Быстродействующий широкодиапазонный инфракрасный микроболометрический детектор
Владельцы патента RU 2574524:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт химии и механики" (ФГУП "ЦНИИХМ") (RU)
Изобретение относится к инфракрасной технике и может быть использовано при изготовлении микроболометрических матриц, детектирующих излучение в двух инфракрасных (ИК) диапазонах с длинами волн 3-5 мкм и 8-14 мкм, соответствующих окнам прозрачности атмосферы. Инфракрасный микроболометрический детектор включает в себя единственный микромостиковый слой с множеством пикселей, каждый из которых содержит по меньшей мере один структурный слой из нитрида кремния, детектирующий излучение слой из оксида ванадия и слой, содержащий поглощающий материал. Поглощающим материалом является пленка тантала толщиной от 3 до 20 нм, при этом толщина слоя нитрида кремния не превышает 210 нм, а толщина слоя окиси ванадия - 170 нм. Технический результат заключается в создании микроболометрического детектора, имеющего равные коэффициенты поглощения в двух спектральных диапазонах, и повышении его быстродействия без снижения разрешающей способности. 1 табл., 8 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к инфракрасной технике и может быть использовано при изготовлении неохлаждаемых болометрических матриц. Более точно предлагаемое техническое решение может быть использовано при изготовлении микроболометрических матриц, детектирующих излучение в двух инфракрасных (ИК) диапазонах с длинами волн 3-5 мкм и 8-14 мкм, соответствующих окнам прозрачности атмосферы.
Уровень техники
Микроболометрические матрицы представляют собой набор единичных элементов, детектирующих падающее излучение, - пикселей. Обычно пиксели образуют одно- или двумерный массив. Матрицы располагают в фокальной плоскости оптического прибора, использующего микроболометрическую матрицу. Каждый пиксель содержит:
- материал для поглощения инфракрасного излучения и преобразования его в теплоту;
- детектирующий материал, который изменяет удельное сопротивление при изменении температуры;
- средство для теплоизоляции детектирующего материала;
- средство для считывания электрических сигналов, выдаваемых детектирующим материалом.
Пиксели, предназначенные для формирования инфракрасных изображений, располагают на подложке, изготовленной из кремния, которая включает в себя средство измерения электрического сопротивления пикселей и средство для предварительной обработки электрических сигналов, формируемых этими пикселями. Средства измерения электрического сопротивления и предварительной обработки формируют на подложке и они образуют схему считывания. Устройство, содержащее матрицу пикселей и связанную с ними схему считывания, располагают в корпусе и соединяют с внешним периферийным оборудованием. Для уменьшения потерь тепла детектирующего материала за счет конвекции и теплопроводности газа, окружающего пиксели, корпус с матрицей вакуумируют и герметизируют. В корпусе предусматривают окно, прозрачное для детектируемого излучения. Для наблюдения картины посредством такого детектора с помощью соответствующей оптики изображение проецируют на микроболометрическую матрицу пикселей и подают переменные электрические сигналы возбуждения через схему считывания на каждый из пикселей или на каждый ряд пикселей для измерения их электрического сопротивления.
Полученные значения электрического сопротивления формируют изображение, соответствующее температуре, до которой нагревается каждый пиксель. Этот сигнал подвергают обработке посредством схемы считывания и затем посредством электронного устройства, внешнего по отношению к корпусу, с тем, чтобы сформировать тепловое изображение наблюдаемой картины.
Для оценки работы микроболометрического детектора используют удельную обнаружительную способность, определяемую по формуле:
где Ad - площадь приемной поверхности детектора;
Δf - эквивалентная шумовая полоса;
NEP - эквивалентная шуму мощность, определяемая по формуле:
где Vn - действующее напряжение шума;
Sb - чувствительность микроболометрического пикселя,
причем:
где η - коэффициент поглощения пикселя;
I - электрический ток, протекающий через детектирующий слой;
R - сопротивление детектирующего слоя;
β - температурный коэффициент сопротивления детектирующего слоя (ТКС).
Важными факторами, определяющими область применения микроболометрических детекторов, являются рабочий спектральный диапазон, спектральная чувствительность и быстродействие детектора. Эти факторы важны для задач ситуационной осведомленности, для решения которых используют детекторы, имеющие поглощение в широком диапазоне длин волн 3-14 мкм [P. Klipsteinet. al." Status of cooled and uncooled infrared detectors at SCD, Israel", Defence Science Journal, Vol.63, No 6, November 2013, pp.555-570]. Особенности детектирования излучения такими приборами известны и изложены в статье [J.L. Tissotet. al. "Uncooled microbolometer detector: recent development at ULIS". Opto-electronics review 14(1), pp.25-32]. Для обеспечения корректного построения изображения микроболометрическим детектором необходимо иметь равномерное поглощение пикселя по всему спектральному диапазону. В этом случае искажение изображения за счет неоднородности поглощения по спектральному диапазону будет минимальным. Каждый болометр имеет тепловую постоянную времени, равную примерно 10 мс, связанную с протеканием переходных тепловых процессов при нагреве и охлаждении микроболометра. Эта характеристика ограничивает использование микроболометрических детекторов для применений, которые связаны, например, с бортовыми видеосистемами или слежением за движущимися объектами. Если сцена подвержена быстрым изменениям контраста, таким как, например, появление объекта, который имеет более высокую (или более низкую) температуру, чем фон сцены (он называется «горячим» или «холодным» объектом), то болометру требуется значительное время для фиксации этих изменений. Следовательно, болометр проявляет эффект тепловой памяти от одного считываемого кадра к другому. Поэтому перемещение горячего (или холодного) объекта в сцене приводит к размыванию или смазыванию образуемого изображения. Это явление является также пагубным при изображении фиксированной сцены, в которой имеются местные быстрые колебания температуры. Болометр не может реагировать на изменения, которые меньше его постоянной времени, и поэтому с трудом правильно отображает сцену.
Известна конструкция, в которой реализуется увеличение быстродействия микроболометрического детектора по патенту [US 7.439.513 В2. Popeetal.«Fast microbolometer pixel with integrated micro-optical focusing elements» («Быстрый микроболометрический пиксель с интегрированными микрооптическими фокусирующими элементами»)]. В патенте US 7.439.513 В2 микроболометрический пиксель включает в себя фокусирующий элемент, который расположен между телом пикселя и подложкой, причем фокусирующий элемент включает в себя плоское зеркало, имеющее верхнюю поверхность и преломляющие линзы, расположенные на верхней поверхности плоского зеркала. Использование данного решения позволяет уменьшить размер чувствительного элемента и снизить его теплоемкость, за счет чего происходит уменьшение постоянной времени работы пикселя. Недостатком данного изобретения является сложность реализации заданной геометрии фокусирующих элементов и юстировки данных элементов относительно чувствительного элемента пикселя, а также изменение условий поглощения мембраной падающего излучения при введении дополнительной линзы между мембраной пикселя и поверхностью зеркала.
В качестве прототипа выбрана конструкция по патенту [US 7491938B2. J. Geneczkoetal "Multi-spectral uncooled microbolometer detectors" («Мультиспектральные неохлаждаемые микроболометрические детекторы»)], в которой имеется многозонный инфракрасный микроболометрический детектор, включающий в себя единственный микромостиковый слой с множеством пикселей, каждый из которых содержит по меньшей мере один структурный слой, детектирующий излучение слой и слой, содержащий поглощающий материал в среднем диапазоне ИК излучения. Каждый пиксель детектирует в двух спектральных диапазонах. В данном изобретении в качестве поглощающего материала используется хром, нитрид титана или сплав титан-вольфрам. Средний ИК диапазон соответствует длинам волн 3-14 мкм, в котором расположены два окна прозрачности атмосферы, соответствующие длинам волн 3-5 мкм и 8-14 мкм.
Недостатком данной конструкции детектора является высокая неоднородность коэффициента поглощения как между спектральными диапазонами 3-5 мкм и 8-14 мкм, так и внутри спектральных диапазонов, а также высокая теплоемкость покрытия. Разность коэффициента поглощения между спектральными диапазонами и внутри спектральных диапазонов приводит к искажению изображения, формируемого пикселями, и требует дополнительной цифровой обработки, что наряду с высокой теплоемкостью замедляет работу детектора. Использование пикселей, детектирующих преимущественно в одном из двух спектральных диапазонов, приводит к снижению разрешающей способности детектора вследствие снижения плотности пикселей в матрице.
Задачами, на решение которых направлено изобретение, является повышение быстродействия пикселя и создание конструкции пикселя, имеющего равные коэффициенты поглощения в двух спектральных диапазонах 3-5 мкм и 8-14 мкм без снижения разрешающей способности прибора.
Раскрытие изобретения
Поставленная задача решается всей совокупностью существенных признаков, изложенной в формуле изобретения. В предлагаемой конструкции инфракрасного микроболометрического детектора, включающего в себя единственный микромостиковый слой с множеством пикселей, каждый из которых содержит по меньшей мере один структурный слой из нитрида кремния, детектирующий излучение слой из оксида ванадия и слой, содержащий поглощающий материал, согласно изобретению поглощающим материалом является пленка тантала толщиной от 3 до 20 нм, при этом толщина слоя нитрида кремния не превышает 210 нм, а толщина слоя окиси ванадия - 170 нм. Отличительными признаками заявленного изобретения является использование тонких пленок тантала в качестве поглощающего материала, что позволяет уменьшить толщины составляющих слоев и увеличить быстродействие пикселя за счет снижения теплоемкости и увеличения коэффициента поглощения пикселя. Ограничение толщины слоев нитрида кремния и оксида ванадия позволяет ограничить величину теплоемкости пикселя и обеспечить увеличение быстродействия пикселя. Использование предлагаемых материалов и толщин слоев, составляющих пиксель, позволяет уравнять коэффициенты и достичь равномерности поглощения в спектральных диапазонах 3-5 мкм и 8-14 мкм и повысить быстродействие детектора. Использование пикселей, имеющих высокую поглощающую способность в двух спектральных диапазонах, позволяет расширить функциональные возможности микроболометра без снижения разрешающей способности прибора.
На фиг. 1 показано устройство в соответствии с формулой изобретения.
На фиг. 2 показана схема устройства пикселя микроболометрического детектора.
На фиг. 3 показана структура мембраны пикселя по предлагаемому изобретению.
На фиг. 4 показана временная зависимость температуры мембраны пикселя при работе микроболометрического детектора.
На фиг. 5 показана зависимость коэффициента поглощения для пикселя, имеющего одинаковые коэффициенты поглощения в диапазоне 3-5 мкм и 8-14 мкм и близкие параметры неоднородности коэффициента поглощения в указанных спектральных диапазонах.
На фиг. 6 показана зависимость коэффициента поглощения для пикселя, работающего в диапазоне 3-14 мкм при возможности детектирования во всем спектральном диапазоне.
На фиг. 7 показана зависимость коэффициента поглощения для пикселя, работающего в диапазоне 8-14 мкм.
На фиг. 8 показана зависимость коэффициента поглощения для пикселя, работающего в диапазоне 3-5 мкм.
Осуществление изобретения.
Микроболометрический детектор представляет собой массив пикселей (фиг. 1), размещенных на подложке 1 (фиг. 2), в которой сформирована схема управления и считывания показаний пикселей. Пиксель представляет собой мембрану 2, подвешенную на ножках 3 над подложкой 1. Под мембраной 2 расположен отражатель 4. Мембрана 2 (фиг. 3) содержит три структурных слоя из нитрида кремния, детектирующий излучение слой из оксида ванадия и поглощающий падающее ИК излучение тонкий слой тантала. Толщина слоя нитрида кремния не превышает 210 нм, толщина слоя оксида ванадия не превышает 170 нм, толщина поглощающего слоя из тантала составляет 3-20 нм, толщина отражателя, который изготавливается из золота или алюминия, не превышает 100 нм. Мембрана подвешена над отражателем с зазором. Величина зазора составляет от 1,0 до 2,8 мкм, точное значение зазора определяется по результатам оптического расчета пикселя на требуемый диапазон поглощения. Для предотвращения потерь тепла за счет теплопроводности окружающего газа массив пикселей вакуумируется и герметизируется в корпусе, который имеет окно, прозрачное для детектируемого излучения.
Микроболометрический детектор работает следующим образом: ИК излучение, падающее на поверхность мембраны 3, поглощается тонким слоем тантала и слоями нитрида кремния, которые нагреваются вместе со слоем оксида ванадия. При увеличении температуры мембраны сопротивление детектирующего слоя оксида ванадия уменьшается. Изменяющееся сопротивление детектирующего слоя фиксируется системой считывания, которая периодически считывает значения сопротивления пикселей. При прерывании излучения пиксель охлаждается за счет отвода тепла через ножки.
Структура на основе пленки тантала и отражателя, расположенных на расстоянии 2,5 мкм друг от друга, формирует широкий пик поглощения с максимумом в диапазоне 8-9 мкм и пик следующего порядка в диапазоне 3-5 мкм. Нитрид кремния, входящий в состав мембраны, поглощает ИК излучение в диапазоне длин волн 9-13,5 мкм [В.В. Карзанов и др. Изменения свойств ионно-синтезированной гетеросистемы SixNy-Si в результате термических и ионно-лучевых обработок, Физика и техника полупроводников, 2002, Том 36, вып.9, с. 1060-1064], и при использовании отражателя, расположенного с зазором около 2,5 мкм, формирует пик поглощения с максимумом в диапазоне длин волн 11-13 мкм. Толщины пленок определяют абсолютную величину коэффициента поглощения, а величина зазора - положение максимумов пиков поглощения. Таким образом, изменение толщины составляющих слоев мембраны микроболометрического детектора и величины зазора между мембраной и отражателем позволяет получить требуемые характеристики поглощения микроболометрического детектора.
Известны факторы, влияющие на быстродействие микроболометрического детектора.
При отсутствии протекания тока смещения через детектирующий слой зависимость прироста температуры во времени описывается уравнением:
где С - теплоемкость, G - термическая проводимость, Ро - падающая мощность излучения, θ - разность температур между мембраной и подложкой,
причем:
θ=T-Ts;
где Т - температура мембраны, Ts - температура подложки.
При модулировании мощности с частотой ω решение уравнения имеет вид:
где η - доля излучения, поглощаемого мембраной (коэффициент поглощения), τ - термическая постоянная времени, определяемая как:
[«Analysis and Modeling of Uncooled Microbolometers with Tunable Thermal Conductance)) by Nezih Topaloglu. A thesis presented to the University of Waterloo in ful llment of the thesis requirement for the degree of Doctor of Philosophy in Mechanical Engineering Waterloo, Ontario, Canada, 2009]. При прерывании потока излучения на болометр мембрана пикселя остывает в соответствии с уравнением:
где tн - время нагрева мембраны.
Из этого уравнения вытекает, что при сравнении двух пикселей микроболометрических детекторов, нагреваемых и охлаждаемых до одинаковых температур, действительны соотношения:
1) tн2=Ktнl; tц2=Ktцl;
2) где tн1, tн2 - время нагрева мембраны излучением;
tц1, tц2 - сумма времени нагрева и охлаждения мембраны до одинаковых температур (фиг. 4);
К - коэффициент изменения длительности цикла;
2) τ2=Kτ1; где τ1 и τ2 - термические постоянные времени для двух циклов (фиг. 4);
3) K=η1C2/η2C1
где η1, η2 - коэффициенты поглощения падающего излучения мембранами; С1, С2 - теплоемкости мембран.
Исходя из этого в качестве критерия быстродействия пикселя можно рассматривать отношение η/С.
Увеличение быстродействия возможно за счет снижения теплоемкости нагреваемой мембраны пикселя и/или увеличения коэффициента поглощения мембраны.
Уменьшение теплоемкости нагреваемой мембраны пикселя возможно за счет уменьшения геометрических размеров пикселей и уменьшения толщины составляющих слоев. Уменьшение размеров пикселя ограничено технологическими возможностями изготовления, а снижение толщины составных элементов ограничено падением коэффициента поглощения мембраны.
Для обеспечения корректного построения изображения микроболометрическим детектором необходимо также иметь равномерное поглощение пикселем по всему спектральному диапазону. В этом случае искажение изображения за счет неоднородности поглощения по спектральному диапазону будет минимальным.
В таблице приведены примеры реализации микроболометрических детекторов по предлагаемому изобретению, а также получаемые характеристики для диапазонов длин волн 3-5 мкм и 8-14 мкм. Использование тонкой пленки тантала в качестве поглощающего материала позволило изготовить детектор, имеющий равные коэффициенты поглощения для диапазонов 3-5 мкм и 8-14 мкм (фиг. 5), и снизить неоднородность внутри спектральных диапазонов. Также изготовлен пиксель, имеющий коэффициент поглощения 80% во всем спектральном диапазоне 3-14 мкм при неоднородности коэффициента поглощения не более 13% (фиг. 6). Увеличение быстродействия достигается за счет снижения теплоемкости и увеличения коэффициента поглощения, в результате чего происходит повышение чувствительности и удельной обнаружительной способности микроболометрического детектора. Предлагаемое изобретение можно также использовать при изготовлении пикселей, работающих в одном спектральном диапазоне, 3-5 мкм или 8-14 мкм. Примеры реализации пикселей для спектральных диапазонов 3-5 мкм и 8-14 мкм и их характеристики приведены в таблице и на фиг. 7, фиг. 8.
При изготовлении микроболометрического детектора использовались хорошо известные в микроэлектронике операции последовательного нанесения покрытий, фотолитографии и травления покрытий. Под понятием «неоднородность поглощения» подразумевается отношение разности между максимальным и минимальным значением к среднему значению коэффициента поглощения в заданном спектральном диапазоне.
Использование пленок тантала толщиной менее 3 нм нецелесообразно вследствие снижения величины и повышения неоднородности коэффициента поглощения. При толщине пленки тантала более 20 нм, и применении пленок нитрида кремния толщиной более 210 нм возрастает неоднородность коэффициента поглощения и снижается быстродействие пикселя. Толщина оксида ванадия также ограничена возрастающей теплоемкостью мембраны пикселя.
Инфракрасный микроболометрический детектор, включающий в себя единственный микромостиковый слой с множеством пикселей, каждый из которых содержит по меньшей мере один структурный слой из нитрида кремния, слой, детектирующий излучение из оксида ванадия, и слой, содержащий поглощающий материал, отличающийся тем, что поглощающим материалом является пленка тантала толщиной от 3 до 20 нм, при этом толщина слоя нитрида кремния не превышает 210 нм, а толщина слоя оксида ванадия - 170 нм.
