Detectores infrarrojos

¿Qué son los detectores infrarrojos?

Un detector infrarrojo no es más que un transductor de energía radiante, que convierte energía radiante en el campo infrarrojo en un formato que puede medirse. Los detectores infrarrojos pueden utilizarse para una variedad de aplicacionesen los campos militar, científico, industrial, médico, de seguridad y automotriz. Debido a que la radiación infrarroja no necesita de la luz visible, ofrece la posibilidad de ver en la oscuridad o a través de condiciones de poca luz, al detectar la energía infrarroja emitida por los objetos. La energía detectada se transforma en imágenes que muestran las diferencias de energía entre los objetos, lo que permite ver escenas que de otra manera estarían envueltas en la oscuridad.

Gracias a la luz infrarroja, mundo revela características que no pueden percibirse con la luz visible ordinaria. Es posible ver fácilmente a personas y animales en situaciones de total oscuridad, determinar puntos débiles en estructuras, los componentes a punto de fallar brillan con más intensidad, y se mejora la visibilidad en condiciones adversas, por ejemplo, humo o niebla.

Formato de los detectores de infrarrojos

Los detectores infrarrojos están disponibles como detectores de un único elemento en formatos circular, rectangular, cruciforme y de otros tipos para sistemas reticulares, como conjuntos lineales y como conjuntos de plano focal 2D.

Los detectores infrarrojos de un único elemento normalmente son dispositivos con iluminación frontal y conexión de cable. Los conjuntos lineales y 2D pueden fabricarse con una variedad de arquitecturas de dispositivos y salidas de señal.

La primera generación de conjuntos lineales generalmente tenía iluminación frontal, y la señal de salida del detector estaba conectada por cable a cada elemento del conjunto. La señal de cada elemento se sacaba del envase al vacío y se conectaba a un preamplificador individual de temperatura ambiente antes de integrarse a la pantalla del sistema de imágenes. Los ajustes de ganancia generalmente se realizaban en el circuito preamplificador. Este enfoque limitaba la primera generación de conjuntos lineales a menos de 200 elementos.

La segunda generación de conjuntos, tanto lineales como 2D, frecuentemente tienen sistemas de retroiluminación a través de un sustrato transparente. En la gráfica a continuación se muestran varias arquitecturas alternativas de plano focal.

La figura (a) ilustra un conjunto de detectores con conexión eléctrica directa a un conjunto de preamplificadores y/o interruptores, llamado circuito lector. La conexión eléctrica se realiza con "gránulos" de indio, los cuales brindan una interconexión metálica maleable para cada píxel. Este arreglo, al que comúnmente se hace referencia como "híbrido directo", facilita la interconexión de grandes cantidades de píxeles a preamplificadores individuales asociados con multiplexores en filas y columnas.

Las configuraciones híbridas indirectas (b) pueden utilizarse con conjuntos lineales grandes para asociar el detector con un sustrato que tenga coeficiente térmico de expansión similar. Estos híbridos también pueden usarse para hibridación serial, lo que hace posible probar el detector antes de instalar el circuito lector, y/o acomodar las celdas unitarias del circuito lector que tengan mayores dimensiones que la célula unitaria del detector, lo que aumenta la capacidad de almacenamiento de carga y, en consecuencia, amplía el rango dinámico. Los circuitos lectores y detectores están interconectados eléctricamente en una barra metálica sobre un sustrato de distribución.

Los conjuntos de detectores monolíticos(c) tienen funciones de detección y lectura integradas. En general, en estos conjuntos, los elementos electrónicos que procesan las señales de control y mando están al lado del conjunto de detectores, no por debajo. En este caso, los circuitos de procesamiento de señales pueden conectarse al detector mediante el procedimiento de wire bonding. En la configuración monolítica no es necesario que los circuitos de procesamiento de señales estén sobre el mismo sustrato que el detector/circuito lector (como se muestra la figura) o a la misma temperatura que el detector. Los conjuntos de detectores monolíticos PtSi pueden fabricarse con un dispositivo de procesamiento de señales en la periferia del chip del detector/circuito lector a través del uso de tecnología de detección basada en silicio.

La tecnología Z, tal como se ilustra en la figura (d), brinda capacidades reales de procesamiento de señales para cada píxel en el chip de lectura al extender la estructura en dirección ortogonal. En el enfoque que se ilustra, se utiliza pegamento para unir chips de lectura apilados y delgados, y el conjunto de detectores se conecta con indio al borde de este sistema de procesamiento de señales.

Finalmente, el enfoque de "lagunas", tal como se ilustra en la figura (e), se basa en hacer más delgado el material del detector luego de unirlo con un adhesivo al circuito lector de silicio. Los elementos del detector se conectan al circuito lector subyacente con vías, las cuales se introducen a través del material del detector hasta almohadillas de contacto en el circuito lector y luego se revisten de metal.

Tipos de los detectores de infrarrojos

Detectores de fotones Detectores de energía 
Intrínseco, PV

MCT

Si, Ge

InGaAs

InSb, InAsSb

Bolómetros

Óxido de vanadio (V2o5)

Poli-SiGe

Poli-Si

Amorfo Si

Intrínseco, PC

MCT

PbS, PbSe

TermopilasBi/Sb
ExtrínsecoSiXTantaliode litio piroeléctico (LiTa)
FotoemisorPtSiBario estroncio ferroeléctrico 
QWIPGaAs / AlGaAsBimetales con microsoportes 

 

Muchos de estos materiales de detectores infrarrojos se basan en semiconductores compuestos fabricados en elementos III-V, como el indio, el galio, el arsénico, el antimonio o, en el caso de los elementos II-VI, el cadmio y el telururo, o en los elementos IV-VI, el sulfuro y el selenido. Pueden transformarse en compuestos binarios como el GaAs, InSb, PbS y PbSe, o en ternario como InGaAs o HgCdTe.

Los detectores infrarrojos de onda corta InGaAs

¿Qué son los detectores infrarrojos de onda corta InGaAs?

Xenics ha desarrollado detectores InGaAs infrarrojos de onda corta que ofrecen imágenes espectrales de 0,4 – 1,7 µm, 0.9 – 1,7 &micras;m, 1,0 – 2a2 &micras;m y 1.0 - 2.5 micras. Esta beneficiosa ampliación de 1,7µm a 2.2 µm y 2.5 µm se logra variando la fracción de indio en el compuesto ternario. Añadir indio al compuesto GaAs disminuye la banda prohibida del compuesto y permite la detección de radiaciones infrarrojas con longitudes de onda más largas. La gráfica a continuación ilustra la manera en que la banda prohibida cambia al cambiar la composición del compuesto III-V. Sin embargo, cambiar la composición del material compuesto también cambiará el parámetro de red del material. La mayoría de los materiales infrarrojos están fabricados para coincidir con la red, es decir: sobre un sustrato que tiene la misma constante de red que el material infrarrojo. Para los compuestos III-V los sustratos más comúnmente utilizados son GaAs, InP, InAs, GaSb e InSb. La aleación InGaAs con una longitud de onda de corte de 1,7 µm coincide con el sustrato InP. Por lo tanto, generalmente se fabrica sobre sustratos InP. Para ampliar la sensibilidad a longitudes de onda más largas, la aleación tiene que fabricarse sobre un sustrato que no coincida con la red. Esto puede lograrse si se utiliza un sustrato InP o un sustrato GaAs estándar.

Se han fabricado modernos detectores de conjuntos lineales InGaAs y conjuntos de plano focal (FPA) utilizando la tecnología de coincidencia y no coincidencia con la red.

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Bolómetros no refrigerados

¿Qué es un bolómetro no refrigerado?

Un bolómetro no refrigerado consiste en micropuentes aislados térmicamente con un material sensible a la temperatura depositado en la parte de arriba. El material sensible de temperatura puede ser V2O5, a-Si o poli-SiGe. Los micropuentes son micromaquinados directamente sobre la superficie de los circuitos.

La combinación de elementos térmicos de detección con un circuito integrado aumenta el problema de conectar los elementos del detector y el CI. Uno de los problemas más graves surge debido a que los elementos térmicos del sector deben ser calentados, o se les debe permitir enfriarse, debido a la radiación que se detectará. Por lo tanto, para un rendimiento óptimo, los detectores deben estar aislados térmicamente de su entorno. Esto imposibilita simplemente depositar o montar los detectores directamente sobre el CI, debido a que el Si es un buen conductor térmico. De otra manera, los detectores adquirirían una carga térmica tan grande que se vería afectado su rendimiento como detectores térmicos.

Por lo tanto, los micropuentes son micromaquinados directamente sobre los circuitos. Esto permite la fabricación de soportes de contacto que establecen una relación entre un buen contacto eléctrico, necesario para efectuar lecturas del elemento detector, y un contacto térmico pobre, que evita la fuga térmica de la radiación absorbida.

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