Неохлаждаемые инфракрасные датчики
Рис.1 Термограмма с разрешением 1024×768.
a-Si микроболометр демонстрирует, как высокую чувствительность изображения, так и его высокое разрешение.
На сегодняшний день, при производстве инфракрасных детекторов используются современные технологии, которые позволяют повысить надежность самих датчиков, упрощают процесс производства и уменьшают себестоимость продукции. Все вышеуказанные причины обеспечили выпуск широкого спектра тепловизоров на основе таких матриц. Низкая стоимость как портативных, так и стационарных тепловизионных устройств, а так же высокая производительность подобных систем обуславливают использование инфракрасных матриц для создания и обработки разного рода тепловых изображений. Низкая себестоимости и высокая производительность неохлаждаемых матриц привели к тому, что рынок тепловизоров просто взорвался.
В данной статье описывается как неохлаждаемые детекторы применяются для получения инфракрасных изображений. Говоря об улучшении производительности датчика, имеется в виду повышение его чувствительности, разрешения, однородности и тепловой постоянной во времени.
Кроме этого, приведены основные области использования инфракрасных датчиков.
Производителям инфракрасных камер необходим широкий выбор неохлаждаемых матриц, которые можно было бы использовать в различных моделях тепловизоров – бытовых, промышленных или армейских.
Пути развития неохлаждаемых детекторов излучения.
На сегодняшний день, производители тепловизоров в своем арсенале имеют два типа инфракрасных датчиков – охлаждаемые и неохлаждаемые. Охлаждаемая матрица (название происходит из-за того, что в процессе работы необходимо охлаждение с помощью криогенного механизма) является более чувствительной к инфракрасному излучению. Дело в том, что благодаря охлаждению, существенно снижается тепловой шум от посторонних, не исследуемых в данный момент, объектов. Чаще всего, при производстве охлаждаемых матриц используются материалы HgCdTe или InSb. Охлаждающий механизм матрицы состоит из движущихся частей и, посему, охлаждаемые детекторы требует периодического технического обслуживания – каждые 8 – 10 тысяч часов эксплуатации.
Микроболометры на основе аморфного кремния, разработанные с помощью технологии MEMS, имеют все преимущества кремниевых устройств, например низкую себестоимость. Так же, они обладают высокой чувствительностью к инфракрасному излучению.
Неохлаждаемые инфракрасные датчики стали прекрасной альтернативой и гораздо чаще используются в бытовых, промышленных и армейских тепловизионных приборах. Благодаря тому, что в этом случае не требуются охлаждения, тепловизоры, построенные на базе неохлаждаемых матриц обладают значительными преимуществами относительно их ремонтопригодности. Кроме того, такие тепловизоры имеют значительно меньшие размеры и цену.
На сегодняшний день, основной тип неохлаждаемой матрицы – микроболометр. Это прибор, построенный по технологии микроэлектромеханических систем (MEMS). В тот момент, когда волны инфракрасного излучения (длина волны 7-13 мкм) сталкиваются с материалом детектора микроболометра, последний нагревается и изменяет электрическое сопротивление в каждой своей точке. Эти изменения регистрируются электронной составляющей устройства и, на основе полученных от детектора данных, строится тепловизионное изображение исследуемого объекта. Подобного рода детекторы являются очень чувствительным регистратором и способны уловить малейшее изменение температуры теплового излучения, исходящего от предмета.
Существуют два наиболее распространенных материала, которые используют для изготовления микроболометров – это аморфный кремний (amorphous silicon или a-Si) и оксид ванадия (vanadium oxide или VOx). Несмотря на то, что механизмы их работы схожи, между самими материалами существует множество различий.
Рис.2: Неохлаждаемый микроболометр, построенный на основе миниатюрного датчика.
Микроболометры, в которых материалом термометра является кремний, разрабатывались, используя сложные методы механической обработки поверхности. Таким образом, было организовано производство очень тонких и чувствительных мембран. Как показано на рис. 2, детекторы излучения плотно упакованы в сверхтонком, специально разработанном для этого керамическом блоке.
Затем, вся конструкция изолируется в вакуумной трубке. Расчетный срок годности такого датчика – 15 лет в условиях хранения при комнатной температуре.
Такие датчики нашли широкое применение в различных коммерческих и военных устройствах. Причиной этому послужило использование аморфного кремния при производстве матриц и низкой себестоимости самого процесса. Кроме этого, параллельно проводились многочисленные исследования других устройств, связанных с использованием кремния – солнечных батареях, жидкокристаллических экранов и т.п. При этом особое внимание уделялось совместимости и физическим размерам пикселя. Несмотря на то, что матрицы на основе оксида ванадия продемонстрировали, правда в незначительной мере, лучшие результаты фильтрации посторонних шумов, технологический процесс и экономический эффект использования аморфного кремния при производстве датчиков привели к популяризации именно этой технологии изготовления детекторов инфракрасного излучения. На сегодняшний день, тридцатилетний опыт позволяет наладить массовый процесс производства матриц, при этом обеспечивается высокая производительность при минимальном процентном отношении брака.
Заключение.
За последние несколько лет, в развитии производства неохлаждаемых инфракрасных детекторов произошли значительные изменения – повысилась разрешающая способность матриц, чувствительность приборов и другие их технические характеристики. Наличие матриц различного размера и количества пикселей позволяет задействовать их во многих отраслях, с учетом специфических требований каждой из них.
Использование аморфного кремния при производстве микроболометров демонстрирует определенные экономические преимущества, по сравнению с другими материалами. Отработанный производственный процесс, миниатюрные размеры самой матрицы и применение хорошо изученной технологии использования кремния – вот причины, которые обеспечили производство широкого ассортимента устройств, от карманных приборов до камер ночного видения. Получаемые в результате термограммы нашли применение в различных отраслях: видеонаблюдение, пожарно-технический и производственный контроль, медицина и автомобильная промышленность.
Похожие материалы:
