Микроболометры

Болометры в наиболее широком смысле — это приборы для измерения энергии электромагнитного излучения. Болометры, используемые для детектирования ИК-излучения, представляют собой резистивные устройства, чувствительные к нагреву (например, первый известный тепловой болометр Лэнгли включал мостовые платиновые RTD).

Традиционные микроболометры также определяют IR-сигналы в полупроводнике, используя термоэлектрический эффект. Изменение в сопротивлении измеряется и переводится в температуры, которые с двумерным массивом детекторов и ROIC могут быть визуализированы графически. Стандартные размеры решеток обычно бывают двух видов — 320×240 или 160×120 — при этом разрешение получается одинаковым, но, как и в случае с видеокамерами, большая матрица позволяет захватить большую область обзора с наименьшими искажениями. Хотя матрицы большего размера более дорогие, наметилась тенденция перехода именно к ним, вплоть до размера 640×480.

Микроболометр, выполненный как массив в фокальной плоскости, представляет собой форму MEMS-устройства, которая использует массив малых элементов — детекторов излучения. Каждый элемент детектирования микроболометра включает мембрану, подвешенную над подложкой, для того чтобы обеспечивалась тепловая изоляция. Мембрана предусматривает температурно-чувствительный элемент, например на основе модификаций оксида ванадия VOx, и два электрода, связывающие температурно-чувствительный материал и ROIC на подложке. Излучаемая ИК-энергия, получаемая каждым детектором микроболометра, увеличивает температуру детектора. Изменение в температуре наводит изменение в сопротивлении каждого детектора, что регистрируется мультиплексирующей интегрированной схемой, размещенной на той же полупроводниковой подложке. Существующие схемы ROIC разрабатываются с целью достижения совместимости с требованиями входного импеданса соответствующих элементов детектирования. MEMS-микроболометры обычно достаточно хорошо чувствительны к излучению, так как отдельные детекторы имеют очень малые тепловые массы и термически изолированы от мультиплексирующей схемы и подложки.

Хотя инфракрасные устройства этого типа обычно адекватно выполняют функции, соответствующие назначению, их недостатки включают ограничения в отношении тепловой массы мембраны, сложность в уравновешивании механических напряжений между слоями в мембране, относительно высокие уровни шумов, относительно низкий температурный коэффициент сопротивления (TCR), где TCR — стандартный измеритель тепловой энергии и показатель чувствительности датчика. Чувствительность главным образом ограничивается теплопроводностью каждого пикселя. Скорость работы определяется отношением тепловой емкости и теплового сопротивления. Снижение тепловой емкости увеличивает не только скорость работы, но и тепловые флуктуации — шумы. Увеличение теплопроводности повышает скорость работы, но снижает чувствительность (а для того, чтобы она возросла, нужно повышать TCR и базовое сопротивление).

Подход к решению некоторых проблем VOx-микроболометров основан на применении аморфного (некристаллического) кремния в качестве термочувствительного материала. Аморфный кремний характеризуется более высоким значением TCR, что дает более высокий уровень чувствительности. Это обычно достигается за счет обеспечения низкого уровня допирования или отсутствия такового. Так как эффективное сопротивление каждого детектора связано с уровнем допирования, обеспечивается высокое базовое сопротивление кремния, поэтому возникает проблема согласования высокого выходного импеданса с входным импедансом ROIC.

Но, несмотря на все недостатки, микроболометры представляют собой неохлаждаемые тепловые датчики, что является значимым преимуществом по сравнению с прежними высокоразрешающими типами охлаждаемых устройств на основе охлаждения согласно циклу Стирлинга и жидким азотом.

Технология VOx-микроболометров была разработана Honeywell в середине 1980-х годов по контракту с US Department of Defense. Затем с 1990-х лицензии на эту технологию преобретали различные производители.

Лекция 13

Дата добавления: 2014-01-14