마이크로볼로미터

마이크로볼로미터는 열화상 카메라에서 검출기로 사용되는 특정한 유형의 볼로미터다. 7.5~14μm의 파장을 가진 적외선 방사선이 검출기(Detector) 물질을 타격해 가열해 전기저항을 변화시킨다. 이러한 저항 변화를 측정하여 이미지를 생성하는 데 사용할 수 있는 온도로 처리한다. 다른 종류의 적외선 탐지 장비와 달리 마이크로볼로미터는 냉각이 필요하지 않다.

건축설

마이크로볼미터(microbolmeter)는 열 센서로, 미장착형 열 센서다 이전의 고해상도 열 센서는 스털링 사이클 냉각기와 액체 질소 냉각기를 포함한 이국적이고 값비싼 냉각 방법을 필요로 했다. 이러한 냉각 방법은 초기 열 이미저들을 작동하는데 비용이 많이 들게 했고 이동에 불편하게 만들었다. 또한 오래된 열 이미저는 사용 가능하기 전에 10분 이상의 냉각 시간이 필요했다.

그림 1. 마이크로볼미터 단면도

마이크로볼미터는 픽셀의 배열로 구성되며, 각 픽셀은 여러 개의 레이어로 구성된다. 그림 1에 표시된 단면도는 픽셀의 일반화된 보기를 제공한다. 마이크로볼로미터를 제조하는 각 회사들은 그것들을 생산하는 그들만의 독특한 절차를 가지고 있고 그들은 심지어 다양한 흡수 물질을 사용한다. 이 예에서 하단층은 실리콘 기질과 판독 집적회로(ROC)로 구성된다. 전기 접점은 침전된 다음 선별적으로 식각한다. 예를 들어, 티타늄 거울과 같은 반사체는 IR 흡수 물질 아래에 만들어진다. 어떤 빛은 흡수층을 통과할 수 있기 때문에, 반사경은 가능한 한 최대의 흡수를 보장하기 위해 이 빛을 다시 위로 돌려 더 강한 신호가 생성되도록 한다. 다음으로 희생 층이 침전되어 프로세스 후반에 IR 흡수 물질을 ROIC로부터 열적으로 분리할 수 있는 간극이 생성될 수 있다. 그런 다음 흡수 물질 층을 침전시키고 선택적으로 식각하여 최종 접점이 생성될 수 있도록 한다. 그림 1에 나타낸 최종 브리지와 같은 구조를 만들기 위해 희생층을 제거하여 흡수재가 판독 회로 위 약 2μm에 매달려 있도록 한다. 마이크로볼로미터는 어떠한 냉각도 거치지 않기 때문에 흡수재는 하부 ROIC로부터 열적으로 격리되어야 하며 브리지 구조와 같은 구조로 인해 이러한 현상이 발생할 수 있다. 픽셀 배열이 생성된 후 마이크로볼로미터는 장치의 수명을 늘리기 위해 진공으로 캡슐화된다. 어떤 경우에는 전체 제작 과정이 진공 상태를 깨지 않고 이루어진다.

마이크로볼로미터에서 만들어진 이미지의 품질은 계속해서 증가하고 있다. 마이크로볼로미터 배열은 일반적으로 320×240픽셀 또는 160×120픽셀의 두 가지 크기로 발견된다. 현재의 기술은 640×480 또는 1024×768 픽셀의 장치 생산으로 이어졌다. 개별 픽셀 치수도 감소했다. 화소 크기는 일반적으로 구형 기기에서 45μm로, 현재 기기에서 12μm로 줄었다. 화소 크기가 줄어들고 단위 면적당 화소 수가 비례적으로 증가하면서 해상도는 더 높은 영상이 생성되지만 화소가 작아 IR 방사선에 덜 민감해 NETD(Noise Equivalent Temperature Difference, 차동)가 더 높다.

재료 특성 탐지

마이크로볼로미터의 검출기 요소에 사용되는 재료는 매우 다양하다. 기기가 얼마나 잘 작동하는지 지시하는 주요 요인은 기기의 응답성이다. 응답성은 들어오는 방사선을 전기 신호로 변환하는 장치의 능력이다. 검출기 재료 특성은 이 값에 영향을 미치므로 TCR, 1/f 노이즈 및 저항성 등 몇 가지 주요 재료 특성을 조사해야 한다.

온도 저항 계수(TCR)

검출기에 사용되는 재료는 미세한 온도 변화로 인한 저항의 큰 변화를 입증해야 한다. 물질이 가열되면 들어오는 적외선 방사선으로 인해 물질의 저항이 감소한다. 이는 소재의 온도 저항 계수(TCR) 특히 음온 계수와 관련이 있다. 업계는 현재 TCR이 -2%/K에 가까운 소재를 포함한 마이크로볼로미터를 제조하고 있다. TCR이 훨씬 높은 재료가 많이 존재하지만, 최적화된 마이크로볼로미터를 생산할 때 고려해야 할 몇 가지 다른 요소들이 있다.

1/f 소음

1/f 소음은 다른 소음과 마찬가지로 신호에 영향을 미치고 신호에 의해 전달되는 정보를 왜곡시킬 수 있는 교란을 일으킨다. 흡수 물질에 걸친 온도 변화는 검출 물질을 통과하는 바이어스 전류 또는 전압의 변화에 의해 결정된다. 소음이 클 경우 발생하는 작은 변화가 명확하게 보이지 않을 수 있으며 기기가 무용지물일 수 있다. 최소 1/f 노이즈의 검출기(Detector) 소재를 사용하면 IR 검출과 출력 사이에 더 선명한 신호가 유지될 수 있다. 검출기 재료는 이 소음이 신호에 유의하게 간섭하지 않는지 확인하기 위해 시험해야 한다.

저항

상온 저항성이 낮은 재료를 사용하는 것은 두 가지 이유로 중요하다. 첫째, 검출 물질에 대한 저항이 낮다는 것은 전력을 덜 사용해야 한다는 것을 의미한다. 둘째, 저항이 높을수록 존슨-나이키스트 노이즈가 높아진다.

검출재료

마이크로볼로미터에서 가장 많이 사용되는 IR방사선 검출 물질은 아모르퍼스 실리콘과 바나듐산화물이다. 사용될 다른 재료의 타당성을 시험하기 위해 많은 연구가 행해졌다. 조사대상에는 다음이 포함된다. Ti, YBACuO, GeSiO, Poly SiGe, BiLaSrMnO, 단백질 기반 시토크롬 C, 소 혈청 알부민.

아모르퍼스 Si(a-Si)는 CMOS 제작 공정에 쉽게 통합될 수 있고 안정성이 뛰어나며, 시간 상수가 빠르며, 고장 전 평균 시간이 길기 때문에 잘 작동한다. 레이어드 구조와 패터닝을 만들기 위해 CMOS 제작 공정을 사용할 수 있지만 평균 온도가 200˚C 미만으로 유지되어야 한다. 일부 잠재적 소재의 문제점은 a-Si 박막의 경우 문제가 되지 않지만 바람직한 특성을 생성하기 위해서는 증착 온도가 너무 높을 수 있다는 것이다. a-Si는 증착 파라미터가 최적화되었을 때 TCR, 1/f 노이즈 및 저항성에 대해서도 우수한 값을 가지고 있다.

온도상 a-Si만큼 쉽지는 않지만, 산화 바나듐 박막은 CMOS 제작 공정에도 통합될 수 있다. VO는 a-Si보다 오래된 기술로 성능과 수명이 떨어진다. 높은 온도에서 증착하고 수술 후 작업을 수행하면 우수한 성질을 가진 필름을 제작할 수 있지만, 허용 가능한 필름은 이후 온도 요건을 충족시킬 수 있다. VO는₂ 저항이 낮지만 67°C에 가까운 금속 절연체 위상 변화를 겪으며 TCR 값도 낮다. 반면 VO는₂₅ 저항이 높고 TCR도 높다. 비록_x xx1.8이 마이크로볼로미터 어플리케이션에서 가장 인기 있는 것으로 보이기는 하지만 VO의 많은 단계가 존재한다. VOx는 구형 기술이지만 다른 어떤 기술보다 안정적이고, 콤팩트하고, 민감하게 반응하는 바나듐 옥사이드 마이크로볼로미터 검출기가 탑재된 열화상 카메라. VOx의 시장 점유율은 다른 어떤 기술보다 훨씬 높다. VOx 시장 점유율은 70%에 육박하며, 아모르퍼스 실리콘은 약 13%이다. 또한 디펜스 섹터에서는 VOx 기술 기반의 열화상 카메라가 사용되어 감도, 영상 안정성, 신뢰성 등을 갖추고 있다.

능동형 및 수동형 마이크로볼로미터

대부분의 마이크로볼로미터는 그들을 수동적인 전자 소자로 만드는 온도 민감 저항기를 포함하고 있다. 1994년 한 회사인 EOSD는 전계효과 트랜지스터의 특별한 종류인 박막 트랜지스터(TFT)를 사용하는 마이크로볼로미터 생산을 검토하기 시작했다. 이러한 장치의 주요 변화는 게이트 전극의 추가일 것이다. 기기의 주요 개념은 유사하지만, 이 설계를 사용하면 TFT의 장점을 활용할 수 있다. 일부 편익에는 저항 및 활성화 에너지의 조정과 정기적인 소음 패턴의 감소 등이 포함된다. 2004년 현재 이 장치는 여전히 시험 중이었고 상업용 IR 영상에는 사용되지 않았다.

이점

그것들은 작고 가볍다. 비교적 짧은 범위가 필요한 애플리케이션의 경우, 카메라의 물리적 치수는 훨씬 더 작다. 예를 들어 이 특성은 헬멧에 미장착 마이크로볼미터 열 이미저를 장착할 수 있다.
전원을 켠 후 즉시 실제 비디오 출력을 제공하십시오.
냉각된 디텍터 열 이미저에 비해 낮은 전력 소비량
고장 사이의 평균 시간이 매우 길다.
냉각된 검출기에 기반한 카메라에 비해 저렴한 가격.

단점들

냉각된 열 및 광자 검출기 이미저보다 민감도가 낮았고(고소음 때문), 그 결과 냉각된 반도체 기반 접근의 분해능과 일치할 수 없었다.

성능 한계

민감도는 화소의 열전도도에 의해 부분적으로 제한된다. 응답 속도는 열 열 용량에 의해 열전도도로 나눈다. 열 용량을 줄이면 속도가 증가하지만 통계적 기계적 열 온도 변동(소음)도 증가한다. 열전도율을 높이면 속도는 높아지지만 감도는 낮아진다.

오리진스

마이크로볼로미터 기술은 원래 허니웰이 1970년대 후반부터 미국 국방부의 기밀 계약으로 개발했다. 미국 정부는 1992년에 이 기술을 기밀 해제했다. 기밀 해제 후 Honeywell은 그들의 기술을 몇몇 제조사에 허가했다.

FLIR Systems ThermoVision SEETH 적외선 영상 시스템은 320×240 마이크로볼미터 어레이를 사용한다.