Рис.1 Термограма з роздільною здатністю 1024x768.
a-Si мікроболометр демонструє як високу чутливість зображення, так і його високу роздільну здатність.
На сьогоднішній день при виробництві інфрачервоних детекторів використовуються сучасні технології, які дозволяють підвищити надійність самих датчиків, спрощують процес виробництва та зменшують собівартість продукції. Усі вищезгадані причини забезпечили випуск широкого спектру тепловізорів на основі таких матриць. Низька вартість як портативних, так і стаціонарних тепловізійних пристроїв, а також висока продуктивність подібних систем зумовлюють використання інфрачервоних матриць для створення та обробки різного роду теплових зображень. Низька собівартість і висока продуктивність неохолоджуваних матриць призвели до того, що ринок тепловізорів просто вибухнув.
У цій статті описується як детектори, що не охолоджуються, застосовуються для отримання інфрачервоних зображень. Говорячи про поліпшення продуктивності датчика, мається на увазі підвищення його чутливості, дозволу, однорідності та постійної теплової в часі.
Крім цього, наведено основні області використання інфрачервоних датчиків.
Виробникам інфрачервоних камер необхідний широкий вибір матриць, що не охолоджуються, які можна було б використовувати в різних моделях тепловізорів – побутових, промислових або армійських.
Шляхи розвитку неохолоджуваних детекторів випромінювання.
На сьогоднішній день, виробники тепловізорів у своєму арсеналі мають два типи інфрачервоних датчиків – охолоджувані та неохолоджувані. Охолоджувана матриця (назва походить через те, що в процесі роботи необхідно охолодження за допомогою кріогенного механізму) є більш чутливою до інфрачервоного випромінювання. Справа в тому, що завдяки охолодженню, істотно знижується тепловий шум від сторонніх об'єктів, що не досліджуються в даний момент. Найчастіше, при виробництві матриць, що охолоджуються, використовуються матеріали HgCdTe або InSb. Охолодний механізм матриці складається з частин, що рухаються, і тому детектори, що охолоджуються, вимагає періодичного технічного обслуговування - кожні 8 - 10 тисяч годин експлуатації.
Мікроболометри на основі аморфного кремнію, розроблені за допомогою технології MEMS, мають усі переваги кремнієвих пристроїв, наприклад, низьку собівартість. Так само, вони мають високу чутливість до інфрачервоного випромінювання.
Інфрачервоні датчики, що не охолоджуються, стали чудовою альтернативою і набагато частіше використовуються в побутових, промислових і армійських тепловізійних приладах. Завдяки тому, що в цьому випадку не потрібні охолодження, тепловізори, побудовані на базі неохолоджуваних матриць мають значні переваги щодо їх ремонтопридатності. Крім того, такі тепловізори мають значно менші розміри та ціну.
На сьогоднішній день, основний тип матриці, що неохолоджується, - мікроболометр. Це прилад, збудований за технологією мікроелектромеханічних систем (MEMS). У той момент, коли хвилі інфрачервоного випромінювання (довжина хвилі 7-13 мкм) стикаються з матеріалом мікроболометрного детектора, останній нагрівається і змінює електричний опір у кожній своїй точці. Ці зміни реєструються електронною складовою пристрою і, на основі отриманих від детектора даних, будується тепловізійне зображення об'єкта, що досліджується. Подібні детектори є дуже чутливим реєстратором і здатні вловити найменшу зміну температури теплового випромінювання, що виходить від предмета.
Існують два найбільш поширені матеріали, які використовують для виготовлення мікроболометрів – це аморфний кремній (amorphous silicon або a-Si) та оксид ванадію (vanadium oxide або VOx). Незважаючи на те, що механізми їхньої роботи схожі, між самими матеріалами існує безліч відмінностей.
Мал.2: Неохолодний мікроболометр, побудований на основі мініатюрного датчика.
Мікроболометри, в яких матеріалом термометра є кремній, розроблялися за допомогою складних методів механічної обробки поверхні. Таким чином, було організовано виробництво дуже тонких та чутливих мембран. Як показано на рис. 2, детектори випромінювання щільно упаковані в надтонкому спеціально розробленому для цього керамічному блоці.
Потім вся конструкція ізолюється у вакуумній трубці. Розрахунковий термін придатності такого датчика – 15 років за умов зберігання при кімнатній температурі.
Такі датчики знайшли широке застосування у різних комерційних та військових пристроях. Причиною цього стало використання аморфного кремнію при виробництві матриць і низької собівартості самого процесу. Крім цього, паралельно проводилися численні дослідження інших пристроїв, пов'язаних з використанням кремнію – сонячних батарей, рідкокристалічних екранів тощо. При цьому особлива увага приділялася сумісності та фізичним розмірам пікселя. Незважаючи на те, що матриці на основі оксиду ванадію продемонстрували, щоправда, незначною мірою, найкращі результати фільтрації сторонніх шумів, технологічний процес та економічний ефект використання аморфного кремнію при виробництві датчиків призвели до популяризації саме цієї технології виготовлення детекторів інфрачервоного випромінювання. На сьогоднішній день тридцятирічний досвід дозволяє налагодити масовий процес виробництва матриць, при цьому забезпечується висока продуктивність при мінімальному відсотковому відношенні шлюбу.
Висновок.
За останні кілька років, у розвитку виробництва неохолоджуваних інфрачервоних детекторів відбулися значні зміни - підвищилася роздільна здатність матриць, чутливість приладів та інші їх технічні характеристики. Наявність матриць різного розміру та кількості пікселів дозволяє задіяти їх у багатьох галузях з урахуванням специфічних вимог кожної з них.
Використання аморфного кремнію при виробництві мікроболометрів демонструє певні економічні переваги порівняно з іншими матеріалами. Відпрацьований виробничий процес, мініатюрні розміри самої матриці та застосування добре вивченої технології використання кремнію – ось причини, які забезпечили виробництво широкого асортименту пристроїв від кишенькових приладів до камер нічного бачення. Отримані в результаті термограми знайшли застосування в різних галузях: відеоспостереження, пожежно-технічний та виробничий контроль, медицина та автомобільна промисловість.