Un microbolómetro es un tipo específico de bolómetro que se utiliza como detector en una cámara térmica . La radiación infrarroja con longitudes de onda entre 7,5 y 14 μm incide en el material del detector, lo calienta y, por lo tanto, cambia su resistencia eléctrica . Este cambio de resistencia se mide y se procesa en temperaturas que se pueden utilizar para crear una imagen. A diferencia de otros tipos de equipos de detección por infrarrojos, los microbolómetros no requieren refrigeración.
Un microbolómetro es un sensor térmico no refrigerado . Los sensores térmicos de alta resolución requieren métodos de refrigeración exóticos y costosos, como los refrigeradores de ciclo Stirling y los refrigeradores de nitrógeno líquido . Estos métodos de refrigeración de las cámaras termográficas de alta resolución son costosos de operar y difíciles de mover. Además, las cámaras termográficas de alta resolución requieren un tiempo de enfriamiento de más de 10 minutos antes de poder usarse.
Un microbolómetro consta de una matriz de píxeles , cada uno de los cuales está formado por varias capas. El diagrama de sección transversal que se muestra en la Figura 1 proporciona una vista generalizada del píxel. Cada empresa que fabrica microbolómetros tiene su propio procedimiento único para producirlos e incluso utilizan una variedad de diferentes materiales absorbentes de IR. En este ejemplo, la capa inferior consta de un sustrato de silicio y un circuito integrado de lectura ( ROIC ). Los contactos eléctricos se depositan y luego se graban selectivamente. Se crea un reflector, por ejemplo, un espejo de titanio, debajo del material absorbente de IR. Dado que algo de luz puede pasar a través de la capa absorbente, el reflector redirige esta luz hacia arriba para garantizar la mayor absorción posible, lo que permite que se produzca una señal más fuerte. A continuación, se deposita una capa de sacrificio para que más adelante en el proceso se pueda crear un espacio para aislar térmicamente el material absorbente de IR del ROIC. Luego se deposita una capa de material absorbente y se graba selectivamente para que se puedan crear los contactos finales. Para crear la estructura final en forma de puente que se muestra en la Figura 1, se retira la capa de sacrificio de modo que el material absorbente quede suspendido aproximadamente 2 μm por encima del circuito de lectura. Debido a que los microbolómetros no se someten a ningún enfriamiento, el material absorbente debe estar aislado térmicamente del ROIC inferior y la estructura en forma de puente permite que esto ocurra. Después de crear la matriz de píxeles, el microbolómetro se encapsula al vacío para aumentar la longevidad del dispositivo. En algunos casos, todo el proceso de fabricación se realiza sin romper el vacío.
El conjunto de microbolómetros se encuentra comúnmente en dos tamaños, 320×240 píxeles o 160×120 píxeles, más económicos. La tecnología actual ha llevado a la producción de dispositivos con 640×480 o 1024x768 píxeles. [1] También ha habido una disminución en las dimensiones de cada píxel. El tamaño del píxel era típicamente de 45 μm en los dispositivos más antiguos y se ha reducido a 12 μm en los dispositivos actuales. A medida que se reduce el tamaño del píxel y se aumenta proporcionalmente el número de píxeles por unidad de área, se crea una imagen con mayor resolución, pero con una NETD (diferencia de temperatura equivalente al ruido (diferencial)) más alta debido a que los píxeles más pequeños son menos sensibles a la radiación IR.
Existe una amplia variedad de materiales que se utilizan para el elemento detector en los microbolómetros. Un factor principal que determina el funcionamiento del dispositivo es la capacidad de respuesta del mismo . La capacidad de respuesta es la capacidad del dispositivo para convertir la radiación entrante en una señal eléctrica. Las propiedades del material del detector influyen en este valor y, por lo tanto, se deben investigar varias propiedades principales del material: TCR, ruido 1/f y resistencia.
El material utilizado en el detector debe demostrar grandes cambios en la resistencia como resultado de cambios mínimos en la temperatura. A medida que el material se calienta, debido a la radiación infrarroja entrante, la resistencia del material disminuye. Esto está relacionado con el coeficiente de temperatura de resistencia (TCR) del material, específicamente su coeficiente de temperatura negativo . Actualmente, la industria fabrica microbolómetros que contienen materiales con TCR cercanos a −2%/K. Aunque existen muchos materiales que tienen TCR mucho más altos, hay varios otros factores que deben tenerse en cuenta al producir microbolómetros optimizados.
El ruido 1/f , al igual que otros ruidos , provoca una perturbación que afecta a la señal y que puede distorsionar la información que transporta. Los cambios de temperatura en el material absorbente están determinados por los cambios en la corriente de polarización o el voltaje que fluye a través del material de detección. Si el ruido es grande, es posible que los pequeños cambios que se produzcan no se vean con claridad y el dispositivo sea inútil. El uso de un material detector que tenga una cantidad mínima de ruido 1/f permite mantener una señal más clara entre la detección de infrarrojos y la salida que se muestra. El material detector debe probarse para garantizar que este ruido no interfiera significativamente con la señal.
El uso de un material con baja resistencia a temperatura ambiente es importante por dos razones. En primer lugar, una menor resistencia en el material de detección significa que será necesario utilizar menos energía. En segundo lugar, las resistencias más altas implican un mayor ruido de Johnson-Nyquist .
Los dos materiales de detección de radiación IR más utilizados en microbolómetros son el silicio amorfo y el óxido de vanadio . Un problema con algunos materiales potenciales es que para crear las propiedades deseadas sus temperaturas de deposición pueden ser demasiado altas para los procesos de fabricación CMOS. Se han realizado muchas investigaciones para probar la viabilidad de utilizar otros materiales. Entre los investigados se incluyen: Ti, YBaCuO , GeSiO, poli SiGe , BiLaSrMnO y citocromo C basado en proteínas y albúmina de suero bovino .
Las películas delgadas de silicio amorfo (a-Si) se pueden integrar fácilmente en el proceso de fabricación de CMOS utilizando bajas temperaturas de deposición, son muy estables, tienen una constante de tiempo rápida y un tiempo medio antes de fallas prolongado. Para crear la estructura en capas y el patrón utilizando el proceso de fabricación de CMOS, se requieren temperaturas que se mantengan por debajo de los 200 ˚C en promedio. El a-Si también posee excelentes valores de TCR, ruido 1/f y resistencia cuando se optimizan los parámetros de deposición.
Las películas delgadas de óxido de vanadio también se pueden integrar en el proceso de fabricación de CMOS, aunque no tan fácilmente como el a-Si por razones de temperatura. VO es una tecnología más antigua que a-Si, y su rendimiento y longevidad son inferiores. La deposición a altas temperaturas y la realización de un recocido posterior permiten la producción de películas con propiedades superiores. VO 2 tiene baja resistencia, pero sufre un cambio de fase metal-aislante cerca de los 67 °C y también tiene un valor menor de TCR. Por otro lado, V 2 O 5 exhibe alta resistencia y también alto TCR. Existen muchas fases de VO x , aunque parece que x≈1.8 se ha convertido en la más popular para aplicaciones de microbolómetro. Una cámara termográfica con un detector de microbolómetro de óxido de vanadio es más estable, compacta y sensible en comparación con cualquier otra tecnología, aunque VOx es una tecnología más antigua.
La cuota de mercado de VOx es mucho mayor que la de cualquier otra tecnología. La cuota de mercado de VOx es del 70%, mientras que la del silicio amorfo es del 13%. Además, las cámaras térmicas basadas en tecnología VOx se utilizan en el sector de defensa debido a su sensibilidad, estabilidad de imagen y fiabilidad.
El uso de antenas ópticas infrarrojas junto con materiales de microbolómetro de tamaño pequeño puede mejorar su eficiencia de detección. [2] [3]
La mayoría de los microbolómetros contienen una resistencia sensible a la temperatura que los convierte en un dispositivo electrónico pasivo. En 1994, una empresa, Electro-Optic Sensor Design (EOSD), comenzó a estudiar la posibilidad de producir microbolómetros que utilizaran un transistor de película fina (TFT), que es un tipo especial de transistor de efecto de campo. El principal cambio en estos dispositivos sería la adición de un electrodo de compuerta. Aunque los conceptos principales de los dispositivos son similares, el uso de este diseño permite aprovechar las ventajas del TFT. Algunos beneficios incluyen el ajuste de la resistencia y la energía de activación y la reducción de los patrones de ruido periódico. En 2004, este dispositivo todavía se estaba probando y no se utilizaba en imágenes infrarrojas comerciales.
La sensibilidad está limitada en parte por la conductancia térmica del píxel. La velocidad de respuesta está limitada por la capacidad térmica dividida por la conductancia térmica. Reducir la capacidad térmica aumenta la velocidad, pero también aumentan las fluctuaciones térmicas mecánicas estadísticas de la temperatura ( ruido ). Aumentar la conductancia térmica aumenta la velocidad, pero disminuye la sensibilidad.
La tecnología del microbolómetro fue desarrollada originalmente por Honeywell a fines de la década de 1970 como un contrato clasificado para el Departamento de Defensa de los EE. UU . El gobierno de los EE. UU. desclasificó la tecnología en 1992. Después de la desclasificación, Honeywell otorgó licencias de su tecnología a varios fabricantes.
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