CC BY
354
М. А. Демьяненко [email protected]
Д. Г. Есаев [email protected]
И. В. Марчишин [email protected]
Б. И. Фомин [email protected]
УДК 535.231.62 + 535.14 + 614.83
НЕОХЛАЖДАЕМЫЕ МАТРИЧНЫЕ МИКРОБОЛОМЕТРИЧЕСКИЕ ПРИЕМНИКИ ИНФРАКРАСНОГО ДИАПАЗОНА UNCOOLED MICROBOLOMETER MATRIX INFRARED RECEIVERS
М. А. Демьяненко - канд. физ-мат. наук, старший научный сотрудник ФГБУН «Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН»
Д. Г. Есаев - канд. физ-мат. наук, заведующий лабораторией ФГБУН «Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН»
И. В. Марчишин - старший научный сотрудник ФГБУН «Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН»
Б. И. Фомин - д-р физ-мат. наук, главный научный сотрудник ФГБУН «Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН»
В. Н. Овсюк - канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник ФГБУН «Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН»
M. A. Demyanenko - Cand. Physics and Mathematics Sciences, Senior Researcher FGBUN "A.V. Rzhanov Institute of Semiconductor Physics SB of RAS "" D. G. Esaev - Cand. Physics and Mathematics Sciences, Head of Laboratory FGBUN "A.V. Rzhanov Institute of Semiconductor Physics SB of RAS"
I. V. Marchishin - Senior Researcher FGBUN "A.V. Rzhanov Institute of Semiconductor Physics SB of RAS"
B. I. Fomin - Dr. phys-mat. Sciences, Chief Researcher FGBUN "A.V. Rzhanov Institute of Semiconductor Physics SB of RAS"
V. N. Ovsyuk - Cand. tehn. Sciences, Leading Researcher FGBUN "A.V. Rzhanov Institute of Semiconductor Physics SB of RAS"
Разработаны матричные микроболометрические приемники (ММБП), работающие в инфракрасном спектральном диапазоне 8-14 мкм, не требующие охлаждения для своего функционирования и позволяющие регистрировать удаленные объекты в условиях сильной задымленности, что типично для аварийных ситуаций в шахтах при проведении горно-спасательных работ.
Matrix microbolometer detectors (MMBP) operating in the infrared spectral range 8-14 microns, not requiring cooling for its functioning and allow to record distant objects in the conditions of strong smoke, which is typical of accidents in coal mines during the rescue operations, are developed.
Ключевые слова: ЗАДЫМЛЕННАЯ СРЕДА, ГОРНОСПАСАТЕЛЬНЫЕ РАБОТЫ, ПРИБОРЫ ИНФРАКРАСНОГО ВИДЕНИЯ
Key words: SMOKY ENVIRONMENT, RESCUE OPERATIONS, INFRARED VISION DEVICES
130
Матричные микроболометрические приемники (ММБП), работающие в спектральном диапазоне 8-14 мкм, не требуют охлаждения для своего функционирования и позволяют отказаться от использования дорогих и сложных микрокриогенных систем и специальных крио-статов, применяемых для поддержания низкой рабочей температуры современных охлаждаемых фотонных приемников ИК-излучения на основе антимонида индия, тройного соединения теллурида -кадмия - ртути (КРТ) или многослойных гетероструктур с квантовыми ямами [1].
Неохлаждаемые ММБП уступают охлаждаемым фотонным приемникам по величине предельной способности
научно-технический журнал № 2-2016
обнаружения. Однако достигаемое в настоящее время значение такого параметра ММБП, как эквивалентная шуму разность температур на уровне 0,05-0,08°К при частоте кадров изображения 50 Гц и формате изображения до 320х240 пикселей и более, могут обеспечить неохлаж-даемым ММБП широкое применение в оптико-электронных системах ближнего наблюдения и системах автоматического контроля. Это достигается благодаря его малым массогабаритным характеристикам, низкому энергопотреблению и существенно меньшей стоимости по сравнению с охлаждаемыми ИК фотоприемными устройствами на основе указанных выше материалов, которые пока остаются вне конкуренции для систем дальнего обнару-
ВЕСТНИК
жения и наблюдения.
Микроболометры представляют собой болометры в миниатюрном исполнении, обычно с использованием технологии микроэлектромеханических систем. Каждый микроболометр матричного приемника излучения представляет собой тонкий слой диоксида ванадия, осажденный на тонкую пластинку нитрида кремния площадью около 40х 40 мкм, «подвешенную» на проводящих ножках над кремниевым кристаллом (мультиплексором), предназначенным для считывания оптической информации с чувствительных элементов. При фокусировке теплового изображения на плоскость матрицы сопротивление микроболометров уменьшается и на каждом из них возникает электрический сигнал, пропорциональный энергетической яркости излучения в данной точке; эти сигналы кремниевой схемой преобразуются в сигнал изображения, которое отображается в условных яркостях на экране монитора [2].
Матричный микроболометрический приемник представляет собой массив фоточувствительных микроболометров мостикового типа, состоящих из термочувствительного сопротивления, подвешенного на слабо теплопроводящих несущих балках («ножках») над подложкой, на которой может быть изготовлено считывающее устройство (например, мультиплексор). На подложке под болометром для увеличения погло-
щения ИК-излучения наносится зеркало, зазор между ним и болометром составляет четверть длины волны середины рабочего диапазона. Этот вариант является наиболее оптимальным, поскольку позволяет использовать преимущества интегрального исполнения чувствительных элементов и схемы обработки сигналов на одном кремниевом кристалле, а также получить высокий коэффициент заполнения площади приемника чувствительными элементами. В качестве терморезистивного материала в неох-лаждаемых микроболометрах преимущественно используются оксиды ванадия [3] и аморфный кремний [4]. Далее будут рассмотрены микроболометры на основе оксидов ванадия, в которых термочувствительное сопротивление в виде тонкого слоя заключено между двумя слоями нитрида кремния, являющимися несущим материалом. В таких приемниках поглощение ИК-излучения происходит непосредственно в конструктивных элементах микроболометра [5]. В частности, в ИК-диапазоне поглощение происходит в слоях нитрида кремния и обусловлено Si-N связями, что задает область спектральной чувствительности ММБП интервалом 8-14 мкм.
Данные приборы представляют собой фотоприемные устройства, в которых матрица чувствительных микроболометров, соединенная с кремниевым кристаллом считывания и предварительной обработки оптической информации,
Рисунок 1 - Фрагмент матрицы фоточувствительных элементов
помещена в вакуумный корпус с окном, прозрачным в заданном спектральном диапазоне. Имеются электрические выводы для подсоединения к внешней электронике с целью дальнейшей обработки видеосигналов с выходом на видеомонитор. Разработанные микроболометрические ФПУ содержат дополнительную термостабилизацию рабочей температуры ММБП вблизи 295К.
Внешний вид фрагмента матриц фотоприемников и полная матрица представлены на
рисунке 1. Фоточувствительные элементы подвешены над кремниевым кристаллом обработки сигналов на высоте 2,5 мкм, размер элементов 48х48 мкм, зазор между элементами 3 мкм, ширина опорной балки - 1,6-1,8 мкм.
Содержание внутренней части головки микроболометрического приемника и ее составные части представлены на рисунке 2.
Типичные параметры фотоприемного устройства на основе микроболометров пред-
10 9 8 7 6 5
Рисунок 2 - Общий вид микроболометрической головки: 1 - основание вакуумного корпуса, 2 -электрические вводы, 3 - откачной штенгель, 4 - колпак, 5 - просветленное окно из германия, 6 - термоэлектрический охладитель, 7 - газопоглотитель, 8 - защитный экран, 9 - матричный микроболометрический приемник, 10 - датчик температуры
Рисунок 3 - Гистограммы распределения фоточувствительности по элементам матрицы (слева) и времен отклика на освещение и охлаждения элемента (справа)
Рисунок 4 - Примеры регистрации тепловых изображений в лабораторных условиях (слева) и в динамике (справа) при съемке из автомобиля при скорости около 25 км/час, внешние условия: температура - минус 40°С, время - 22 часа, внешнее освещение отсутствует
132
ставлены на рисунке 3 [5] в виде гистограммы распределения фоточувствительности по элементам матрицы (слева) и временных характеристик - время отклика на освещение и охлаждения элемента составляет 12 мс (справа). Средняя чувствительность по матрице приемников составляет 75 мК. Видно, что фотоприемные устройства на основе микроболометров обеспечивают температурное разрешение до 0,075 К и скорость регистрации до 90 кадров/с.
Примеры тепловых изображений представлены на рисунке 4.
Гражданское применение микроболометрических ФПУ предполагается в теплови-зионных системах ближнего наблюдения для автомобильного, железнодорожного и речного транспорта, системах экологического и противопожарного контроля, автоматической охранной сигнализации, тепловизионных системах наблюдения за электрическими и энергораспределительными сетями, системах контроля технологических процессов на разных производствах, в научных исследованиях и т.д. Специальное применение микроболометрические ФПУ найдут в системах наблюдения и обеспечения безопасности в антитеррористической деятельности, персонального тепловизионного наблюдения для МЧС, персональных системах наблюдения и мониторинга.
Основные технические характеристики ИК ФПУ на основе неохлаждаемых матричных ми-
кроболометрических приемников:
•Область чувствительности - 8-14 мкм •Формат 160х120 и 320х240 •Шаг в матрице приемников, 51 мкм •Потребляемая мощность, 2 Вт •Время отклика, 12 мс •Быстродействие, 50-90 кадров/с •Температурное разрешение, 0,07 К Тип НТВ-1 представлен на рисунке 5. Тип НТВ-2: Тепловизионная камера с расширенными функциональными возможностями и с выводом изображения на малогабаритный жидкокристаллический экран форматом 2х3 см. Размер камеры (без объектива) -20х15х10 см. Вес -200 грамм.
Типичный пример гражданского использования вышеуказанных приемников для использования в шахтах при возникновении техногенной аварии с проведением полевых испытаний - это регистрация изображений в условиях ограниченной видимости (задымленность) с использованием тепловизионной камеры на основе неохлаждаемого матричного микроболометрического приемника.
Место проведения испытаний: опытно-тренировочный полигон Прокопьевской Военизированной горноспасательной части (ВГСЧ), г. Прокопьевск, Кемеровская область.
Степень задымленности: 4 балла (видимость в видимом диапазоне - не более 0,5 м). Качество задымленности: максимально
Рисунок 5 - Общий вид микроболометрической головки (а), фотоприемного устройства в целом (б) и пример зарегистрированного теплового изображения в инфракрасном диапазоне (в)
Рисунок 6 - Перспективные малогабаритные изделия регистрации теплового излучения
Рисунок 7 - изображение задымленной тренировочной шахты с двумя горноспасателями внутри в
видимом диапазоне
Рисунок 8 - фотоснимки передвижения горноспасателей в условиях полного задымления, полученные в ИК-диапазоне
приближено к условиям реальной угольной шахты в условиях аварийной ситуации. Источник дыма - тлеющие древесные опилки.
На нижеприводимых снимках представлены фотоснимки проделанного эксперимента: регистратор динамического изображения на основе неохлаждаемого микроболометрического фотоприемного устройства (рис. 7) и реальное изображение задымленной тренировочной шахты в видимом диапазоне. Прямо - тоннель с двумя горноспасателями внутри с изолирующими противогазами. Регистратор расположен сразу за дверью, монитор - на стуле перед дверью.
На рисунке 8 фотоснимки передвижения горноспасателей в условиях полного задымления (удаление - 20 метров) получены с помощью микроболометрического приемника.
Таким образом, показано, что если в видимом диапазоне длин волн (0,4-0,7 мкм) изображение размывается из-за рассеяния на частицах дыма (характерный размер частиц 0.5-1 мкм), то в инфракрасном диапазоне (8-14 мкм) возможна регистрация удаленных объектов в условиях сильной задымленности. Связано это с тем, что сечение рассеяния (обратно пропорциональное длине волны в четвертой степени) ослаблено в 100 тысяч раз.
Следует отметить, что в дальнейшем ввиду малых массо-габаритных характеристик и малого энергопотребления может быть изготовлен мобильный регистратор, располагаемый непосредственно на шлеме спасателя с возможностью передачи данных на базовую станцию.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Ovsyuk, V. N. Uncooled microbolometer IR FPA on sol-gel VO / V. N. Ovsyuk, V. V. Shashkin, M. A. Demyanenko [et al.] // Proceedings of SPIE. - 2005. - Vol. 5834. - P. 47-54.
2. Овсюк, В. Н. Неохлаждаемые матричные микроболометрические приемники ИК излучения на основе золь-гель VO / В. Н. Овсюк, В. В. Шашкин, М. А. Демьяненко [и др.] // Прикладная физика. - 2005. - № 6. - С. 114-117.
3. Blackwell, R. Uncooled VOx thermal imaging systems at BAE Systems / R. Blackwell, D. Lacroix, T. Bach [et al.] // Proc. SPIE. - 2008. - Vol. 6940. - 694021-1.
4. Fieque, B. Uncooled amorphous silicon XGA IRFPA with 17^m pixel-pitch for High End applications / B. Fieque, P. Robert, C. Minassian [et al.] // Proc. SPIE. - 2008. - Vol. 6940. - 69401X-1.
5. Овсюк, В. Н. Неохлаждаемые матричные микроболометрические приемники ИК излучения на основе золь-гель VOx / В. Н.Овсюк, В. В. Шашкин, Демьяненко М. А. [и др.] // Прикладная физика. -2005. - № 6. - С. 114-117.
6. Чистохин, И. Б. Определение тепловых параметров микроболометров из электрических измерений / И. Б. Чистохин, М. А. Демьяненко // Прикладная физика. - 2006. - № 1. - С. 91-95.
REFERENCES
1. Ovsyuk, V. N., Shashkin, V. V., & Dem'yanenko, M. A. et al. (2005). Uncooled microbolometer IR FPA based on sol-gel VO. Proceedings of SPIE, (5834), 47-54. doi:10.1117/12.628663
2. Ovsyuk, V. N., Shashkin, V. V., & Demyanenko, M. A. et al. (2005). Neohlazhdaemye matrichnye mikrobolometricheskie priemniki IK izluchenija na osnove zol'-gel' VO [Uncooled microbolometer IR FPA on sol-gel VO]. Prikladnaja fizika, (6), 114-117.
3. Blackwell, R., Lacroix, D., Bach, T., Ishii, J., Hyland, S., Geneczko, J., . . . Joswick, M. (2008). Uncooled VOx thermal imaging systems at BAE Systems. Infrared Technology and Applications XXXIV, (6940). doi:10.1117/12.783931
4. Fieque, B., Robert, P., Minassian, C., Vilain, M., Tissot, J. L., Crastes, A., . . . Yon, J. J. (2008). Uncooled amorphous silicon XGA IRFPA with 17^m pixel-pitch for high end applications. Infrared Technology and Applications XXXIV, (6940). doi:10.1117/12.779488
5. Ovsyuk, V. N., Shashkin, V. V., Demyanenko, M. A. et al. (2005). Neohlazhdaemye matrichnye mikrobolometricheskie priemniki IK izluchenija na osnove zol'-gel' VOx [Uncooled microbolometer IR FPA on sol-gel VO], Prikladnaja fizika, (6), 114-117.
6. Chistohin, I. В., & Demyanenko, M. A. (2006). Opredelenie teplovyh parametrov mikrobolometrov iz jelektricheskih izmerenij [Determination of thermal parameters of the microbolometer electrical measurements], Prikladnaja fizika, (1), 91-95.
КОМПЛЕКСНОЕ РЕШЕНИЕ ВОПРОСОВ ПРОМ
БЕЗОПАСНОСТИ
нао «научный центр промышленной
безопасности»
ГОСУДАРСТВЕННО-ЧАСТНОЕ ПАРТНЕРСТВО
650002, Г КЕМЕРОВО, СОСНОВЫЙ БУЛЬВАР, 1
(3842) 77-86-63
