Микроболометр

Микроболометр — это тип теплового (неохлаждаемого) приёмника инфракрасного излучения, работающий на принципе изменения электрического сопротивления чувствительного элемента (термистора) при его нагреве под действием падающего ИК-излучения. Микроболометры являются основным компонентом матричных тепловизионных камер (тепловизоров), позволяя формировать изображение в среднем и дальнем инфракрасном диапазоне (обычно 8–14 мкм) без необходимости криогенного охлаждения.

Принцип действия

Основу микроболометра составляет массив чувствительных элементов — пикселей, каждый из которых представляет собой тонкоплёночный термистор, изготовленный из материала с высоким температурным коэффициентом сопротивления (ТКС). Типичными материалами являются оксиды ванадия (VOx) и аморфный кремний (α-Si).

Работа устройства основана на следующем цикле:

1. Поглощение излучения: Инфракрасное излучение от объекта фокусируется оптической системой (линзой из германия, халькогенидного стекла или селенида цинка) на матрицу микроболометра. Каждый пиксель поглощает энергию, соответствующую его спектральной чувствительности.
2. Нагрев: Поглощённая энергия вызывает локальное повышение температуры чувствительного элемента. Величина нагрева пропорциональна интенсивности падающего излучения (закону Стефана — Больцмана).
3. Изменение сопротивления: Из-за высокого ТКС материала сопротивление пикселя изменяется. Для оксида ванадия ТКС составляет около -2% на градус Цельсия (отрицательный ТКС), для аморфного кремния — также отрицательный, порядка -2,5% на градус.
4. Считывание: Специализированная интегральная схема считывания (ROIC, Readout Integrated Circuit) последовательно опрашивает каждый пиксель, измеряя его текущее сопротивление. Измеренное значение преобразуется в цифровой сигнал.
5. Формирование изображения: Цифровой сигнал обрабатывается встроенным процессором, который преобразует массив значений сопротивлений в двумерное изображение, где каждому значению температуры (или разности температур) соответствует определённый цвет или оттенок серого (термограмма).

Для обеспечения стабильной работы и компенсации дрейфа температуры окружающей среды микроболометры оснащаются термоэлектрическим стабилизатором (элементом Пельтье) и системой коррекции (калибровки) с помощью встроенного затвора (шторки), который периодически перекрывает объектив для обновления опорного уровня.

Конструкция и устройство

Микроболометр представляет собой гибридную микросхему, состоящую из двух основных частей:

• Массив чувствительных элементов: Изготавливается методом микроэлектронной технологии (MEMS). Каждый пиксель поднят над подложкой на микромостиках (обычно высотой 1–2 мкм), что обеспечивает его тепловую изоляцию от подложки и соседних пикселей. Конструкция включает:
• Поглощающий слой (часто из нитрида кремния, легированного для улучшения поглощения).
• Терморезистивный слой (VOx или α-Si).
• Металлические контакты и соединительные дорожки.
• Интегральная схема считывания (ROIC): Кремниевая подложка, на которой сформированы транзисторы, мультиплексоры, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и схемы управления. ROIC обеспечивает последовательное считывание сигнала с каждого пикселя, его усиление и оцифровку.

Ключевые характеристики

• Формат матрицы: Количество пикселей (например, 80×60, 160×120, 320×240, 640×480, 1024×768, 1280×1024). Чем выше разрешение, тем детальнее изображение.
• Размер пикселя: Типичные размеры — от 12 до 25 мкм. Меньший размер позволяет создавать более компактные матрицы с высоким разрешением.
• Тепловая чувствительность (NETD — Noise Equivalent Temperature Difference): Минимальная разность температур, которую способен различить детектор. Измеряется в милликельвинах (мК). Современные микроболометры имеют NETD от 20 до 50 мК.
• Постоянная времени: Время, за которое сигнал пикселя достигает 63% от установившегося значения после изменения температуры. Обычно составляет 10–20 миллисекунд, что определяет максимальную частоту кадров (обычно 30–60 Гц, для высокоскоростных — до 120 Гц).
• Спектральный диапазон: Обычно 8–14 мкм (длинноволновый инфракрасный диапазон, LWIR), соответствующий максимуму теплового излучения объектов с температурой, близкой к комнатной.

История

Разработка неохлаждаемых тепловых детекторов началась в 1970-х годах. Первые коммерческие микроболометры были созданы в 1990-х годах компанией Honeywell (США). В 1992 году Honeywell продемонстрировала работающую матрицу 128×128 на основе оксида ванадия. В 1995 году компания Lockheed Martin начала серийное производство тепловизоров на основе микроболометров.

В 2000-х годах технология активно развивалась: уменьшались размеры пикселей, улучшалась чувствительность, снижалась стоимость производства. Ключевыми производителями стали компании FLIR Systems (США), BAE Systems (Великобритания), DRS Technologies (США), ULIS (Франция), а также ряд китайских производителей (iRay, Guide Infrared).

В России разработкой микроболометров занимаются предприятия, входящие в госкорпорацию «Ростех» (например, АО «Швабе», НПО «Орион»), а также ряд частных компаний. Российские тепловизоры на основе микроболометров используются в военной технике (танки, БМП, вертолёты), в системах безопасности и в гражданских приборах.

Классификация

Микроболометры классифицируются по нескольким признакам:

По материалу чувствительного слоя

• На основе оксида ванадия (VOx): Наиболее распространённый тип. Обеспечивает высокую чувствительность и стабильность. Требует более сложного и дорогого производства по сравнению с α-Si.
• На основе аморфного кремния (α-Si): Более дешёвая и технологичная альтернатива. Чувствительность несколько ниже, но достаточна для большинства гражданских и военных применений. Менее подвержен 1/f-шумам.
• На основе других материалов: В экспериментальных разработках используются германий, кремний-германий, углеродные нанотрубки, графен.

По конструктивному исполнению

• Матричные: Наиболее распространённый тип — двумерный массив пикселей (например, 320×240, 640×480). Позволяет получать полноценное тепловизионное изображение.
• Линейные (линейки): Одномерный массив пикселей (например, 1×256, 1×512). Используются в сканирующих тепловизорах, где изображение формируется за счёт механического сканирования (например, в системах наблюдения с самолётов или спутников).
• Одиночные (одноэлементные): Используются в простейших датчиках движения, пирометрах (бесконтактных термометрах).

Применение

Микроболометры являются ключевым компонентом тепловизионной техники, применяемой в различных областях:

Военная и оборонная техника

• Прицелы ночного видения и тепловизионные прицелы для стрелкового оружия.
• Системы наблюдения и разведки (беспилотные летательные аппараты, вертолёты, танки, боевые машины пехоты).
• Системы наведения ракет и боеприпасов.
• Приборы обнаружения целей и корректировки огня.

Промышленность и энергетика

• Неразрушающий контроль: Выявление дефектов в электронных платах, сварных швах, теплоизоляции зданий и трубопроводов.
• Мониторинг электрооборудования: Обнаружение перегрева контактов, трансформаторов, высоковольтных линий.
• Контроль технологических процессов: Измерение температуры в печах, реакторах, на конвейерных линиях.

Медицина

• Термография: Диагностика воспалительных процессов, нарушений кровообращения, онкологических заболеваний (на ранних стадиях).
• Бесконтактное измерение температуры тела: Используется в системах массового скрининга (например, в аэропортах, больницах).

Наука и исследования

• Астрономия (наблюдение в инфракрасном диапазоне).
• Экологический мониторинг (обнаружение пожаров, утечек газа).
• Изучение тепловых процессов в материалах и живых организмах.

Безопасность и наблюдение

• Системы периметральной охраны.
• Поиск людей в условиях плохой видимости (дым, туман, ночь).
• Автомобильные тепловизоры (для улучшения видимости водителем).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Отсутствие криогенного охлаждения: Значительно снижает стоимость, массу, габариты и энергопотребление по сравнению с охлаждаемыми детекторами (например, на основе InSb, HgCdTe).
• Высокая надёжность: Отсутствие движущихся частей и криогенной системы.
• Мгновенная готовность к работе: Не требуется времени на охлаждение.
• Широкий спектральный диапазон: Работа в длинноволновом ИК-диапазоне, где излучение объектов с температурой, близкой к комнатной, максимально.
• Компактность и малый вес: Позволяет создавать портативные тепловизоры.

Недостатки

• Более низкая чувствительность (NETD): По сравнению с охлаждаемыми детекторами, микроболометры имеют более высокий уровень шума и меньшую способность различать малые разности температур.
• Меньшее быстродействие: Постоянная времени (10–20 мс) ограничивает максимальную частоту кадров и не позволяет регистрировать быстрые тепловые процессы (например, вспышки).
• Чувствительность к изменениям температуры окружающей среды: Требуется сложная система термостабилизации и коррекции.
• Необходимость калибровки: Периодически требуется обновление опорного уровня (с помощью затвора) для компенсации дрейфа параметров.

Перспективы развития

Основные направления развития микроболометров включают:

• Уменьшение размера пикселя: Переход к пикселям размером 8–10 мкм и менее для увеличения разрешения при сохранении компактности.
• Повышение чувствительности: Улучшение NETD до 10–15 мК и ниже за счёт новых материалов (например, графен, нанотрубки) и оптимизации конструкции.
• Увеличение быстродействия: Снижение постоянной времени для регистрации быстрых процессов.
• Интеграция с обработкой: Встраивание в матрицу процессоров для выполнения алгоритмов компьютерного зрения (например, обнаружение объектов, трекинг) непосредственно на чипе.
• Многоспектральные и гиперспектральные системы: Создание матриц, чувствительных в нескольких спектральных диапазонах одновременно.
• Снижение стоимости: Удешевление производства для массового применения (например, в автомобильной промышленности, в смартфонах).

Источники

1. Рогальский А. И. Инфракрасные детекторы. — Новосибирск: Наука, 2003.
2. Kruse P. W. Uncooled Thermal Imaging: Arrays, Systems, and Applications. — SPIE Press, 2001.
3. Vollmer M., Möllmann K.-P. Infrared Thermal Imaging: Fundamentals, Research and Applications. — Wiley-VCH, 2017.
4. Технические описания микроболометров компаний FLIR, BAE Systems, ULIS, iRay.
5. Материалы конференций по инфракрасной технике (SPIE, IEEE).