Микроболометр - Microbolometer

А микроболометр это особый тип болометр используется как детектор в тепловизионная камера. Инфракрасный радиация с длины волн 7,5–14 мкм ударяет по материалу детектора, нагревая его и тем самым изменяя его электрическое сопротивление. Это изменение сопротивления измеряется и преобразуется в температуры, которые можно использовать для создания изображения. В отличие от других типов оборудования для обнаружения инфракрасного излучения, микроболометры не требуют охлаждения.

Теория строительства

Микроболометр - это неохлаждаемый термический датчик. Предыдущие термодатчики с высоким разрешением требовали экзотических и дорогих методов охлаждения, включая цикл Стирлинга кулеры и жидкий азот кулеры. Эти методы охлаждения делали первые тепловизоры дорогими в эксплуатации и громоздкими в перемещении. Кроме того, старые тепловизоры требовали времени охлаждения более 10 минут, прежде чем их можно было использовать.

Рис. 1. Вид микроболометра в разрезе.

Микроболометр состоит из набора пиксели, каждый пиксель состоит из нескольких слоев. Схема поперечного сечения, показанная на рисунке 1, представляет собой обобщенный вид пикселя. Каждая компания, производящая микроболометры, имеет свои собственные уникальные методы их производства, и они даже используют множество различных поглощающих материалов. В этом примере нижний слой состоит из кремний субстрат и считывающая интегральная схема (ROIC ). Электрические контакты осаждаются и затем выборочно вытравливаются. Отражатель, например, титановое зеркало, создается под материалом, поглощающим ИК-излучение. Поскольку часть света может проходить через поглощающий слой, отражатель перенаправляет этот свет обратно, чтобы обеспечить максимально возможное поглощение, что позволяет генерировать более сильный сигнал. Затем наносится временный слой, чтобы позже в процессе можно было создать зазор для термической изоляции материала, поглощающего ИК-излучение, от ROIC. Затем осаждается слой поглощающего материала, который избирательно травится, чтобы можно было создать окончательные контакты. Чтобы создать окончательную структуру, подобную мосту, показанную на Рисунке 1, удаляемый слой удаляется, так что поглощающий материал подвешивается примерно на 2 мкм над схемой считывания. Поскольку микроболометры не подвергаются никакому охлаждению, абсорбирующий материал должен быть термически изолирован от нижнего ROIC, и конструкция, подобная мосту, допускает это. После создания массива пикселей микроболометр герметизируется под вакуумом для увеличения срока службы устройства. В некоторых случаях весь процесс изготовления выполняется без нарушения вакуума.

Качество изображений, создаваемых микроболометрами, продолжает расти. Матрица микроболометров обычно бывает двух размеров: 320 × 240 пикселей или менее дорогая 160 × 120 пикселей. Современные технологии привели к производству устройств с разрешением 640 × 480 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, а количество пикселей на единицу площади увеличивается пропорционально, создается изображение с более высоким разрешением, но с более высокой NETD (разница температур, эквивалентная шуму (разность)) из-за того, что меньшие пиксели менее чувствительны к ИК-излучению. .

Определение свойств материала

Детекторный элемент микроболометров используется из самых разных материалов. Основным фактором, определяющим, насколько хорошо устройство будет работать, является его отзывчивость. Чувствительность - это способность устройства преобразовывать входящее излучение в электрический сигнал. Свойства материала детектора влияют на это значение, поэтому необходимо исследовать 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 мельчайших изменений температуры. Когда материал нагревается, из-за поступающего инфракрасного излучения сопротивление материала снижается. Это связано с температурный коэффициент сопротивления (TCR) конкретно его отрицательный температурный коэффициент. Промышленность в настоящее время производит микроболометры, которые содержат материалы с TCR около -2% / K. Несмотря на то, что существует множество материалов с гораздо более высоким TCR, есть несколько других факторов, которые необходимо учитывать при производстве оптимизированных микроболометров.

1 / f шум

1 / f шум, как и другие шумы, вызывает нарушение, которое влияет на сигнал и это может исказить информацию, передаваемую сигналом. Изменения температуры в поглощающем материале определяются изменениями смещения Текущий или же Напряжение протекает через детектирующий материал. Если шум большой, то небольшие изменения, которые происходят, могут быть нечеткими, и устройство бесполезно. Использование материала детектора, который имеет минимальное количество шума 1 / f, позволяет поддерживать более четкий сигнал между ИК-детектированием и отображаемым выходным сигналом. Материал детектора необходимо проверить, чтобы убедиться, что этот шум не оказывает значительного влияния на сигнал.

Сопротивление

Также важно использовать материал, устойчивый к низким температурам при комнатной температуре. Более низкое сопротивление обнаруживаемого материала означает, что потребуется меньшая мощность. Кроме того, существует взаимосвязь между сопротивлением и шумом: чем выше сопротивление, тем выше шум. Таким образом, для облегчения обнаружения и удовлетворения требований к низкому уровню шума сопротивление должно быть низким.

Обнаружение материалов

Два наиболее часто используемых материала для обнаружения ИК-излучения в микроболометрах: аморфный кремний и оксид ванадия. Было проведено много исследований, чтобы проверить возможность использования других материалов. Среди исследованных: Ti, YBaCuO, GeSiO, поли SiGe, BiLaSrMnO и на основе белков цитохром с и бычий сывороточный альбумин.

Аморфный Si (a-Si) работает хорошо, потому что его можно легко интегрировать в процесс изготовления КМОП, он очень стабилен, имеет быструю постоянную времени и имеет большое среднее время до отказа. Для создания слоистой структуры и рисунка CMOS Можно использовать производственный процесс, но он требует, чтобы в среднем температура оставалась ниже 200 ° C. Проблема с некоторыми потенциальными материалами заключается в том, что для создания желаемых свойств их температуры осаждения могут быть слишком высокими, хотя это не проблема для тонких пленок a-Si. a-Si также обладает отличными значениями TCR, шума 1 / f и сопротивления, когда параметры осаждения оптимизированы.

Тонкие пленки оксида ванадия также могут быть интегрированы в процесс изготовления КМОП, хотя это не так просто, как a-Si по температурным причинам. VO - более старая технология, чем a-Si, и по этим причинам ее производительность и долговечность ниже. Осаждение при высоких температурах и выполнение пост-отжиг позволяет изготавливать пленки с превосходными свойствами, хотя приемлемые пленки все же могут быть получены впоследствии с соблюдением температурных требований. VO₂ имеет низкое сопротивление, но претерпевает фазовый переход металл-изолятор около 67 ° C, а также имеет более низкое значение TCR. С другой стороны, V₂О₅ проявляет высокое сопротивление, а также высокий TCR. Многие фазы VO_Икс существует, хотя кажется, что x≈1,8 стал наиболее популярным для приложений микроболометров. Тепловизионная камера с детектором микроболометра на основе оксида ванадия более стабильна, компактна и чувствительна по сравнению с любой другой технологией, хотя VOx является более старой технологией. Доля рынка VOx намного выше, чем у любой другой технологии. Доля рынка VOx составляет около 70%, тогда как аморфный кремний составляет около 13%. Кроме того, тепловизионные камеры на основе технологии VOx используются в секторе обороны из-за их чувствительности, стабильности изображения и надежности.

Активные и пассивные микроболометры

Большинство микроболометров содержат резистор, чувствительный к температуре, что делает их пассивными электронными устройствами. В 1994 году одна компания, Electro-Optic Sensor Design (EOSD), начала изучать производство микроболометров, которые использовали 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 проходило испытания и не использовалось в коммерческой ИК-визуализации.

Преимущества

Они маленькие и легкие. Для приложений, требующих относительно малых расстояний, физические размеры камеры еще меньше. Это свойство позволяет, например, устанавливать на шлемы неохлаждаемые тепловизоры микроболометров.
Обеспечьте реальный видеовыход сразу после включения.
Низкое энергопотребление по сравнению с тепловизорами с охлаждаемыми детекторами.
Очень долго среднее время наработки на отказ.
Дешевле по сравнению с камерами на охлаждаемых детекторах.

Недостатки

Менее чувствительны (из-за более высокого уровня шума), чем тепловизоры с охлаждаемыми тепловыми детекторами и фотонными детекторами, и в результате не могут соответствовать разрешающей способности подходов на основе охлаждаемых полупроводников.

Пределы производительности

Чувствительность частично ограничена теплопроводность пикселя. Скорость реакции ограничена тепловым теплоемкость делится на теплопроводность. Уменьшение теплоемкости увеличивает скорость, но также увеличивает статистический механический тепловые колебания температуры (шум ). Увеличение теплопроводности увеличивает скорость, но снижает чувствительность.

Происхождение

Технология микроболометров была первоначально разработана Honeywell начиная с конца 1970-х годов как секретный контракт на Министерство обороны США. Правительство США рассекретило технологию в 1992 году. После рассекречивания Honeywell передала лицензию на свою технологию нескольким производителям.

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

Производители матриц микроболометров

BAE Systems
DRS Technologies
FLIR Systems
Фраунгофер IMS
GUIDIR
Honeywell (Изготовлено для инфракрасных решений)
InfraredVision Technology Corporation (аффилированная с L-3)
Institut National d'Optique (INO)
Инфракрасные устройства связи L-3
Микросенс Электроникс Инк.
NEC
Opgal Optronics
Qioptiq
Raytheon
Полупроводниковые устройства^[1]
Ищите термальный
Линред (бывший Софрадир et ULIS)
Теледайн Дальса
Vumii Imaging

внешняя ссылка

Обзор технологии Микроболометрические детекторы

[1] «Микроболометры | Основные технологии | Технологии | Полупроводниковые приборы». www.scd.co.il. Получено 2018-08-10.

[1]