Инфракрасные системы «смотрящего» типа

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ (ФЕРРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ) МИКРОБОЛОМЕТРЫ

В начале 90-х годов были созданы первые образцы тепловых МПИ на основе ди­электрических болометров, использующих в качестве чувствительных элементов фер - роэлектрические конденсаторы [77, 169, 213, 258, 272 и др.]. Механизм работы диэлек­трического болометра заключается в следующем. При изменении температуры такого конденсатора изменяется его диэлектрическая постоянная е, а вместе с ней и емкость. При приложении к конденсатору напряжения заряд, поступающий с него на схему счи­тывания сигнала, изменяется, т. е. у всех ферроэлектриков обнаруживается пироэлек­трическое свойство - зависимость спонтанной поляризации Ps от температуры Т. ха­рактеризуемой пироэлектрическим коэффициентом

P = bPjbT.

Заряд, возникающий на чувствительном слое диэлектрического болометра, пропор­ционален р и скорости изменения температуры этого слоя. Поэтому для регистрации неподвижных объектов и сцен с постоянной температурой входной сигнал (поток излу­чения) приходится модулировать, т. е. периодически прерывать с частотой кадров. На­личие обтюратора (модулятора) усложняет конструкцию ИКС с описываемыми прием­никами. Однако при этом появляется возможность отфильтровывать низкочастотные шумы в электронном тракте системы.

При некоторой температуре (в точке Кюри) пироэлектрики теряют свои сегнето- электрические свойства, т. е. р снижается до нуля и пироэлектрический эффект исчеза­ет. Вблизи точки Кюри изменение р и диэлектрической постоянной е максимально при изменении температуры. Для обеспечения максимальной чувствительности, пропор­циональной производной диэлектрической постоянной по температуре, при изменении окружающей температуры необходимо стабилизировать температуру приемника, для чего обычно используют одноступенчатый термоэлектрический нагреватель или холо­дильник.

Чтобы увеличить чувствительность болометра, нужно стремиться к увеличению пи­роэлектрического коэффициента р и уменьшению диэлектрической ПОСТОЯННОЙ 8. К сожалению, материалы с большим р обычно имеют высокое значение е. Для изготовле­ния ферроэлектрических конденсаторов наиболее употребительны BST (Ba,_xSrxTi03), PZT (цирконат титанат свинца), PST (скандиум танталат свинца).

Конструкция тонкопленочного ферроэлектрического микроболометра во многом похожа на конструкцию резистивного микроболометра. Пленка ферроэлектрика распо­лагается между двумя электродами. Для увеличения поглощения падающего излучения используют резонаторные оптические структуры, формируемые или внутри ферроэлек­трика, или в пространстве между чувствительным элементом и схемой считывания. В первом случае оба электрода должны быть отражателями: верхний - полупрозрачным, а нижний - зеркальным. При этом толщина ферроэлектрика для поглощения излучения в диапазоне длин волн 10... 12 мкм должна быть порядка 1 мкм. Во втором случае ли­цевой электрод выполняется полупрозрачным, а тыльный - прозрачным. Зеркальный отражающий слой наносится на поверхность схемы считывания под каждым чувстви­тельным элементом. Это требует промежутка между чувствительным элементом и схе­мой считывания порядка 2 мкм.

Как и в других МПИ, в ферроэлектрических микроболометрах необходимо одно­временно обеспечить электрическую связь между чувствительным элементом и цепью считывания сигналов, а также тепловую изоляцию элемента. Емкость приемника обыч­но не превышает нескольких пикофарад, так что электрическое сопротивление ножек мостиковой конструкции может быть очень небольшим. Это позволяет использовать тонкие, слабо проводящие материалы электродов для уменьшения теплоемкости и теп­лопроводности. Поскольку ферроэлектрическая пленка - «самоподдерживающая» кон­струкция, именно она и определяет теплоемкость чувствительного элемента, а при ис­пользовании прозрачных оксидных электродов доминирует в отношении теплопровод­ности.

Благодаря отсутствию перекрестных электрических связей между чувствительными элементами и хорошей тепловой развязке такие МПИ позволяют обеспечить высокое пространственное разрешение, потребляя меньшую мощность, чем резистивные.

По гибридной технологии были созданы диэлектрические микроболометры форма­тов 100x100 с размером пикселов 100 мкм, 256x128 с размером пикселов 56 мкм и 384x288 с размером пикселов 40 мкм. Их интегральные схемы считывания имели пло­щадь 15,3x13,4; 16,7x12,4 и 19,7x16,9 мм2, а ДТп - 0,087; 0,09 и 0,13 К, соответственно. При изображении стандартного тест-объекта на частоте Найквиста контраст соответст­вовал 65; 50 и 43% своего максимального значения, равного единице на нулевой про­странственной частоте [258].

В настоящее время наряду с распространенной гибридной технологией изготовле­ния ФПУ на диэлектрических микроболометрах, при которой элементы чувствительно­го слоя соединяются со схемой считывания сигналов через отдельные для каждого эле­мента соединительные контакты (столбики), развивается новая интегральная техноло­гия - нанесение тонкопленочного ферроэлектрического материала непосредственно на кремниевую интегральную схему считывания сигналов. Между чувствительным эле­ментом и подложкой помещается специальный «жертвенный» слой, который затем удаляется, оставляя лишь соединительные микромосты. Отсутствие керамической под­ложки, которую нужно полировать, размечать и разрезать на отдельные элементы, а также операции соединения чувствительных элементов с элементами схемы считыва­ния упрощают технологию изготовления МПИ, что существенно снижает его стои­мость. Микромостовая конструкция обеспечивает хорошую тепловую изоляцию эле­ментов МПИ, что улучшает его параметры. Такие микроболометры на ферроэлектри­ках формата 320x240, изготовленные фирмой «КауЛеоп», при размерах пиксела 48,5 мкм обеспечивают ДГ,, « 0,04...0,08 К. В ближайшее время предполагается созда­ние диэлектрических микроболометров формата 640х480 пикселов размером порядка 25 мкм для работы в спектральном диапазоне 7,5... 13,0 мкм [258].