Инфракрасные системы «смотрящего» типа

ПРИЕМНИКИ НА ОСНОВЕ РЕЗИСТИВНЫХ МИКРОБОЛОМЕТРОВ

Физические принципы и конструкции современных резистивных болометров описа­ны в многочисленной литературе [26, 39, 40, 61 и др.]. Излучение, попадающее на бо­лометр, поглощается и нагревает чувствительный элемент, выполненный из металла или полупроводника с достаточно большим температурным коэффициентом сопротив­ления (ТКС) ад. Изменение сопротивления из-за нагрева преобразуется в напряжение. У металлов, используемых для изготовления современных болометров, типичное зна­чение ТКС при комнатной температуре ал = 0,002 К-1, а у полупроводников а* = -0,02 К“1. Для повышения чувствительности болометра необходимо обеспечить хорошую термо­изоляцию чувствительного слоя от схемы считывания сигналов.

6 Инфракрасные системы «смотрящего» типа

В качестве материала поглотителя излучения матричных болометрических МПИ (микроболометров) наиболее часто используется тонкая пленка поликристаллической окиси ванадия УОх, помещенная между двух тонких слоев нитрида кремния, обладаю­щего хорошими термоизоляционными свойствами (низкой теплопроводностью). Чув­ствительные элементы соединяются со схемой считывания двумя узкими ножками из слоев нитрида кремния и нихрома или титана.

Очень часто чувствительный элемент поднимается над поверхностью схемы считы­вания, на которую наносится отражающий слой, образуя оптический резонатор, на­строенный на поглощение излучения с длиной волны, в четыре раза большей расстоя­ния между нижней поверхностью чувствительного элемента и отражающей поверхно­стью схемы считывания. Обычно такая конструкция, включая схемы считывания и пер­вичной обработки сигналов с отдельных элементов, помещается в герметичный вакуу- мированный корпус, снабженный входным окном с пропусканием в заданном спек­тральном диапазоне, и дополняется термоэлектрической (обычно одноступенчатой) системой стабилизации рабочей температуры микроболометра и схемы считывания.

Монолитная конструкция микроболометров, т. е. расположение приемников непосред­ственно на подложке - на схеме считывания, позволяет использовать при их изготовлении хорошо освоенную технологию интегральных схем, что наряду с отсутствием сложной и дорогой системы охлаждения заметно снижает стоимость ИКС с микроболометрами.

Малая нелинейность, свойственная микроболометрическим МПИ, по сравнению с большинством охлаждаемых фотонных МПИ обуславливает сравнительно небольшой геометрический шум, что иногда позволяет обойтись без специальной системы коррек­ции неоднородностей отдельных чувствительных элементов. Однако в высококачест­венных микроболометрах и при большом диапазоне температур наблюдаемых объектов и фонов коррекция и компенсация этой неоднородности становится обязательной.

Для ИКС на базе микроболометрических резистивных МПИ предел ДГП обусловлен ра­диационным шумом (см. § 5.4) и тепловым шумом Джонсона электрического сопротивле­ния пиксела МПИ. Соответствующая этому тепловому шуму составляющая АТ„ [39]:

Т И. л/7-Ка ’

Где К - диафрагменное число объектива ИКС; к - постоянная Больцмана; Т и Я - тем­пература и сопротивление пиксела МПИ; А/пу - полоса пропускания частот цепи вклю­чения пиксела; йМеМТ - температурный контраст (абсолютный) объекта (см. гл.2); Апи - площадь чувствительного слоя пиксела; - вольтовая чувствительность пиксела (ре­зистивного болометра), которая определяется как

Епиа Ю У в(+4п2/2т2г)1/2’

Б™ - коэффициент поглощения чувствительного элемента; а = (1/К)сШ/с1Т - темпера­турный коэффициент сопротивления материала чувствительного элемента; 7- ток, про­текающий через болометр; (7 - теплопроводность, характеризующая теплоперенос между чувствительным элементом и окружающей его средой; тт = СД7 - тепловая постоянная времени; Ст - теплоемкость чувствительного элемента.

Поскольку в микроболометрическом МПИ чувствительные элементы имеют электри­ческий, а следовательно, и тепловой контакт с цепями питания и считывания, при расчете общей ДГП системы необходимо учитывать ее составляющую определяемую теп­лообменом чувствительного элемента с окружающей средой за счет этого контакта [39]:

4КХ4кТ‘ОАГ,/'

ПТО Л 5

Где А/т = 1/(2хт) - полоса пропускания частот, определяемая тепловой постоянной вре­мени пиксела тт.

Приведенные формулы указывают возможности повышения чувствительности микроболометрических МПИ и ФПУ на их основе. Сюда относятся снижение тепло­проводности между чувствительным элементом и его окружением с одновременным уменьшением теплоемкости элемента для сохранения малой тепловой постоянной, т. е. для сохранения быстродействия приемника. Для этого следует уменьшать размер чувствительного элемента, что одновременно ведет к ослаблению теплообмена эле­мента с его окружением. Предел такого уменьшения зависит от технологии изготов­ления ФПУ, в частности от возможности сохранить достаточно большим коэффици­ент заполнения МПИ, а также от разрешающей способности объектива, строящего изображение.

При уменьшении площади элемента соответственно уменьшается длина ножек мик- роболометрического моста, что увеличивает теплопроводность С. Для компенсации снижения отношения сигнал-шум из-за уменьшения площади элемента достаточно уве­личить длину ножек и уменьшить их толщину. Можно поступить и иначе: сохранив длину ножек, поместить их под чувствительный элемент. Но при этом возрастает теп­ловая постоянная времени т?. Поэтому целесообразно делать тоньше чувствительный слой (соответственно уменьшению площади элемента), хотя это и увеличивает шум из - за тепловой флуктуации.

Уменьшение толщины чувствительного элемента также снижает его теплоемкость. Однако даже при использовании конструкции оптического резонатора, о которой уже го­ворилось, толщина чувствительного элемента должна быть достаточной, чтобы обеспе­чить высокое поглощение падающего на него излучения. Кроме того, уменьшение этой толщины может привести к росту избыточного ^шума. Уменьшение теплопроводности контактных ножек увеличивает их электрическое сопротивление. Чтобы это сопротивле­ние не было заметным балластом для чувствительного слоя, сопротивление последнего должно быть более 100 кОм [39]. И вообще, чтобы повысить сопротивление микроболо­метров, в схемах считывания используют планарные полевые транзисторы. Во избежание конвективного теплообмена микроболометра с окружающей средой его заключают в ва - куумированный корпус с остаточным давлением не более 2... 10 мТорр [136].

Разработку и совершенствование неохлаждаемых резистивных микроболометров непрерывно ведет ряд фирм (см. табл. 7.7). Одним из первых высококачественных мик­роболометров, созданным фирмой «Honeywell» (США) еще в 1991 г., стала матрица форматом 336x240 пикселов размером 50 мкм с АТ„ < 0,1 К при объективе с диафраг - менным числом К = 2,1 и частоте кадров 30 Гц [258].

Разработка схем электронной стабилизации чувствительности элементов микробо­лометра при изменении окружающей температуры в диапазоне 15...40°С без термо­электрических охладителей и коррекции неоднородностей параметров позволила фир­ме «Boeing» наладить серийный выпуск таких МПИ форматов 320x240 и 640x480 с АТп менее 35 мК [73].

Широкое распространение в различных ИКС получили неохлаждаемые микроболо - метрические ФПУ на базе VOx, выпускаемые фирмой «DRS Sensors and Targeting Sys­tems, Inc.» (США). Матрица форматом 320x240 пикселов размером 51 мкм совместима с телевизионным стандартом FK = 60 Гц. Она заключена в вакуумированный корпус с термоэлектрической системой стабилизации рабочей температуры.

В 2001 г. компании «Raytheon» удалось создать модуль SB-212 на базе микроболо­метра форматом 320x240 пикселов с периодом 25 мкм, ДТп < 50 мК при К - 1, потреб­ляемой мощностью 120 мВт [174]. Компания успешно работает над созданием МПИ того же формата и более (640x512), при том же периоде пикселов, но с АТП < 30 мК. Динамический диапазон температур просматриваемых сцен составит 100 К при номи­нальной температуре 25°С. Микроболометрическая матрица U4000 форматом 320x240 объединена в общую конструкцию с электронным блоком, который осуществляет ком­пенсацию напряжений смещения (с разрешением 6 бит) на пикселах ФПУ для сниже­ния геометрического шума. С помощью того же блока в 100 раз подавляется дрейф внешнего источника напряжения, а коэффициент усиления изменяется в диапазоне 6:1. Для прецизионного измерения температуры матрицы используется специальный дат­чик, управляющий термоэлектрическим стабилизатором температуры.

В ФПУ U6000 формата 640x480 мостовая схема включения подавляет изменения напряжения смещения и шум источника этого напряжения, а также выполняет первич­ную компенсацию температурного дрейфа. Уменьшение геометрического шума за счет коррекции изменяющихся с температурой сцены пьедесталов в диапазоне 63:1 позво­лило заметно повысить чувствительность и температурное разрешение ФПУ (на

30.. .40%). Размер пиксела U6000 доведен до 25,4 мкм без снижения чувствительности. Время накопления можно выбирать в диапазоне 0...52 мс, что обеспечивает частоту кадров 30 Гц. Контроль температуры в диапазоне -30...+60°С ведется с помощью шес­ти независимых встроенных в конструкцию датчиков температуры. Как и в матрице U4000, в ФПУ U6000 предусмотрены выбор напряжений смещения и компенсация их изменения с разрешением 6 бит, а также коэффициентов усиления в диапазоне 6:1. Электронный блок имеет возможность работы с 5- или 3,5-вольтовыми логическими схемами для снижения потребляемой мощности.

Сообщалось, что фирма работает над созданием неохлаждаемых матриц U7000 форматом 320x240 пикселов с размером 25,4 мкм и тем же электронным интерфейсом, что и у матриц U6000. Такие матрицы позволят уменьшить габаритные размеры опти­ческой системы.

Нужно иметь в виду, что сегодня эти приемники пока еще уступают охлаждаемым фотонным МПИ по чувствительности, геометрооптическому разрешению (размерам пикселов) и быстродействию. Однако развитие микроболометрических МПИ идет очень быстрыми темпами, и их качество за последние годы улучшилось в 5... 10 раз. Так, в 2001 г. появилось сообщение о разработке компанией «Raytheon» микроболо­метров форматом 320х240 пикселов с периодом 25 мкм и близкой к 10 мс тепловой по­стоянной времени, которые по чувствительности не уступают микроболометрам того же формата, но с периодом пикселов 50 мкм. Среднее значение ДГП у этих МПИ близко к 35 мК при К - 1 и FK = 30 Гц, а при периоде пикселов 50 мкм - даже к 10 мК (с тепло­вой постоянной времени около 40 мс). Неоднородность чувствительности, оцениваемая отношением среднего квадратического разброса к среднему значению, не превышает 4% (без коррекции чувствительностей отдельных элементов) [211].

Достоинствами микроболометров на основе аморфного кремния являются: полная совместимость с технологией кремниевых КМОП интегральных схем считывания и об­работки сигналов; возможность создавать тонкие мембраны с короткими ножками, об­ладающие высокой механической прочностью и стойкостью к вибрациям; отсутствие фазовых переходов в пределах рабочего диапазона температур, в результате чего со­противление элементов монотонно уменьшается при увеличении температуры и появ­ляется возможность сравнительно просто избавиться от системы охлаждения, заменяя ее специальной электронной схемой в составе ФПУ.

Микроболометры на базе аморфного кремния производятся фирмой «Sofradir» (Франция). Приемники форматом 320х240 пикселов с размером 45 мкм имеют АТП « 100 мК (при К = 1, температуре фона 295 К и частоте кадров 60 Гц), вольтовую чувствительность около 4,5 мВ/К, коэффициент заполнения более 80% и неоднород­ность чувствительности 3% [260].

Компания «Raytheon Commercial Infrared» (США) сообщает о разработке сравни­тельно дешевого микроболометра умеренного формата (160x120) с размером пиксела 46,8 мкм на основе аморфного кремния. Микроболометр предназначен для ИКС, ис­пользуемой в многочисленных гражданских и военных применениях [123]. Коэффици­ент заполнения микроболометра - 0,68; ДТп = 100. ..150 мК при К = 1,0.

Фирмы «LETI» и «ULIS» (Франция) успешно разрабатывают промышленные образ­цы сравнительно недорогих микроболометров на основе аморфного кремния [259]. Ти­пичные конструкции имеют формат 320x240 с шагом пикселов 45 мкм, коэффициент заполнения более 80%, неоднородность чувствительности без коррекции менее 5%, чувствительность 6 мВ/К, значение Д Тп порядка 70 мК (при частоте кадров 50 Гц, К= 1, температуре 295). Особенностью стандартных микроболометров UL 01 1 является вы­сокая механическая прочность и стойкость к вибрациям, что позволяет работать при частоте кадров до 60 Гц без искажения изображений движущихся объектов.

Для лабораторных образцов микроболометров путем уменьшения тепловой посто­янной времени и увеличения теплового сопротивления было достигнуто уменьшение уровня шума и, как следствие, пятикратное увеличение отношения сигнал-шум. При шаге пикселов 35 мкм для матриц форматов 160x120 и 384x288 значение АГп было до­ведено до 30 мК, а частота кадров - до 100 Гц. Особенностью разработанных ФПУ яв­ляется индивидуальное вычитание тока (скимммирование) для каждого пиксела и ис­пользование коэффициентов коррекции неоднородности, хранящихся во внутренней памяти, размещенной в кристалле схемы считывания. Автоматический режим коррек­ции может быть отключен, при этом включается режим внешнего управления, в кото­ром коэффициенты коррекции каждого пиксела сохраняются во внешней памяти. Вы­вод сигнала возможен в аналоговом и цифровом виде (после преобразования во встро­енном в кристалл схемы считывания 12-тиразрядном АЦП).

Дешевые неохлаждаемые монолитные болометрические МПИ на базе поликристал - лического кремния, разработанные компанией «Mitsubishi Electric Corporation» (Япо­ния), имеют формат 160x120 пикселов размером 80x80 мкм и коэффициент заполнения 41%.

Фирма «Sanders IR Imaging Systems, a Lockheed Martin Company» (США) создала микроболометры на базе VOx форматов 160x120 и 320x240 пикселов размером 46 мкм, имеющие Д7’п>26 мК (К= 1, FK= 30 Гц). В сочетании с аналого-цифровым преобразова­телем на 14 бит такой МПИ потребляет мощность менее 250 мВт [201].

Прогнозируемое увеличение формата неохлаждаемых резистивных микроболомет - рических матриц - до 640x480 элементов (с периодом их расположения 28...30 мкм) при ДТп « 20 мК для К = 1. В перспективе ожидается создание резистивных микробо­лометров самых разнообразных форматов - как умеренных, так и очень больших (от 120x160 до 1280x1024), с размерами пикселов 15 мкм, ДТп я 10...20 мК при К = 1, ди­намическим диапазоном принимаемых сигналов 10 000 [95, 205].

В последние годы активно ведется поиск новых материалов для изготовления мик­роболометров [39, 72, 73, 94, 95, 269]. Продолжаются попытки повысить ТКС пленок VOx до 0,05 К-1 и расширить рабочий линейный диапазон температур, одновременно снижая уровень избыточного 1//глума. Расширение рабочего линейного диапазона особенно важно для компенсации нестабильности чувствительности пикселов микро­болометра электронными средствами без применения термоэлектрической системы стабилизации температуры. Последнее рассматривается как один из наиболее перспек­тивных путей уменьшения массы и стоимости ИКС с микроболометрами.

Для создания дешевых микроболометрических МПИ, работающих при комнатной температуре без специальных систем контроля и стабилизации рабочей температуры, предлагается [63, 94, 269] использовать полупроводниковые тонкие аморфные пленки YBaCuO. Температурный коэффициент сопротивления этих пленок достигает 4%/К в диапазоне температур от 250 до 320 К. Технология изготовления аморфных пленок легко вписьюается в существующую технологию изготовления КМОП-структур без дополнительных «высокотемпературных» операций. На поверхность слоя БЮг (мем­браны) методом фотолитографии наносятся сначала буферный слой MgO, а затем бо­лометрический слой YBaCuO и золотые контакты.

Изготовленные на основе пленок УЬаСиО микроболометры формата 320x240 пик­селов размером 40 мкм имели ДТП=80 мК при К = 1, коэффициент заполнения 0,9 и чувствительность 6,8’ 105 В/Вт [269].

Ожидается улучшение параметров микроболометров (чувствительности и И ) путем уменьшения теплопроводности между чувствительным слоем и подложкой за счет ис­пользования тонких пленок легированного аморфного кремния а-81, поликристалличе - ских пленок силицида германия и соединений менее теплопроводящих металлов [39, 95]. Разработка схем считывания на базе КМОП-структур, использующих планарные полевые транзисторы, позволила применять для изготовления микроболометров высо­коомные материалы, в частности пленки легированного аморфного кремния толщиной порядка 0,1 мкм с ТКС = 0,025...0,027 К В [87] указывается, что эти пленки техноло­гичнее и дешевле пленок УОх.

В [250] сообщается о работах по созданию неохлаждаемого микроболометра, ис­пользующего термоионную эмиссию в барьере Шотки силицид-кремний. Технология изготовления такого микроболометра аналогична используемой при изготовлении ре­зистивного микроболометра на базе ЮХ. Спектральная характеристика этих неселек­тивных МПИ может перекрывать широкий диапазон - от 8 до 14 мкм и более. При тем­пературе 300 К их ТКС » 5%/К, что более, чем в два раза, превышает ТКС резистив­ных болометров. Эти приемники свободны от 1/^шума, а геометрический шум, обу­словленный схемой считывания и совершенством литографической технологии изго­товления теплоизолирующей структуры, выше аналогичного шума микроболометров других типов. Разработчики микроболометров на базе барьера Шотки рассчитывают достичь АТ„ » 60 мК при К= 1, размере пикселов порядка 25 мкм, частоте кадров 60 Гц и рабочей температуре 290 К.

В настоящее время совершенствование конструкций микроболометров ведется по самым различным направлениям, описанным, в частности, в [39]. Многие разработчики ИКС считают, что решение важнейшей проблемы - резкого снижения стоимости этих систем, от чего зависит их широкое внедрение во многие отрасли науки и техники, ле­жит прежде всего на пути существенного улучшения и создания новых именно микро - болометрических МПИ.