Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Болометрдің түрі
Type of bolometer
Микроболометр – жылу камерасында детектор ретінде қолданылатын болометрдің нақты түрі. 7.5–14 мкм аралығындағы толқын ұзындығына ие инфрақызыл сәуле детектор материалына түсіп, оны қыздырып, осылайша оның электрлік кедергісін өзгертеді. Бұл кедергі өзгерісі өлшеніп, сурет жасау үшін температураға айналдырылады. Басқа инфрақызыл детекторларынан өзгеше, микроболометрлерді салқындату қажет емес.
A microbolometer is a specific type of bolometer used as a detector in a thermal camera. Infrared radiation with wavelengths between 7.5–14 μm strikes the detector material, heating it, and thus changing its electrical resistance. This resistance change is measured and processed into temperatures which can be used to create an image. Unlike other types of infrared detecting equipment, microbolometers do not require cooling.
Құрылыс теориясы
Микроболометр – суытылмайтын жылу сенсоры. Жоғары ажыратымдылықты жылу сенсорлары экзотикалық және қымбат салқындату әдістерін қажет етеді, соның ішінде Стирлинг циклы салқындатқыштары мен сұйық азот салқындатқыштары. Жоғары ажыратымдылықты жылулық бейнелеуді салқындатудың бұл әдістері қымбатқа соғады және жылжыту қиын. Сонымен қатар, жоғары ажыратымдылықты жылулық бейнелеу құрылғылары пайдалануға кіріспес бұрын 10 минуттан астам салқындату уақытын қажет етеді. Микроболометр пиксельдер массивінен тұрады, әр пиксель бірнеше қабаттан құралған. 1-суретте көрсетілген қима диаграммасы пикселдің жалпыланған көрінісін ұсынады. Микроболометрлерді өндіретін әр компанияның оларды жасаудың өзіндік ерекше әдісі бар, тіпті олар әртүрлі ИК сәулелерді сіңіретін материалдарды қолданады. Бұл мысалда төменгі қабат кремнийлік субстраттан және оқу интегралды схемасынан (ROIC) тұрады. Электрлік контактілер жабыстырылады, содан кейін таңдамалы түрде ойылып алынады. ИК сәулелерді сіңіретін материалдың астына рефлектор, мысалы, титан айнасы орнатылады. Жарықтың бір бөлігі сіңіретін қабаттан өте алатындықтан, рефлектор осы жарықты жоғары қарай қайтарады, осылайша ең жоғары сіңіруді қамтамасыз етеді, нәтижесінде күшті сигнал туындайды. Содан кейін құрбандық қабаты жабыстырылады, процестің кейінгі кезеңінде ИК сәулелерді сіңіретін материалды ROIC-тен жылу оқшаулау үшін саңылау жасауға болады. Сосын сіңіретін материалдың қабаты жабыстырылып, соңғы контактілер жасау үшін таңдамалы түрде ойылады. 1-суретте көрсетілгендей соңғы көпір тәрізді құрылымды жасау үшін құрбандық қабаты алынып тасталады, сонда сіңіретін материал оқу тізбегінен шамамен 2 мкм биіктікте орналасады. Микроболометрлер салқындатылмайтындықтан, сіңіретін материал төменгі ROIC-тен жылу оқшаулануы керек, ал көпір тәрізді құрылым осыған мүмкіндік береді. Пиксельдер массиві жасалғаннан кейін микроболометр құрылғының қызмет ету мерзімін ұзарту үшін вакуум астында герметикалық жабылады. Кейбір жағдайларда, өндіріс процесінің барлығы вакуумды бұзбай жүргізіледі. Микроболометр массиві көбінесе екі өлшемде кездеседі: 320×240 пиксел немесе арзан 160×120 пиксел. Қазіргі технология 640×480 немесе 1024×768 пикселдік құрылғыларды жасауға мүмкіндік берді. Сонымен қатар, жеке пикселдің өлшемдері де азайды. Пикселдің мөлшері ескі құрылғыларда әдетте 45 мкм болған, ал қазіргі құрылғыларда 12 мкм-ге дейін азайтылған. Пикселдің мөлшері кішірейгенде және бірлік ауданына шаққанда пикселдер саны пропорционалды түрде артқанда, жоғары ажыратымдылыққа ие кескін жасалады, бірақ кіші пикселдер ИК сәулеленуге аз сезімтал болғандықтан жоғары NETD (шуға тең температура айырмашылығы) болады.
A microbolometer is an uncooled thermal sensor. High resolution thermal sensors require exotic and expensive cooling methods including stirling cycle coolers and liquid nitrogen coolers. These methods of cooling high resolution thermal imagers are expensive to operate and unwieldy to move. Also, high resolution thermal imagers require a cool down time in excess of 10 minutes before being usable. A microbolometer consists of an array of pixels, each pixel being made up of several layers. The cross sectional diagram shown in Figure 1 provides a generalized view of the pixel. Each company that manufactures microbolometers has their own unique procedure for producing them and they even use a variety of different IR absorbing materials. In this example the bottom layer consists of a silicon substrate and a readout integrated circuit (ROIC). Electrical contacts are deposited and then selectively etched away. A reflector, for example, a titanium mirror, is created beneath the IR absorbing material. Since some light is able to pass through the absorbing layer, the reflector redirects this light back up to ensure the greatest possible absorption, hence allowing a stronger signal to be produced. Next, a sacrificial layer is deposited so that later in the process a gap can be created to thermally isolate the IR absorbing material from the ROIC. A layer of absorbing material is then deposited and selectively etched so that the final contacts can be created. To create the final bridge like structure shown in Figure 1, the sacrificial layer is removed so that the absorbing material is suspended approximately 2 μm above the readout circuit. Because microbolometers do not undergo any cooling, the absorbing material must be thermally isolated from the bottom ROIC and the bridge like structure allows for this to occur. After the array of pixels is created the microbolometer is encapsulated under a vacuum to increase the longevity of the device. In some cases the entire fabrication process is done without breaking vacuum. The microbolometer array is commonly found in two sizes, 320×240 pixels or less expensive 160×120 pixels. Current technology has led to the production of devices with 640×480 or 1024x768 pixels. There has also been a decrease in the individual pixel dimensions. The pixel size was typically 45 μm in older devices and has been decreased to 12 μm in current devices. As the pixel size is decreased and the number of pixels per unit area is increased proportionally, an image with higher resolution is created, but with a higher NETD (Noise Equivalent Temperature Difference (differential)) due to smaller pixels being less sensitive to IR radiation.
Материалдың қасиеттерін анықтау
Микроболометрлердегі детектор элементтері үшін көптеген материалдар қолданылады. Құрылғының жұмыс істеу тиімділігін анықтайтын басты фактор – оның сезімталдығы. Сезімталдық – құрылғының түсетін сәулеленуді электр сигналына түрлендіру қабілеті. Детектор материалдарының қасиеттері осы мәнге әсер етеді, сондықтан бірнеше маңызды материалдық қасиеттерді зерттеу қажет: TCR, 1/f шуы және кедергі.
There is a wide variety of materials that are used for the detector element in microbolometers. A main factor in dictating how well the device will work is the device's responsivity. Responsivity is the ability of the device to convert the incoming radiation into an electrical signal. Detector material properties influence this value and thus several main material properties should be investigated: TCR, 1/f Noise, and Resistance.
Температураға қарсы тұру коэффициенті (ТКК)
Детекторда қолданылатын материал температураның ең кішкентай өзгерісіне жауап ретінде кедергісінде үлкен өзгерістерді көрсетуі керек. Материал инфрақызыл сәулеленудің әсерінен қызғанда, оның кедергісі төмендейді. Бұл материалдың температуралық кедергі коэффициентімен (ТКК) байланысты, атап айтқанда, оның теріс температуралық коэффициентімен. Қазіргі таңдағы өнеркәсіп -2%/K шамасындағы ТКК-ға ие материалдардан микроболометрлерді жасап шығарады. Көптеген материалдардың ТКК-сы одан да жоғары болғанымен, оңтайландырылған микроболометрлерді өндіру кезінде ескерілуі тиіс бірнеше фактор бар.
The material used in the detector must demonstrate large changes in resistance as a result of minute changes in temperature. As the material is heated, due to the incoming infrared radiation, the resistance of the material decreases. This is related to the material's temperature coefficient of resistance (TCR) specifically its negative temperature coefficient. Industry currently manufactures microbolometers that contain materials with TCRs near −2%/K. Although many materials exist that have far higher TCRs, there are several other factors that need to be taken into consideration when producing optimized microbolometers.
1/f шу
1/f шуы, басқа шулар сияқты, сигналға кедергі келтіріп, сигналмен берілетін ақпаратты бұрмалайтын бұзылу тудырады. Жұтатын материалдағы температура өзгерістері, анықтағыш материал арқылы өтетін смещение тогының немесе кернеудің өзгеруімен анықталады. Егер шу күшті болса, кішкентай өзгерістер анық көрінбей қалуы мүмкін, ал құрылғы қолдануға жарамсыз болады. 1/f шуының ең аз мөлшеріне ие анықтағыш материалды пайдалану, инфрақызыл анықтау мен көрсетілетін сигнал арасында айқын сигналды сақтауға мүмкіндік береді. Анықтағыш материалдар осы шудың сигналға маңызды кедергі келтірмейтіндігін қамтамасыз ету үшін тексерілуі керек.
1/f noise, like other noises, causes a disturbance that affects the signal and that may distort the information carried by the signal. Changes in temperature across the absorbing material are determined by changes in the bias current or voltage flowing through the detecting material. If the noise is large then small changes that occur may not be seen clearly and the device is useless. Using a detector material that has a minimum amount of 1/f noise allows for a clearer signal to be maintained between IR detection and the output that is displayed. Detector material must be tested to assure that this noise does not significantly interfere with signal.
Қарсылық
Бөлме температурасында төмен кедергісі бар материалды пайдалану екі себепке байланысты маңызды. Біріншіден, детекторлық материалдың төмен кедергісі аз қуат жұмсауды қамтамасыз етеді. Екіншіден, жоғары кедергі жоғары Джонсон-Найквист шуына әкеледі.
Using a material that has low room temperature resistance is important for two reasons. First, lower resistance across the detecting material means less power will need to be used. Second, higher resistances comes with higher Johnson–Nyquist noise.
Материалдарды анықтау
Микроболометрлерде ең көп қолданылатын екі инфрақызыл сәулелерді анықтау материалы – аморфты кремний және ванадий оксиді. Кейбір әлеуетті материалдардың бір мәселесі – қажетті қасиеттерді жасау үшін олардың жаратылу температурасы CMOS өндіріс процестері үшін тым жоғары болуы мүмкін. Басқа материалдарды пайдалану мүмкіндігін тексеру үшін көптеген зерттеулер жүргізілді. Зерттелгендер: Ti, YBaCuO, GeSiO, поли SiGe, BiLaSrMnO және белок негізіндегі цитохром C және сиыр сарысу альбумині. Аморфты Si (aSi) жұқа пленкаларын төмен температурада жарату арқылы CMOS өндіріс процесіне оңай интеграциялауға болады, олар өте тұрақты, жылдам уақыт константасына ие және ұзақ қызмет ету мерзіміне ие. CMOS өндіріс процесін пайдаланып қабатты құрылымды жасау және өрнек салу үшін температура орташа есеппен 200°C-тан төмен болуы керек. aSi сондай-ақ TCR, 1/f шу және оңтайландырылған жарату параметрлерінде кедергі үшін тамаша мәндерге ие. Ванадий оксидінің жұқа пленкаларын да CMOS өндіріс процесіне интеграциялауға болады, бірақ температуралық себептерге байланысты aSi сияқты оңай емес. VO – aSi-ге қарағанда көне технология, оның өнімділігі мен қызмет ету мерзімі нашар. Жоғары температурада жарату және кейіннен оттеу арқылы жоғары қасиеттері бар пленкалар жасауға болады. VO2 төмен кедергіге ие, бірақ шамамен 67°C температурада металл-оқшаулағыш фазалық өзгеріске ұшырайды және TCR-дің төмен мәніне ие. Ал V2O5 жоғары кедергіге және жоғары TCR-ге ие. VOx-тың көптеген фазалары бар, бірақ x≈1.8 микроболометрлік қолданбалар үшін ең танымал. Ванадий оксиді микроболометрі бар жылулық бейнелеу камерасы VOx көне технология болғанымен, кез келген басқа технологиямен салыстырғанда тұрақты, ықшам және сезімтал. VOx-тың нарықтық үлесі басқа технологияларға қарағанда әлдеқайда жоғары. VOx нарығының үлесі 70%-ды құрайды, ал аморфты кремнийдің үлесі 13%-ды құрайды. Сонымен қатар, VOx технологиясына негізделген жылулық камералар қорғаныс секторында олардың сезімталдығы, бейне тұрақтылығы және сенімділігіне байланысты қолданылады. Инфрақызыл оптикалық антенналарды кішкентай микроболометр материалдарымен бірге пайдалану оның анықтау тиімділігін арттыра алады.
The two most commonly used IR radiation detecting materials in microbolometers are amorphous silicon and vanadium oxide. A problem with some potential materials is that to create the desirable properties their deposition temperatures may be too high for CMOS fabrication processes. Much research has been done to test the feasibility of other materials to be used. Those investigated include: Ti, YBaCuO, GeSiO, poly SiGe, BiLaSrMnO and protein based cytochrome C and bovine serum albumin. Amorphous Si (a Si) thin films can easily be integrated into the CMOS fabrication process using low deposition temperatures, is highly stable, has a fast time constant, and has a long mean time before failure. To create the layered structure and patterning using the CMOS fabrication process requires temperatures to stay below 200˚C on average. a Si also possesses excellent values for TCR, 1/f noise and resistance when deposition parameters are optimized. Vanadium oxide thin films may also be integrated into the CMOS fabrication process although not as easily as a Si for temperature reasons. VO is an older technology than a Si, and its performance and longevity are inferior. Deposition at high temperatures and performing post annealing allows for the production of films with superior properties. VO2 has low resistance but undergoes a metal insulator phase change near 67 °C and also has a lower value of TCR. On the other hand, V2O5 exhibits high resistance and also high TCR. Many phases of VOx exist although it seems that x≈1.8 has become the most popular for microbolometer applications. A thermal imaging camera with a Vanadium Oxide Micro bolometer detector is more stable, compact, and sensitive compared with any other technology though VOx is older technology. The market share of VOx is much higher than any other technology. VOx market share is 70% where as Amorphous Silicon is 13%. Also, VOx technology based thermal cameras are being used in Defence Sector due to its sensitivity, image stability and reliability. The use of infrared optical antennae together with small size microbolometer materials can enhance its detection efficiency.
Активті және пассивті микроболометрлер
Микроболометрлердің көпшілігі температураға сезімтал резисторды қамтиды, осылайша оларды пассивті электрондық құрылғыға айналдырады. 1994 жылы Electro Optic Sensor Design (EOSD) компаниясы жұқа пленкалық транзисторды (TFT) пайдаланатын микроболометрлерді өндіруді зерттеуге кірісті, TFT – бұл ерекше бір типтегі өріс эффектілі транзистор. Бұл құрылғылардағы негізгі өзгеріс – қақпа электродты қосу болып табылады. Құрылғылардың негізгі принциптері ұқсас болғанымен, осы конструкцияны қолдану TFT-ның артықшылықтарын пайдалануға мүмкіндік береді. Мұндай артықшылықтарға кедергі мен белсенділік энергиясын реттеу, сондай-ақ периодты шудың үлгілерін азайту жатады. 2004 жылға дейін бұл құрылғы сынақтан өтіп жатты және коммерциялық инфрақызыл бейнелеуде қолданылмады.
Most microbolometers contain a temperature sensitive resistor which makes them a passive electronic device. In 1994 one company, Electro Optic Sensor Design (EOSD), began looking into producing microbolometers that used a thin film transistor (TFT), which is a special kind of field effect transistor. The main change in these devices would be the addition of a gate electrode. Although the main concepts of the devices are similar, using this design allows for the advantages of the TFT to be utilized. Some benefits include tuning of the resistance and activation energy and the reduction of periodic noise patterns. As of 2004 this device was still being tested and was not used in commercial IR imaging.
Артықшылықтар
Олар кішкентай және жеңіл. Қысқа қашықтықта жұмыс істейтін қолданбалар үшін камераның физикалық өлшемдері одан да кіші болады. Бұл мүмкіндік, мысалы, салқындатылмаған микроболометрлі термовизорларды қаптарға орнатуға мүмкіндік береді. Қуат қосылғаннан кейін дереу шынайы бейне беруді қамтамасыз етеді. Салқындатылған детекторлы термовизорлармен салыстырғанда қуатты аз тұтынады. Өте ұзақ сенімділік мерзіміне ие. Салқындатылған детекторларға негізделген камералардан арзан.
They are small and lightweight. For applications requiring relatively short ranges, the physical dimensions of the camera are even smaller. This property enables, for example, the mounting of uncooled microbolometer thermal imagers on helmets. Provide real video output immediately after power on. Low power consumption relative to cooled detector thermal imagers. Very long mean time between failures. Less expensive compared to cameras based on cooled detectors.
Кемшіліктер
Салқындатылған жылулық және фотон детекторларына қарағанда сезімталдығы төмен (жоғары шу деңгейіне байланысты), нәтижесінде салқындатылған жартылай өткізгіш негізделген жүйелердің ажыратымдылығына жете алмайды.
Less sensitive (due to higher noise) than cooled thermal and photon detector imagers, and as a result have not been able to match the resolution of cooled semiconductor based approaches.
Жүгірту шегі
Сезімталдық пикселдің жылу өткізгіштігімен ішінара шектеледі. Жауап беру жылдамдығы жылулық сыйымдылықты жылу өткізгіштігіне бөлгендегі мәнімен шектеледі. Жылу сыйымдылығын азайту жылдамдықты арттырады, бірақ статистикалық механикалық жылу температурасының құбылуын (шуды) да арттырады. Жылу өткізгіштігін арттыру жылдамдықты жоғарылатады, бірақ сезімталдықты төмендетеді.
The sensitivity is partly limited by the thermal conductance of the pixel. The speed of response is limited by the thermal heat capacity divided by the thermal conductance. Reducing the heat capacity increases the speed but also increases statistical mechanical thermal temperature fluctuations (noise). Increasing the thermal conductance raises the speed, but decreases sensitivity.
Шығу тегі
Микроболометр технологиясы бастапқыда Хонивелл компаниясы 1970-ші жылдардың соңында АҚШ Қорғаныс министрлігінің тапсырысы бойынша құпия жоба ретінде әзірленді. АҚШ үкіметі 1992 жылы бұл технологияны құпиясынан шығарды. Құпиясы алынғаннан кейін Хонивелл компаниясы өз технологиясын бірнеше өндірушіге лицензиялады.
Microbolometer technology was originally developed by Honeywell starting in the late 1970s as a classified contract for the US Department of Defense. The US Government declassified the technology in 1992. After declassification Honeywell licensed their technology to several manufacturers.