Термодатчик Т-МОП

TMOS — это тип термодатчика, состоящий из микрообработанного термоизолированного транзистора, изготовленного с использованием технологии CMOS -SOI ( кремний на изоляторе ) MEMS ( микроэлектромеханическая система ). Он был разработан в последнее десятилетие Израильским технологическим институтом Технион . ^[1] Тепловой датчик — это устройство, способное обнаруживать тепловое излучение, испускаемое объектом, находящимся в поле зрения (поле зрения) датчика. Инфракрасное излучение (ИК), попадающее на датчик, вызывает изменение температуры устройства, что, как следствие, генерирует выходной электрический сигнал, пропорциональный мощности падающего ИК-излучения. Датчик способен измерять температуру излучающего объекта благодаря информации, содержащейся в падающем излучении, используя в этом смысле закон Стефана-Больцмана . ^[2]^[3] Детектор TMOS имеет две важные характеристики, которые отличают его от других: это активный и неохлаждаемый датчик. ^[4]^[5]

Процесс изготовления

Детектор TMOS представляет собой мозаичную структуру, состоящую из нескольких субпикселей, которые электрически соединены параллельно, последовательно или в смешанной комбинации и термически изолированы. В каждом субпикселе чувствительным элементом является датчик TMOS, подвешенный в вакууме, изготовленный по технологии CMOS-SOI и выпускаемый всухую. ^[6]^[1] Мозаичная структура включает в себя: пиксельную рамку, подвесной транзистор, который поглощает ИК-излучение и который также может быть встроен в поглощающую ИК-мембрану, определяющую теплоемкость датчика , и два складных рычага, определяющих теплопроводность датчика .

Изготовление ТМОС основано на встроенных масках и сухой объемной микрообработке. ^[1]^[4] При изготовлении TMOS к стандартной технологии CMOS-SOI, используемой для производства MOS- транзисторов, добавляется постпроцесс MEMS, необходимый для реализации сложенных плеч и подвески транзистора. В стандартном процессе КМОП имеется несколько слоев металлизации. В производстве ТМОС верхние маски, изготовленные из алюминия или меди , используются как встроенные маски. Оба металла не подвергаются воздействию фтористой плазмы , используемой для сухого травления кремния и межуровневых диэлектриков . Использование встроенной маски обеспечивает высокую точность и разрешение выравнивания, одновременно снижая затраты на изготовление. ^[1] Заключительным этапом постобработки МЭМС является удаление металлической маски. Этот этап выполняется с использованием стандартного мокрого травителя алюминия или меди. ^[4]

В настоящее время технология CMOS-SOI 130 нм, реализованная на 8-дюймовых пластинах, используется для производства датчиков TMOS с использованием обработки на уровне пластины на стандартных объектах CMOS, что позволяет снизить затраты и увеличить объемы производства. ^[1]^[4]

Упаковка

Чтобы улучшить работу датчика и защитить его от окружающей среды, особенно от влаги, датчик TMOS упаковывается под вакуумом. Производство на уровне пластин позволяет также производить упаковку на уровне пластин, что дает возможность интегрировать оптические окна и фильтры для повышения их эффективности и расширения их применения. ^[1]^[6]^[7]

Корпус TMOS содержит два устройства: одно «активное», воспринимающее и подвергающееся воздействию внешнего излучения, и другое «слепое», экранированное снаружи алюминиевым зеркалом, нанесенным на корпус. ^[1]^[8]^[7]

Принцип работы

Принцип работы датчика TMOS заключается в том, что при поглощении теплового ИК-излучения чувствительной областью TMOS нагревается, вызывая изменение его температуры. Изменение температуры создает выходной сигнал тока или напряжения, пропорциональный поглощенному излучению.

Производительность TMOS зависит от рабочей области и конфигурации транзистора: компонент с двумя выводами, диодная конфигурация или компонент с тремя выводами. Конфигурация с двумя клеммами характеризуется более теплой изоляцией. С другой стороны, трехконтактная конфигурация имеет более высокий коэффициент усиления внутреннего напряжения, обусловленный более высоким выходным сопротивлением. ^[7]^[9]

Подпороговая область является предпочтительной, поскольку позволяет избежать эффектов самонагрева и приводит к более высокой чувствительности. Еще одна причина работать в подпороговой области заключается в том, что TMOS является активным устройством и требует смещения, однако в этой рабочей области энергопотребление ниже, чем в других. ^[4]^[10]

С точки зрения схемы создаваемый сигнал TMOS можно смоделировать как источник тока, зависящий от температуры. $i_{sig}$ параллельно с $g_{m}V_{gs}$ Генератор для эквивалентной схемы малого сигнала. Стоимость $i_{sig}$ прямо пропорциональна изменению тока источника стока в зависимости от рабочей температуры TMOS и изменению температуры, вызванному в TMOS излучением, поглощенным от целевого объекта. Эта температура имеет прямую зависимость от эффективности поглощения, мощности падающего излучения и от теплопроводности датчика. ^[1]^[7]

Как упоминалось в предыдущем разделе, пакет датчиков TMOS содержит два устройства, поэтому сигнал считывается в дифференциальной конфигурации. Таким образом, слепой TMOS представляет собой эталон, относительно которого измеряется измерение. ^[10] сделано. Эта конфигурация полезна, поскольку позволяет исключить синфазный сигнал и уменьшить эффект самонагрева. ^[1]^[10]^[11]

Отзывчивость

Самым важным показателем качества любого датчика является его чувствительность. Чувствительность определяется как соотношение выходных электрических параметров (тока или напряжения) и мощности, падающей на детектор. Для датчика TMOS, работающего в подпороговой области, это 1,25 х 10. ⁷ В/В. ^[1]

$R={V_{out} \over P_{in}}$

ТСС и ТКВ

Чувствительность TMOS зависит от того, работает ли устройство в режиме тока или напряжения. ^[11] В режиме тока подается напряжение смещения, ток увеличивается на приращение, которое и является током сигнала. В первом случае чувствительность соответствует температурному коэффициенту тока ТСС, который обратно пропорционален току стока-исток и прямо пропорционален производной тока сток-исток по рабочей температуре. Напротив, в режиме напряжения, когда подается ток смещения, напряжение уменьшается с шагом, который является сигналом напряжения. В режиме напряжения чувствительность представляет собой температурный коэффициент напряжения TCV и обратно пропорциональна напряжению смещения и прямо пропорциональна производной напряжения по температуре для рассматриваемой рабочей температуры. Значения ТСС выше 4%/К достигаются при работе в подпороговой области. ^[1]^[7]

Преимущества

Термодатчик TMOS имеет ряд преимуществ по сравнению с другими термодатчиками, такими как термобатареи , болометры , а также микроболометры , которые имеют очень похожую структуру. И термобатарея, и болометр являются пассивными детекторами, в то время как микроболометры также могут иметь активную структуру, но используемый транзистор представляет собой TFT ( тонкопленочный транзистор ).

Основными преимуществами использования датчика TMOS являются:

Высокая чувствительность и чувствительность благодаря активному режиму работы, в частности смещению транзистора в подпороговой области.
Низкое энергопотребление делает его подходящим для IOT и носимых устройств.
Высокий внутренний выигрыш.
Высокая воспроизводимость и надежность производственного процесса.
Низкие затраты на изготовление благодаря использованию процесса изготовления, совместимого с КМОП.
Большие объемы производства делают его пригодным для бытовой электроники.

Недостатки

Основной недостаток – ограниченная чувствительность по сравнению с охлаждаемыми ИК-детекторами. Квантовые детекторы фотонов, например, достигают более высокой чувствительности, но им необходимо работать при криогенных температурах, поэтому им требуется система охлаждения, которая потребляет много энергии.

Приложения

Тепловые датчики могут иметь множество различных применений. Они реагируют на тепловое ИК-излучение, поэтому их основное применение — производство тепловизионных ИК-камер . Другие возможные применения касаются различных областей: от анализа газа, обнаружения людей для автономного вождения, обнаружения присутствия, подсчета людей, систем безопасности или теплового мониторинга в процессе производства. ^[1]

До сих пор основным применением TMOS была функция высокочувствительного детектора движения и присутствия. ^[12]^[13] Когда объект попадает в поле зрения датчика, происходит изменение мощности излучения, достигающего детектора. Это изменение вызывает изменение температуры относительно предыдущего случая, и, исходя из этой разницы, обнаруживается присутствие или движение. Это изменение вызывает изменение температуры по сравнению с предыдущим случаем, и, исходя из этой разницы, обнаруживается присутствие или движение. Доступны коммерческие продукты с присутствием TMOS.

Низкое энергопотребление, типичное для датчика TMOS, означает, что он также может питаться от обычной ионной батареи, что делает его пригодным для Интернета вещей, носимых устройств, интеграции мобильных телефонов и умных домов. ^[1]

Излучение человеческого тела попадает в средний инфракрасный диапазон с пиком около 12 мкм, поэтому одним из применений термодатчиков является обнаружение лихорадки. Высокие характеристики TMOS с точки зрения высокой чувствительности и низкого энергопотребления, а также низкая стоимость процесса изготовления делают его многообещающим кандидатом для внедрения бесконтактного термометра. ^[1]

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л ^м ^н Мойселло, Элизабетта; Мальковати, Пьеро; Бониццони, Эдоардо (2021). «Термальные датчики для бесконтактного измерения температуры, обнаружения присутствия и автоматического управления приборами во время пандемии COVID-19: обзор» . Микромашины . 12 (2): 148. дои : 10,3390/ми12020148 . ISSN 2072-666X . ПМЦ 7913641 . ПМИД 33546478 .
^ Махан, Дж. Роберт (3 июня 2002 г.). Радиационная теплопередача: статистический подход . Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0-471-21270-6 .
^ Худас, Ю.; Кольцо, EFJ (29 июня 2013 г.). Температура тела человека: ее измерение и регулирование . Springer Science & Business Media. ISBN 978-1-4899-0345-7 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Гительман, Л.; Столярова С.; Бар-Лев, С.; Гутман З.; Очана, Ю.; Немировский, Яэль (2009). «КМОП-КНИ-МЭМС-транзистор для неохлаждаемого ИК-изображения» . Транзакции IEEE на электронных устройствах . 56 (9): 1935–1942. дои : 10.1109/TED.2009.2026523 . ISSN 1557-9646 . S2CID 42191352 .
^ Неохлаждаемые матрицы и системы инфракрасной визуализации . Академическая пресса. 24 ноября 1997 г. ISBN 978-0-08-086444-0 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Звягинцев, Алексей; Бар-Лев, Шарон; Брук, Игорь; Блум, Илан; Немировский, Яэль (октябрь 2018 г.). «Моделирование характеристик неохлаждаемых пассивных ИК-датчиков Mosaic в технологии КМОП – КНИ» . Транзакции IEEE на электронных устройствах . 65 (10): 4571–4576. дои : 10.1109/TED.2018.2863207 . ISSN 1557-9646 . S2CID 52302120 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Звягинцев, Алексей; Бланк, Таня; Брук, Игорь; Блум, Илан; Немировский, Яэль (ноябрь 2017 г.). «Моделирование характеристик нано-обработанных КМОП-транзисторов для неохлаждаемого ИК-измерения» . Транзакции IEEE на электронных устройствах . 64 (11): 4657–4663. дои : 10.1109/TED.2017.2751681 . ISSN 1557-9646 . S2CID 38423783 .
^ Бланк, Таня; Брук, Игорь; Бар-Лев, Шарон; Амар, Гавриэль; Меймун, Эли; Бушер, Шломи; Мельцин, Максим; Вайана, Мишель; Майерна, Амедео; Кастанья, Мария Элоиза; Бруно, Джузеппе; Немировский, Яэль (февраль 2021 г.). «Цифровые CMOS-SOI-MEMS без изображения неохлаждаемые пассивные инфракрасные сенсорные системы» . Журнал датчиков IEEE . 21 (3): 3660–3668. дои : 10.1109/JSEN.2020.3022095 . ISSN 1558-1748 . S2CID 226677365 .
^ Мойселло, Элизабетта; Вайана, Мишель; Кастанья, Мария Элоиза; Бруно, Джузеппе; Бронк, Игорь; Бланк, Таня; Бар-Лев, Шарон; Немировский, Яэль; Мальковати, Пьеро; Бониццони, Эдоардо (2021). «Исследование конфигурации считывания режима напряжения для микромеханических КМОП-транзисторов для неохлаждаемого ИК-измерения» . 2021 IEEE 12-й Латиноамериканский симпозиум по схемам и системам (LASCAS) . стр. 1–4. дои : 10.1109/LASCAS51355.2021.9459117 . ISBN 978-1-7281-7670-3 . S2CID 235718347 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Мойселло, Элизабетта; Вайана, Мишель; Кастанья, Мария Элоиза; Бруно, Джузеппе; Бронк, Игорь; Бланк, Таня; Бар-Лев, Шарон; Немировский, Яэль; Мальковати, Пьеро; Бониццони, Эдоардо (2021). «Исследование конфигурации считывания режима напряжения для микромеханических КМОП-транзисторов для неохлаждаемого ИК-измерения» . 2021 IEEE 12-й Латиноамериканский симпозиум по схемам и системам (LASCAS) . стр. 1–4. дои : 10.1109/LASCAS51355.2021.9459117 . ISBN 978-1-7281-7670-3 . S2CID 235718347 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Звягинцев, Алексей; Брук, Игорь; Блум, Илан; Немировский, Яэль (2014). «Встроенное считывание напряжения и тока для неохлаждаемых пассивных ИК-датчиков на основе технологии CMOS-SOI-NEMS» . 28-й съезд инженеров электротехники и электроники IEEE в Израиле (IEEEI) , 2014 г. стр. 1–5. дои : 10.1109/EEEI.2014.7005758 . ISBN 978-1-4799-5988-4 . S2CID 38742102 .
^ Сараф, Томер; Брук, Игорь; Бар-Лев Шефи, Шарон; Униковский, Аарон; Бланк, Таня; Радхакришнан, Правин Кумар; Немировский, Яэль (май 2016 г.). «Неохлаждаемый инфракрасный датчик безопасности CMOS-SOI-MEMS со встроенным считыванием» . Журнал IEEE Общества электронных устройств . 4 (3): 155–162. дои : 10.1109/JEDS.2016.2539980 . ISSN 2168-6734 . S2CID 37516521 .
^ Бланк, Таня; Брук, Игорь; Бар-Лев, Шарон; Амар, Габриэль; Меймун, Эли; Бушер, Шломи; Мельцин, Максим; Вайана, Мишель; Майерна, Амедео; Каштан, Мария Элоиза; Бруно, Джозеф; Немировский, Яэль (2021). «Цифровые CMOS-SOI-MEMS без изображения неохлаждаемые пассивные инфракрасные сенсорные системы» . Журнал датчиков IEEE . 21 (3): 3660–3668. дои : 10.1109/JSEN.2020.3022095 . ISSN 1558-1748 . S2CID 226677365 .

Дальнейшее чтение

Махан, младший (2002). Радиационная теплопередача: статистический подход . John Wiley & Sons Inc. Хобокен, Нью-Джерси, США: ISBN 9780471212706 .
Datskos, Lavrik, P.G, N.V. (2003). Encyclopedia of Optical Engineering (Volume 1 ed.). New York, NY, USA: Marcel Dekker Inc. {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
Худас, Ринг, Ю, EFJ (1982). Температура тела человека: ее измерение и регулирование . Германия: Springer: Берлин/Гейдельберг. {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

Внешние ссылки

[:0-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я ^дж ^к ^л ^м ^н Мойселло, Элизабетта; Мальковати, Пьеро; Бониццони, Эдоардо (2021). «Термальные датчики для бесконтактного измерения температуры, обнаружения присутствия и автоматического управления приборами во время пандемии COVID-19: обзор» . Микромашины . 12 (2): 148. дои : 10,3390/ми12020148 . ISSN 2072-666X . ПМЦ 7913641 . ПМИД 33546478 .

[2] Махан, Дж. Роберт (3 июня 2002 г.). Радиационная теплопередача: статистический подход . Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0-471-21270-6 .

[3] Худас, Ю.; Кольцо, EFJ (29 июня 2013 г.). Температура тела человека: ее измерение и регулирование . Springer Science & Business Media. ISBN 978-1-4899-0345-7 .

[:1-4] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Гительман, Л.; Столярова С.; Бар-Лев, С.; Гутман З.; Очана, Ю.; Немировский, Яэль (2009). «КМОП-КНИ-МЭМС-транзистор для неохлаждаемого ИК-изображения» . Транзакции IEEE на электронных устройствах . 56 (9): 1935–1942. дои : 10.1109/TED.2009.2026523 . ISSN 1557-9646 . S2CID 42191352 .

[5] Неохлаждаемые матрицы и системы инфракрасной визуализации . Академическая пресса. 24 ноября 1997 г. ISBN 978-0-08-086444-0 .

[:2-6] Перейти обратно: ^а ^б Звягинцев, Алексей; Бар-Лев, Шарон; Брук, Игорь; Блум, Илан; Немировский, Яэль (октябрь 2018 г.). «Моделирование характеристик неохлаждаемых пассивных ИК-датчиков Mosaic в технологии КМОП – КНИ» . Транзакции IEEE на электронных устройствах . 65 (10): 4571–4576. дои : 10.1109/TED.2018.2863207 . ISSN 1557-9646 . S2CID 52302120 .

[:3-7] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Звягинцев, Алексей; Бланк, Таня; Брук, Игорь; Блум, Илан; Немировский, Яэль (ноябрь 2017 г.). «Моделирование характеристик нано-обработанных КМОП-транзисторов для неохлаждаемого ИК-измерения» . Транзакции IEEE на электронных устройствах . 64 (11): 4657–4663. дои : 10.1109/TED.2017.2751681 . ISSN 1557-9646 . S2CID 38423783 .

[8] Бланк, Таня; Брук, Игорь; Бар-Лев, Шарон; Амар, Гавриэль; Меймун, Эли; Бушер, Шломи; Мельцин, Максим; Вайана, Мишель; Майерна, Амедео; Кастанья, Мария Элоиза; Бруно, Джузеппе; Немировский, Яэль (февраль 2021 г.). «Цифровые CMOS-SOI-MEMS без изображения неохлаждаемые пассивные инфракрасные сенсорные системы» . Журнал датчиков IEEE . 21 (3): 3660–3668. дои : 10.1109/JSEN.2020.3022095 . ISSN 1558-1748 . S2CID 226677365 .

[9] Мойселло, Элизабетта; Вайана, Мишель; Кастанья, Мария Элоиза; Бруно, Джузеппе; Бронк, Игорь; Бланк, Таня; Бар-Лев, Шарон; Немировский, Яэль; Мальковати, Пьеро; Бониццони, Эдоардо (2021). «Исследование конфигурации считывания режима напряжения для микромеханических КМОП-транзисторов для неохлаждаемого ИК-измерения» . 2021 IEEE 12-й Латиноамериканский симпозиум по схемам и системам (LASCAS) . стр. 1–4. дои : 10.1109/LASCAS51355.2021.9459117 . ISBN 978-1-7281-7670-3 . S2CID 235718347 .

[:4-10] Перейти обратно: ^а ^б ^с Мойселло, Элизабетта; Вайана, Мишель; Кастанья, Мария Элоиза; Бруно, Джузеппе; Бронк, Игорь; Бланк, Таня; Бар-Лев, Шарон; Немировский, Яэль; Мальковати, Пьеро; Бониццони, Эдоардо (2021). «Исследование конфигурации считывания режима напряжения для микромеханических КМОП-транзисторов для неохлаждаемого ИК-измерения» . 2021 IEEE 12-й Латиноамериканский симпозиум по схемам и системам (LASCAS) . стр. 1–4. дои : 10.1109/LASCAS51355.2021.9459117 . ISBN 978-1-7281-7670-3 . S2CID 235718347 .

[:5-11] Перейти обратно: ^а ^б Звягинцев, Алексей; Брук, Игорь; Блум, Илан; Немировский, Яэль (2014). «Встроенное считывание напряжения и тока для неохлаждаемых пассивных ИК-датчиков на основе технологии CMOS-SOI-NEMS» . 28-й съезд инженеров электротехники и электроники IEEE в Израиле (IEEEI) , 2014 г. стр. 1–5. дои : 10.1109/EEEI.2014.7005758 . ISBN 978-1-4799-5988-4 . S2CID 38742102 .

[12] Сараф, Томер; Брук, Игорь; Бар-Лев Шефи, Шарон; Униковский, Аарон; Бланк, Таня; Радхакришнан, Правин Кумар; Немировский, Яэль (май 2016 г.). «Неохлаждаемый инфракрасный датчик безопасности CMOS-SOI-MEMS со встроенным считыванием» . Журнал IEEE Общества электронных устройств . 4 (3): 155–162. дои : 10.1109/JEDS.2016.2539980 . ISSN 2168-6734 . S2CID 37516521 .

[13] Бланк, Таня; Брук, Игорь; Бар-Лев, Шарон; Амар, Габриэль; Меймун, Эли; Бушер, Шломи; Мельцин, Максим; Вайана, Мишель; Майерна, Амедео; Каштан, Мария Элоиза; Бруно, Джозеф; Немировский, Яэль (2021). «Цифровые CMOS-SOI-MEMS без изображения неохлаждаемые пассивные инфракрасные сенсорные системы» . Журнал датчиков IEEE . 21 (3): 3660–3668. дои : 10.1109/JSEN.2020.3022095 . ISSN 1558-1748 . S2CID 226677365 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]