств температура их осаждения может быть слишком высокой для процессов изготовления КМОП. Было проведено много исследований для проверки возможности использования других материалов. Исследованные вещества включают: Ti, YBaCuO , GeSiO, полиSiGe , BiLaSrMnO, а также белковый цитохром C и бычий сывороточный альбумин .

Тонкие пленки аморфного кремния (a-Si) можно легко интегрировать в процесс изготовления КМОП с использованием низких температур осаждения, они очень стабильны, имеют малую постоянную времени и имеют большое среднее время до разрушения. Для создания слоистой структуры и рисунка с использованием процесса изготовления КМОП требуется, чтобы температура в среднем оставалась ниже 200˚C. a-Si также обладает превосходными значениями TCR, шума 1/f и сопротивления при оптимизации параметров осаждения.

Тонкие пленки оксида ванадия также могут быть интегрированы в процесс изготовления КМОП, хотя и не так легко, как a-Si, по температурным причинам. VO — более старая технология, чем a-Si, и ее производительность и долговечность уступают. Нанесение при высоких температурах и последующий отжиг позволяют получать пленки с превосходными свойствами. VO ₂ имеет низкое сопротивление, но претерпевает фазовый переход металл-изолятор около 67 °C, а также имеет более низкое значение TCR. С другой стороны, V ₂ O ₅ проявляет высокое сопротивление, а также высокий TCR. Существует множество фаз VO _x , хотя кажется, что x≈1,8 стала наиболее популярной для приложений микроболометров.Тепловизионная камера с микроболометрическим детектором на основе оксида ванадия более стабильна, компактна и чувствительна по сравнению с любой другой технологией, хотя VOx является более старой технологией.

Рыночная доля VOx намного выше, чем у любой другой технологии. Доля рынка VOx составляет 70%, тогда как доля аморфного кремния — 13%. Кроме того, тепловизионные камеры на основе технологии VOx используются в оборонном секторе из-за их чувствительности, стабильности изображения и надежности.

Использование инфракрасных оптических антенн вместе с микроболометрическими материалами небольшого размера может повысить эффективность его обнаружения.

Активные и пассивные микроболометры

Большинство микроболометров содержат чувствительный к температуре резистор, что делает их пассивным электронным устройством. В 1994 году компания Electro-Optic Sensor Design (EOSD) начала заниматься производством микроболометров, в которых использовался бы тонкопленочный транзистор (TFT), который представляет собой особый вид полевого транзистора. Основным изменением в этих устройствах будет добавление электрода затвора. Хотя основные концепции устройств схожи, использование такой конструкции позволяет использовать преимущества TFT. Некоторые преимущества включают настройку сопротивления и энергии активации , а также уменьшение периодических шумов. По состоянию на 2004 год это устройство все еще тестировалось и не использовалось в коммерческих ИК-изображениях.

Преимущества

• Они маленькие и легкие. Для приложений, требующих относительно коротких расстояний, физические размеры камеры еще меньше. Это свойство позволяет, например, устанавливать на шлемы неохлаждаемые тепловизоры-микроболометры.
• Обеспечьте реальный видеовыход сразу после включения питания.
• Низкое энергопотребление по сравнению с тепловизорами с охлаждаемым детектором.
• Очень большое среднее время между отказами .
• Менее дорогая по сравнению с камерами на основе охлаждаемых детекторов.

Недостатки

• Менее чувствителен (из-за более высокого шума), чем охлаждаемые тепловые и фотонные детекторы, и в результате не может соответствовать разрешению подходов на основе охлаждаемых полупроводников.

Ограничения производительности

Чувствительность частично ограничивается теплопроводностью пикселя . Скорость реакции ограничена тепловой теплоемкостью, разделенной на теплопроводность. Уменьшение теплоемкости увеличивает скорость, но также увеличивает статистические механические тепловые колебания температуры ( шум ). Увеличение теплопроводности увеличивает скорость, но снижает чувствительность.

Происхождение

Технология микроболометров была первоначально разработана компанией Honeywell в конце 1970-х годов по секретному контракту для Министерства обороны США . Правительство США рассекретило эту технологию в 1992 году. После рассекречивания компания Honeywell передала лицензию на свою технологию нескольким производителям.

Микроболометр производства Honeywell для Infrared Solutions Inc. (Fluke Thermography) в Миннеаполисе, Миннесота.

В системе инфракрасной визуализации FLIR Systems ThermoVision SENTRY используется массив микроболометров 320×240.

Производители матриц микроболометров

• Ксеникс
• БАЕ Системы
• ДРС Технологии
• Теледайн FLIR Системы
• Теледайн Далса
• Фраунгофера IMS
• ГИДЕЙР
• Honeywell (производство инфракрасных решений)
• Национальный институт оптики (INO)
• L-3 Инфракрасные продукты связи
• InfraredVision Technology Corporation (дочерняя компания L-3)
• Микросенс ​​Электроникс Инк.
• НЭК
• Опгальная оптика
• Мне жаль
• Рейтеон
• Полупроводниковые устройства
• Искать Термальный
• ЛИНРЕД (из Софрадира и Улиса)

Ссылки

Примечания

• Ван, Хунчэнь; Синьцзянь И; Цзяньцзюнь Лай и И Ли (31 января 2005 г.). «Изготовление матрицы микроболометров на интегральной схеме непланарного считывания». Международный журнал инфракрасных и миллиметровых волн . 26 (5): 751–762. Бибкод : 2005IJIMW..26..751W . дои : 10.1007/s10762-005-4983-8 . S2CID   110889363 .
• ЛЭТИ. «Микроболометры» . Архивировано из оригинала 13 апреля 2015 г. Проверено 3 декабря 2007 г.
• Деб, К.К.; Ионеску, AC; Ли, К. (август 2000 г.). «Тонкие пленки на белковой основе: новый материал с высоким TCR» . Датчики . 17 (8). Питерборо, Нью-Хэмпшир: Advanstar Communications: 52–55. Архивировано из оригинала 28 апреля 2008 г. Проверено 3 декабря 2007 г.
• Кумар, Р.Т. Раджендра; Б. Карунагарана; Д. Мангалараджа; Са.К. Нарайандасса; и др. (18 марта 2003 г.). «Тонкие пленки оксида ванадия, нанесенные при комнатной температуре, для неохлаждаемых инфракрасных детекторов». Бюллетень исследования материалов . 38 (7): 1235–1240. дои : 10.1016/S0025-5408(03)00118-1 .
• Лиддьярд, Кевин С. (2004). «Активный микроболометр: новая концепция инфракрасного обнаружения». В Эбботте, Дерек; Эшрагян, Кямран; Муска, Чарльз А; Павлидис, Димитрис; Весте, Нил (ред.). Труды SPIE: Микроэлектроника: дизайн, технология и упаковка . Том. 5274. Беллингем, Вашингтон: SPIE. стр. 227–238. дои : 10.1117/12.530832 . S2CID   108830862 .

Внешние ссылки

• Обзор технологии Микроболометрические детекторы