eng
Выпуск #5/2021
Р. З. Хафизов, В. В. Старцев, В. Ю. Москвичев
Быстродействующие болометрические матричные детекторы
Быстродействующие болометрические матричные детекторы
Просмотры: 1628
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2021.15.5.396.409
В статье представлены результаты исследования возможностей уменьшения времени отклика (постоянной времени тепловой релаксации) на тепловое воздействие болометрического сенсора. Анализ проведен в рамках общепринятой теории поглощения ИК-излучения и теплофизических процессов, протекающих в мембранных МЭМС-структурах. Представлены результаты аналитических оценок, оптимизирующие конструкцию микроболометрического элемента матричного детектора для улучшения его характеристик быстродействия с учетом требований конкретных применений. Выявленные закономерности будут применены в производстве микроболометров семейства «Астрон».
В статье представлены результаты исследования возможностей уменьшения времени отклика (постоянной времени тепловой релаксации) на тепловое воздействие болометрического сенсора. Анализ проведен в рамках общепринятой теории поглощения ИК-излучения и теплофизических процессов, протекающих в мембранных МЭМС-структурах. Представлены результаты аналитических оценок, оптимизирующие конструкцию микроболометрического элемента матричного детектора для улучшения его характеристик быстродействия с учетом требований конкретных применений. Выявленные закономерности будут применены в производстве микроболометров семейства «Астрон».
Теги: direction finding of fast moving thermal objects microbolometers uncooled microbolometric photodetector vanadium oxide микроболометры неохлаждаемые микроболометрические фпу оксид ванадия пеленгация быстродвижущихся тепловых объектов
Быстродействующие болометрические матричные детекторы
Р. З. Хафизов, В. В. Старцев, В. Ю. Москвичев
АО «ОКБ «Астрон», г. Лыткарино, Моск. обл., Россия
В статье представлены результаты исследования возможностей уменьшения времени отклика (постоянной времени тепловой релаксации) на тепловое воздействие болометрического сенсора. Анализ проведен в рамках общепринятой теории поглощения ИК-излучения и теплофизических процессов, протекающих в мембранных МЭМС-структурах. Представлены результаты аналитических оценок, оптимизирующие конструкцию микроболометрического элемента матричного детектора для улучшения его характеристик быстродействия с учетом требований конкретных применений. Выявленные закономерности будут применены в производстве микроболометров семейства «Астрон».
Ключевые слова: микроболометры, неохлаждаемые микроболометрические ФПУ, пеленгация быстродвижущихся тепловых объектов, оксид ванадия
Статья получена: 21.06.2021
Статья принята: 05.08.2021
ВВЕДЕНИЕ
Степень интеграции и чувствительность современных болометрических детекторов достигли значений, характерных для аналогичных фотонных приборов. По сравнению с фотонными детекторами болометры обеспечивают поглощение энергии в более широком спектральном диапазоне, могут работать без охлаждения, и они весьма привлекательны по стоимости и энергопотреблению. Вместе с тем они существенно уступают фотонным детекторам по быстродействию. Сегодня ведущими технологическими компаниями проводятся работы по развитию неохлаждаемых болометрическихматричных детекторов для применений, где требуется фиксация быстроизменяющихся событий [1–3], например для использования в оптико-электронных системах (ОЭС) для пеленгации быстродвижущихся тепловых объектов.
Настоящая статья посвящена определению основных характеристик чувствительных микроболометрических структур, разработка которых ведется в АО «ОКБ «Астрон». Рассмотрены возможности оптимизации параметров и характеристик матричных неохлаждаемых микроболометрических фотоприемных устройств (ФПУ) (англ. − Uncooled Microbolometric Focal Plane Arrays), определены конструктивные и технологические решения по их разработке, направленные на реализацию требований по функционированию перспективных ОЭС.
1. Электрофизические, тепловые и конструктивно-технологические параметры микроболометрического сенсора – постановка задачи
Микроболометр – это микроэлектромеханический сенсор (МЭМС), чувствительный к тепловому излучению и изготовленный с использованием методов микрообработки кремния. Важнейшее преимущество процессов изготовления МЭМС-структур состоит в том, что они приемлемо вписываются в стандартную КМОП кремниевую технологию. Основной элемент сенсора – тонкая диэлектрическая мембрана, на которую нанесен активный терморезистивный слой. В результате вытравливания жертвенного слоя, расположенного под мембраной, она вывешивается над поверхностью подложки. С подложкой она соединяется узкими опорными микроконсолями, которые определяют и контролируют тепловую проводимость сенсора. Обладая малой тепловой массой, мембрана способна быстро нагреваться под действием ИК-излучения. С целью повышения чувствительности структуры на мембрану наносят покрытие, эффективно поглощающее ИК-излучение.
Применение секторальных (локализованных в определенных секторах матрицы) поглощающих покрытий предполагает возможность изготовления мультиспектральных микроболометрических сенсоров.
Целый ряд факторов определяет параметры микроболометрического сенсора в составе приемника ИК-изображения, а именно:
Перечисленные параметры находятся в тесной взаимосвязи друг с другом, оказывая влияние на чувствительность сенсора.
При конструировании матричного болометрического приемника изображения в качестве основных задаются следующие характеристики: количество N и шаг d следования элементов матрицы, определяющие требуемое пространственное разрешение, время кадра τf, задающее временнóе разрешение, и чувствительность в терминах эквивалентной шуму разности температур (NETD – Noise Equivalent Temperature Difference) прибора. Количество элементов матрицы при определенном размере ее чувствительного массива ограничивает максимальную площадь ячейки и соответственно площадь A ее активной части. Требуемое для конкретных применений быстродействие детектора накладывает ограничение сверху на время тепловой релаксации детектора излучения τr.
Величина, на которую активная часть пленочной структуры изменяет свое сопротивление при нагреве, зависит от температурного коэффициента удельного сопротивления материала (ТКС). Обеспечение высокого значения ТКС необходимо для достижения высокой чувствительности сенсора. Активный слой также характеризуется удельным электрическим сопротивлением ρ, которое желательно оптимизировать для достижения, с одной стороны, максимального ТКС, а с другой, – не сильно увеличивать для минимизации шума.
Одним из наиболее широко используемых материалов для формирования активных терморезистивных пленок в современных микроболометрах является оксид ванадия VOx. Он обладает довольно низким удельным электрическим сопротивлением, при этом достаточно высоким и стабильным ТКC (пленки не подвержены гистерезисным явлениям при изменении температуры). Вместе с тем в настоящее время ведутся интенсивные исследования по поиску новых материалов, поскольку для реализации терморезистивных пленок на основе VOx требуются достаточно сложные технологические процессы, освоение которых вызывает существенные трудности.
2. Теплофизический анализ
Преобразование ИК-излучения в тепловых сенсорах в отличие от квантовых аналогов происходит в два этапа. Сначала происходит нагрев мембраны, а затем образующаяся вследствие этого разность температур ΔT между подложкой и мембраной конвертируется в сигнал, несущий информацию об интенсивности излучения. Разность температур ΔT, возникающая в результате поглощения мембраной ИК-излучения, определяется тепловым балансом между поглощенной тепловой энергией и потерями тепла, связанными с теплопроводностью консолей.
Уравнение теплового баланса выглядит следующим образом:
, (1)
где C – теплоемкость мембраны [Дж / K], ΔP(t) – изменение мощности теплового излучения [Вт] в плоскости детектора, η – коэффициент поглощения ИК-излучения, а ΔT – изменение температуры между детектором и теплоотводом (подложкой). G – теплопроводность консолей [Вт / K]. Реакцию температуры мембраны на резко возрастающее изменение мощности излучения можно определить интегрированием уравнения (1) с учетом граничного условия t = 0, ΔT = 0. Результатом этого интегрирования является выражение:
,
где – постоянная времени, характеризующая время реакции мембраны на изменение мощности теплового излучения.
В стационарном состоянии, когда
.
Теплоемкость мембраны определяется через удельную объемную теплоемкость cV, зависящую от тепловых свойств материалов, из которых она изготовлена:
C = cV = cVAth = cAA,
где A – ее площадь, ht – толщина, a cA – удельная теплоемкость на единицу площади.
При регистрации переменного сигнала на частоте f выражение для ΔT можно записать в виде:
,
где ΔPf – соответствующая частотная составляющая мощности теплового излучения, поглощенная мембраной сенсора, w = 2πf.
Это соотношение является общеприменимым для всех тепловых сенсоров, и таким образом первый этап преобразования теплового излучения, заключающийся в нагреве мембраны, идентичен для всех типов тепловых сенсоров. Различия между ними определяются физическими механизмами преобразования разности температур ΔT между подложкой и мембраной в электрический сигнал, что и составляет суть второго этапа преобразования ИК-излучения. Именно эти механизмы оказывают влияние на возможности достижения предельных характеристики тепловых сенсоров в части их чувствительности и быстродействия.
В болометрических сенсорах, использующих терморезистивный эффект, определяют изменение электрического сопротивления термочувствительного слоя под действием теплового излучения. Связь между изменением температуры ΔT и изменением сопротивления болометра ΔRB определяется соотношением:
ΔRB = αΔRBΔT,
где α – температурный коэффициент электрического сопротивления (ТКС). α определяется как:
.
Значение ТКС пленок оксида ванадия обычно находится в диапазоне от –0,02 K–1 до –0,03 K–1.
Для формирования электрического сигнала ΔU болометра необходимо напряжение, смещающее его на величину UB. С учетом этого связь между ΔU и ΔT определяется выражением:
ΔU = αUBΔT.
Важно помнить существенное обстоятельство, связанное с необходимостью электрического смещения болометрического сенсора. Оно состоит в том, что протекание тока через сенсор вызывает его дополнительный разогрев. Выделяемое при разогреве джоулево тепло определяется выражением P = U2B / RB и соответственно индуцированный смещением дополнительный температурный разогрев равен:
.
Элемент площадью S болометрической матрицы схематично представлен на рис. 1.
Мембрана с поглощающим ИК-излучение слоем площадью A подвешена на микроконсолях длиной L и шириной wt, выполнена из теплоизолирующего материала. На поверхности мембраны сформирован терморезистор, токопроводящие шины которого проложены по консолям. Считывание изменений тока терморезистора при нагревании мембраны под действием ИК-излучения осуществляется КМОП ИС. ИС расположена непосредственно на кристалле и соединена с мембраной с помощью индиевых столбчатых контактов.
Несущий диэлектрический слой мембраны и консоли выполнены, например, из нитрида кремния путем вытравливания жертвенного слоя из полиимида или из термического диоксида кремния путем локального травления кремниевой подложки под мембраной.
Здесь и в дальнейшем будем рассматривать элемент с двумя консолями шириной wt, длина каждой из которых равна L. При этом будем считать, что электрическое сопротивление элемента определяется главным образом сопротивлением терморезистивного слоя, а сопротивлением токопроводящих шин можно пренебречь.
С учетом соотношения для увеличения быстродействия необходимо уменьшать теплоемкость и увеличивать теплопроводность структуры. Теплоемкость мембраны определяется ее объемом, а теплопроводность зависит от геометрии и материала консолей.
Уменьшение теплоемкости при заданной площади элемента возможно лишь за счет использования более тонких слоев, входящих в структуру мембраны. Это лимитируется возможностями технологии и ограничениями, вызванными необходимостью обеспечить достаточную прочность структуры. В то же время увеличение теплопроводности можно реализовать достаточно простыми конструктивными решениями (см. рис. 2). На этом пути, однако, надо исходить из того, что уменьшение чувствительности, неизбежно связанное с увеличением теплопроводности, не должно выходить за пределы, определяемые требованиями решаемой с помощью ФПУ задачи. Важно подчеркнуть также, что использование конструктивных возможностей для увеличения быстродействия имеет смысл наряду с поиском технологий и материалов, обеспечивающих максимальные значения ТКС, коэффициента поглощения ИК-излучения и оптимальной для решения конкретных задач спектральной чувствительности элемента.
На рис. 3 представлены графики релаксации теплового сенсора площадью 50 × 50 мкм2 при воздействии на него тепловой мощности ∆P = 2,5 ∙ 10–9 Вт для различных значений теплопроводности консолей.
Из графика видно, что имеется взаимно однозначное соответствие между достижимой чувствительностью сенсора и его быстродействием. Поэтому для каждого конкретного применения при конструировании сенсора выбирается оптимальное соотношение между его чувствительностью и быстродействием. В работах [4, 5] для заданных размеров пиксела матрицы и времени кадра выявлено оптимальное соотношение между площадью мембраны и площадью, занимаемой консолями, которое обеспечивает максимально возможную чувствительность.
Ориентируясь на современные технологические возможности для проведения оценок, были приняты следующие технологические параметры мембраны:
С учетом теплофизических параметров материалов структуры для теплоемкости мембраны получим значение: C = 6 ∙ 10–5 ∙ A [Дж / K], где A выражено в см2.
Для уменьшения теплового сопротивления консолей токопроводящие участки консолей считаем выполненными из VOx с удельной теплопроводностью gt = 0,05 Вт / см·К, тогда для теплопроводности получим:
[Вт / К],
и соответственно для τr получим:
, (2)
где d выражено в см.
На рис. 4 представлена зависимость времени релаксации от шага элементов, определяемая формулой (2).
3. ТКС и электрическое сопротивление терморезистивного материала
Электрическое сопротивление микроболометрического элемента выбирается, исходя из возможности достижения высоких значений ТКС в соответствии с зависимостью ТКС от удельного электрического сопротивления терморезистивного материала и минимизации мощности смещения и шума для достижения низких значений NETD. Взаимосвязь между ТКС и удельным сопротивлением для VOx иллюстрирует рис. 5.
Сопротивление микроболометра с топологией термочувствительного элемента, близкой к квадрату, можно представить в виде:
,
где ht – толщина материала терморезистора, ρt – его удельное электрическое сопротивление. Типичные значения для пленок VOx, используемых в современных болометрах, составляют ρt ≈ 1 Ом · см, ht ≈ 50 нм, что дает для Rt значение ~200 кОм.
4. Чувствительность
Чувствительность микроболометров в составе ОЭС характеризуется эквивалентной шуму разностью температур (NETD – Noise Equivalent Temperature Difference), которая определяется на основе отношения сигнал / шум (SNR) для заданной падающей мощности.
Более высокое значение SNR для конкретного прибора указывает на его лучшую чувствительность. Следовательно, для повышения чувствительности прибора необходимы высокие значения отклика (выходного сигнала) наряду со снижением уровня шума.
Выходной сигнал болометрического сенсора равен:
.
Тогда для NETD справедливо:
,
где Δp/ΔT – изменение облученности в фокальной плоскости матрицы при изменении температуры сцены, которое зависит от параметров объектива и спектра ИК-излучения, Unoise – напряжение шума.
На рис. 6 представлены расчетные зависимости напряжения основных типов шумов в единичной полосе частот [7] для болометрического сенсора с типовыми значениями параметров: T = 300 K, Δf = 30 Гц, TКС α = –2,0%, теплопроводность G = 5,0 · 10–7 Вт / К, время тепловой релаксации τr = 5 мс, коэффициент поглощения η = 0,9, активная площадь сенсора Α = 35 × 35 мкм2 толщиной ht = 100 нм. Приложенное напряжение смещения VB = 1 В.
Видно, что шумовые характеристики болометра в основном определяются джонсоновским шумом. Известное аналитическое выражение для этого типа шума позволяет провести оценки NETD, считая его вклад определяющим.
В этом приближении для NETD получим:
. (3)
Здесь k – константа Больцмана, Δf – полоса частот, зависящая от времени кадра и количества элементов матрицы. Важно отметить также, что значение NETD определяется параметрами материалов, входящими в структуру мембраны, а именно: α, gt и ρB, топологическими размерами сенсора (A, L, wt) и технологическими ограничениями, задающими значение толщины мембранной структуры ht. В составе аппаратуры на значение NETD существенно влияют характеристики оптической системы и условия ее функционирования (фоновая обстановка, тепловые характеристики объектов и др.)
На рис. 7 представлена расчетная зависимость NETD от шага элементов болометрической матрицы, полученная с учетом зависимости полосы частот от времени интегрирования сигналов матрицы . Графики зависимости от шага элементов изображены совместно с аналогичными зависимостями для времен времени релаксации, представленными на рис. 4.
Из рисунка видно, что приемлемые значения NETD (менее 100 мК) при достаточно низких значениях времени тепловой релаксации (менее 2 мс) можно достичь для матриц с шагом элементов 35–40 мкм и таким образом увеличить кадровую частоту по крайней мере до ~200 Гц. При этом не следует увеличивать число элементов матрицы, ограничившись массивом с числом пикселей не более 64 × 64, либо, если критически важно увеличить формат матрицы, то можно реализовать, например, формат 160 × 120 с разбиением на четыре сектора с индивидуальными выходами, не увеличивая полосу частот при считывании сигналов. Такие небольшие форматы матриц, однако, достаточны для ряда специальных применений, в частности, при их использовании в теплопеленгационных ОЭС, работающих с малыми полями зрения, где на первый план выступает необходимость фиксации объектов, перемещающихся в пространстве с высокими скоростями. Необходимо также отметить, что зависимости NETD, представленные на рис. 5, получены в предположении, что изменение поверхностной плотности потока излучения на приемнике при изменении температуры объекта, определяемое в выражении (3) соотношением Δp/Δt, равно:
,
где η – доля поглощаемого мембраной падающего излучения, q – оптический фактор q = Hto / 4, H – светосила, а to – пропускание объектива. При этом принималось, что Н = 1 и to = 1, а для взято значение ≈ 2,62 · 10–4 Вт / см2 ∙ К [8] для диапазона 8–14 мкм. При работе в этом диапазоне с объектами, нагретыми до 600 К, оценка дает значение ≈ 1,7 · 10–3 Вт / см2 ∙ К, что существенно (до 6,5 раз) улучшает возможности тепловой пеленгации таких объектов при высоких кадровых частотах (см. рис. 8). А при регистрации ИК-излучения в более широком спектральном диапазоне можно достичь улучшения более чем на порядок.
При этом, однако, необходимо оптимизировать спектральную чувствительность болометрического сенсора, применяя широкополосное поглощающее покрытие, например золотую чернь [9]. Золотая чернь обладает высоким поглощением в широком спектральном диапазоне (см. рис. 9) и характеризуется низкой теплоемкостью, не влияя при этом на уровень шума и время тепловой релаксации. Как показывают результаты ряда исследований, перспективны также пленки наноматериалов и, в частности, пленки из углеродных нанотрубок [10]. Они характеризуются большой интегральной площадью поверхности и высокой пористостью, обеспечивающей чрезвычайно низкую теплоемкость.
Необходимо также оптимизировать размер интерференционного вакуумного зазора между мембраной и отражающим ИК-излучение слоем на подложке.
5. Возможности использования обработки сигнала
Дополнительные улучшения тактико-технических характеристик ОЭС с болометрическими ФПУ, применяемых в теплопеленгационной аппаратуре, можно реализовать за счет адаптивной обработки сигналов, учитывающей текущее изменение условий регистрации тепловых объектов. Так, при значительных удалениях цели ее тепловое точечное изображение в фокальной плоскости оптической системы смещается с незначительными скоростями, что дает возможность работать с малыми кадровыми частотами.
Болометрическую матрицу, оптимизированную для высоких кадровых частот, можно перевести в малокадровый режим путем суммирования сигналов во внешнем микропроцессоре, подняв тем самым ее чувствительность. Это важно, поскольку при больших удалениях цели тепловые сигналы, поступающие от нее на вход ОЭС, существенно ослаблены. При сближении ОЭС с целью ее угловая скорость увеличивается, и на первый план выступает быстродействие матрицы, рост которой, как видно из предыдущего рассмотрения, достигается за счет некоторого снижения чувствительности. Сниженное значение чувствительности при этом не столь критично, поскольку сигнал от цели становится существенно более высоким.
6. Заключение
В работе рассмотрены теоретические соотношения, оптимизирующие конструкцию микроболометрического элемента матричного детектора, обеспечивающие улучшение его характеристик быстродействия с учетом конкретных применений. Сформулированы требования к параметрам элементов и используемых для его изготовления материалов, которые предоставляют принципиальную возможность минимизации времени тепловой релаксации болометрического сенсора с целью увеличения кадровой частоты матриц.
Найденные закономерности будут применены в производстве микроболометров семейства «Астрон».
АВТОРЫ
Ренат Закирович Хафизов, к.ф.-м.н., начальник исследовательского центра «Болометрические детекторы» АО «ОКБ «Астрон», www.astrohn.com, г. Лыткарино, Моск. обл., Россия.
ORCID: 0000-0002-8319-5901
Вадим Валерьевич Старцев, к.т.н, главный конструктор АО «ОКБ «Астрон»,
www.astrohn.com, г. Лыткарино, Моск. обл., Россия.
ORCID: 0000-0002-2800-544X
Вадим Юрьевич Москвичев, заместитель главного конструктора АО «ОКБ «Астрон», www.astrohn.com, г. Лыткарино, Моск. обл., Россия.
REFERENCES
Tinnes S., Boudou N., Durand A. Ulis Bolometer Improvements for Fast Imaging Applications. OECD Conference Center. Paris. France / 6–8 February. 2018.
RU Patent 2574524C1. High-speed broadband infrared microbolometric detector. 15.12.2014 / Demin S. A., Troshin B. V., Zhukova S. A., Turkov V. E.
ZHukova S. A., Turkov V. E., Demin S. A., Troshin B. V. Mikrobolometricheskij detektor, chuvstvitel’nyj v dvuh spektral’nyh diapazonah. Prikladnaya fizika. 2016; 4: 67–72.
Жукова С. А., Турков В. Е., Демин С. А., Трошин Б. В. Микроболометрический детектор, чувствительный в двух спектральных диапазонах. Прикладная физика. 2016; 4: 67–72.
Fedirko V. A., Hafizov R. Z., Fetisov E. A. Optimal’noe proektirovanie MEMS-elementa priemnika IK izobrazheniya na osnove termopary. Trudy VII Vserossijskoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii «Problemy razrabotki perspektivnyh mikro- i nanoelektronnyh sistem – 2016». – M.: IPPM RAN. 2016; IV: 59–63.
Федирко В. А., Хафизов Р. З., Фетисов Е. А. Оптимальное проектирование МЭМС-элемента приемника ИК изображения на основе термопары. Труды VII Всероссийской научно-технической конференции “Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем – 2016”. – М.: ИППМ РАН. 2016; IV: 59–63.
RU Patent 2681224. Optimized Thermocouple Sensor. 27.12.2017 / Fedirko V. F., Khafizov R. Z.
Kruse P. W., Sktrud D. D. Uncooled Infrared Imaging Arrays and Systems. 1997. Ser. Semiconductors and Semimetals. Vol. 47. ISBN: 9780080864440.
Smith E. M. Vanadium Oxide Microbolometers with Patterned Gold Black or Plasmonic Resonant. Electronic Theses and Dissertations. 2004–2019. URL: https://stars.library.ucf.edu/etd/1404.
Lloyd J. M. Thermal imaging system. – M.: Mir. 1978. (In Russ.)
Smith E. M. et al.Enhanced performance of VOx-based bolometer using patterned gold black absorber. Proceedings of SPIE. 2015; 9451: 94511I‑1-94511I‑7. doi: 10.1117/12.2177401.
Mizuno K., Ishii J., Kishida H., Hayamizu Y., Yasuda S., Futaba D. N., Yumura M., Hata K. A black body absorber from vertically aligned single-walled carbon nanotubes. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2009;106:6044–6047. doi.org/10.1073/pnas.0900155106.
Р. З. Хафизов, В. В. Старцев, В. Ю. Москвичев
АО «ОКБ «Астрон», г. Лыткарино, Моск. обл., Россия
В статье представлены результаты исследования возможностей уменьшения времени отклика (постоянной времени тепловой релаксации) на тепловое воздействие болометрического сенсора. Анализ проведен в рамках общепринятой теории поглощения ИК-излучения и теплофизических процессов, протекающих в мембранных МЭМС-структурах. Представлены результаты аналитических оценок, оптимизирующие конструкцию микроболометрического элемента матричного детектора для улучшения его характеристик быстродействия с учетом требований конкретных применений. Выявленные закономерности будут применены в производстве микроболометров семейства «Астрон».
Ключевые слова: микроболометры, неохлаждаемые микроболометрические ФПУ, пеленгация быстродвижущихся тепловых объектов, оксид ванадия
Статья получена: 21.06.2021
Статья принята: 05.08.2021
ВВЕДЕНИЕ
Степень интеграции и чувствительность современных болометрических детекторов достигли значений, характерных для аналогичных фотонных приборов. По сравнению с фотонными детекторами болометры обеспечивают поглощение энергии в более широком спектральном диапазоне, могут работать без охлаждения, и они весьма привлекательны по стоимости и энергопотреблению. Вместе с тем они существенно уступают фотонным детекторам по быстродействию. Сегодня ведущими технологическими компаниями проводятся работы по развитию неохлаждаемых болометрическихматричных детекторов для применений, где требуется фиксация быстроизменяющихся событий [1–3], например для использования в оптико-электронных системах (ОЭС) для пеленгации быстродвижущихся тепловых объектов.
Настоящая статья посвящена определению основных характеристик чувствительных микроболометрических структур, разработка которых ведется в АО «ОКБ «Астрон». Рассмотрены возможности оптимизации параметров и характеристик матричных неохлаждаемых микроболометрических фотоприемных устройств (ФПУ) (англ. − Uncooled Microbolometric Focal Plane Arrays), определены конструктивные и технологические решения по их разработке, направленные на реализацию требований по функционированию перспективных ОЭС.
1. Электрофизические, тепловые и конструктивно-технологические параметры микроболометрического сенсора – постановка задачи
Микроболометр – это микроэлектромеханический сенсор (МЭМС), чувствительный к тепловому излучению и изготовленный с использованием методов микрообработки кремния. Важнейшее преимущество процессов изготовления МЭМС-структур состоит в том, что они приемлемо вписываются в стандартную КМОП кремниевую технологию. Основной элемент сенсора – тонкая диэлектрическая мембрана, на которую нанесен активный терморезистивный слой. В результате вытравливания жертвенного слоя, расположенного под мембраной, она вывешивается над поверхностью подложки. С подложкой она соединяется узкими опорными микроконсолями, которые определяют и контролируют тепловую проводимость сенсора. Обладая малой тепловой массой, мембрана способна быстро нагреваться под действием ИК-излучения. С целью повышения чувствительности структуры на мембрану наносят покрытие, эффективно поглощающее ИК-излучение.
Применение секторальных (локализованных в определенных секторах матрицы) поглощающих покрытий предполагает возможность изготовления мультиспектральных микроболометрических сенсоров.
Целый ряд факторов определяет параметры микроболометрического сенсора в составе приемника ИК-изображения, а именно:
- температурный коэффициент сопротивления (ТКС) α активного слоя;
- коэффициент поглощения η ИК-излучения;
- площадь сенсора S, включающая в себя площадь чувствительной мембраны A и площадь Sc, занимаемую консолями, S = A + Sc;
- теплоемкость мембраны C (включая поглощающее покрытие), равную C = cA, где c – теплоемкость мембраны на единицу площади;
- теплопроводность консолей G, определяемая прежде всего тепловой проводимостью консолей;
- электрическое сопротивление сенсора R;
- время тепловой релаксации сенсора τr;
- время кадра τf матричного детектора, определяемое через время тепловой релаксации сенсора τr как τf = πτr.
Перечисленные параметры находятся в тесной взаимосвязи друг с другом, оказывая влияние на чувствительность сенсора.
При конструировании матричного болометрического приемника изображения в качестве основных задаются следующие характеристики: количество N и шаг d следования элементов матрицы, определяющие требуемое пространственное разрешение, время кадра τf, задающее временнóе разрешение, и чувствительность в терминах эквивалентной шуму разности температур (NETD – Noise Equivalent Temperature Difference) прибора. Количество элементов матрицы при определенном размере ее чувствительного массива ограничивает максимальную площадь ячейки и соответственно площадь A ее активной части. Требуемое для конкретных применений быстродействие детектора накладывает ограничение сверху на время тепловой релаксации детектора излучения τr.
Величина, на которую активная часть пленочной структуры изменяет свое сопротивление при нагреве, зависит от температурного коэффициента удельного сопротивления материала (ТКС). Обеспечение высокого значения ТКС необходимо для достижения высокой чувствительности сенсора. Активный слой также характеризуется удельным электрическим сопротивлением ρ, которое желательно оптимизировать для достижения, с одной стороны, максимального ТКС, а с другой, – не сильно увеличивать для минимизации шума.
Одним из наиболее широко используемых материалов для формирования активных терморезистивных пленок в современных микроболометрах является оксид ванадия VOx. Он обладает довольно низким удельным электрическим сопротивлением, при этом достаточно высоким и стабильным ТКC (пленки не подвержены гистерезисным явлениям при изменении температуры). Вместе с тем в настоящее время ведутся интенсивные исследования по поиску новых материалов, поскольку для реализации терморезистивных пленок на основе VOx требуются достаточно сложные технологические процессы, освоение которых вызывает существенные трудности.
2. Теплофизический анализ
Преобразование ИК-излучения в тепловых сенсорах в отличие от квантовых аналогов происходит в два этапа. Сначала происходит нагрев мембраны, а затем образующаяся вследствие этого разность температур ΔT между подложкой и мембраной конвертируется в сигнал, несущий информацию об интенсивности излучения. Разность температур ΔT, возникающая в результате поглощения мембраной ИК-излучения, определяется тепловым балансом между поглощенной тепловой энергией и потерями тепла, связанными с теплопроводностью консолей.
Уравнение теплового баланса выглядит следующим образом:
, (1)
где C – теплоемкость мембраны [Дж / K], ΔP(t) – изменение мощности теплового излучения [Вт] в плоскости детектора, η – коэффициент поглощения ИК-излучения, а ΔT – изменение температуры между детектором и теплоотводом (подложкой). G – теплопроводность консолей [Вт / K]. Реакцию температуры мембраны на резко возрастающее изменение мощности излучения можно определить интегрированием уравнения (1) с учетом граничного условия t = 0, ΔT = 0. Результатом этого интегрирования является выражение:
,
где – постоянная времени, характеризующая время реакции мембраны на изменение мощности теплового излучения.
В стационарном состоянии, когда
.
Теплоемкость мембраны определяется через удельную объемную теплоемкость cV, зависящую от тепловых свойств материалов, из которых она изготовлена:
C = cV = cVAth = cAA,
где A – ее площадь, ht – толщина, a cA – удельная теплоемкость на единицу площади.
При регистрации переменного сигнала на частоте f выражение для ΔT можно записать в виде:
,
где ΔPf – соответствующая частотная составляющая мощности теплового излучения, поглощенная мембраной сенсора, w = 2πf.
Это соотношение является общеприменимым для всех тепловых сенсоров, и таким образом первый этап преобразования теплового излучения, заключающийся в нагреве мембраны, идентичен для всех типов тепловых сенсоров. Различия между ними определяются физическими механизмами преобразования разности температур ΔT между подложкой и мембраной в электрический сигнал, что и составляет суть второго этапа преобразования ИК-излучения. Именно эти механизмы оказывают влияние на возможности достижения предельных характеристики тепловых сенсоров в части их чувствительности и быстродействия.
В болометрических сенсорах, использующих терморезистивный эффект, определяют изменение электрического сопротивления термочувствительного слоя под действием теплового излучения. Связь между изменением температуры ΔT и изменением сопротивления болометра ΔRB определяется соотношением:
ΔRB = αΔRBΔT,
где α – температурный коэффициент электрического сопротивления (ТКС). α определяется как:
.
Значение ТКС пленок оксида ванадия обычно находится в диапазоне от –0,02 K–1 до –0,03 K–1.
Для формирования электрического сигнала ΔU болометра необходимо напряжение, смещающее его на величину UB. С учетом этого связь между ΔU и ΔT определяется выражением:
ΔU = αUBΔT.
Важно помнить существенное обстоятельство, связанное с необходимостью электрического смещения болометрического сенсора. Оно состоит в том, что протекание тока через сенсор вызывает его дополнительный разогрев. Выделяемое при разогреве джоулево тепло определяется выражением P = U2B / RB и соответственно индуцированный смещением дополнительный температурный разогрев равен:
.
Элемент площадью S болометрической матрицы схематично представлен на рис. 1.
Мембрана с поглощающим ИК-излучение слоем площадью A подвешена на микроконсолях длиной L и шириной wt, выполнена из теплоизолирующего материала. На поверхности мембраны сформирован терморезистор, токопроводящие шины которого проложены по консолям. Считывание изменений тока терморезистора при нагревании мембраны под действием ИК-излучения осуществляется КМОП ИС. ИС расположена непосредственно на кристалле и соединена с мембраной с помощью индиевых столбчатых контактов.
Несущий диэлектрический слой мембраны и консоли выполнены, например, из нитрида кремния путем вытравливания жертвенного слоя из полиимида или из термического диоксида кремния путем локального травления кремниевой подложки под мембраной.
Здесь и в дальнейшем будем рассматривать элемент с двумя консолями шириной wt, длина каждой из которых равна L. При этом будем считать, что электрическое сопротивление элемента определяется главным образом сопротивлением терморезистивного слоя, а сопротивлением токопроводящих шин можно пренебречь.
С учетом соотношения для увеличения быстродействия необходимо уменьшать теплоемкость и увеличивать теплопроводность структуры. Теплоемкость мембраны определяется ее объемом, а теплопроводность зависит от геометрии и материала консолей.
Уменьшение теплоемкости при заданной площади элемента возможно лишь за счет использования более тонких слоев, входящих в структуру мембраны. Это лимитируется возможностями технологии и ограничениями, вызванными необходимостью обеспечить достаточную прочность структуры. В то же время увеличение теплопроводности можно реализовать достаточно простыми конструктивными решениями (см. рис. 2). На этом пути, однако, надо исходить из того, что уменьшение чувствительности, неизбежно связанное с увеличением теплопроводности, не должно выходить за пределы, определяемые требованиями решаемой с помощью ФПУ задачи. Важно подчеркнуть также, что использование конструктивных возможностей для увеличения быстродействия имеет смысл наряду с поиском технологий и материалов, обеспечивающих максимальные значения ТКС, коэффициента поглощения ИК-излучения и оптимальной для решения конкретных задач спектральной чувствительности элемента.
На рис. 3 представлены графики релаксации теплового сенсора площадью 50 × 50 мкм2 при воздействии на него тепловой мощности ∆P = 2,5 ∙ 10–9 Вт для различных значений теплопроводности консолей.
Из графика видно, что имеется взаимно однозначное соответствие между достижимой чувствительностью сенсора и его быстродействием. Поэтому для каждого конкретного применения при конструировании сенсора выбирается оптимальное соотношение между его чувствительностью и быстродействием. В работах [4, 5] для заданных размеров пиксела матрицы и времени кадра выявлено оптимальное соотношение между площадью мембраны и площадью, занимаемой консолями, которое обеспечивает максимально возможную чувствительность.
Ориентируясь на современные технологические возможности для проведения оценок, были приняты следующие технологические параметры мембраны:
- несущий слой Si3N4 толщиной 150 нм,
- терморезистивный слой VOx толщиной 50 нм,
- защитный слой SiO2 толщиной 100 нм,
- слой поглощающего материала толщиной 10 нм.
С учетом теплофизических параметров материалов структуры для теплоемкости мембраны получим значение: C = 6 ∙ 10–5 ∙ A [Дж / K], где A выражено в см2.
Для уменьшения теплового сопротивления консолей токопроводящие участки консолей считаем выполненными из VOx с удельной теплопроводностью gt = 0,05 Вт / см·К, тогда для теплопроводности получим:
[Вт / К],
и соответственно для τr получим:
, (2)
где d выражено в см.
На рис. 4 представлена зависимость времени релаксации от шага элементов, определяемая формулой (2).
3. ТКС и электрическое сопротивление терморезистивного материала
Электрическое сопротивление микроболометрического элемента выбирается, исходя из возможности достижения высоких значений ТКС в соответствии с зависимостью ТКС от удельного электрического сопротивления терморезистивного материала и минимизации мощности смещения и шума для достижения низких значений NETD. Взаимосвязь между ТКС и удельным сопротивлением для VOx иллюстрирует рис. 5.
Сопротивление микроболометра с топологией термочувствительного элемента, близкой к квадрату, можно представить в виде:
,
где ht – толщина материала терморезистора, ρt – его удельное электрическое сопротивление. Типичные значения для пленок VOx, используемых в современных болометрах, составляют ρt ≈ 1 Ом · см, ht ≈ 50 нм, что дает для Rt значение ~200 кОм.
4. Чувствительность
Чувствительность микроболометров в составе ОЭС характеризуется эквивалентной шуму разностью температур (NETD – Noise Equivalent Temperature Difference), которая определяется на основе отношения сигнал / шум (SNR) для заданной падающей мощности.
Более высокое значение SNR для конкретного прибора указывает на его лучшую чувствительность. Следовательно, для повышения чувствительности прибора необходимы высокие значения отклика (выходного сигнала) наряду со снижением уровня шума.
Выходной сигнал болометрического сенсора равен:
.
Тогда для NETD справедливо:
,
где Δp/ΔT – изменение облученности в фокальной плоскости матрицы при изменении температуры сцены, которое зависит от параметров объектива и спектра ИК-излучения, Unoise – напряжение шума.
На рис. 6 представлены расчетные зависимости напряжения основных типов шумов в единичной полосе частот [7] для болометрического сенсора с типовыми значениями параметров: T = 300 K, Δf = 30 Гц, TКС α = –2,0%, теплопроводность G = 5,0 · 10–7 Вт / К, время тепловой релаксации τr = 5 мс, коэффициент поглощения η = 0,9, активная площадь сенсора Α = 35 × 35 мкм2 толщиной ht = 100 нм. Приложенное напряжение смещения VB = 1 В.
Видно, что шумовые характеристики болометра в основном определяются джонсоновским шумом. Известное аналитическое выражение для этого типа шума позволяет провести оценки NETD, считая его вклад определяющим.
В этом приближении для NETD получим:
. (3)
Здесь k – константа Больцмана, Δf – полоса частот, зависящая от времени кадра и количества элементов матрицы. Важно отметить также, что значение NETD определяется параметрами материалов, входящими в структуру мембраны, а именно: α, gt и ρB, топологическими размерами сенсора (A, L, wt) и технологическими ограничениями, задающими значение толщины мембранной структуры ht. В составе аппаратуры на значение NETD существенно влияют характеристики оптической системы и условия ее функционирования (фоновая обстановка, тепловые характеристики объектов и др.)
На рис. 7 представлена расчетная зависимость NETD от шага элементов болометрической матрицы, полученная с учетом зависимости полосы частот от времени интегрирования сигналов матрицы . Графики зависимости от шага элементов изображены совместно с аналогичными зависимостями для времен времени релаксации, представленными на рис. 4.
Из рисунка видно, что приемлемые значения NETD (менее 100 мК) при достаточно низких значениях времени тепловой релаксации (менее 2 мс) можно достичь для матриц с шагом элементов 35–40 мкм и таким образом увеличить кадровую частоту по крайней мере до ~200 Гц. При этом не следует увеличивать число элементов матрицы, ограничившись массивом с числом пикселей не более 64 × 64, либо, если критически важно увеличить формат матрицы, то можно реализовать, например, формат 160 × 120 с разбиением на четыре сектора с индивидуальными выходами, не увеличивая полосу частот при считывании сигналов. Такие небольшие форматы матриц, однако, достаточны для ряда специальных применений, в частности, при их использовании в теплопеленгационных ОЭС, работающих с малыми полями зрения, где на первый план выступает необходимость фиксации объектов, перемещающихся в пространстве с высокими скоростями. Необходимо также отметить, что зависимости NETD, представленные на рис. 5, получены в предположении, что изменение поверхностной плотности потока излучения на приемнике при изменении температуры объекта, определяемое в выражении (3) соотношением Δp/Δt, равно:
,
где η – доля поглощаемого мембраной падающего излучения, q – оптический фактор q = Hto / 4, H – светосила, а to – пропускание объектива. При этом принималось, что Н = 1 и to = 1, а для взято значение ≈ 2,62 · 10–4 Вт / см2 ∙ К [8] для диапазона 8–14 мкм. При работе в этом диапазоне с объектами, нагретыми до 600 К, оценка дает значение ≈ 1,7 · 10–3 Вт / см2 ∙ К, что существенно (до 6,5 раз) улучшает возможности тепловой пеленгации таких объектов при высоких кадровых частотах (см. рис. 8). А при регистрации ИК-излучения в более широком спектральном диапазоне можно достичь улучшения более чем на порядок.
При этом, однако, необходимо оптимизировать спектральную чувствительность болометрического сенсора, применяя широкополосное поглощающее покрытие, например золотую чернь [9]. Золотая чернь обладает высоким поглощением в широком спектральном диапазоне (см. рис. 9) и характеризуется низкой теплоемкостью, не влияя при этом на уровень шума и время тепловой релаксации. Как показывают результаты ряда исследований, перспективны также пленки наноматериалов и, в частности, пленки из углеродных нанотрубок [10]. Они характеризуются большой интегральной площадью поверхности и высокой пористостью, обеспечивающей чрезвычайно низкую теплоемкость.
Необходимо также оптимизировать размер интерференционного вакуумного зазора между мембраной и отражающим ИК-излучение слоем на подложке.
5. Возможности использования обработки сигнала
Дополнительные улучшения тактико-технических характеристик ОЭС с болометрическими ФПУ, применяемых в теплопеленгационной аппаратуре, можно реализовать за счет адаптивной обработки сигналов, учитывающей текущее изменение условий регистрации тепловых объектов. Так, при значительных удалениях цели ее тепловое точечное изображение в фокальной плоскости оптической системы смещается с незначительными скоростями, что дает возможность работать с малыми кадровыми частотами.
Болометрическую матрицу, оптимизированную для высоких кадровых частот, можно перевести в малокадровый режим путем суммирования сигналов во внешнем микропроцессоре, подняв тем самым ее чувствительность. Это важно, поскольку при больших удалениях цели тепловые сигналы, поступающие от нее на вход ОЭС, существенно ослаблены. При сближении ОЭС с целью ее угловая скорость увеличивается, и на первый план выступает быстродействие матрицы, рост которой, как видно из предыдущего рассмотрения, достигается за счет некоторого снижения чувствительности. Сниженное значение чувствительности при этом не столь критично, поскольку сигнал от цели становится существенно более высоким.
6. Заключение
В работе рассмотрены теоретические соотношения, оптимизирующие конструкцию микроболометрического элемента матричного детектора, обеспечивающие улучшение его характеристик быстродействия с учетом конкретных применений. Сформулированы требования к параметрам элементов и используемых для его изготовления материалов, которые предоставляют принципиальную возможность минимизации времени тепловой релаксации болометрического сенсора с целью увеличения кадровой частоты матриц.
Найденные закономерности будут применены в производстве микроболометров семейства «Астрон».
АВТОРЫ
Ренат Закирович Хафизов, к.ф.-м.н., начальник исследовательского центра «Болометрические детекторы» АО «ОКБ «Астрон», www.astrohn.com, г. Лыткарино, Моск. обл., Россия.
ORCID: 0000-0002-8319-5901
Вадим Валерьевич Старцев, к.т.н, главный конструктор АО «ОКБ «Астрон»,
www.astrohn.com, г. Лыткарино, Моск. обл., Россия.
ORCID: 0000-0002-2800-544X
Вадим Юрьевич Москвичев, заместитель главного конструктора АО «ОКБ «Астрон», www.astrohn.com, г. Лыткарино, Моск. обл., Россия.
REFERENCES
Tinnes S., Boudou N., Durand A. Ulis Bolometer Improvements for Fast Imaging Applications. OECD Conference Center. Paris. France / 6–8 February. 2018.
RU Patent 2574524C1. High-speed broadband infrared microbolometric detector. 15.12.2014 / Demin S. A., Troshin B. V., Zhukova S. A., Turkov V. E.
ZHukova S. A., Turkov V. E., Demin S. A., Troshin B. V. Mikrobolometricheskij detektor, chuvstvitel’nyj v dvuh spektral’nyh diapazonah. Prikladnaya fizika. 2016; 4: 67–72.
Жукова С. А., Турков В. Е., Демин С. А., Трошин Б. В. Микроболометрический детектор, чувствительный в двух спектральных диапазонах. Прикладная физика. 2016; 4: 67–72.
Fedirko V. A., Hafizov R. Z., Fetisov E. A. Optimal’noe proektirovanie MEMS-elementa priemnika IK izobrazheniya na osnove termopary. Trudy VII Vserossijskoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii «Problemy razrabotki perspektivnyh mikro- i nanoelektronnyh sistem – 2016». – M.: IPPM RAN. 2016; IV: 59–63.
Федирко В. А., Хафизов Р. З., Фетисов Е. А. Оптимальное проектирование МЭМС-элемента приемника ИК изображения на основе термопары. Труды VII Всероссийской научно-технической конференции “Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем – 2016”. – М.: ИППМ РАН. 2016; IV: 59–63.
RU Patent 2681224. Optimized Thermocouple Sensor. 27.12.2017 / Fedirko V. F., Khafizov R. Z.
Kruse P. W., Sktrud D. D. Uncooled Infrared Imaging Arrays and Systems. 1997. Ser. Semiconductors and Semimetals. Vol. 47. ISBN: 9780080864440.
Smith E. M. Vanadium Oxide Microbolometers with Patterned Gold Black or Plasmonic Resonant. Electronic Theses and Dissertations. 2004–2019. URL: https://stars.library.ucf.edu/etd/1404.
Lloyd J. M. Thermal imaging system. – M.: Mir. 1978. (In Russ.)
Smith E. M. et al.Enhanced performance of VOx-based bolometer using patterned gold black absorber. Proceedings of SPIE. 2015; 9451: 94511I‑1-94511I‑7. doi: 10.1117/12.2177401.
Mizuno K., Ishii J., Kishida H., Hayamizu Y., Yasuda S., Futaba D. N., Yumura M., Hata K. A black body absorber from vertically aligned single-walled carbon nanotubes. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2009;106:6044–6047. doi.org/10.1073/pnas.0900155106.
Отзывы читателей
