Mikrobolometre

Mikrobolometre, termal kamerada dedektör olarak kullanılan özel bir bolometre türüdür. 7.5-14 μm arasında dalga boylarına sahip kızılötesi radyasyon, dedektör malzemesine çarparak onu ısıtmaktadır. Böylece elektrik direncini değştirmektedir. Bu direnç değişikliği ölçülür ve bir görüntü oluşturmak için kullanılabilecek sıcaklıklara işlenir. Diğer kızılötesi algılama ekipmanı türlerinin aksine, mikrobolometreler soğutma gerektirmez.

İnşa teorisi

Bir mikrobolometre, soğutulmamış bir termal sensördür. Önceki yüksek çözünürlüklü termal sensörler, karıştırma döngüsü soğutucuları ve sıvı nitrojen soğutucuları dahil olmak üzere egzotik ve pahalı soğutma yöntemleri gerektiriyordu. Bu soğutma yöntemleri, erken dönem termal görüntüleyicileri çalıştırmayı pahalı ve hareket ettirmeyi hantal hale getirmiştir. Ayrıca, eski termal görüntüleyiciler, kullanılabilir hale gelmeden önce 10 dakikadan fazla bir soğuma süresi gerektiriyordu.

Şekil 1. Bir mikrobolometrenin kesit görünümü

Bir mikrobolometre, her piksel birkaç katmandan oluşan bir dizi pikselden oluşmaktadır. Şekil 1'de gösterilen enine kesit diyagram, pikselin genelleştirilmiş bir görünümünü sağlamaktadır. Mikrobolometre üreten her şirketin, bunları üretmek için kendi benzersiz prosedürü vardır ve hatta çeşitli farklı emici malzemeler kullanırlar. Bu örnekte alt katman, bir silikon alt tabakadan ve bir okuma entegre devresinden (ROIC) oluşur. Elektrik kontakları biriktirilir ve ardından seçici olarak aşındırılmaktadır. IR emici malzemenin altında bir reflektör, örneğin bir titanyum ayna oluşturulmaktadır. Bir miktar ışık soğurucu tabakadan geçebildiğinden, reflektör, mümkün olan en büyük absorpsiyonu sağlamak için bu ışığı yeniden yönlendirir ve böylece daha güçlü bir sinyalin üretilmesine izin vermektedir. Daha sonra, işlemde daha sonra IR emici malzemeyi ROIC'den termal olarak izole etmek için bir boşluk oluşturulabilmesi için feda edici bir katman bırakılmaktadır. Daha sonra bir emici malzeme tabakası biriktirilir ve nihai temasların oluşturulabilmesi için seçici olarak dağlanmaktadır. Şekil 1'de gösterilen son köprü benzeri yapıyı oluşturmak için, emici malzeme okuma devresinin yaklaşık 2 μm üzerinde asılı kalacak şekilde feda edilen katman çıkarılmaktadır. Mikrobolometreler herhangi bir soğumaya uğramadığından, emici malzeme alt ROIC'den termal olarak izole edilmelidir ve köprü benzeri yapı bunun gerçekleşmesine izin vermektedir. Piksel dizisi oluşturulduktan sonra, cihazın ömrünü artırmak için mikrobolometre bir vakum altında kapsüllenir. Bazı durumlarda tüm üretim süreci vakum kırılmadan yapılmaktadır.

Mikrobolometrelerden oluşturulan görüntülerin kalitesi artmaya devam etmiştir. Mikrobolometre dizisi yaygın olarak 320×240 piksel veya daha ucuz 160×120 piksel olmak üzere iki boyutta bulunmaktadır. Mevcut teknoloji, 640×480 veya 1024x768 piksele sahip cihazların üretilmesine yol açmıştır. Bireysel piksel boyutlarında da bir azalma olmuştur. Piksel boyutu eski cihazlarda tipik olarak 45 μm idi ve mevcut cihazlarda 12 μm'ye düşürülmüştür. Piksel boyutu küçüldükçe ve birim alan başına düşen piksel sayısı orantılı olarak arttıkça, daha yüksek çözünürlüklü, ancak daha küçük piksellerin IR radyasyonuna daha az duyarlı olması nedeniyle daha yüksek NETD (Gürültü Eşdeğer Sıcaklık Farkı (diferansiyel)) olan bir görüntü oluşturulmaktadır.

Malzeme özelliklerini algılama

Mikrobolometrelerde dedektör elemanı için kullanılan çok çeşitli malzemeler vardır. Cihazın ne kadar iyi çalışacağını belirleyen ana faktör, cihazın duyarlılığıdır. Duyarlılık, cihazın gelen radyasyonu bir elektrik sinyaline dönüştürme yeteneğidir. Dedektör malzeme özellikleri bu değeri etkiler ve bu nedenle birkaç ana malzeme özelliği araştırılmalıdır:.

Direnç sıcaklık katsayısı (Temperature coefficient of resistance - TCR)

Dedektörde kullanılan malzeme, sıcaklıktaki çok küçük değişiklikler sonucunda dirençte büyük değişiklikler göstermelidir. Malzeme ısıtıldıkça, gelen kızılötesi radyasyon nedeniyle malzemenin direnci azalmaktadır. Bu, malzemenin sıcaklık direnç katsayısı (TCR) ile, özellikle de negatif sıcaklık katsayısı ile ilgilidir. Endüstri şu anda -%2/K civarında TCR'li malzemeler içeren mikrobolometreler üretmektedir. Çok daha yüksek TCR'lere sahip birçok malzeme mevcut olmasına rağmen, optimize edilmiş mikrobolometreler üretilirken dikkate alınması gereken birkaç faktör daha vardır.

1/f gürültü

1/f gürültüsü, diğer gürültüler gibi, sinyali etkileyen ve sinyalin taşıdığı bilgiyi bozabilecek bir bozulmaya neden olmaktadır. Soğurucu malzeme boyunca sıcaklıktaki değişiklikler, algılama malzemesinden akan ön gerilim akımındaki veya voltajdaki değişikliklerle belilenmektedir. Gürültü büyükse, meydana gelen küçük değişiklikler net olarak görülmeyebilir ve cihaz işe yaramaz. Minimum miktarda 1/f gürültüye sahip bir dedektör malzemesinin kullanılması, IR algılama ile görüntülenen çıktı arasında daha net bir sinyalin korunmasına olanak sağlamaktadır. Bu gürültünün sinyali önemli ölçüde etkilemediğinden emin olmak için dedektör malzemesi test edilmelidir.

Direnç

Düşük oda sıcaklığı direncine sahip bir malzeme kullanmak da önemlidir. Tespit malzemesi boyunca daha düşük direnç, daha az güç kullanılması gerekeceği anlamına gelmektedir. Ayrıca direnç ve gürültü arasında bir ilişki vardır. Direnç ne kadar yüksek olursa gürültü de o kadar yüksek olmaktadır. Bu nedenle, daha kolay algılama ve düşük gürültü gereksinimini karşılamak için direncin düşük olması gerekmektedir.

Tespit malzemeleri

Mikrobolometrelerde en yaygın olarak kullanılan iki IR radyasyon tespit malzemesi, amorf silikon ve vanadyum oksittir. Kullanılacak diğer malzemelerin fizibilitesini test etmek için birçok araştırma yapılmıştır. Araştırılanlar; Ti, YBaCuO, GeSiO, poly SiGe, BiLaSrMnO ve protein bazlı sitokrom C ve sığır serum albüminidir.

Amorf Si (a-Si) iyi çalışır çünkü CMOS üretim sürecine kolayca entegre edilebilir, oldukça kararlıdır, hızlı bir zaman sabitidir ve arızadan önce uzun bir ortalama süreye sahiptir. Katmanlı yapı ve desen oluşturmak için CMOS üretim süreci kullanılabilir ancak sıcaklıkların ortalama 200˚C'nin altında kalması gerkemektedir. Bazı potansiyel malzemelerle ilgili bir problem, istenen özellikleri yaratmak için biriktirme sıcaklıklarının çok yüksek olabilmesidir. Ancak bu a-Si ince filmler için bir problem değildir. a-Si ayrıca biriktirme parametreleri optimize edildiğinde TCR, 1/f gürültü ve direnç için mükemmel değerlere sahiptir.

Vanadyum oksit ince filmler, sıcaklık nedenleriyle a-Si kadar kolay olmasa da, CMOS üretim sürecine de entegre edilebilmektedirler. VO, a-Si'den daha eski bir teknolojidir ve performansı ve ömrü daha düşüktür. Yüksek sıcaklıklarda biriktirme ve sonradan tavlamanın gerçekleştirilmesi, üstün özelliklere sahip filmlerin üretilmesine izin vermektedir. Ancak daha sonra sıcaklık gerekliliklerini yerine getiren kabul edilebilir filmler yine de yapılabilmektedir. VO2'nin direnci düşüktür ancak 67 °C'ye yakın bir metal-yalıtkan faz değişikliğine uğrar ve ayrıca daha düşük bir TCR değerine sahiptir. Öte yandan V2O5, yüksek direnç ve ayrıca yüksek TCR sergiler. VOx'in birçok aşaması mevcuttur. Ancak x≈1.8'in mikrobolometre uygulamaları için en popüler hale geldiği görülmektedir. Vanadyum Oksit Mikro bolometre dedektörlü bir termal görüntüleme kamerası, VOx daha eski bir teknoloji olmasına rağmen, diğer teknolojilerle karşılaştırıldığında daha kararlı, kompakt ve hassastır. VOx'in pazar payı diğer tüm teknolojilerden çok daha yüksektir. VOx pazar payı yaklaşık %70 iken, Amorf Silikon ise yaklaşık %13'tür. Ayrıca hassasiyeti, görüntü kararlılığı ve güvenilirliği nedeniyle Savunma Sektöründe VOx teknolojisi tabanlı termal kameralar kullanılmaktadır.

Aktif ve pasif mikrobolometreler

Çoğu mikrobolometre, onları pasif bir elektronik cihaz yapan sıcaklığa duyarlı bir direnç içermektedir. 1994 yılında bir şirket, Elektro-Optik Sensör Tasarımı (EOSD), özel bir alan etkili transistör türü olan ince film transistör (TFT) kullanan mikrobolometreler üretmeye başlamıştır. Bu cihazlardaki ana değişiklik, bir kapı elektrotunun eklenmesi olacaktır. Cihazların ana konseptleri benzer olsa da, bu tasarımın kullanılması TFT'nin avantajlarından faydalanılmasına olanak sağlamaktadır. Bazı faydalar, direnç ve aktivasyon enerjisinin ayarlanmasını ve periyodik gürültü modellerinin azaltılmasını içerir. 2004 itibarıyla bu cihaz hala test ediliyordu ve ticari IR görüntülemede kullanılmamıştır.

Avantajları

• Küçük ve hafiftirler. Nispeten kısa mesafeler gerektiren uygulamalar için kameranın fiziksel boyutları daha da küçüktür. Bu özellik, örneğin, soğutmasız mikrobolometre termal kameraların kasklara monte edilmesini sağlamaktadır.
• Güç açıldıktan hemen sonra gerçek video çıkışı sağlamaktadır.
• Soğutulmuş dedektörlü termal görüntüleyicilere göre düşük güç tüketimi sağlamaktadır.
• Arızalar arasında çok uzun ortalama süre vardır.
• Soğutmalı dedektörlere dayalı kameralara kıyasla daha ucuzdur.

Dejavantajları

• Soğutulmuş termal ve foton detektörlü görüntüleyicilere göre daha az hassas (yüksek gürültü nedeniyle) ve sonuç olarak soğutulmuş yarı iletken tabanlı yaklaşımların çözünürlüğünü eşleştirememiştir

Performans sınırları

Duyarlılık kısmen pikselin termal iletkenliği ile sınırlıdır. Tepki hızı, termal iletkenliğe bölünen termal ısı kapasitesi ile sınırlıdır. Isı kapasitesinin azaltılması hızı artırmaktadır. Ancak istatistiksel mekanik termal sıcaklık dalgalanmalarını (gürültü) de artırmaktadır. Termal iletkenliği artırmak hızı artırmaktadır. Ancak hassasiyeti azaltmaktadır.

Kökeni

Mikrobolometre teknolojisi ilk olarak Honeywell tarafından 1970'lerin sonlarında ABD Savunma Bakanlığı için gizli bir sözleşme olarak geliştirilmiştir. ABD Hükûmeti, 1992'de teknolojinin gizliliğini kaldırmıştır. Gizliliğin kaldırılmasından sonra Honeywell, teknolojilerini birkaç üreticiye lisanslanmıştır.

The FLIR Systems ThermoVision SENTRY Infrared Imaging System utilizes a 320×240 microbolometer array.

Mikrobolometre dizileri üreticileri

• BAE Systems
• DRS Technologies
• FLIR Systems
• Fraunhofer IMS
• GUIDIR
• Honeywell (Manufactured for Infrared Solutions)
• InfraredVision Technology Corporation (affiliated with L-3)
• Institut National d'Optique (INO)
• L-3 Communications Infrared Products
• Mikrosens Electronics Inc.
• NEC
• Opgal Optronics
• Qioptiq
• Raytheon
• SemiConductor Devices
• Seek Thermal
• LYNRED (ex Sofradir et ULIS)
• Teledyne Dalsa
• Vumii Imaging

Ek bağlantılar

• Teknolojiye Genel Bakış Mikrobolometre Dedektörleri