Неохлаждаемые матричные микроболометрические приемники инфракрасного излучения находят все более широкое применение в различных областях человеческой деятельности. Компания ОКБ «АСТРОН» обладает полным циклом изготовления и работает над постоянным улучшением технических и потребительских характеристик.
Матричный микроболометрический приемник является тепловым приемником. Конструкция единичного элемента матрицы схематично показана на рис.1
Рис.1 Схематическое изображение единичного болометрического приемника (пикселя)
Излучение регистрируется при накоплении в объёме приёмника тепла от воздействия энергии излучения за время кадра. Для этого чувствительный элемент максимально теплоизолируется от подложки. Теплоизоляция достигается за счёт «подвешивания» в вакууме чувствительного элемента на тонких микробалках. При этом используется технологии MEMS, которая базируется на глубоком и сухом травлении кремния с применением «жертвенных» слоёв. На поверхности, созданных таким путём мембранных конструкций толщиной менее 1 мкм, удерживаемых над подложкой на расстоянии ~2 мкм с помощью пары микробалок (поддерживающих консолей), размещается фоточувствительный элемент — тонкоплёночная структура. Иными словами, детектор «Астрона» выполняется в виде подвешенной мембраны, которая содержит тонкий (обычно от 0,1 до 1 мкм) слой термочувствительного болометрического материала (оксида ванадия), два электрода, “поглотитель” и отражатель. «Поглотитель” – это один или более слоев, или комбинаций слоев, функцией которых является захват электромагнитного излучения для превращения его в тепло внутри структуры. Точный состав и технология изготовления «поглотителя» являются «ноу-хау» «Астрона».
Основные технологические этапы формирования подвешенного микромостика показаны на рис 2.
Рис.2 Последовательность операций для изготовления единичного болометрического приемника
Эти операции выполняются на предприятии-партнере – компании «Маппер» (г. Москва) по технологии, разработанной совместно «Астроном» и сотрудниками «Маппера».
Такие болометры используются ОКБ «АСТРОН» для создания неохлаждаемых матричных фотоприёмных устройств (МФПУ) на основе микроболометров. МФПУ представляет собой микросхему, объединяющую на одном кристалле матрицу из термочувствительных элементов (пикселей) и схему обработки сигналов, преобразующую изменения сопротивления в выходное напряжение и компенсирующую фоновое излучение. Пример построения считывающей схемы микроболометра изображен на рис. 3.
Рис.3 Пример построения считывающей схемы
Сопротивление преобразуется в пропорциональный ток с помощью схемы с общим затвором на n-канальном МОП-транзисторе. Для компенсации неинформативной составляющей используется комплементарный каскад – схема с общим затвором на p-канальном МОП-транзисторе. Таким образом матричный микроболометрический приемник представляет собой массив фоточувствительных микроболометров мостикового типа, изготовленных интегральным способом на кремниевом кристалле, в котором уже выполнена схема считывания сигналов (мультиплексор). Мультиплексор выполняется на специализированных фабриках по изготовлению электронных схем в Зеленограде, Минске (Белоруссия) и проч. по чертежам ОКБ «АСТРОН».
Устройство, содержащее матрицу элементарных детекторов и связанную с ней схему считывания данных, на «Астроне» размещают в корпусе и соединяют, электрически с внешним окружением, используя металлические проводники и контакты. Атмосферу внутри такого корпуса откачивают, чтобы ограничить тепловые потери. Оригинальный корпус детектора конструкции «Астрона» также имеет германиевое окно, прозрачное для детектируемого излучения. Корпуса изготовлены в В. Новгороде АО «Старт» по чертежам и технологии ОКБ «АСТРОН» из вакуумплотной керамики ВК-94.
Таким образом, матричное микроболометрическое ФПУ (МФПУ) формата 640х480, 320×240 с шагом 25,17,12 мкм, производимое «Астроном», состоит из матричного микроболометрического приемника, малогабаритного вакуумного корпуса с просветленным германиевым окном, газопоглотителя (геттера), термоэлектрического охладителя и транзисторного датчика температуры, необходимых для стабилизации температуры датчика.
Рис.4 Схематическое изображение массива пикселей в МФПУ
Большая часть операций (изготовление и просветление германиевого окна, керамического корпуса, разделение пластины на элементы, распайка, корпусирование и прочее) выполняется на ОКБ «АСТРОН». Часть операций – изготовление «мостиковой структуры» изготовление считывающей схемы) – выполняется на предприятиях-партнерах по технологии, разработанной «Астроном».
Далее следуют операции, выполняемые исключительно ОКБ «АСТРОН».
Рис.5 Нанесение защитного покрытия
Рис.6 Установка монтажа на пленку носитель
Рис.7 Дисковая резка
Рис.8 Пайка контактов кристалла на корпус
Рис.9 Вакуумная пайка германиевого окна
Отдельная и самая важная операция – это тестирование полученных модулей. Эти операции выполняются только ОКБ «АСТРОН».
