Войти
A микроболометр - это особый тип болометра, используемый в качестве детектора в тепловизионной камере. Инфракрасное излучение с длинами волн между 7,5–14 мкм попадает на материал детектора, нагревая его и, таким образом, 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.
Микроболометр - это неохлаждаемый тепловой датчик. Предыдущие термодатчики с высоким разрешением требовали экзотических и дорогих методов охлаждения, включая охладители с циклом Стирлинга и охладители с жидким азотом. 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 массива пикселей, каждый пиксель состоит из нескольких слоев. Схема поперечного сечения, показанная на рисунке 1, представляет собой обобщенный вид пикселя. Каждая компания, производящая микроболометры, имеет свою уникальную процедуру их производства, и они даже используют множество различных поглощающих материалов. В этом примере нижний слой состоит из кремния подложки и интегральной схемы считывания (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..
Существует множество материалов, которые используются для детекторного элемента в микроболометрах. Основным фактором, определяющим, насколько хорошо устройство будет работать, является чувствительность устройства. Чувствительность - это способность устройства преобразовывать поступающее излучение в электрический сигнал. Свойства материала детектора влияют на это значение, поэтому необходимо исследовать несколько основных свойств материала: TCR, шум 1 / f и сопротивление.
Материал, используемый в детекторе, должен демонстрировать большие изменения сопротивления в результате незначительных изменений температуры. Когда материал нагревается, из-за поступающего инфракрасного излучения сопротивление материала снижается. Это связано с температурным коэффициентом сопротивления (TCR) материала , в частности с его отрицательным температурным коэффициентом . 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, как и другие шумы, вызывает помехи, которые влияют на сигнал и могут искажать информацию переносится сигналом. Изменения температуры в поглощающем материале определяются изменениями тока смещения или напряжения, протекающих через обнаруживающий 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.
Также важно использовать материал, устойчивый к низкой 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.
Двумя наиболее часто используемыми материалами для обнаружения ИК-излучения в микроболометрах являются аморфный кремний и оксид ванадия. Было проведено много исследований, чтобы проверить возможность использования других материалов. В число исследованных входят: Ti, YBaCuO, GeSiO, поли SiGe, BiLaSrMnO и белковый цитохром C и бычий сывороточный альбумин.
Аморфный Si (a-Si) работает хорошо, потому что его можно легко интегрировать в процесс изготовления CMOS, он очень стабилен, имеет быструю постоянную времени и имеет большое среднее время до отказа. Для создания многослойной структуры и рисунка можно использовать процесс изготовления CMOS, но он требует, чтобы температура в среднем 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 при оптимизации параметров осаждения.
Тонкие пленки оксида ванадия также могут быть интегрированы в процесс изготовления КМОП, хотя по температурным причинам это не так просто, как a-Si. VO - более старая технология, чем a-Si, и по этим причинам ее производительность и долговечность ниже. Осаждение при высоких температурах и выполнение после- отжига позволяет получать пленки с превосходными свойствами, хотя приемлемые пленки все же могут быть получены впоследствии, удовлетворяя температурным требованиям. 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 2O5демонстрирует высокое сопротивление, а также высокий TCR. Существует много фаз VO x, хотя кажется, что x≈1,8 стало наиболее популярным для приложений микроболометров. Тепловизионная камера с микроболометром из 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.
Большинство микроболометров содержат термочувствительный резистор, который делает их пассивными электронными устройствами. В 1994 году одна 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 проходило испытания и не использовалось в коммерческой ИК-визуализации.
Чувствительность частично ограничивается теплопроводностью пикселя. Скорость реакции ограничена тепловой теплоемкостью, деленной на теплопроводность. Уменьшение теплоемкости увеличивает скорость, но также увеличивает статистические механические тепловые колебания температуры (шум ). Увеличение теплопроводности увеличивает скорость, но снижает чувствительность.
Технология микроболометров была первоначально разработана Honeywell, начиная с конца 1970-х годов, как секретный контракт для Министерства обороны США. Правительство США рассекретило технологию в 1992 году. После рассекречивания Honeywell передала лицензию на свою технологию нескольким производителям.
Инфракрасная система формирования изображений ThermoVision SENTRY от FLIR Systems использует матрицу микроболометров 320 × 240. | chapter =игнорируется ()