Рынок неохлаждаемых инфракрасных датчиков. Инфракрасная матрица


Тематические статьи по фотонике

Миниатюрные инфракрасные термопарные матрицы среднего разрешения Heimann Sensor

Аннотация

Последние годы показали устойчивый рост спроса на инфракрасные матрицы малых размеров и низкой стоимости. Данные ИК матрицы могут быть использованы для различных применений, например, для получения тепловизионного изображения, управления промышленными технологическими процессами, связанными с измерением температуры, и обнаружения человека. Компания Heimann Sensor уменьшила размер существующих инфракрасных термопарных матриц (thermopile arrays) так, чтобы матрицы формата 16х16 и 32х32 пикселей помещались в традиционный корпус TО39, а матрица 8x8Mini - в корпус TО46. Все перечисленные типы термопарных матриц имеют цифровой интерфейс и встроенную память EEPROM, в которой хранятся данные калибровочных коэффициентов.

Введение

Компания Heimann Sensor разработала первую полностью монолитную термопарную матрицу и самый маленький в мире термопарный датчик в ТО корпусе [1]. Инфракрасные термопарные матрицы являются конкурентоспособным решением по отношению к другим технологиям, позволяющим получить тепловизионное изображение с невысоким разрешением, достаточное для обнаружения человека, наблюдения за температурой критических поверхностей, обнаружения горячих точек, управления энергопотреблением и камерами видеонаблюдения. Другие применения для термопарных матриц могут быть найдены в промышленном управлении технологическими процессами и контроле состояния воздуха [2]. Преимущества данной технологии заключаются в низких производственных затратах при изготовлении термопарных матриц, малом энергопотреблении сенсоров, а также отсутствии в необходимости температурной стабилизации и использовании затворов для компенсации дрейфа. Новые ИК термопарные матрицы имеют уменьшенный размер активной области для размещения в корпусах TО39 и TО46. Более детальная информация по ИК матрицам малого разрешения приводится в работе [3].

Инфракрасная термопарная матрица формата 16x16

До настоящего времени компания Heimann Sensor была в состоянии предложить термопарную матрицу формата 16x16 пикселей исключительно в корпусе TО8, а теперь благодаря меньшему размеру активной области матрица 16х16 помещается в компактный корпус TО39. Встроенная память EEPROM объемом 2048 байт помещается рядом с термопарным чипом внутри корпуса. Полностью цифровой интерфейс термопарной матрицы передается через штырьковые контакты 5+1, два из которых необходимы для подачи напряжения питания (3.3 В и «земля»), три контакта нужны для передачи сигнала через SPI интерфейс и один оставшийся контакт требуется для внешней синхронизации для управления матрицей. Интерфейс SPI состоит из тактового генератора, выбора режима Master и Slave, а также двунаправленного канала передачи данных.

Термопарная матрица формата 16х16 пикселей имеет несколько регистров, которые могут быть использованы для изменения производительности. Частота работы термопарной матрицы может изменяться в диапазоне от 12,5 до 400 Гц с шагом 2 Гц через регистр конфигурации. Для уменьшения шума могут использоваться БИХ-фильтр (фильтр с бесконечной импульсной характеристикой) и КИХ-фильтр (фильтр с конечной импульсной характеристикой). Усиление и рабочая точка могут быть изменены для применения в широком диапазоне рабочих температур.

Инфракрасная термопарная матрица формата 16x16 поставляется с несколькими вариантами линз встроенной оптики, имеющей различный угол обзора от 23° до 90° градусов. Варианты исполнения оптики с различным значением поля зрения представлены на рис.1. Тепловизионные изображения представлены на рис. 2 и 3.

Рис.1. Варианты исполнения оптики с различным значением углом обзора для термопарных матриц формата 16x16 и 32x32.

Рис.2. Тепловизионное изображение человека, сидящего за столом, полученное с помощью ИК термопарной матрицы формата 16x16. Для получения изображения использовался специализированный софт ArraySoft от компании Heimann Sensor.

Рис.3. Тепловизионное изображение головы человека с различной оптикой, полученное с помощью ИК термопарной матрицы формата 16x16.

Инфракрасная термопарная матрица формата 8x8 Mini

Новая ИК матрица формата 8x8 Mini является первой термопарной матрицей, которая помещается внутри миниатюрного корпуса TО46. Данная термопарная матрица имеет встроенную память EEPROM с объемом 256 слов. Благодаря цифровому I2C интерфейсу датчику нужно только 3+1 штырьковых контактов, два из которых необходимы для подачи напряжения питания (3.3 В и «земля»), а оставшиеся два контакта для управления матрицей. Сравнение размеров термопарных матриц формата 8x8 Mini с продуктами конкурентов показано на рис. 4. Частота кадров инфракрасной термопарной матрицы формата 8x8 Mini может варьироваться от 7 до 88 Гц в 64 шага.

На момент написания статьи была протестирован только один вариант оптической системы с фокусным расстояние L2.1 и полем зрением 20° градусов. В дальнейшем компания Heimann Sensor планирует увеличить разнообразие оптических линз для данной термопарной матрицы. ИК матрица формата 8x8 Mini может быть размещена внутри корпуса TО39 с использованием оптики от матриц формата 16x16 и 32x32 пикселей.

Рис. 4. Сравнение размеров термопарной матрицы формата 8x8 Mini с продуктами конкурентов, слева направо: матрица формата 8x8 (конкурент), матрица формата 4x4 (конкурент) и матрица формата 8x8 Mini (Heimann Sensor).

Инфракрасная термопарная матрица формата 32x32

Компания Heimann Sensor разработала новую термопарную матрицу формата 32x32 в корпусе TО39 с полностью цифровым I2C интерфейсом. Все калибровочные данные сохраняются во встроенной памяти EEPROM внутри корпуса датчика. Термопарная матрица формата 32х32 пикселей разрабатывалась аналогично матрице формата 8x8 Mini. Цифровой интерфейс l2C требует только два штырьковых контакта в корпусе матрицы и позволяет получить скорость передачи данных до 1 МГц. Термопарная матрица 32х32 делает выборку в четверть кадра. Какой кадр должен быть выбран, определяется внешним управлением. Частота кадров для захвата полного кадра может быть установлена от 2 до 60 Гц. Частота кадров может изменяться с помощью тактового генератора в 64 шага и при изменении разрешения от 16 до 8 бит в 8 шагов.

Аналогичная оптика используемая с термопарной матрицей 16x16 пикселей в корпусе TО39 может быть установлена с матрицей формата 32x32. Результирующее поле зрения матрицы 32x32 будет схоже с полем зрения матрицы 16x16, так как шаг пикселя матрицы 32х32 составляет примерно половину от шага пикселя матрицы 16х16.

Рис.5. Тепловизионное изображение человека в очках, смотрящего в сторону, полученное с помощью новой ИК термопарной матрицы 32x32.Для получения изображения использовался специализированное ПО ArraySoft от компании Heimann Sensor.

Технические параметры различных термопарных матриц приведены в таблице № 1.Различный угол обзора матриц представлен в таблице № 2.

Таблица №1. Обзор термопарных матриц различных форматов разрешения:

Параметры/тип матрицы

8x8 Mini

16x16

32x32

Кол-во пикселей

64

256

1024

Размер пикселя, мкм

82

150

77

Шаг пикселя, мкм

90

172.5

90

Частота кадров, Гц

от 7 до 88

от 12.5 до 400

от 2 до 60

Шаг частоты кадров

64

6

64х8

Тип корпуса

TО46 и TО39

TО39

TО39

Количество контактов

4

6

4

Интерфейс

l2C

SPI

l2C

Поле зрения, градусы

от 6 до 20

от 23 до 90

от 23 до 90

Эквивалентный шум разности температур NETD, мК при 1 Гц

100 (примерно)

300

150 (примерно)

Таблица №2: Обзор оптики с различными углами обзора термопарных матриц:

Оптика

Фокусное расстояние, мм

Поле зрения, градусы

8x8Mini (TО39)

16x16

32x32

L2.1

2.1

20x20

90x90

90x90

L2.85

2.85

14 x 14

52x52

52x52

L3.6

3.6

11 x 11

43x43

43x43

L5.5

5.5

7x7

29x29

29x29

L7.0

7.0

6x6

23x23

23x23

Список литературы:

1. W. Leneke, J. Schieferdecker, M. Schulze, M. Simon, K. Storck, B. Forg, F. Volklein: “Thermopile Linear Array Sensors and Modules with Short Time Constant and High Sensitivity”; Sensor Conference 2007, Proc. Vol.1, NQrnberg, Germany, pp. 329-333

2. B. Forg, W. Leneke, J. Schieferdecker, M. Schulze, M. Simon, K. Storck: “Thermopile Sensor Arrays with Internal Amplifiers and Digital Out”; Sensor & Test 2008, Proceedings, NQrnberg, Germany, pp. 249-252.

3. M. Kimata: “Trends in Small-format Infrared Array Sensors”; Sensors 2013 IEEE, Baltimore, USA, pp. 1-4

Дополнительные ссылки:

Более подробную информацию о продукции, описываемой в данной статье можно найти, перейдя по следующим ссылкам:

Инфракрасные термопарные матрицы

Демонстрация работы термопарных матриц компании Heimann Sensor

 

www.azimp.ru

Приборы ИК-диапазона

Инфракрасный (ИК) диапазон - это диапазон излучения электромагнитных волн от 0.78 до 1000 мкм.

ИК поддиапазоны:

  • Ближний ИК (англ. near IR, сокращённо NIR ): 0.78 - 1 мкм;
  • Коротковолновый ИК (англ. short wavelength IR, сокращённо SWIR ): 1 - 3 мкм;
  • Средневолновый ИК (англ. medium wavelength IR, сокращённо MWIR ): 3 - 6 мкм;
  • Длинноволновый ИК (англ. long wavelength IR, сокращённо LWIR ): 6 - 15 мкм;
  • Сверхдлиннволновый ИК (англ. very long wavelength IR, сокращённо VLWIR ): 15 - 1000 мкм.

Инфракрасный спектральный диапазон 0,78 - 3 мкм применяется в ВОЛС (сокр. от волоконно-оптическая линия связи), приборах внешнего наблюдения за объектами и аппаратуре для проведения химического анализа. В свою очередь все длины волн начиная с 2 мкм и заканчивая 5 мкм используются  в пирометрах, и газовых анализаторах, контролирующих уровень загрязнения в конкретной среде. Интервал 3 - 5 мкм более подходит для систем, регистрирующих изображения объектов, с высокой собственной температурой или же в применениях где требование к контрасту предъявляются выше чем к чувствительности. Очень популярный для спецприменений спектральный диапазон  8 - 15 мкм в основном используется там, где необходимо увидеть и распознать любые объекты, находящиеся в тумане.

Все ИК-приборы разрабатываются в соответствии с графиком пропускания ИК излучения, который приведён ниже.

Окна прозрачности в атмосфере для ИК диапазона

Существует два типа ИК детекторов:

    • Фотонные. Чувствительные элементы состоят из полупроводников различных типов, а так же могут включать в свою структуру различные металлы, принцип их работы основан на поглощении фотонов носителями заряда, в результате чего изменяются электрические параметры чувствительной области, а именно: изменение сопротивления, возникновение разности потенциалов, фототока и др. Данные изменения могут быть зарегистрированы измеряющими схемами, сформированными на подложке, где расположен сам сенсор. Сенсоры обладают высокой чувствительностью и высокой скоростью отклика.
  • Тепловые. ИК излучение поглощается чувствительной областью сенсора, нагревая её до некоторой температуры, что приводит к изменению физических параметров. Данные отклонения которые могут быть зарегистрированы измеряющими схемами, выполненными непосредственно на одной подложке с фоточувствительной областью. Описанные выше типы датчиков имеют высокую инерционность, значительное время отклика и относительно низкую чувствительность, в сравнении с фотонными детекторами.

По типу используемого полупроводника датчики разделяются на:

  • Собственный (нелегированный полупроводник с равной концентрацией дырок и элеткронов).
  • Примесный (легированный полупроводник n- или p-типа).

Основным материалом всех фоточувствительных сенсоров является кремний или германий, которые могут быть легированы различными примесями бора, мышьяка, галлия и др. Примесный фоточувствительный датчик схож с собственным детектором, с той лишь разницей что носители с донорных и акцепторных уровней могут перемещаться в зону проводимости преодолевая более низкий энергетический барьер, вследствие чего данный детектор может работать с более короткими длинами волн, чем собственный.

Типы конструкций детекторов:

Фотовольтаический. Под воздействием ИК излучения в электронно-дырочном переходе возникает фотовольтаический эффект: фотоны с энергией, превышающей ширину запрещённой зоны, поглощаются электронами, в результате чего они занимают места в зоне проводимости, способствуя тем самым возникновению фототока. Детектор может быть выполнен на основе как примесного так и собственного полупроводника.

 

Фоторезистивный.  Чувствительным элементом сенсора является полупроводник, принцип работы данного датчика основан на эффекте изменения сопротивления проводящего материала под воздействием ИК излучения. Свободные носители заряда, генерируемые фотонами в чувствительной области, приводят к уменьшению её сопротивления. Сенсор может быть выполнен на основе как примесного так и собственного полупроводника.

 

Фотоэмиссионный, он же «детектор на свободных носителях» или на барьере Шоттки.; Чтобы избавиться от необходимости глубокого охлаждения примесных полупроводников, и в некоторых случаях достичь чувствительности в более длинноволновом диапазоне, существует третий тип детекторов, называемых фотоэмиссионными. В датчиках данного типа металлическая или металло-кремниевая структура покрывает примесный кремний. Свободный электрон, который образуется в результате взаимодействия с фотоном, попадает из проводника в кремний. Преимуществом такого детектора является отсутствие зависимости отклика от характеристик полупроводника.

 

Фотодетектор на квантовой яме. Принцип действия схож с примесными детекторами, в которых примеси используются для изменения структуры запрещённой зоны. Но в данном типе детектора примеси сконцентрированы в микроскопических областях где ширина запрещенной зоны  значительно сужена. Образованная таким образом «яма» называется квантовой. Регистрация фотонов происходит, за счет поглощения и образования зарядов в квантовой яме, которые затем вытягиваются полем в другую область. Такой детектор намного чувствительнее по сравнению с другими типами, так как целая квантовая яма - это не отдельный атом примеси, а от десяти до ста атомов на единице площади. Благодаря этому можно говорить о достаточно высокой эффективной площади поглощения.

 

Термопары. Основным элементом данного устройства является контактная пара двух металлов с различной работой выхода, в результате чего на границе возникает разность потенциалов. Это напряжение пропорционально температуре контакта.

 

Пироэлектрические детекторы изготовлены с использованием пироэлектрических материалов и принцип работы которых основан на возникновении заряда в пироэлектрике при прохождении через него теплового потока.

 

Микробалочные детекторы. Состоит из микробалки и проводящего основания, которые выполняют роль обкладок конденсатора, микробалка сформирована из двух плотно соединённых металлических частей, имеющих разные коэффициенты теплового расширения. При нагреве балка изгибается и изменяет ёмкость структуры.

 

Болометры (Терморезисторы) состоят из терморезистивного материала, в основе принципа работы данного сенсора поглощение ИК излучения материалом чувствительного элемента, что приводит к увеличению его температуры, что в свою очередь вызывает изменение электрического сопротивления. Есть два пути снятия информации: измерение тока, протекающего в чувствительной области, при постоянном напряжении и измерение напряжения при постоянном токе.

 

Основные параметры

Чувствительность - отношение изменения электрической величины на выходе приёмника излучения, вызванного падающим на него излучением, к количественной характеристике этого излучения. В/лк-с.

Интегральная чувствительность - чувствительность к немонохроматическому излучению заданного спектрального состава. Измеряется в А/лм.

Спектральная чувствительность -  зависимость чувствительности от длины волны излучения.

Обнаружительная способность - величина обратная величние минимального потока излучения, который вызывает на выходе сигнал, равный собственному шуму. Она обратно пропорциональна квадратному корню из площади примёмника излучения. Измеряется в 1/Вт.

Удельная обнаружительная способность - Обнаружительная способность умноженная на корень квадратный из произведения полосы частот в 1 Гц и площадь в 1 см2. Измеряется в см*Гц1/2/Вт.

Время отклика - время, необходимое для установления сигнала на выходе, соответствующего входному воздействию. Измеряется в миллисекундах.

Рабочая температура - максимальная температура сенсора и окружающей среды, при которой сенсор имеет возможность правильно выполнять свои функции. Измеряется в °C.

Параметр

Фотонный детектор

Тепловой детектор

Чувствительность

Высокая

Низкая

Интегральная чувствительность

Средняя

Высокая

Спектральная чувствительность

Узкая и избирательная

Широкая и однородная

Время отклика

Малое

Значительное

Рабочая температура

Криогенная

Комнатная

Стоимость

Высокая

Низкая

Прочие требования

Система охлаждения

Затвор

Применение.

  • Космические системы наблюдения;
  • Система обнаружения стартов МБР;
  • В бесконтактных термометрах;
  • В датчиках движения;
  • В ИК спектрометрах;
  • В приборах ночного видения;
  • В головках самонаведения;

www.npk-photonica.ru

Рынок неохлаждаемых инфракрасных датчиков: гражданское и военное применение

Опубликовано в Статьи

Образцы

Терминология и определения

Тепловизор – устройство, которое преобразует инфракрасное излучение (ИК) исследуемого объекта в видимое изображение. Основные составляющие инфракрасной камеры:

Камера

Внутреннее содержимое ИК-камеры (электроника и инфракрасный объектив)

Датчик (неохлаждаемая инфракрасная матрица)

Пиксель (любой датчик – это матрица, состоящая из нескольких тысяч пикселей)

Абсорбер

Термометр

Поглощающее тепловые волны устройство

Кремниевый преобразователь тепловых волн в электрические сигналы

Видео сигнал

Внутреннее содержимое датчика представляет собой модуль, состоящий из детектора ИК излучения, электроники и специальных линз, если необходимо. Детектор также иногда называют неохлаждаемой матрицей или ИК-датчиком.

Производители выпускают датчики различных размеров (от 1024 x 768 до 47 x 47) и плотности пикселей (обычно от 17 до 40)

Обзор рынка инфракрасных детекторов

  1. Обзор рынка
  2. Отчет о неохлаждаемых камерах и детекторах, которые работают в длинноволновой части инфракрасного спектра. Спрос на эти устройства среди  гражданских и военных потребителей.
  3. Описание технологий и потребительского рынка устройств, работающих в диапазоне коротких и средних инфракрасных волн
  4. Рыночное исследование производится на период с 2009 по 2016 годы, цены в долларах (курс – 1,3 доллар за 1 евро).
  5. Методология:
  6. Обзоры и исследования были подготовлены на основе:
  7. Первичных источников информации: интервью с сотрудниками компаний, формирующих стоимость (производители матриц, производители камер, продавцы камер, конечные потребители).
  8. Вторичных источников информации: конференции, web сайты, новости…
  9. Все данные, графики, таблицы и расчеты в данном обзоре основаны на исследованиях Yole.

Изменения 2011 года в сравнении с отчетом 2010

  1. Полный анализ рынка и обновленный прогноз коммерческого и военного применения устройств.
  2. Анализ использования инфракрасных датчиков в военной промышленности относительно сферы их применения (тепловые системы наведения, транспортные устройства ночного видения, персональные приборы ночного видения, удаленные огневые точки, другое).
  3. Последние новости в отрасли и анализ выхода на рынок новых участников.

ИК Технология

Диапазон излучения Спектр волн инфракрасного излучения расположен между областью коротких и областью длинных волн ИК излучения (между ними – область ИК излучения средних волн). Волновое излучение каждой части спектра несет в себе различную информацию и используется определенной частью рынка потребителей этих устройств.:

  1. Диапазон коротких и средних волн ИК спектра используется в камерах наблюдения (необходим источник ИК излучения), при построении термограмм высоких температур, анализе различных материалов.
  2. Диапазон средних волн ИК спектра используется при построении термограмм, в оборудовании пассивного наблюдения, анализе различных материалов.
  3. Длинные волны инфракрасного излучения используются при построении термограмм и в различных приборах наблюдения и обнаружения (в данном случае не требуется источник ИК излучения)

Прогноз рынка неохлаждаемых инфракрасных детекторов.

Общее количество неохлаждаемых термовизоров (ед.)

Всего армейского образца

Всего гражданского образца

Основные производители инфракрасных неохлаждаемых камер

 

Оборудование для получения термограмм

Оборудование наблюдения общедоступного пользования

Оборудование  наблюдения для ВПК

 

Универсальные компании

Количество участников рынка

20

50

30

Анализ рынка ИК камер

Рынок ИК камер

термограммы

 

видео-наблюдение

 

Военная промышленность

 

Профи-лактическое тех-обслуживание

видео-наблюдение/CCTV

Тепловые системы наведения

Проверка зданий и сооружений

Автомобильные камеры

Транспортные армейские приборы ночного видения

Другие термограммы

пожаротушение

Персональные армейские приборы ночного видения

 

 

судостроение

Огневые точки

 

 

Другое

другое

Падение цен на устройства FLIR и Fluke:

Кривая снижения цен Сегодня, в битве за снижение цен на устройства, побеждает Flir. Но Fluke не желает отставать в этой борьбе.

Видеонаблюдение CCTV

Цена на камеры видеонаблюдения приближается к стоимости тепловизоров

Цены на камеры видеонаблюдения идут по тому же пути, что и цены на тепловизоры Бизнес класс камер видеонаблюденияБюджетный класс камер наблюдения Бюджетный класс тепловизоров

Продажи автомобильных камер FLIR (ИК диапазон):

Прогноз на 2013 г. Прогнозируемый объем продаж и стоимость Источник: FLIR

Основные игроки рынка военных ИК-систем

Основные участники рынка ИК-систем для нужд ВПК и их положение на рынке.

 

Тепловые системы наведения

Оборудование видеонаблюдения

Персональные приборы ночного видения

Удаленные огневые точки

другое

2

1

2

 

 

1

2

1

1

 

Другие производители военного оборудования

Территориальное распределение участника рынка микроболометров. Технологии производства микроболометров: a-Si (на основе аморфного кремния), VOx (на основе оксида ванадия), другие (R&D)

Техническая эволюция микроболометров.

Технологическое развитие мироболометров происходит сразу на 4 уровнях: ИК оптика, ROIC интеграция и на уровне пикселейОсновные причины заключаются в сокращении затрат на производство и повышении уровня интеграции устройств.

На уровне ИК оптики:

  1. Улучшение характеристик линз
 

На уровне пакетирования:

  1. Пакетирование на уровне матрицы
  2. Пакетирование на уровне пикселей.
 

На уровне пикселей:

  1. Уменьшение размера одного пикселя
  2. Применение новых материалов (отличных от VOx, aSi)
  3. Новые разработки и технологии
 

На уровне интеграции:

  1. Интеграция технологий
  2. 3D TSV
  3. Новые функции встроенного ПО (компенсация температур, измерение температуры в одной точке)
 

«Дорожная карта» микроболометров

Метки материала: FLIR, Fluke, классификация, матрица, производство, разработки
Похожие материалы:

teplovizo.ru

Неохлаждаемые инфракрасные датчики. Новый уровень производительности и себестоимости.

Опубликовано в Статьи

Рис.1 Термограмма с разрешением 1024×768. a-Si микроболометр демонстрирует, как высокую чувствительность изображения, так и его высокое разрешение.

На сегодняшний день, при производстве инфракрасных детекторов используются современные технологии, которые позволяют повысить надежность самих датчиков, упрощают процесс производства и уменьшают себестоимость продукции. Все вышеуказанные причины обеспечили выпуск широкого спектра тепловизоров на основе таких матриц. Низкая стоимость как портативных, так и стационарных тепловизионных устройств, а так же высокая производительность подобных систем обуславливают использование инфракрасных матриц для создания и обработки разного рода тепловых изображений. Низкая себестоимости и высокая производительность неохлаждаемых матриц привели к тому, что рынок тепловизоров просто взорвался.В данной статье описывается как неохлаждаемые детекторы применяются для получения инфракрасных изображений. Говоря об улучшении производительности датчика, имеется в виду повышение его чувствительности, разрешения, однородности и тепловой постоянной во времени.  Кроме этого, приведены основные области использования инфракрасных датчиков.

Производителям инфракрасных камер необходим широкий выбор неохлаждаемых матриц, которые можно было бы использовать в различных моделях тепловизоров – бытовых, промышленных или армейских.

Пути развития неохлаждаемых детекторов излучения.

На сегодняшний день, производители тепловизоров в своем арсенале имеют два типа инфракрасных датчиков – охлаждаемые и неохлаждаемые. Охлаждаемая матрица (название происходит из-за того, что в процессе работы необходимо охлаждение с помощью криогенного механизма) является более чувствительной к инфракрасному излучению. Дело в том, что благодаря охлаждению, существенно снижается тепловой шум от посторонних, не исследуемых в данный момент, объектов. Чаще всего, при производстве охлаждаемых матриц используются материалы HgCdTe или InSb. Охлаждающий механизм матрицы состоит из движущихся частей и, посему, охлаждаемые детекторы требует периодического технического обслуживания – каждые 8 – 10 тысяч часов эксплуатации.

Микроболометры на основе аморфного кремния, разработанные с помощью технологии MEMS, имеют все преимущества кремниевых устройств, например низкую себестоимость. Так же, они обладают высокой чувствительностью к инфракрасному излучению. 

Неохлаждаемые инфракрасные датчики стали прекрасной альтернативой и гораздо чаще используются в бытовых, промышленных и армейских тепловизионных приборах. Благодаря тому, что в этом случае не требуются охлаждения, тепловизоры, построенные на базе неохлаждаемых матриц обладают значительными преимуществами относительно  их ремонтопригодности. Кроме того, такие тепловизоры имеют значительно меньшие размеры и цену. 

На сегодняшний день, основной тип неохлаждаемой матрицы – микроболометр. Это прибор, построенный по технологии микроэлектромеханических систем (MEMS). В тот момент, когда волны инфракрасного излучения (длина волны 7-13 мкм) сталкиваются с материалом детектора микроболометра, последний нагревается и изменяет электрическое сопротивление в каждой своей точке. Эти изменения регистрируются электронной составляющей устройства и, на основе полученных от детектора данных, строится тепловизионное изображение исследуемого объекта. Подобного рода детекторы являются очень чувствительным регистратором и способны уловить малейшее изменение температуры теплового излучения, исходящего от предмета.      Существуют два наиболее распространенных материала, которые используют для изготовления микроболометров – это аморфный кремний (amorphous silicon или a-Si) и оксид ванадия (vanadium oxide или VOx). Несмотря на то, что механизмы их работы схожи, между самими материалами существует множество различий. 

Рис.2: Неохлаждаемый микроболометр, построенный на основе миниатюрного датчика.

Микроболометры, в которых материалом термометра является кремний, разрабатывались, используя сложные методы механической обработки поверхности. Таким образом, было организовано производство очень тонких и чувствительных мембран. Как показано на рис. 2, детекторы излучения плотно упакованы в сверхтонком, специально разработанном для этого керамическом блоке. Затем, вся конструкция изолируется в вакуумной трубке. Расчетный срок годности такого датчика – 15 лет в условиях хранения при комнатной температуре.

Такие датчики нашли широкое применение в различных коммерческих и военных устройствах. Причиной этому послужило использование аморфного кремния при производстве матриц и низкой себестоимости самого процесса. Кроме этого, параллельно проводились многочисленные исследования других устройств, связанных с использованием кремния – солнечных батареях, жидкокристаллических экранов и т.п. При этом особое внимание уделялось совместимости и физическим размерам пикселя. Несмотря на то, что матрицы на основе оксида ванадия продемонстрировали, правда в незначительной мере, лучшие результаты фильтрации посторонних шумов, технологический процесс и экономический эффект использования аморфного кремния при производстве датчиков привели к популяризации именно этой технологии изготовления детекторов инфракрасного излучения. На сегодняшний день, тридцатилетний опыт позволяет наладить массовый процесс производства матриц, при этом обеспечивается высокая производительность при минимальном процентном отношении брака.  

Заключение.

За последние несколько лет, в развитии производства неохлаждаемых инфракрасных детекторов произошли значительные изменения – повысилась разрешающая способность матриц, чувствительность приборов и другие их технические характеристики. Наличие матриц различного размера и количества пикселей позволяет задействовать их во многих отраслях, с учетом специфических требований каждой из них. Использование аморфного кремния при производстве микроболометров демонстрирует определенные экономические преимущества, по сравнению с другими материалами. Отработанный производственный процесс, миниатюрные размеры самой матрицы и применение хорошо изученной технологии использования кремния – вот причины, которые обеспечили производство широкого ассортимента устройств, от карманных приборов до камер ночного видения. Получаемые в результате термограммы нашли применение в различных отраслях: видеонаблюдение, пожарно-технический и производственный контроль, медицина и автомобильная промышленность.

Метки материала: матрица, производство, разработки
Похожие материалы:

teplovizo.ru

Новый тип матрицы удешевит инфракрасные камеры

ИК камера, упрощенный аналог данной, специально предназначена для профессионального видеонаблюдения.

Исследователи из Северо-западного университета (США) создали новую инфракрасную камеру на базе кристаллической сверхрешетки второго типа InAs/GaSb (арсенид индия/антимонид галлия), которая делает снимки высокого разрешения.

Новая длинноволновая инфракрасная камера с матрицей в фокальной области имеет в 16 раз больше пикселей, чем предыдущие образцы, и обеспечивает качественную инфракрасную съемку в полной темноте.

Целью разработчиков было создание лучшей альтернативы существующим длинноволновым инфракрасным камерам, которые широко используются во множестве отраслей: от охраны объектов до медицины. Современные ИК-камеры основаны на соединении кадмий-ртуть-теллур. Новая сверхрешетка второго типа не имеет в составе ядовитой ртути, более надежна и однородна. Это позволяет значительно повысить характеристики матрицы и уменьшить стоимость камеры, что очень важно, поскольку современные камеры зачастую стоят десятки тысяч долларов и, несмотря на востребованность, слишком дороги для многих структур и пользователей.

Рис. 1. Снимок полученный с помощью новой инфракрасной камеры.

Перспективные сверхрешетки были изобретены лауреатом Нобелевской премии Лео Есаки (Leo Esaki) в 1970-х годах, но потребовалось время, чтобы технология созрела для промышленного производства. Сегодня сверхрешетка второго типа может найти применение в различных видах оптических датчиков.

Американские ученые продемонстрировали первую инфракрасную камеру с матрицей на основе сверхрешетки второго типа 256×256 несколько лет назад. Они преодолели многочисленные препятствия, особенно в производственном процессе, для того, чтобы создать матрицу на основе сверхрешетки второго типа 1024×1024. Новая камера при температуре −192°C собирает до 78% света и способна уловить разность температур в 0,02°С.

Сверхрешетки InAs/GaSb имеют большой потенциал в областях, где от инфракрасных детекторов требуется высокая производительность. Основная работа в настоящее время сосредоточена на разработке продвинутых, 2-го и 3-го поколения, инфракрасных детекторов, работающих на длине волны 3–30 мкм, а также биспектральных и моноспектральных ИК-камер. InAs/GaSb-камеры по чувствительности сравнимы с современными кадмий-ртуть-теллур и антимонид-индиевыеми детекторами. Характеристики матриц InAs/GaSb идеально подходят, например, для изготовления биспектральных камер с высокой квантовой эффективностью, которые применяются в системах обнаружения подлетающих ракет.

www.nanonewsnet.ru

Фото 1. Внешний вид ик-матрицы

Фото 2. Ик-матрица с защитным окном из германия в обрамлении электронных плат

Фото 3. Охладители, работающие по циклу Сплит-Стирлинга

Фото 4. Приемный модуль

Масса лучших тепловизионных приборов на микроболометрах доходит до ~ 0,5 кг, а ИК-чувствительных модулей – до 0,2 кг. Чувствительность, характеризуемая NETD (Noise Equivalent Temperature Difference) – эквивалентная шуму разность температурдля лучших приборов достигает порядка 50 мК при рекордном значении 20 мК [13], типичных – 100 мК, средних – 150 мК, бывает NETD = 300 – 400 мК. Формат матрицы в основном 320х240 пикселей, хотя известны матрицы с числом пикселей 640х480 с шагом 28 мкм [11]. Конкурентами приборов на микроболометрах являются приборы на пироэлектрических приемниках. В них при воздействии ИК-излучения меняется спонтанная поляризация или диэлектрическая проницаемость чувствительного конденсаторного элемента. Приборы также не требуют охлаждения и работают в той же области спектра. По чувствительности они несколько хуже: NETD не лучше 80 мК, типично 100 – 150 мК. Используется чаще всего тот же формат 320х240 пикселей, но имеется и формат 640х512, а в тепловизионном бинокле LION – 512х256 [11].

Плоские матрицы из таких инфракрасных фотоприемников могут быть выполнены на основе многих материалов. Известны матрицы из халькогенидов свинца, соединений кадмий-ртуть-теллур, антимонида индия, силицида платины, смесей на основе кремния и германия, на основе многослойных структур с квантовыми ямами на базе так называемых детекторов QWIP (Quantum Well Infrared Photodetector).

Наиболее распространенные матричные инфракрасные камеры имеют чувствительность до 0,02оС, с временным разрешением 100-200 кадров в секунду и пространственным разрешением 0,03-0,05 мм. Лучшие образцы уже достигли пространственного разрешения 640*512 пикселей при размере пикселя до 20*20 мкм и с временным разрешением до 8000 кадров в секунду. В ближайшее время ожидается появление на рынке камер четвертого поколения с матрицей до 960*1280 пикселей и амплитудным разрешением до 0,001оС.

В 90-е годы ХХ века появились тепловизионные приборы на QWIP-матрицах с высокой технологичностью, воспроизводимостью, однородностью параметров по элементам с форматом 256х256, 320х240, 320х256, 640х512 и др. Чувствительность довольно высока: у лучших приборов NETD даже ниже 10 мК, типовых – 20 мК, средних – 35 мК. QWIP-матрицы обладают способностью управления спектральной чувствительностью и возможностью перейти в будущем от гибридных структур фокальных матриц к монолитным [11].

Первое место пока занимают приборы с использованием ИК-матриц на базе КРТ. Возможность их работы в области спектра 1 – 20 мкм является важным преимуществом. Разработаны матрицы с форматом 640х480 пикселей. Чувствительность по NETD очень высока: для лучших моделей – 10 мК, типовых – 15 мК, средних – 20 мК [11].

Неохлаждаемые микроболометрические и пироэлектрические ИК-матрицы не имеют пока достаточно высокой чувствительности. Однако существуют реальные возможности повышения их NETD до 10 мК (при условии использования ИК-объектива с относительным отверстием 1:1) и уменьшения размеров элементарного фотоприемника матрицы до теоретических пределов – 20 мкм для области спектра 8 – 14 мкм. Формат микроболометрических матриц в ближайшем будущем может достигать 960х1280 пикселей. Фирма Sanders/Lockheed Martin (США) планирует довести массу таких ИК-матриц до 25 г [11].

studfiles.net

инфракрасная лазерная матрица на основе кристаллов калия и рубидия пентобромплюмбита - патент РФ 2354762

Изобретение относится к получению и использованию новой инфракрасной лазерной матрицы для инфракрасной оптики. Предлагается инфракрасная лазерная матрица на основе кристаллов калия и рубидия пентобромплюмбита, которые описываются формулой КXRb1-XPb2Br5, где х изменяется в диапазоне 0,2 х 0,5. Полученные кристаллы характеризуются высокой прозрачностью, не рассеивают лазерное излучение, обладают низкими энергиями колебания кристаллической решетки и имеют высокий коэффициент внедрения РЗЭ в матрицу, что обеспечивает возможность реализации лазерного излучения в среднем ИК-диапазоне вплоть до 10 мкм. 5 ил.

Изобретение относится к получению и использованию новой инфракрасной лазерной матрицы для среднего ИК-диапазона на основе кристаллов тройного пентобромида калия, рубидия и свинца. Данные кристаллы при легировании редкоземельными элементами (РЗЭ) могут обеспечивать лазерное излучение в ИК-диапазоне вплоть до 10 мкм.

В настоящее время в качестве лазерных матриц для среднего ИК-диапазона используются следующие кристаллы: оксиды, фториды и сульфиды, например (YAlO3:Tm), (Dy:LaF 3), (Dy:CaGa2S4). Перечисленные кристаллы характеризуются довольно высокоэнергетичным фононным спектром, что ведет к большой вероятности безизлучательной релаксации на переходах РЗЭ, обеспечивающих излучение в ИК-диапазоне. Максимальная энергия фононов составляет для оксидов, фторидов и сульфидов примерно 800-900, 600 и 400-500 см-1 соответственно. Это накладывает ограничение на вероятность излучательных процессов в ИК-диапазоне. В результате генерация в кристаллах, легированных РЗЭ, ограничена до 3 мкм в оксидных соединениях, до 4,5 мкм во фторидных и до 6 мкм в сульфидных [Nostrand М.С., Page R.H., Payne S.A., Krupke W.F., Schunemann P.G. and Isaenko L.I., Spectroscopic data for infrared transitions in CaGa2S4 :Dy3+ and KPb2Cl5:Dy3+ //Advanced Solid State Lasers, Bosenberg W.R. and Fejer M.M., ed., OSA TOPS. 19, 1998, P.524-528]. Продвижение в область более длинных волн требует новых лазерных матриц с низкой энергией фононов.

В работе [Isaenko L., Yelisseyev A., Tkachuk A., Ivanova S. New monocrystals with low phonon energy for mid-Ir laser // Mid-Infrared Coherent Sources and Applications. - Dordrecht: Springer, 2008, P. 3-65] продемонстрирована перспективность кристаллов KPb2Br5 и RbPb2Br5 , легированных РЗЭ, для реализации стимулированного излучения в среднем ИК-диапазоне с высоким квантовым выходом. Кристаллы характеризуются узким фононным спектром (<150 см-1 ), благодаря чему переходы, характерные для редкоземельных ионов, являются излучательными и генерация лазерного излучения может продвинуться в средний ИК-диапазон, что составляет значительное преимущество по сравнению с перечисленными выше лазерными матрицами. Кристаллы негигроскопичны и характеризуются высокой химической стойкостью. Тот факт, что лазерная матрица на основе кристаллов бромидных соединений имеет преимущественно излучательный механизм релаксации в широком спектральном диапазоне приводит к эффективной излучательной диссипации энергии возбуждения и компенсирует достаточно низкую теплопроводность (4 W/m*K) этих кристаллов, значительно ослабляет термические эффекты при накачке активированных кристаллов. В кристалле KPb2Br5:Tb получены спектры стимулированного излучения до 9 мкм. Наряду с достоинствами эти кристаллы имеют ряд недостатков, ограничивающих их применение.

Кристалл RbPb2Br5 относится к тетрагональной модификации I4/mcm и не испытывает фазовых превращений вплоть до температуры плавления и кристаллизуется без дефектов (фиг.1a). [Mel'nikova S.V., Isaenko L.I., Pashkov V.M. and Pevnev I.V. Search for and Study of Phase Transitions in Some Representatives of the APb2X5 Family// Physics of the Solid State, 2006, Vol.48, No. 11, P.2152-2156]. Однако его недостатком является малый коэффициент внедрения РЗЭ в кристаллическую матрицу RbPb2Br5 (для Er порядка 0,04). Это на порядок ниже, чем в KPb2Br 5, что затрудняет возможность получения эффективного инфракрасного лазерного материала (фиг.3). Кристалл KPb2Br5 вырастает в другой структурной модификации и в процессе охлаждения испытывает сегнетоэластический фазовый переход первого рода при температуре T0=519.5K, T0=518.5K (температура кристаллизации 649К), сопровождающийся изменением симметрии mmm- P21/с. В результате появляются оптические неоднородности в виде систематической полосчатой двойниковой структуры (фиг.1г). Такой материал не может быть использован в качестве эффективной лазерной среды, поскольку такого рода дефекты сильно рассеивают лазерный пучок и уменьшают выходные параметры.

Задачей изобретения является создание лазерной матрицы на основе кристаллов калия и рубидия пентобромплюмбита для инфракрасной оптики.

Технический результат заключается в обеспечении возможности реализации лазерного излучения вплоть до 10 мкм при достижении оптического качества и высокой концентрации РЗЭ в кристаллах калия и рубидия пентобромплюмбита.

Ожидаемый эффект увеличения кпд преобразования лазерного излучения при использовании данной лазерной среды составит 10-30% по сравнению с известным кристаллом RbPb2Br5 оптического качества.

Технический результат достигается тем, что кристаллы калия и рубидия пентобромплюмбита характеризуются составом KxRb1-xPb2Br5 , где 0,2 × 0,5.

На фиг.1 представлены реальные структуры кристаллов:

a) RbPb2Br5, б) K0,5Rb0,5Pb2Br5 , в) K0,6Rb0,4Pb2Br5 , г) KPb2Br5.

На фиг.2 - зависимость объемов кристаллографической ячейки (V) кристаллов KxRb1-xPb2Br5 при изменении × от 0 до 1: - моноклинной структуры; - тетрагональной структуры.

На фиг.3 - зависимость коэффициента вхождения атомов РЗЭ (kEr ) в кристаллы KxRb1-xPb2Br 5 при изменении х.

На фиг.4 - зависимость температуры фазового перехода (Т,К) в кристаллах Kx Rb1-xPb2Br5 при изменении ×.

На фиг.5 - кристалл K0,5Rb0,5 Pb2Br5 высокого оптического качества, легированный Er3+.

Кристаллы KxRb 1-xPb2Br5 выращены методом Бриджмена-Стокбаргера в вакуумированной ампуле с предварительным синтезом соединений из высокочистых бромидных солей металлов. Как видно из фиг.2, объем кристаллической ячейки кристаллов KxRb1-x Pb2Br5 зависит от изменения ×. При 0 х 0,35 структура кристаллов KxRb1-x Pb2Br5 тетрагональная I4/mcm, при 0,35 × 1- моноклинная Р21/с.

Было обнаружено, что введение калия в матрицу кристалла RbPb2Br 5 увеличивает коэффициент вхождения атомов РЗЭ в смешанный кристалл (фиг.3). При × 0,2 в смешанном кристалле достигается концентрация РЗЭ, достаточная для эффективной генерации лазерного излучения. С другой стороны, при введении рубидия в кристалл KPb2 Br5 повышается температура фазового перехода. На фиг.4 показано, что при × 0,5 температура фазового перехода близка к температуре плавления смешанного кристалла. Формирование двойниковых областей происходит вблизи температуры плавления, и в процессе закалки кристалл предпочтительно вырастает в монодоменном состоянии. Образование сеток двойниковых границ в смешанных моноклинных кристаллах при × 0,5 резко уменьшается, кристаллы характеризуются высокой прозрачностью и не рассеивают лазерное излучение.

Таким образом, смешанные кристаллы KxRb1-x Pb2Br5 при 0,2 × 0,5 обладают положительными свойствами чистых соединений RbPb2Br5 и KPb2Br5 : они характеризуются низкими энергиями колебаниями кристаллической решетки, что позволяет реализовать лазерное излучение в среднем ИК-диапазоне вплоть до 10 мкм. Кроме того, имеют преимущества по сравнению с чистыми соединениями - сочетание высокого коэффициента внедрения РЗЭ и хорошего оптического качества кристаллов.

Примеры конкретного выполнения.

Пример 1. Для получения монокристаллического образца K0,2 Rb0,8Pb2Br5 легированного Er 3+(2% мас.), используют исходные реагенты - бромидные соли (KPb2Br5, RbPb2Br5 и ErBr3) марки ОСЧ, которые дополнительно очищали многократной перекристаллизацией с предварительным удалением загрязненных частей. Компоненты KPb2Br5 - 8,0 г, RbPb2Br5 - 47,798 г и ErBr 3 - 1,5 г помещают в ампулу из стекла пирекс и откачивают на вакуумной установке до остаточного давления 10-4 торр., после чего производится отпайка эвакуированной ампулы. Сплавление компонентов проводится в печи при температуре 376°С. При получении однородного расплава производится вращение ампулы в течение суток для полной гомогенизации состава. Выращивание кристаллов проводят по методу Бриджмена-Стокбаргера в кварцевом ростовом контейнере с кристаллоотборником. Печь нагревают, доводя шихту до плавления. Температурный градиент в области роста составляет 4°С/мм. Скорость движения ампулы в холодную зону составляла 4 мм/сутки. Получен образец K0,2Rb0,8Pb 2Br5 массой 75 г. Параметры ячейки: а=8,431Å, b=8,431Å, с=14,505Å, V=1031Å3. Коэффициент внедрения Er составил 0,06.

Пример 2. Для получения образца K0,3Rb0,7Pb2Br5 , легированного Er3+(2% мас.) массой до 65 г, используют исходные компоненты: KPb2Br5, RbPb 2Br5 и ErBr3 высокой чистоты: KPb 2Br5-18,1 г, RbPb2Br5 - 44,529 г, ErBr3-1,3 г. Условия получения, как в примере 1. Параметры ячейки: а=8,416 Å, b=8,416 Å, с=14,474 Å, V=1025,2 Å3. Коэффициент внедрения Er составил 0,084.

Пример 3. Для получения образца K0,5Rb0,5Pb2Br5, легированного Er3+(2% мас.) массой до 65 г, используют исходные компоненты: KPb2 Br5, RbPb 2Br5 и ErBr3 высокой чистоты: KPb 2Br5-29,053 г, RbPb2Br5 -30,621 г, ErBr3-1,3 г. Условия получения, как в примере 1. Параметры ячейки: а=9,314Å, b=8,412Å, с=13,053Å, V=1022,7Å3. Коэффициент внедрения Er составил 0,15. Реальная кристаллическая структура представлена на фиг.1б.

Пример 4. Для получения образца K0,6 Rb 0,4Pb2Br5, легированного Er3+ (2% мас.) массой до 65 г, используют исходные компоненты: KPb 2Br5, RbPb2Br5 и ErBr 3 высокой чистоты: KPb2Br5-35,0 г, RbPb2Br5-15,81 г, ErBr3-1,3 г. Условия получения, как в примере 1. Параметры ячейки: а=9,29Å, b=8,401Å, с=13,045Å, V=1018,6 Å3. Коэффициент внедрения Er составил 0,22. Реальная кристаллическая структура представлена на фиг.1в.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Инфракрасная лазерная матрица на основе кристаллов калия и рубидия пентобромплюмбита, отличающаяся тем, что кристаллы описываются формулой KхRb1-xPb2Br5 , где х изменяется в диапазоне 0,2 х 0,5.

www.freepatent.ru