Микроболометр в двух спектральных диапазонах
Фотоприемное устройство (ФПУ) является «сердцем» любого тепловизионного прибора и определяет его основные тактико-технические характеристики. Принцип работы тепловых детекторов основан на изменении электрических характеристик материала приемника за счет энергии поглощенного теплового излучения. За последние три десятилетия достигнут значительный прогресс в создании неохлаждаемых тепловых детекторов инфракрасного диапазона, которые приблизились по характеристикам к фотонным детекторам при значительно меньшей стоимости. Одним из активно разрабатываемых типов тепловых детекторов являются микроболометры.
Необходимость разработки и серийного производства отечественных тепловизионных ФПУ стала особенно актуальной после запрета их поставок из-за рубежа. Решить эту задачу взялось предприятие АО «ОКБ «АСТРОН». В 2016 г. было освоено производство микроболометрических детекторов в корпусах из вакуумплотной отечественной керамики ВК-94. За счет новой топологии мультиплексоров удалось существенно увеличить чувствительность ФПУ (до 40 мК) и начать серийное производство микроболометров, работающих в традиционном диапазоне 8-14 мкм. С 2016 г. все тепловизионные приборы для систем безопасности изготавливаются на предприятии на основе микроболометрических детекторов собственного производства Астрон-38425-1 и Астрон-64025-1 с размером чувствительных элементов матрицы 25 мкм. В 2017 г. начат выпуск чувствительного элемента 17 мкм.
Следующим шагом стала разработка специалистами АО «ОКБ «АСТРОН» микроболометрического детектора, чувствительного в двух спектральных диапазонах 3-5 мкм и 8-14 мкм. Для создания микроболометра, работающего в двух диапазонах, требуется уменьшить толщину слоев нитрида кремния и оксида ванадия. Это позволит ограничить величину теплоемкости пикселя, а также увеличить его быстродействие. При уменьшении толщины слоев нитрида кремния и оксида ванадия коэффициенты уравниваются, достигается равномерность поглощения, повышается быстродействие микроболометра. Разработанный микроболометрический детектор конструктивно представляет собой массив пикселей, размещенный на подложке. На подложке сформирована схема управления и считывания показаний пикселей. Пиксель же, представляет собой мембрану, находящуюся в подвешенном состоянии над подложкой на ножках. Под мембраной расположен сам отражатель. Мембрана содержит три тонких слоя. Первый слой – это нитрид кремния. Второй слой из оксида ванадия детектирует попадающие излучения. Третий поглощающий ИК-излучение слой выполнен из металлов V-VI групп. Расстояние от мембраны до отражателя примерно 1,0-2,8 мкм, а точное значение зазора определяется по результатам оптического расчета на требуемый диапазон поглощения. Что бы предотвратить потери тепла за счёт теплопроводности окружающего газа – массив пикселей вакуумируется и герметизируется в корпусе. Сам корпус имеет окно, прозрачное только для детектируемого излучения.
Если изменять толщины составляющих слоев мембраны микроболометрического детектора и величину зазора между мембраной и отражателем, можно получить требуемые характеристики поглощения микроболометрического детектора в диапазонах 3-5 мкм и 8-14 мкм. При прерывании потока излучения на болометр мембрана пикселя быстро остывает за счет ее низкой теплоемкости. Это способствует нормальной работе пикселя без применения специального охлаждения. При хорошей работе охлаждения повышается и быстродействие работы пикселей. За счёт неоднородности поглощения пикселем по всему спектральному диапазону искажение изображения будет минимальным.
Технология, разработанная в лаборатории АО «ОКБ «АСТРОН» позволяет обрабатывать пластины от 25 до 150 мм. Имеются все технологические процессы для изготовления микроболометрических матриц. Линейные размеры микроэлементов составляет от 0,6 мкм, а размеры наноэлементов составляют 10 нм. Для изготовления микроболометрических детекторов используются хорошо известные в микроэлектроники операции последовательного осаждения пленок, фотолитографии и последовательного травления. Специалистами лаборатории АО «ОКБ «АСТРОН» разработан технологический маршрут для создания микроболометрических матриц и модулей. Методами исследования поглощения в области 3-14 мкм являются: инфракрасная спектроскопия, зондовый микроскоп и оптический профилометр.
На данный момент специалистам АО «ОКБ «АСТРОН» удалось разработать конструкцию пикселя микроболометрического детектора, имеющего равные коэффициенты поглощения в двух спектральных диапазонах – 3-5 мкм и 8-14 мкм, увеличить быстродействие за счёт снижения теплоемкости пикселя путем уменьшения толщины составляющих слоев, увеличить поглощение используя в качестве поглотителя ИК-излучения нано-размерные пленки из металлов V-VI групп, достичь высокой для неохлаждаемого детектора температурной чувствительности < 25 мК.
Планируется, что АО «ОКБ «АСТРОН» в 2018 году выпустит первый в России микроболометр, способный работать в двух спектрах (3-5 мкм и 8-14 мкм), а затем и первый в России модуль для двух спектров ИК-изображения 3-5 мкм 8-14 мкм.
