Microbolometer

Un microbolometer es un tipo concreto de bolometer usado como un detector en una cámara termal. La radiación infrarroja con longitudes de onda entre 7.5-14 μm golpea el material del detector, calentándolo, y así cambiando su resistencia eléctrica. Este cambio de resistencia se mide y se trata en temperaturas que pueden ser usadas para crear una imagen. A diferencia de otros tipos del equipo de descubrimiento infrarrojo, los microbolometers no requieren la refrigeración.

Teoría de operación

Un microbolometer es un sensor termal no refrescado. La alta resolución anterior sensores termales requirió métodos de refrigeración exóticos y caros incluso refrigeradores del ciclo stirling y refrigeradores de nitrógeno líquido. Estos métodos de enfriarse hicieron temprano termal imagers caro para funcionar y pesado para moverse. También, imagers termal más viejo hizo falta que un tiempo inactivo chulo superior a 10 minutos antes de ser utilizable.

Un microbolometer consiste en una serie de pixeles, cada pixel arreglado de varias capas. El diagrama enfadado y seccional mostrado en la Figura 1 proporciona una visión generalizada del pixel. Cada compañía que fabrica microbolometers tiene su propio procedimiento único de producirlos y hasta usan una variedad de materiales absorbentes diferentes. En este ejemplo la capa del fondo consiste en un silicio substrate y un circuito integrado de lectura (ROIC). Los contactos eléctricos se depositan y luego selectivamente se graban al agua fuerte lejos. Un reflector, por ejemplo, un espejo del titanio, se crea bajo el IR material absorbente. Ya que alguna luz es capaz de pasar por la capa absorbente, el reflector desvía esta luz atrás hasta aseguran la absorción mayor posible, de ahí permitiendo a una señal más fuerte producirse. Después, una capa de sacrificio se deposita de modo que más tarde en el proceso un hueco se pueda crear para aislar termalmente el IR material absorbente del ROIC. Una capa del material absorbente se deposita entonces y selectivamente se graba al agua fuerte de modo que los contactos finales se puedan crear. Para crear el puente final como la estructura mostrada en la Figura 1, la capa de sacrificio se quita de modo que el material absorbente se suspenda aproximadamente 2 μm encima del recorrido de lectura. Como microbolometers no se someten a ninguna refrigeración, el material absorbente se debe termalmente aislar del fondo ROIC y el puente como la estructura tienen esto en cuenta para ocurrir. Después de que la serie de pixeles se crea el microbolometer se encapsula bajo un vacío para aumentar la longevidad del dispositivo. En algunos casos el proceso de fabricación entero se hace sin romper el vacío.

La calidad de imágenes creadas de microbolometers ha seguido aumentando. La serie de microbolometer comúnmente se encuentra en dos tallas, 320×240 pixeles o menos cara 160×120 pixeles. La tecnología corriente ha llevado a la producción de dispositivos con 640×480 o 1024x768 pixeles. También hubo una disminución en las dimensiones del pixel individuales. La talla del pixel era típicamente 45 μm en dispositivos más viejos y se ha disminuido a 17 μm en dispositivos corrientes. Como la talla del pixel se disminuye y el número de pixeles por área de la unidad se aumenta proporcionalmente, una imagen con la resolución más alta se crea.

Descubrimiento de propiedades materiales

Hay una amplia variedad de materiales que se usan para el elemento del detector en microbolometers. Un factor principal en el dictado cómo bien el dispositivo trabajará es los dispositivos responsivity. Responsivity es la capacidad del dispositivo de convertir la radiación de entrada en una señal eléctrica. Las propiedades del material del detector influyen en este valor y así varias propiedades materiales principales se deberían investigar: TCR, 1/f Ruido y Resistencia.

Coeficiente de temperaturas de resistencia

El material usado en el detector debe demostrar cambios grandes de la resistencia a consecuencia de cambios del minuto de la temperatura. Ya que el material se calienta, debido a la radiación infrarroja de entrada, la resistencia de las disminuciones materiales. Esto se relaciona con el coeficiente de temperaturas del material de la resistencia (TCR) expresamente su coeficiente de temperaturas negativo. La industria actualmente fabrica microbolometers que contienen materiales con TCRs cerca del-2%. Aunque muchos materiales existan lo que tiene mucho más alto TCRs, hay varios otros factores que se tienen que tener en cuenta cuando la producción optimizó microbolometers.

Ruido de 1/f

El ruido de 1/f, como otros ruidos, causa una perturbación que afecta la señal y esto puede deformar la información llevada por la señal. Los cambios de la temperatura a través del material absorbente son determinados por cambios de la corriente de polarización o voltaje que fluye a través del material de descubrimiento. Si el ruido es grande entonces pequeños cambios que ocurren se puede no ver claramente y el dispositivo es inútil. La utilización de un material del detector que tiene una cantidad mínima del ruido 1/f tiene una señal más clara en cuenta para mantenerse entre el descubrimiento IR y la salida que se muestra. El material del detector se debe probar para asegurar que este ruido no interfiere considerablemente con la señal.

Resistencia

La utilización de un material que tiene la resistencia de temperatura ambiente baja también es importante. La resistencia inferior a través del material de descubrimiento significa que menos poder se tendrá que usar. También, hay una relación entre resistencia y ruido, el más alto la resistencia el más alto el ruido. Así, para el descubrimiento más fácil y satisfacer el requisito del ruido bajo, la resistencia debería ser baja.

Descubrimiento de materiales

Los dos el más comúnmente usaban materiales de descubrimiento de la radiación IR en microbolometers son el silicio amorfo y el óxido del vanadio. Mucha investigación se ha hecho para probar otra viabilidad de materiales para usarse como un material de descubrimiento. Otros materiales que se han investigado incluyen: Ti, YBaCuO, GeSiO, poly SiGe, BiLaSrMnO y una proteína cytochrome basado C y albúmina del suero bovina.

Si amorfo (a-Si) trabaja bien principalmente porque se puede fácilmente integrar en el proceso de fabricación CMOS. Para crear la estructura acodada y modelado, el proceso de fabricación CMOS se puede usar pero requiere que temperaturas se queden abajo 200˚C por término medio. Un problema con algunos materiales potenciales consiste en que para crear las propiedades deseables sus temperaturas de la deposición pueden ser demasiado altas aunque esto no sea un problema para láminas delgadas de a-Si. A-Si también posee valores razonables para TCR, 1/f ruido y resistencia cuando los parámetros de la deposición se optimizan.

Las láminas delgadas de óxido del vanadio también se pueden integrar en el proceso de fabricación CMOS aunque no tan fácilmente como a-Si por motivos de temperaturas. La deposición en altas temperaturas y realizando la posttempladura tiene la producción en cuenta de películas con propiedades superiores aunque las películas aceptables todavía se puedan hacer posteriormente realizando los requisitos de temperaturas. VO tiene la resistencia baja, pero se somete a un cambio de fase del aislante metálico cerca de 67 °C y también tiene un menor valor de TCR. la otra mano, objetos expuestos de VO resistencia alta y también TCR alto. Muchas fases de VO existen aunque parezca que x≈1.8 se ha hecho el más popular para aplicaciones microbolometer.

Activo contra microbolometers pasivo

La mayor parte de microbolometers contienen una resistencia sensible de temperaturas que los hace un dispositivo electrónico pasivo. En 1994 una compañía, Electro-Optic Sensor Design (EOSD), comenzó a examinar la producción microbolometers que usó un transistor de la lámina delgada (TFT), que es una clase especial del transistor del efecto de campaña. El cambio principal de estos dispositivos sería la adición de un electrodo de la puerta. Aunque los conceptos principales de los dispositivos sean similares, usar este diseño tiene las ventajas en cuenta del TFT para utilizarse. Algunas ventajas incluyen la afinación de la resistencia y energía de activación y la reducción de modelos del ruido periódicos. Desde 2004 este dispositivo todavía se estaba probando y no se usó en la representación IR comercial.

Ventajas

Son

Desventajas

Límites de rendimiento

La sensibilidad es en parte limitada por conductance termal del pixel. La velocidad de respuesta es limitada por la capacidad de calor termal dividida en conductance termal. Reducir la capacidad de calor aumenta la velocidad sino también aumenta fluctuaciones de temperaturas termales mecánicas estadísticas (ruido). El aumento de conductance termal levanta la velocidad, pero disminuye la sensibilidad.

Orígenes

La tecnología microbolometer fue al principio desarrollada por Honeywell que comienza a finales de los años 70 como un contrato secreto para el Ministerio de defensa estadounidense. El Gobierno estadounidense levantó el secreto oficial de la tecnología en 1992. Después de la desclasificación Honeywell licenció su tecnología a varios fabricantes.

Fabricantes de series de microbolometer



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