Инфракрасные детекторы

Что такое инфракрасные детекторы?

Инфракрасный детектор – это просто приемник лучистой энергии, преобразующий энергию излучения в инфракрасном диапазоне в измеримую форму. Инфракрасные датчики могут быть использованы для различных приложений в военной, научной, промышленной, медицинской, охранной и автомобильной сферах. Так как инфракрасное излучение не связано с видимым светом, оно дает возможность видеть в темноте или в условиях плохой видимости путем сбора инфракрасной энергии, излучаемой объектами. Собранная энергия переводится в образ, отражающий различия энергии между объектами, таким образом позволяя видеть сцену, которая иначе была бы скрыта.

В инфракрасном свете мир раскрывает особенности, не заметные при обычном видимом свете. Люди и животные становятся заметными в полной темноте, удается выявлять недостатки в конструкциях, близкие к поломке компоненты высвечиваются ярче, улучшается видимость в неблагоприятных условиях, таких как дым или туман.

Infrared detector formats

Инфракрасные детекторы доступны как отдельный детекторный элемент в круглой, прямоугольной, крестообразной и других геометрических формах для систем прицелов, как линейные матрицы и 2D-матрицы фокальной плоскости

Детекторы, исполненные как отдельный детекторный элемент, обычно являются устройствами с фронтальным освещением и проводным соединением. Линейные и 2D-матрицы могут применяться при изготовлении различных устройств и архитектур вывода сигнала.

Линейные матрицы первого поколения обычно имели фронтальное освещение, а выходной сигнал с детектора имел проводное соединение с каждым элементом матрицы. Сигнал от каждого элемента затем выводился из вакуумного пакета и подключался к индивидуальному предусилителю комнатной температуры до взаимодействия с экраном системы отображения. Настройки усиления обычно реализовывались в цепи предусилителя. При таком подходе линейные матрицы первого поколения ограничивались менее чем двумя сотнями элементов.

Матрицы второго поколения, как линейные, так и 2D, часто имеют заднее освещение через прозрачный субстрат. Несколько альтернативных архитектур фокальной плоскости проиллюстрированы на рисунке ниже.

Рисунок (a) иллюстрирует матрицу детектора, электрически соединенную непосредственно с матрицей предусилителей и/или переключателей, что называется считыванием. Электрическое соединение выполнено "точками" Индия, которые обеспечивают мягкое металлическое соединение для каждого пикселя. Такая конструкция, как правило называемая "прямой гибридизацией", облегчает объединение большого числа пикселей в отдельные предусилители, соединенные с строковыми и столбцовыми мультиплексорами.

Непрямые гибридные конфигурации (b) могут использоваться с большими линейными матрицами для обеспечения интерфейса между детектором и субстратом благодаря похожему коэффициенту теплового расширения. Эти гибриды могут также использоваться для последовательной гибридизации, позволяя тестировать детектор до совершения считывания, и/или для размещения ячеек блока считывания, имеющего размеры больше, чем у ячейки блока детекторов, увеличивая емкость заряда и тем самым расширяя динамический диапазон. Считыватели и детекторы электрически соединены профилированной металлической шиной на веерной структуре субстрата.

Монолитные матрицы детекторов (c) объединяют функции детектора и считывания. Как правило в таких матрицах электроника обработки сигналов команд и управления располагается рядом с матрицей детектора, а не снизу. В этом случае цепи обработки сигнала могут соединяться с детектором проводами. В монолитной конфигурации нет необходимости располагать цепи обработки сигнала на том же субстрате, что и детектор/считыватель (как показано на рисунке), или поддерживать ту же температуру, что у детектора. Благодаря использованию технологии детекторов на основе кремния монолитные детекторные матрицы PtSi могут быть объединены с обработчиком сигнала, расположенным на периферии платы детектора/считывателя чипа.

Технология Z, как показано на рисунке (d), обеспечивает расширенную базу для обработки сигнала с каждого пикселя в плате считывания путем расширения структуры в ортогональном направлении. В проиллюстрированном подходе истонченные чипы считывания сложены в стек и склеены вместе, а матрица детекторов присоединена к торцу этого стека обработки сигналов посредством Индия.

Наконец, подход с "Проникновением", как показано на рисунке (e), опирается на истончение материала детектора после его адгезионного склеивания с силиконовым считывателем. Элементы детектора соединяются с лежащим под ними считывателем индикации пронизывающими коннекторами – металлизированными каналами, протравленными через материал детектора.

Infrared detector types

Фотонные детекторы Энергетические детекторы
Нелегированный, ФЭП

MCT

Si, Ge

InGaAs 

InSb, InAsSb

Болометры

Оксида ванадия (V2o5)

Поли-SiGe

Поли-Si

Аморфный Si (кремний)

Нелегированный, PC

MCT

PbS, PbSe

ТермопарыBi/Sb
ЛегированныйSiXПироэлектрическийТанталат лития (LiTa)
ФотоэмиссионныйPtSiФерроэлектрическийБарий-стронций
QWIP (Quantum Well Infrared Photodetector) - инфракрасный фотодетектор на основе квантового колодцаGaAs / AlGaAsМикроконсольБиметаллы

Многие из этих материалов для инфракрасных детекторов основаны на составных полупроводниках, изготовленных из элементов III-V групп, таких как индий, галлий, мышьяк, сурьма, или на элементах II-VI групп – ртути, кадмии и теллуриде, или на элементах IV-VI групп – свинце, сере и селенидах. Они могут объединяться в бинарные соединения, такие как GaAs, InSb, PbS и PbSe или в тройки, например InGaAs или HgCdTe.

SWIR InGaAs detectors

Что такое коротковолновые инфракрасные детекторы InGaAs?

Xenics разработал коротковолновые инфракрасные датчики InGaAs, которые охватывают диапазон длин волн 0,4 – 1,7 мкм, 0,9 – 1,7 мкм, 1,0 – 2,2 мкм и 1,0 - 2,5 мкм. Очень важное расширение от 1.7 мкм до 2,2 мкм и до 2,5 мкм достигается путем изменения доли индия в тройном соединении. Внедрение индия в GaAs сужает энергетическую щель соединения и позволяет обнаруживать инфракрасное излучение больших длин волн. Приведенный ниже график иллюстрирует, как будет меняться энергетическая щель с изменением состава соединений из III-V групп. Однако изменение состава соединения будет также влиять на Постоянную решётки рассматриваемого материала. Большинство ИК-материалов изготавливается с таким расчетом, чтобы решетки совпадали, а именно: на субстрате, который имеет такую же Постоянную решетки, как и сам ИК-чувствительный материал. Для соединений III-V групп наиболее часто используются субстраты GaAs, InP, InAs, GaSb и InSb. Сплав InGaAs с длиной волны среза 1,7 мкм имеет решетку, совпадающую с InP. Поэтому, как правило, он изготавливается на субстратах InP. Для того, чтобы продлить его чувствительность на более длинные волны, сплав должен изготавливаться на субстрате с несовпадающей решеткой. Это можно сделать на субстрате InP или на стандартном субстрате GaAs.

Производство перспективных детекторов на основе линейных матриц InGaAs, а также матриц фокальной плоскости (FPA) основано на методике подбора совпадающей или несовпадающей решетки .

Ознакомьтесь с нашими КВИК-камерами InGaAs

Uncooled bolometer detectors

Что такое неохлаждаемый болометр?

Неохлаждаемый болометр состоит из термически изолированных микромостов с нанесенными на верху материалами, чувствительными к температуре. Чувствительным к температуре материалом может быть V2O5, a-Si или поли-SiGe. Поверхность микромостов обрабатывается микрофрезой непосредственно на микросхемах.

Сочетание элементов тепловых детекторов с интегральной микросхемой вызывает проблему сопряжения элементов детектора и ИС. Одна из наиболее серьезных проблем связана с тем, что элементы тепловых детекторов должны нагреваться или иметь возможность остывать в связи с детектируемым излучением. Таким образом, для достижения оптимальной производительности детекторы должны быть термически изолированы от своего окружения. Это исключает простое напыление или установку детекторов непосредственно на ИС - потому что Si является хорошим проводником тепла. В противном случае, детекторы станут настолько термически нагружены, что это отрицательно скажется на их производительности в качестве термодатчиков.

Поэтому поверхность микромостов обрабатывается микрофрезой непосредственно на микросхемах. Это позволяет изготавливать точки контакта для достижения компромисса между хорошим электрическим контактом, который необходим для считывания с элемента детектора, и плохим тепловым контактом, который предотвращает утечку поглощенного теплового излучения .

Ознакомьтесь с нашими неохлаждаемых болометрическими ДВИК-камерами