Jeśli chodzi o codzienne obrazowanie termiczne, większość ludzi zna detektory podczerwieni niechłodzone, używane do pomiaru temperatury, inspekcji budynków, urządzeń elektronicznych i kamer bezpieczeństwa.Ale dla wymagających zastosowań, takich jak obserwacja dalekiego zasięguW dziedzinie pomiaru temperatury precyzyjnej, obserwacji lotniczej i astronomii ważną rolę odgrywa inny rodzaj detektora: chłodzony podczerwony układ płaszczyzny ogniskowej (FPA) z antymonydem india (InSb).InSb jest jednym z najbardziej znanych materiałów detektorów fotonowych do obrazowania w podczerwieni średniej fali (MWIR), zwłaszcza w oknie transmisji atmosferycznej 3 ‰ 5 μm.i dojrzała technologia produkcyjna uczyniła go ważnym wyborem dla wydajnych chłodzonych kamer podczerwonych.
1.Co to jest InSb i dlaczego nadaje się do wykrywania MWIR?
InSb to skrót od indium antimonide, półprzewodnik związkowy III-V wykonany z indium (In) i antimonu (Sb).Jest to półprzewodnik o wąskiej pasmowej przestrzeni z reakcją widmową szczególnie odpowiednią dla półciśnieniowego regionu.. Pasmo MWIR 3 ‰ 5 μm jest ważnym oknem transmisji atmosferycznego. Promieniowanie podczerwone z obiektów o wysokiej temperaturze, takich jak spalinki lotnicze, silniki odrzutowe, płomienie przemysłowe, procesy spalania,Ponieważ w tym oknie w odpowiednich warunkach środowiskowych wchłanianie atmosferyczne jest stosunkowo niskie,Obrazowanie MWIR jest szczególnie cenne dla obserwacji z dalekaTa charakterystyka widmowa daje InSb naturalną przewagę w zastosowaniach, w których ważna jest zdolność wykrywania stosunkowo słabego promieniowania cieplnego na duże odległości.
W przeciwieństwie do niechłodzonego mikrobolometru, który wykrywa promieniowanie podczerwone pośrednio poprzez zmianę oporu elektrycznego wywołaną temperaturą, InSb jest detektorem fotonów.Przychodzące fotony podczerwone oddziałują bezpośrednio z materiałem półprzewodnikowym i wytwarzają nośniki ładunkuMechanizm wykrywania fotonów daje InSb kilka ważnych cech, w tym wysoką wrażliwość, szybką reakcję,i doskonałą zdolność do wychwytywania szybko zmieniających się sygnałów termicznychZ tego powodu InSb pozostaje ważnym materiałem detektorskim dla wysokowydajnych kamer MWIR, mimo że technologia podczerwieni nieochłodzonej staje się coraz bardziej rozpowszechniona.
2.Dlaczego detektor InSb musi być schłodzony do około 77 K?
Najbardziej charakterystyczną cechą chłodzonego detektora podczerwonego InSb jest jego niezwykle niska temperatura pracy.równowartość około -196°CPrzyczyna jest ściśle związana z wąską przepaścią InSb. W temperaturze pokojowej,energia cieplna może generować znaczną liczbę par elektronów-dziur wewnątrz półprzewodnika, nawet jeśli nie wchodzi do detektora promieniowanie podczerwoneTe generowane cieplnie nośniki przyczyniają się do ciemnego prądu, tworząc niechciany sygnał elektryczny.
W przypadku detektorów podczerwieni jest to poważny problem, ponieważ rzeczywisty sygnał podczerwieni z odległego lub stosunkowo niskiej promieniowania celu może być niezwykle mały.Jeśli same detektory generują zbyt dużo hałasu elektrycznegoChłodzenie radykalnie tłumi generowane cieplnie nośniki i zmniejsza ciemny prąd.Detektor może odróżnić słabe sygnały podczerwone z znacznie większą dokładnościąW prostych słowach, chłodzenie nie zwiększa wrażliwości detektora InSb poprzez tworzenie silniejszego sygnału podczerwonego; zamiast tegozmniejsza własny hałas termiczny detektora, dzięki czemu słabe sygnały podczerwone są łatwiejsze do wykryciaJest to jedna z podstawowych różnic między chłodnym detektorem InSb a niechłodnym mikrobolometrem.
3.W jaki sposób InSb FPA jest chłodzony?
Detektor InSb nie może być po prostu narażony na działanie środowiska i oczekuje się, że utrzyma temperaturę 77 K. Detektor jest zwykle zintegrowany z vakuum Dewar.Dewar zapewnia izolację termiczną pomiędzy detektorem chłodu a otaczającym środowiskiemMechaniczny chłodnik chłodzący, zwykle chłodnik cyklu Stirlinga, ciągle usuwa ciepło z zestawu detektorów i utrzymuje wymaganą temperaturę pracy.Architektura ta zazwyczaj łączy kilka kluczowych elementów: chip detektor InSb, układ zintegrowany odczytu, zimny palec, naczynie Dewar, okno podczerwone i chłodnik kriogeniczny.W rezultacie powstaje kompletny ochłodzony detektor podczerwieni lub rdzeń kamery, który jest w stanie utrzymać stabilną pracę w niskich temperaturach podczas obrazowania.
4.Jak działa InSb Infrared Focal Plane Array?
Macierze płaszczyzny ogniskowej lub FPA można rozumieć jako dwuwymiarowy czujnik obrazu podczerwonego zawierający tysiące lub miliony pojedynczych pikseli.Każdy piksel otrzymuje promieniowanie podczerwone z odpowiedniego miejsca w scenieCały zestaw rejestruje zatem informacje przestrzenne i konwertuje rozkład promieniowania podczerwonego na obraz elektryczny.
InSb FPA składa się na ogół z dwóch krytycznych komponentów półprzewodnikowych: zestawu fotodetektorów InSb i układu scalonego odczytu (ROIC).Zestaw detektorów InSb zawiera dużą liczbę pikseli fotodiodyKiedy fotony MWIR docierają do tych pikseli, generują nośniki ładunku poprzez absorpcję fotonów.W rezultacie sygnały elektryczne są niezwykle małe i dlatego muszą być zbierane i przetwarzane skutecznieROIC wykonuje tę krytyczną funkcję odczytu. Zbiera sygnał z poszczególnych pikseli detektorów, integruje i wzmacnia ładunek,i przygotowuje informacje do późniejszego przetwarzania sygnałuZestaw detektorów i ROIC są zazwyczaj połączone za pomocą procesu hybrydyzacji india, tworząc kompaktowy hybrydowy zespół płaszczyzny ogniskowej.
5.InSb Chłodzony FPA: Wydajny wybór dla obrazowania MWIR
Kluczem do zrozumienia InSb chłodzonych podczerwonych układów płaszczyzny ogniskowej jest rozpoznanie związku między właściwościami materiału, reakcją widmową i operacją kriogeniczną.InSb naturalnie dobrze nadaje się do regionu MWIRJako detektor fotonów może zapewniać szybką reakcję i wysoką czułość.Jego wąska przepustowość sprawia, że jest również bardzo podatny na cieplnie wytwarzane nośniki w temperaturze pokojowej, dlatego głębokie chłodzenie jest niezbędne do wysokiej wydajności pracy.
Zintegrowanie zestawu detektorów InSb z ROIC, opakowanie zestawu w próżni Dewar i utrzymanie niskiej temperatury pracy z chłodnikiem,producenci mogą budować systemy obrazowania podczerwonego zdolne do wykrywania słabych sygnałów MWIR z wysoką precyzjąChociaż systemy InSb o chłodzonym zasięgu są większe, bardziej złożone i zużywają więcej energii niż niechłodzone kamery podczerwone,ich wydajność utrudnia ich zastąpienie w zastosowaniach, w których wykrywanie na duże odległości, wysoka wrażliwość, szybka reakcja i wysokiej jakości obrazowanie MWIR są kluczowe.systemy kryogenne stają się bardziej kompaktoweOczekuje się, że technologia InSb pozostanie ważną opcją dla wymagających zastosowań obrazowania MWIR.
W przypadku projektantów systemów wybór zależy ostatecznie od zastosowania: gdy priorytetem jest kompaktowość i niska moc, detektor niechłodzony może być lepszym rozwiązaniem;gdy wymagana jest maksymalna wrażliwość MWIR i szybka reakcja, chłodzony układ InSb w płaszczyźnie ogniskowej pozostaje sprawdzoną technologią o wysokiej wydajności.