Виды неохлаждаемых тепловизионных детекторов

Тепловизионные сенсоры и зоны атмосферного пропускания

Как известно атмосфера нашей планеты имеет три спектральных «окна» для прохождения инфракрасного излучения:

1. Коротковолновый ИК диапазон (SWIR, 1-1,7 мкм). Тепловизионные камеры, работающие в этом диапазоне, для улучшения качества изображения как правило требуют термоэлектрического охлаждения на основе элемента Пельтье (ТЕС).
2. Средневолновый ИК диапазон (MWIR, 3-5 мкм). Фотоприёмные устройства этого спектра за редким исключением работают при охлаждении до температуры жидкого азота (70-80К), которое осуществляется за счёт использования микрокриогенных систем Стирлинга или Джоуля-Томпсона.
3. Длинноволновый ИК диапазон (LWIR, 8-14 мкм). Это самая широкая и самая стабильная зона атмосферного пропускания для ИК лучей и большинство детекторов, действующих в этом диапазоне, могут работать при температуре окружающей среды без дополнительной терморегуляции.

Микроболометрические тепловизионные матрицы

Принцип действия микроболометров основан на эффекте изменения электрического сопротивления материала сенсора при его нагревании. Таким образом происходит преобразование теплового излучение в электрический сигнал, который после соответствующей обработки визуализируется как изображение видимого спектра. Данная технология является самым распространённым способом создания неохлаждаемых тепловизионных детекторов, хотя она достаточно сложна и имеет высокую себестоимость даже при массовом производстве. Это связано с проблемой гибридной сборки таких тепловизионных матриц, которая подразумевает установку плёночной поверхности сенсора, принимающего ИК сигнал, на кремниевую подложку мультиплексора (преобразователя).

В настоящее время на рынке существует два вида микроболометров: это устройства на основе оксида ванадия (VOx) и на основе аморфного кремния (α – Si). Детекторы на VОx превосходят детекторы на α – Si практически по всем параметрам, кроме чувствительности. По этой причине на сенсоры VOx приходится львиная доля продаж среди неохлаждаемых длинноволновых тепловизионных детекторов, однако, когда речь заходит, например, о термографии, то лучше использовать сенсоры α – Si. Образцом такого удачного применения детектора на α – Si является система бесконтактного определения температуры человека ISMTB-ZS-315:

Пироэлектрические (ферроэлектрические) тепловизионные матрицы  

Существует ряд материалов, именуемых сегнетоэлектриками, в которых при нагревании наблюдается явление спонтанной поляризации (появление кратковременного поверхностного электрического заряда, величина которого пропорциональна нагреву). Этот эффект достаточно давно используются при создании одноканальных ИК детекторов (фотодиодов), на основе которых построены пирометры:

Однако на том же принципе создаются и пассивные фотоприёмные матрицы, где тепловой сигнал с помощью полевого транзистора преобразуется в электрический с последующей визуализацией. Существует две основные технологии производства пироэлектрических сенсоров подобного рода:

1. Толстоплёночная технология на основе твердых растворов сегнетоэлектрической керамики (Ва, Sr) TiO3 (титанат бария-стронция) - thick film BST.
2. Тонкоплёночная технология на основе нанополярной пьезокерамики Pb (Zr, Ti) O3 (цирконат-титанат свинца) - thin film PLZT.

В настоящее время вторая технология считается более перспективной, однако существует ряд чисто производственных проблем, связанных с массовым изготовлением пироэлектрических тепловизионных матриц. Это прежде всего необходимость внутреннего усиления теплового сигнала при его пассивном приёме.

В любом случае, пироэлектрическим тепловизионным детекторам специалисты прочат большое будущее и возможно в скором времени они смогут составить конкуренцию микроболометрам, поскольку ферроэлектрики значительно дешевле последних в производстве и надёжнее в эксплуатации.

ФПУ на основе халькогенидов (солей) свинца

Фоточувствительность в среднем ИК диапазоне (3-5мкм) химических соединений PbSe (селенид свинца) и PbS (сульфид свинца) известна достаточно давно и технология получения сенсорных слоёв на данных элементах хорошо отработана. Линейные ИК детекторы на солях свинца обладают гораздо меньшей чувствительностью, чем средневолновые ИК сенсоры на базе InSb (антимонид индия) и CdHgTe (теллурид кадмия ртути - КРТ), но зато в отличие от последних они не требуют охлаждения, что долгое время позволяло использовать PbSe и PbS в носимых приборах. Однако сейчас существуют очень компактные охлаждаемые матричные ФПУ на КРТ, которые вполне могут заменить халькогениды свинца в портативных оптико-электронных устройствах, при этом обладая гораздо лучшими характеристиками:

Но стоимость таких тепловизоров достаточно высока, поэтому во многих странах продолжаются разработки фотоприёмников на  PbSe и PbS с улучшенным качеством приёма и обработки ИК сигнала.

ФПУ на основе квантовых точек (QDIP)

Квантовые точки представляют собой полупроводниковые нано кристаллы размером от 2 до 10 нанометров, состоящие из 103 - 105 атомов, созданные на основе неорганических полупроводниковых материалов Si, InP, CdSe и прочих структур, покрытые моно-слоем стабилизатора. Квантовые точки уже достаточно широко используются в качестве самоизлучающих элементов при изготовлении дисплеев, однако в качестве фотоприёмников до сих пор применялись только т.н. квантовые ямы (QWIP) и в основном в охлаждаемых детекторах. Тем не менее именно технологии QDIP разработчики сегодня выделяют как наиболее перспективные, т.к. ФПУ на квантовых точках потенциально могут перекрывать большую часть ИК диапазона при рабочей температуре ≥100 К при этом обладая высоким быстродействием и большой устойчивостью к внешним воздействиям. Так же такие детекторы при массовом производстве могут иметь гораздо более низкую себестоимость чем микроболометры.

На настоящий момент существует три метода получения нано кристаллов:

1. Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) / Molecular Beam Epitaxy (MBE).
2. Газофазная металлоорганическую эпитаксия / Metalorganic Chemical Vapor Deposition    (MOCVD).
3. Жидкофазная эпитаксия / Liquid Phase Epitaxy (LPE).

 МЛЭ считается самой прогрессивной методикой, в то же время как жидкофазная эпитаксия является наиболее освоенной технологией. В качестве материалов для получения нано структур чаще всего используются GaInAs (арсенид галлия – индия) и Ge/Si (германий на кремнии). При этом последняя структура рассматривается как более технологичная.

Пока что QDIP детекторы появляются только в виде опытных образцов, но данная технология быстро прогрессирует и вполне возможно, что в ближайшем будущем мы увидим серийные ИК детекторы на квантовых точках.

Основные направления развития неохлаждаемых тепловизионных технологий.

1. Переход от гибридной сборки микроболометров, когда фоточувствительный элемент   монтируется на мультиплексорную подложку, к более передовой технологии выращивания   сенсорных гетероструктур сразу на кремниевой основе, что увеличивает надёжность   тепловизионного детектора и снижает себестоимость его производства.
2. Создание компактных пироэлектрических ЭОПов (Пировидиконов нового поколения) с целью внутреннего усиления сигнала пироэлектрических сенсоров.
3. Дальнейшее совершенствование технологий изготовления полноформатных матричных    детекторов средневолнового ИК диапазона на основе халькогенидов свинца с повышением   их чувствительности и рабочей температуры.
4. Создание ИК детекторов на коллоидных квантовых точках, которые существуют в виде золя и могут быть нанесены в качестве сенсорной плёнки на любую поверхность, что открывает возможности массового производства дешёвых неохлаждаемых тепловизионных модулей.
5. Внедрение технологий поляриметрической визуализации на основе микромеханической    дифракции с целью увеличения обнаружительной способности неохлаждаемых   тепловизионных матриц.