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Un microbolómetro es un tipo específico de bolómetro utilizado como un detector en una cámara térmica. La radiación infrarroja con longitudes de onda entre 7,5 a 14 m golpea el material detector, calentándolo, y cambiando así su resistencia eléctrica. Este cambio de resistencia se mide y se transforma en las temperaturas que se pueden utilizar para crear una imagen. A diferencia de otros tipos de equipo de detección de infrarrojos, microbolómetros no requieren refrigeración.

Teoría de funcionamiento

Un microbolómetro es un sensor térmico no refrigerado. Anterior sensores térmicos de alta resolución requieren métodos de enfriamiento exóticos y caros como los refrigeradores de ciclo Stirling y enfriadores de nitrógeno líquido. Estos métodos de refrigeración hechos cámaras termográficas primeros costosa y difícil de manejar para moverse. Además, las cámaras termográficas mayores requieren un tiempo de enfriamiento de más de 10 minutos antes de ser utilizable.

A Microbolómetro consiste en una matriz de píxeles, cada píxel se compone de varias capas. El diagrama en sección transversal se muestra en la Figura 1 proporciona una visión generalizada del píxel. Cada empresa que fabrica microbolómetros tiene su propio procedimiento único para producirlos e incluso utilizar una gran variedad de materiales absorbentes. En este ejemplo, la capa inferior consiste en un sustrato de silicio y un circuito integrado de lectura. Los contactos eléctricos son depositados y luego graban selectivamente distancia. Un reflector, por ejemplo, un espejo de titanio, se crea debajo del material de absorción de IR. Como un poco de luz es capaz de pasar a través de la capa absorbente, el reflector redirecciona esta luz una copia de seguridad para asegurar la absorción máxima posible, por lo tanto, lo que permite una señal más fuerte para ser producido. A continuación, una capa de sacrificio se deposita de manera que más tarde en el proceso de una brecha se puede crear para aislar térmicamente el material de absorción de infrarrojos de la ROIC. Una capa de material absorbente se deposita a continuación y grabada selectivamente de manera que los contactos finales se pueden crear. Para crear el puente final como la estructura que se muestra en la Figura 1, la capa de sacrificio se elimina de modo que el material absorbente se suspende aproximadamente 2 m por encima del circuito de lectura. Debido a microbolómetros no se someten a ningún enfriamiento, el material absorbente debe ser térmicamente aislado del ROIC parte inferior y el puente como la estructura permite para que esto ocurra. Después se crea la matriz de píxeles del microbolómetro se encapsula en un vacío para aumentar la longevidad del dispositivo. En algunos casos, todo el proceso de fabricación se realiza sin romper el vacío.

La calidad de las imágenes creadas a partir de microbolómetros ha seguido aumentando. La matriz Microbolómetro se encuentra comúnmente en dos tamaños, de 320 240 píxeles o menos costosos 160.120 píxeles. La tecnología actual ha dado lugar a la producción de los dispositivos con 640.480 o 1024x768 píxeles. También ha habido una disminución de las dimensiones individuales de píxel. El tamaño de pixel era típicamente 45 m en los dispositivos más antiguos y se ha disminuido a 17 m de los dispositivos actuales. Como se reduce el tamaño de píxel y el número de píxeles por unidad de superficie se incrementa proporcionalmente, se crea una imagen con una resolución más alta.

Detección de propiedades de los materiales

Hay una amplia variedad de materiales que se utilizan para el elemento detector en microbolómetros. Un factor principal en el dictado de lo bien que funciona el dispositivo es la capacidad de respuesta de los dispositivos. Responsividad es la capacidad del dispositivo para convertir la radiación entrante en una señal eléctrica. Propiedades de los materiales Detector influyen este valor y por lo tanto varias propiedades de los materiales principales deben ser investigados: TCR, 1/f ruido y resistencia.

Coeficiente de temperatura de la resistencia

El material utilizado en el detector debe demostrar grandes cambios en la resistencia como resultado de los cambios en la temperatura minutos. Como el material está caliente, debido a la radiación infrarroja entrante, la resistencia del material disminuye. Esto está relacionado con el coeficiente de temperatura del material de la resistencia específicamente su coeficiente de temperatura negativo. Industria actualmente fabrica microbolómetros que contienen materiales con los TCR cerca de -2%. Aunque existen muchos materiales que tienen TCR mucho más altas, hay varios otros factores que deben ser tomados en consideración cuando se produce microbolómetros optimizados.

1/f ruido

Ruido 1/f, al igual que otros ruidos, causa una alteración que afecta a la señal y que pueden distorsionar la información transportada por la señal. Los cambios en la temperatura a través del material absorbente se determinan por los cambios en la tensión o corriente de polarización que fluye a través del material de detección. Si el ruido es grande, entonces los pequeños cambios que se producen no pueden ser vistos con claridad y el dispositivo es inútil. El uso de un material de detector que tiene una cantidad mínima de ruido 1/f permite una señal más clara que se mantenga entre la detección de IR y la salida que se muestra. Material de detector debe ser probado para asegurar que este ruido no interfiere significativamente con la señal.

Resistencia

El uso de un material que tiene una baja resistencia a la temperatura ambiente también es importante. Baja resistencia a través del material detectar significa necesitará menos energía para ser utilizado. Además, existe una relación entre la resistencia y el ruido, mayor es la resistencia más alto es el ruido. Por lo tanto, para facilitar la detección y para satisfacer el requisito de bajo nivel de ruido, la resistencia debe ser baja.

Detección de materiales

Los dos más comúnmente utilizado radiación IR detectar materiales en microbolómetros son de silicio amorfo y óxido de vanadio. Muchas investigaciones se han realizado para probar otros materiales viabilidad para ser utilizado como un material de detección. Otros materiales que han sido investigados incluyen: Ti, YBaCuO, Gesio, poli SiGe, BiLaSrMnO y una proteína basada citocromo C y albúmina de suero bovino.

Si amorfo funciona bien sobre todo porque puede ser fácilmente integrada en el proceso de fabricación CMOS. Para crear la estructura en capas y el patrón, el proceso de fabricación CMOS se puede usar, pero requiere temperaturas se mantienen por debajo de 200 º C en promedio. Un problema con algunos materiales potenciales es que para crear las propiedades deseables sus temperaturas de deposición puede ser demasiado alto, aunque esto no es un problema para las películas delgadas a-Si. a-Si posee también valores razonables para TCR, ruido 1/f y la resistencia cuando se optimizan los parámetros de deposición.

Películas delgadas de óxido de vanadio también pueden estar integrados en el proceso de fabricación CMOS aunque no tan fácilmente como a-Si por razones de temperatura. Deposición a altas temperaturas y la realización de post-recocido permite la producción de películas con propiedades superiores a pesar de películas aceptables todavía se pueden hacer posteriormente el cumplimiento de los requisitos de temperatura. VO2 tiene una baja resistencia, pero sufre un cambio de fase metal-aislante cerca de 67 C y también tiene un menor valor de TCR. Por otro lado, V2O5 exhibe alta resistencia y también de alta TCR. Muchas fases de Vox existen aunque parece que x1.8 ha convertido en el más popular para aplicaciones microbolómetros.

Microbolómetros pasivo activo vs

La mayoría de microbolómetros contienen una resistencia sensible a la temperatura que los de un dispositivo electrónico pasivo hace. En 1994 una compañía, diseño del sensor electro-óptico, empezó a estudiar la producción microbolómetros que utilizan un transistor de película fina, que es un tipo especial de transistor de efecto campo. El cambio principal en estos dispositivos sería la adición de un electrodo de puerta. Aunque los principales conceptos de los dispositivos son similares, el uso de este diseño permite las ventajas de la TFT para ser utilizados. Algunos de los beneficios incluyen ajuste de la energía de la resistencia y la activación y la reducción de los patrones de ruido periódico. A partir de 2004 todavía estaba siendo probado este dispositivo y no se utilizó en IR comercial de formación de imágenes.

Ventajas

  • Son pequeños y ligeros. Para aplicaciones que requieren de intervalos relativamente cortos, las dimensiones físicas de la cámara son aún más pequeños. Esta propiedad permite, por ejemplo, el montaje de cámaras termográficas microbolómetros no refrigerados de los cascos.
  • Proporcione la salida de vídeo de verdad inmediatamente después del encendido.
  • Bajo consumo de energía con respecto a las cámaras térmicas refrigeradas detectores.
  • MTBF muy larga.
  • Menos costosa en comparación con las cámaras basadas en detectores enfriados.

Desventajas

  • Menos sensible que enfriados generadores de imágenes térmicas y detectores de fotones.
  • No se puede utilizar para aplicaciones de infrarrojos multiespectrales o de alta velocidad.
  • No han sido capaces de igualar la resolución de los enfoques basados en semiconductores de refrigeración.
  • Ruido Superior a los enfoques basados en semiconductores de refrigeración.

Los límites de rendimiento

La sensibilidad está limitada en parte por la conductividad térmica del píxel. La velocidad de respuesta está limitada por la capacidad térmica de calor dividido por la conductancia térmica. La reducción de la capacidad de calor aumenta la velocidad, sino también aumenta las fluctuaciones de temperatura térmicos mecánicos estadísticos. El aumento de la conductancia térmica aumenta la velocidad, pero disminuye la sensibilidad.

Orígenes

La tecnología de microbolómetro fue originalmente desarrollado por Honeywell a partir de finales de los 70 como un contrato clasificado para el Departamento de Defensa de EE.UU.. El Gobierno de EE.UU. desclasificó la tecnología en 1992 - Después de desclasificación Honeywell licencia su tecnología a varios fabricantes.

Los fabricantes de matrices microbolómetros

  • Fluke Corporation
  • BAE Systems
  • Raytheon
  • L-3 Communications Productos infrarrojos
  • DRS Technologies
  • GUIDIR
  • FLIR Systems
  • Opgal Optronics Ltd
  • Vumii imágenes
  • InfraredVision Technology Corporation
  • NEC
  • Institut National d'Optique
  • Honeywell
  • LUCI-IR
  • Dispositivos Semiconductores - SCD
  • Lockheed Martin - Santa Barbara Focalplane
  • Qioptiq Ltd. Reino Unido
  • Sofradir
  • Fraunhofer IMS