Охлаждаемые и неохлаждаемые FPA-детекторы

Выделяются два наиболее широких класса тепловых камер: с охлаждаемыми cooled FPA и неохлаждаемыми Uncooled Focal Plane Array (UFPA) детекторами. Также ИК-детекторы делятся на фотонные, или квантовые, и тепловые приемники, что практически тождественно первому классификационному делению.

Фотонные, или квантовые детекторы преобразуют воздействующую ИК-радиацию фотонов в электрический сигнал посредством прямого взаимодействия с атомной решеткой материала детекторов. Тепловые приемники, поглощая фотоны, изменяют температуру материала детектора и за счет этого — его свойства, что также позволяет сгенерировать электрический сигнал. К первому типу устройств относятся фоторезисторы (или фотопроводники), фотогальванические p-n-переходы с фотоэлектрическим током, фотодиоды, фотокатодные материалы, фототранзисторы и некоторые другие структуры. Ко второму типу — тепловым датчикам — относятся болометры и микроболометры, пироэлектрики, термопили (все они рассматриваются далее), ячейки Голея (вырабатывающие электрический сигнал при тепловом расширении), сверхпроводники (или фотоэлектромагнитные детекторы).

Материалы фотонных детекторов включают силицид платины PtSi, а также недорогие полупроводниковые устройства на основе материалов InSb, InAs, теллуриды кадмия и ртути HgCdTe или CdHgTe (КРТ), сульфидно-свинцовые PbS, селенидно-свинцовые PbSe и другие материалы.

Для многих из этих материалов характерна относительно узкая спектральная полоса срабатывания, не позволяющая детектировать длинноволновый ИК-диапазон (1,5–5,2 мкм для PbSe, 1–5 мкм для PtSi; для сравнения, HgCdTe характеризуется чувствительностью в диапазоне 2–25 мкм), и пиковая спектральная чувствительность к определенной длине волны, зависящая от состава материала. Быстродействие и чувствительность этих датчиков является очень высокой, но они требуют глубокого криогенного охлаждения до низких температур порядка 77–80 K (в диапазоне значений 4–110 K) для удаления влияния тепловых шумов вследствие освобождения электронов, сгенерированных температурой, или темнового тока.

В последнее время были разработаны FРА-приемники на квантовых ямах — QWIР-детекторы (Qantum Well Infrared Photo-detector), производимые по технологии молекулярно-лучевой эпитаксии из материалов GaAs/AlxGa1-xAs и некоторых других. В полупроводниковой структуре с широкой запрещенной зоной формируются потенциальные ямы для электронов с низким энергетическим уровнем и фотонов. Фотоны, попадая в ямы, обеспечивают переход электронов в состояние высокого энергетического уровня, которые под действием смещающего напряжения генерируют фотоэлектрический ток. Фиксированное смещение необходимо для того, чтобы образовывать выходной сигнал — фототок, по которому посредством зарядового конденсатора интегрируется ИК-излучение, полученное каждой ячейкой ROIC.

Существенным признаком этого типа устройств является то, что детектор состоит из некоторого числа изолированных квантовых ям, чувствительных только к определенной частоте детектирования, но он может быть настроен так, чтобы определять различные длины волн. Базовые принципы многоцветной технологии раскрыты в патентах.

Квантовые QWIР-детекторы позволяют детектировать длинноволновый FIR-диапазон 8–14 мкм (и даже более широкий — 6–25 мкм), но для достижения высоких показателей NETD порядка 36 мК для этого типа детекторов также часто, но не всегда, необходимо охлаждение.

В результате охлаждения температура детекторов становится значительно ниже температуры детектируемых объектов — за счет этого удается повысить чувствительность детекторов и избавиться от шумов. В итоге получается изображение высокого качества — с высоким разрешением, чувствительностью, SNR. Эти камеры могут видеть от 0,1 °C с дальностью до 3000 м и быстродействием порядка 1 мкс.

Существуют различные способы охлаждения: термоэлектрическое, криогенное, механическое газоциркуляционное охлаждение, известное как цикл Стирлинга. (Подробнее о способах охлаждения можно прочитать в специальной литературе.)

Охлаждаемые элементы детекторов обычно содержатся в уплотненных металлических или стеклянных вакуумных контейнерах, охлаждаемых жидким азотом при температуре 77 К, которая может быть снижена и далее за счет сжатия (детекторы Дюара). Детектор может работать до 8 часов без заполнения азотом.

Термоэлектрические охладители основаны на эффекте Пельтье, согласно которому при протекании тока по определенным типам полупроводников один конец соединения нагревается, а другой охлаждается, и могут быть реализованы по технологии MEMS.

Размер охлаждаемого элемента — главный ограничивающий фактор охлаждаемых фотонных или квантовых ИК-детекторов, далее следуют заметное потребление мощности и цена. Без охлаждения такие детекторы будут «затопляться» собственным излучением, но с охлаждением оказываются громоздкими, дорогими и трудоемкими. Эксплуатация данных камер характеризуется некоторым временем, необходимым на охлаждение для возобновления работы. Время охлаждения самых первых детекторов достигало 10 минут.

Необходимо учитывать, что для различных материалов охлаждение дает различные результаты (например, спектральное срабатывание селенида и сульфида свинца, а также материала MCT сдвигается в длинноволновую область ИК-спектра, а материалов InAs и InSb — в коротковолновую).

Таким образом, уровень развития технологий охлаждаемых детекторов подходит для ручных камер, преимущественно специального назначения, но противоречит важнейшим автомобильным требованиям, таким как единичное соотношение высокие объемы/низкая цена, возможность автоматического распознавания объектов в течение всего времени вождения.

Неохлаждаемые методы детектирования для автоэлектроники (и не только) имеют много преимуществ — во-первых, отсутствие охлаждающего фрейма и, следовательно, сниженный размер, малое потребление мощности и меньшую стоимость.

Неохлаждаемые UFPA-датчики, широко известные и как Uncooled Infrared Detectors или Uncooled Thermal Cameras, используют датчик, работающий при окружающей температуре, или датчик, стабилизированный при температуре, близкой к окружающей. Современные неохлаждаемые детекторы используют датчики, срабатывающие на изменение сопротивления, напряжения или тока при нагреве инфракрасным излучением. Эти изменения затем измеряются и, например, в болометрах сравниваются со значениями при рабочей температуре датчика.

Основные материалы неохлаждаемых датчиков — пироэлектрические или материалы для микроболометров.

Сверхпроводники также могут служить в качестве инфракрасных датчиков. Соединение Джозефсона (два сверхпроводника, соединенных очень тонким изолирующим оксидным барьером), отличающееся тем, что в нем возникает ток через сверхпроводники, при приложении малого магнитного поля может быть преобразовано в туннельное соединение Гиавье Superconducting Tunneling Junction (STJ), которое используется как очень чувствительный фотонный детектор в широком спектральном диапазоне, включая ИК. Каждый фотон разрывает число существующих пар, которое зависит от энергии фотона и зазора материалов соединения. Высокая чувствительность этих датчиков требует изоляции от фонового излучения и охлаждения до температур ниже 1 К.

Для снижения шумов неохлаждаемые ИК-датчики могут быть стабилизированы к рабочей температуре. Такие камеры меньше по размеру и цене. Хотя их разрешение и качество изображения ниже, чем у охлаждаемых, уровень развития технологий предполагает адекватные результаты при их использовании в автомобильных системах (например, скорость работы 200 кадр/с и другие показатели).

Дата добавления: 2014-01-14