Современные микроболометры технологии и характеристики

Основные понятия

Тепловизор - это прибор, который позволяет одинаково хорошо контролировать ситуацию (вести наблюдение) днем и ночью при любых погодных условиях, работая в тепловом, невидимом для человеческого глаза спектральном диапазоне и тем самым позволяя видеть, то, что недоступно приборам ночного видения, обычным телекамерам и телекамерам с инфракрасной подсветкой.
В настоящее время тепловизоры благодаря уменьшению их стоимости, улучшению эксплуатационных характеристик и снижению полной стоимости всего жизненного цикла изделия становятся более доступными для потребителей.

Рассмотрим простейшую схему тепловизора и определим положение его чувствительного элемента - микроболометра - на пути формирования выходного сигнала (рис. 1).

Инфракрасное излучение через специализированную, как правило, германиевую оптику попадает на детектор, чувствительные элементы которого меняют свои свойства, вследствие чего изменяется снимаемый с них электрический сигнал. Далее этот сигнал обрабатывается блоком электроники; информация об излучении преобразуется и выдается в понятном человеческому мозгу виде - псевдови-деоизображнии тепловой картины, принимаемой приемником (рис. 2). Такая картина может выглядеть, например, следуюцим образом:

Монохромное или цветное отображение зависит не от детектора, а от интерпретации электроникой получаемого с детектора изображения (для охранных тепловизоров рекомендуется применение черно-белого варианта для более четкого различения образов оператором). Оптика для тепловизоров, как правило, сильно не различается по своим параметрам ввиду своей задачи пропускать излучение какого-либо определенного диапазона. Для тепловизоров, основанных на микроболометрах, этот диапазон составляет 7,5х14 мкм.

Основным элементом в тепловизоре, как и в любом другом приборе, является его чувствительный элемент. В тепловизорах - это микроболометр, от качества и характеристик которого будет зависеть конечная способность прибора выполнять свою функцию.
В этой статье мы рассмотрим технологии производства неохлаждаемых тепловизионных детекторов (микроболометров) в применении к двум наиболее развитым в настоящее время направлениям использования тепловизоров: контроль и диагностика; охрана и безопасность. Существует два класса тепловизионных приборов: на охлаждаемых детекторах и на неохлаждаемых - микроболометрах. Каждая из технологий имеет свои преимущества и недостатки, при этом обе развиваются достаточно интенсивно, поскольку применение любой из них имеет свои выгоды.
В данном исследовании мы будем рассматривать микроболометры, так как приборы на их основе насчитывают большее количество потребителей, благодаря меньшей по сравнению с другими тепловизорами цене. Мы полагаем, что при насыщенности рынка предложениями наблюдается недостаточная информированность пользователей о технологиях, используемых при производстве тепловизионной аппаратуры, что может вызывать неоднозначные выводы о приборах по критерию "цена-эффективность".
Также мы рассмотрим тенденции развития существующих технологий и постараемся спрогнозировать дальнейшее развитие технологии неохлаждаемых датчиков.
Производство микроболометров - высокотехнологичный и дорогостоящий процесс. В мире существует не так уж много компаний, которые могут позволить себе содержать данное производство. К законодателям мод и мировых тенденций в этом сегменте стоит отнести США, в которых находится несколько производителей микроболометров и где постоянно осуществляются вложения средств в научно-исследовательские работы по данной тематике.
Для полноты картины необходимо рассмотреть не только инфракрасные детекторы на основе микроболометров, но и другие технологии производства неохлаждаемых детекторов, поскольку мы объединили их в один большой класс.

Неохлаждаемые инфракрасные детекторы

Разделим неохлаждаемые детекторы на следующие классы:

• микроболометры;
• ферроэлектрики;
• другие типы.

В свою очередь, микроболометры подразделяются на два подкласса: VOx -микроболометр на оксиде ванадия и alpha-Si - микроболометр на аморфном кремнии. Ферроэлектрики также делятся на два подкласса: Thick Film BST - толстопленочная технология и Thin Film PLZT - тонкопленочная технология.
К другим неохлаждаемым датчикам можно отнести приемники на солях свинца и Poly-SiGe.
Как мы видим, технологий производства инфракрасных чувствительных элементов достаточно много, однако если взглянуть на распространенность приборов, построенных на тех или иных принципах, можно отметить подавляющее превосходство микроболометров и ферроэлектриков над всеми остальными технологиями. Поэтому мы сконцентрируем свое внимание на этих двух технологиях, а также рассмотрим более подробно существующие технологии производства микроболометров.
Для сравнения микроболометров и ферроэлектриков воспользуемся табл. 1, содержащей ключевые моменты производства чувствительных элементов и их выходные характеристики. В табл. 2 сравниваются микроболометры на оксиде ванадия (VOx) и аморфном кремнии (alpha-Si). Далее, используя данные этих таблиц, сделаем выводы о преимуществах и недостатках различных типов чувствительных элементов.

Производители и их технологии

Как мы уже отмечали, в мире существует всего несколько компаний, которые могут себе позволить содержать такое высокотехнологичное и наукоемкое производство, как выпуск неохлаждаемых инфракрасных чувствительных элементов.
Представим этих производителей и используемые ими технологии в табличном виде (см. табл. 3), чтобы читателю было проще сделать выводы о существующих направлениях и тенденциях в данном секторе рынка.

Измерительные тепловизоры

Рынок измерительных тепловизоров переполнен разнообразными моделями. Порой достаточно сложно выбрать подходящую модель, оптимально реализующую критерий "цена-качество". На основе проведенных сравнительных исследований мы постараемся определить, на чем же следует остановиться термографисту при выборе прибора.
Прежде чем провести анализ и порекомендовать тот или иной тип детектора для измерительного тепловизора, необходимо рассмотреть классификацию измерительных тепловизоров по области их применения:

• для обследования электрооборудования;
• для поиска утечек тепла;
• для поиска утечек газа/разливов нефти;
• для автоматизации технологических процессов;
• для научных исследований.

Итак, мы выделили пять больших классов измерительных тепловизоров, разумеется, их существует больше, но все другие классы можно привести к вышеперечисленным, поскольку конечные задачи их применения аналогичны.
Сразу отметим, что тепловизоры для научных целей и для поиска утечек газа и разливов нефти, как правило, требуют более высокой чувствительности и быстродействия, чем приборы на неохлаждаемых датчиках. Это обусловливает в большинстве случаев применение тепловизоров на основе охлаждаемых чувствительных элементов.
Таким образом, у нас осталось три класса измерительных тепловизоров, в которых применение неохлаждаемых детекторов обосновано и широко распространено. Представим эти классы и критерии выбора необходимого тепловизора в табличном виде (см. табл. 4).

Охранные тепловизоры

Охранные тепловизоры на неохлаждаемых датчиках все более и более привлекают к себе внимание благодаря последовательному уменьшению их стоимости как в момент покупки, так и в период владения прибором.
В отличие от измерительных тепловизоров охранные не измеряют температуру объектов -у них другие задачи. Соответственно и критерии к выбору данных приборов будут несколько иными. Представим также в табличном виде (см. табл. 5) критерии принятия решений и соответствие этим критериям существующих неохлаждаемых детекторов и, как следствие, систем на их основе.

О важности указанных параметров для охранных тепловизоров говорит следующее требование: охранный тепловизор должен давать четкие изображения нарушителя на возможно больших расстояниях при максимальном рабочем диапазоне температур, при этом изображение должно быть как можно более четким, чтобы исключить ложные срабатывания охранных систем.

Выводы

Итак, мы рассмотрели существующие технологии производства неохлаждаемых детекторов. В настоящий момент микроболометры выигрывают у ферроэлектриков с огромным преимуществом и подтверждение тому - ставка производителей на технологии микроболометров. В настоящее время лидируют две технологии микроболометров: на оксиде ванадия и на аморфном кремнии. Если мы проанализируем области применения и характеристики микроболометров, то сможем сделать выводы об оптимальном использовании того или иного типа микроболометров.
Так, для измерительных приборов, где важна чувствительность и качество изображения, следует применять микроболометры на оксиде ванадия, а где нужна высокая частота съема информации - на аморфном кремнии.
Для охранных камер оптимальным выбором станет тепловизор с микроболометром на оксиде ванадия, он обладает более высокой чувствительностью, отличается стабильным изображение и работает при более низких отрицательных температурах, нежели прибор на аморфном кремнии, а это в российских условиях чуть ли не главный критерий в системах тотального контроля 24/7!