Микроболометры: Принцип работы и современные тенденции развития

Введение

Тип болиметра

Микроболометр – это особый тип болиметра, используемый в качестве детектора в тепловизоре. Инфракрасное излучение с длиной волны от 7,5 до 14 мкм воздействует на материал детектора, нагревая его и изменяя его электрическое сопротивление. Это изменение сопротивления измеряется и преобразуется в значения температуры, которые используются для создания изображения. В отличие от других типов оборудования для обнаружения инфракрасного излучения, микроболометры не требуют охлаждения.

Теория конструкции

Микроболометр — это неохлаждаемый тепловой датчик. Тепловые датчики с высоким разрешением требуют экзотических и дорогостоящих методов охлаждения, включая криокулеры Стирлинга и охладители жидким азотом. Эти методы охлаждения высокоразрешающих тепловизоров дороги в эксплуатации и неудобны в транспортировке. Кроме того, высокоразрешающим тепловизорам требуется время охлаждения более 10 минут до начала использования. Микроболометр состоит из массива пикселей, каждый из которых образован несколькими слоями. Поперечное сечение, представленное на рисунке 1, дает обобщенное представление о пикселе. Каждая компания, производящая микроболометры, имеет собственную уникальную технологию их изготовления и использует различные материалы, поглощающие ИК-излучение. В данном примере нижний слой состоит из кремниевой подложки и интегральной схемы считывания (ROIC). Электрические контакты наносятся и затем выборочно удаляются. Рефлектор, например, титановое зеркало, создается под ИК-поглощающим материалом. Поскольку часть света способна проникать сквозь поглощающий слой, рефлектор перенаправляет этот свет обратно вверх для обеспечения максимального поглощения, что позволяет получить более сильный сигнал. Далее наносится жертвенный слой, чтобы в дальнейшем создать зазор для теплоизоляции ИК-поглощающего материала от ROIC. Затем наносится слой поглощающего материала и выборочно травлится для формирования окончательных контактов. Для создания окончательной мостовой структуры, показанной на рисунке 1, жертвенный слой удаляется, в результате чего поглощающий материал подвешивается примерно на 2 мкм над схемой считывания. Поскольку микроболометры не подвергаются охлаждению, ИК-поглощающий материал должен быть теплоизолирован от нижнего ROIC, что обеспечивается мостовой структурой. После создания массива пикселей микроболометр герметизируется в вакууме для увеличения срока службы устройства. В некоторых случаях весь производственный процесс выполняется без нарушения вакуума. Массивы микроболометров обычно имеют размеры 320×240 пикселей или менее дорогие 160×120 пикселей. Современные технологии позволили создать устройства с разрешением 640×480 или 1024×768 пикселей. Также произошло уменьшение размеров отдельных пикселей. Размер пикселей в старых устройствах обычно составлял 45 мкм, а в современных устройствах он уменьшен до 12 мкм. По мере уменьшения размера пикселей и пропорционального увеличения их количества на единицу площади создается изображение с более высоким разрешением, но с более высоким NETD (температурная эквивалентная разность по шуму (дифференциальная)), поскольку меньшие пиксели менее чувствительны к ИК-излучению.

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.

Обнаружение свойств материала

Существует большое разнообразие материалов, используемых для изготовления детектирующего элемента в микроболометрах. Ключевым фактором, определяющим эффективность работы устройства, является его восприимчивость. Восприимчивость – это способность устройства преобразовывать входящее излучение в электрический сигнал. Свойства материала детектора влияют на это значение, поэтому необходимо исследовать несколько основных характеристик материала: TCR, 1/f шум и сопротивление.

Коэффициент температурного сопротивления (TCR)

Материал, используемый в детекторе, должен демонстрировать значительные изменения сопротивления при малейших изменениях температуры. При нагреве материала под воздействием входящего инфракрасного излучения его сопротивление уменьшается. Это связано с температурным коэффициентом сопротивления (TCR) материала, а именно с его отрицательным температурным коэффициентом. В настоящее время промышленность производит микроболометры, содержащие материалы с TCR около −2%/K. Хотя существует множество материалов с гораздо более высоким TCR, при создании оптимизированных микроболометров необходимо учитывать и другие факторы.

1/f шума

1/f шум, как и любой другой шум, создает возмущение, влияющее на сигнал и способное искажать передаваемую им информацию. Изменения температуры в поглощающем материале определяются изменениями тока смещения или напряжения, протекающего через детектирующий материал. Если шум велик, то небольшие изменения могут быть неразличимы, и устройство становится бесполезным. Использование детектирующего материала с минимальным уровнем 1/f шума позволяет поддерживать более четкий сигнал между ИК-детектированием и отображаемым результатом. Детектирующий материал необходимо тестировать, чтобы убедиться, что этот шум не оказывает существенного влияния на сигнал.

Сопротивление

Использование материала с низким сопротивлением при комнатной температуре важно по двум причинам. Во-первых, более низкое сопротивление в детектирующем материале означает, что потребуется меньше мощности. Во-вторых, высокое сопротивление сопряжено с повышенным шумом Джонсона-Найквиста.

Обнаружение материалов

Два наиболее часто используемых материала для детектирования ИК-излучения в микроболометрах – аморфный кремний и оксид ванадия. Проблема некоторых потенциальных материалов заключается в том, что температура их осаждения, необходимая для достижения желаемых свойств, может быть слишком высокой для процессов изготовления на основе КМОП. Проведено множество исследований для оценки возможности использования других материалов. Среди исследованных – Ti, YBaCuO, GeSiO, поли-SiGe, BiLaSrMnO, а также белковые цитохром C и сывороточный альбумин бычьей крови. Тонкие пленки аморфного кремния (a-Si) легко интегрируются в КМОП-процесс благодаря низким температурам осаждения, обладают высокой стабильностью, быстрой временной константой и длительным средним временем наработки на отказ. Для создания слоистой структуры и формирования рисунка в КМОП-процессе температура должна в среднем оставаться ниже 200 °C. A-Si также демонстрирует отличные значения TCR, 1/f шума и сопротивления при оптимизации параметров осаждения. Тонкие пленки оксида ванадия также могут быть интегрированы в КМОП-процесс, хотя и сложнее, чем a-Si, из-за температурных ограничений. VO – более ранняя технология, чем a-Si, с более низкой производительностью и долговечностью. Осаждение при высоких температурах и последующий отжиг позволяют получать пленки с улучшенными характеристиками. VO2 имеет низкое сопротивление, но претерпевает фазовый переход металл-изолятор при температуре около 67 °C и обладает более низким значением TCR. С другой стороны, V2O5 демонстрирует высокое сопротивление и высокий TCR. Существует множество фаз VOx, однако x ≈ 1.8 наиболее популярен для применения в микроболометрах. Тепловизионная камера с микроболометром на основе оксида ванадия более стабильна, компактна и чувствительна по сравнению с камерами, использующими другие технологии, несмотря на то, что VOx – более старая технология. Доля рынка VOx значительно выше, чем у других технологий: 70% против 13% у аморфного кремния. Кроме того, тепловизионные камеры на основе технологии VOx используются в оборонной промышленности благодаря своей чувствительности, стабильности изображения и надежности. Использование инфракрасных оптических антенн в сочетании с микроболометрами малого размера может повысить эффективность их детекции.

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.

Активные и пассивные микроболометры

Большинство микроболометров содержат температурно-зависимый резистор, что делает их пассивными электронными устройствами. В 1994 году компания Electro Optic Sensor Design (EOSD) начала исследования по производству микроболометров, использующих тонкопленочный транзистор (TFT) – особый вид полевого транзистора. Главным изменением в этих устройствах стало добавление управляющего электрода. Несмотря на схожие основные принципы работы, эта конструкция позволяет использовать преимущества TFT. К ним относятся возможность настройки сопротивления и энергии активации, а также снижение периодических шумовых паттернов. По состоянию на 2004 год это устройство все еще проходило испытания и не применялось в коммерческой инфракрасной визуализации.

Преимущества

Они компактные и легкие. Для применений, требующих относительно небольших дальностей, физические размеры камеры еще меньше. Это свойство позволяет, например, монтировать неохлаждаемые микроболометрические тепловизоры на шлемы. Обеспечивают вывод реального видео сразу после включения питания. Низкое энергопотребление по сравнению с тепловизорами на охлаждаемых детекторах. Очень большой средний наработанный ресурс. Более доступная цена по сравнению с камерами на основе охлаждаемых детекторов.

Недостатки

Менее чувствительны (из-за большего шума), чем охлаждаемые тепловизионные и фотонные детекторы, и поэтому не достигли такого же разрешения, как охлаждаемые полупроводниковые приборы.

Пределы производительности

Чувствительность частично ограничена теплопроводностью пикселя. Скорость отклика ограничена теплоемкостью, деленной на теплопроводность. Уменьшение теплоемкости повышает скорость, но также увеличивает статистические флуктуации тепловой температуры (шум). Увеличение теплопроводности повышает скорость, но снижает чувствительность.

Происхождение

Технология микроболометров была первоначально разработана компанией Honeywell, начиная с конца 1970-х годов, в рамках секретного контракта для Министерства обороны США. Правительство США сняло гриф секретности с этой технологии в 1992 году. После этого Honeywell предоставило лицензии на свою технологию нескольким производителям.