4.2.1. Неохлаждаемый микромеханический формирователь сигналов изображения.

В предлагаемых исследованиях используются технические решения, позволяющие создать неохлаждаемый тепловизионный приемник изображения, в котором на порядок величины по сравнению с охлаждаемыми будут уменьшены энергопотребление и массогабаритные характеристики, обеспечивается повышение температурного разрешения малоконтрастных объектов при наличии теплового излучения земного фона за счет внутреннего усиления сигнала и считывания бегущей волной разницы температур соседних теплочувствительных элементов. Кроме того, на порядок величины увеличивается динамический диапазон принимаемых тепловых сигналов.

У нас в стране работы в области создания микромеханических устройств обработки информации, использующих бегущие упругие волны в микроволноводах, проводятся около 10 лет[ ]. За это время разработаны теоретические основы и создана лабораторная технология получения микромеханических устройств на бегущих упругих волнах. Разработаны и созданы макетные образцы матриц упругих микроволноводов. Основанные на результатах этих работ оценки показывают возможность создания простых неохлаждаемых микромеханических формирователей сигналов теплового изображения, не требующих при производстве субмикронных топологических норм, при одновременном улучшении обнаружительной способности.

Рассматриваемые самосканирующиеся ФПУ являются неохлаждаемыми приемниками теплового принципа действия. К этому же классу приемников теплового изображения относятся пировидиконы, пироэлектрические матрицы фокальной плоскости и микроболометрические матрицы фокальной плоскости. Во всех этих устройствах падающее на приемник ИК излучение объекта повышает температуру теплоизолированного чувствительного элемента, что приводит к изменению свойств материала вследствие проявления тепловых эффектов, например, болометрического (изменения удельного сопротивления или электрической емкости чувствительного элемента) или пироэлектрического. Повышение температуры можно определить уравнением

где Ф₀ – амплитуда мощности входного периодического теплового потока (сигнала),  - степень черноты чувствительной поверхности, G_th - теплопроводность между теплоизолированным чувствительным элементом и общим базовым электродом, поддерживающим массив теплочувствительных элементов, C_th – теплоемкость чувствительного элемента,  - круговая частота входного теплового сигнала.

В случае матрицы чувствительных элементов, опрашиваемых раз за кадр развертки, теплоемкостью пренебрегают:

Качество различных инженерных конструкций чувствительных элементов можно сравнивать по значениям их теплопроводности (или теплового сопротивления). Так, в микроболометрической матрице 340240 фирмы Honeywell для одного элемента Вт/К (при физическом пределе для приемника площадью 50 мкм Вт/К). В гибридной пироэлектрической матрице 245328 фирмы Texas Instruments Вт/К; в монолитной матрице возможно достижение значений Вт/К.

Образующиеся на чувствительных элементах электрические сигналы считываются электронными схемами, размещенными на подложке под элементами, изготовленными по кремниевой ПЗС-технологии с топологической нормой до 0,5 мкм.

Пировидикон является вакуумным прибором.

В пировидиконах мишенью является тонкая мембрана из пироэлектрика, на одну сторону которой фокусируется тепловое изображение; пиропотенциалы считываются с другой стороны мишени сканирующим электронным лучом.

Проблемой является тепловое растекание по мишени теплового изображения вследствие теплопроводности ее вещества, что ограничивает разрешение видиконов. Существенными недостатками являются также увеличенный уровень влияния шумов электроннолучевой системы опроса элементов и нелинейность сканирования, что усложняет цифровое позиционирование элементов изображения.

Фундаментальный предел чувствительности любого теплового приемника определяется шумом температурных флуктуаций чувствительных элементов, обусловленных случайными изменениями теплопроводности G_th .

Наличие теплового сигнала на чувствительном элементе, вызванного излучением от объекта, приводит к возникновению второго вида шума – шума радиационного обмена (фотонного шума), т.е. ограничению чувствительности флуктуациями фонового излучения.

Третий всегда присутствующий источник шума – шум Джонсона – шум на резисторе с сопротивлением R или на резистивных потерях в диэлектрике.

Есть и другие источники шума, в разной мере присущие различным типам чувствительных элементов и конструкций матриц элементов:

• шум, вносимый усилителем электронной схемы считывания;

• геометрический шум, вызванный неоднородностью параметров и характеристик отдельных чувствительных элементов ФПУ, и др.

Шумы ограничивают минимально обнаруживаемые значения теплового контраста объекта.

Для видиконов характерное значение Т = 300  150 мК (отечественные приборы МРПО “Спектр” (Москва), ЦНИИ “Электрон”; зарубежные фирмы “GEC Marconi”(Великобритания), “Insight Vision Systems” (Великобритания), и др.).

Ряд фирм за рубежом производят микроболометрические матрицы с использованием резистивных чувствительных элементов из кремния или окиси ванадия (фирма “DRS Sensors and Targeting, lns.,” США, изготавливает ФПУ И-4000 в формате 320240 ячеек, размер ячейки 51 мкм, Т = 27 мК; фирма “Boeing”, США, изготавливает ФПУ И-300 в формате 320240, Т  80 мК). В разработках находятся матрицы с Т = 10  20 мК и размерами ячеек 15 мкм. Матричные ФПУ с пироэлектрическими чувствительными элементами разрабатывает фирма Texas Instruments и ряд других фирм, получено Т  50 мК. При формате матрицы 245328 элементов с межцентровым расстоянием 48, 5 мкм фирма “Raytheon”, выпускает ФПУ SERIES 3000, SERIES 2000 форматом 320240 с размером пикселя 48,5 мкм, коэффициентом заполнения 0,44, Т < (50…150) мК.

В разрабатываемых самосканирующихся пироэлектрических ФПУ чувствительным пироэлементам присущи те же шумовые свойства, как и любым тепловым приемникам. Однако, благодаря возможности встроенного усиления (многократного индуцированного переноса заряда), на вход усилителя электронной схемы считывания сигналов строки попадает усиленный в 10  20 раз полезный сигнал, поэтому влияние собственных шумов усилителя уменьшается. В расчете шумов ФПУ этим видом шума можно пренебречь.

Упрощается архитектура матричного самосканирующегося ФПУ, так как усилитель считывания может быть один на строку из 200 – 300 разрешаемых элементов изображения (а не один на каждый разрешаемый элемент, как в любых известных матричных ФПУ).

В таком устройстве может быть практически полностью исключен геометрический шум вдоль одной строки, так как участок пиромишени вдоль строки может быть выполнен неструктурированным, без выделения площадок отдельных чувствительных элементов.

Таким образом, в отличие от распространенных в настоящее время, устройство с бегущей упругой волной имеет меньший набор источников шумов. По проведенным оценкам, шум формирования изображения, эквивалентный разности температур Т объекта для разрабатываемого в виде линейной матрицы прибора может составить при работе с частотой кадров 20 Гц (при обнаружении объектов с температурой 300 К в атмосфере):

Т ≈ 0,01 – 0,02 К.

Габариты чипа устройства близки к габаритам чипов микросхем. Корпус устройства должен быть вакуумно–герметизирован и его габариты близки к габаритам корпусов выпускаемых в настоящее время матричных фотоприемников.

Сравнительные ТТХ тепловизионных приемников

Разработчик/ Основные характеристики	НПО «Орион»	ЦНИИ «Электрон»	ЗАО «Матричные технологии»	ЦНИИ «Циклон»	Sofradir (Франция)	НИР
Спектральный диапазон, мкм	8-12	3-5	3-5	8-12	8-14	8-12
Тип приемника	На основе HgCdTe	На основе InSb	На основе PtSi	На основе микроболометров	На основе HgCdTe	На основе самосканирующихся устройств волновой микромеханики
Количество приемных площадок (элементов изображения)	256 х256	256 х256	256х256	240х320	4х288	128х128 (256х256)
Масса,кг	10					0,1

.

Предложена концепция создания микромеханического неохлаждаемого формирователя сигналов теплового изображения со встроенной функцией самосканирующегося построчного опроса теплочувствительных элементов.

Особенностью предлагаемой концепции построения микромеханического ФСИ является последовательный опрос элементов с использованием бегущих упругих волн в полосковом механическом микроволноводе, имеющем поперечное сечение полоски около 301 мкм и длину, равную размеру строки изображения. В отличие от известных микромеханических биматериальных матриц, в которых опрос ячеек осуществляется с помощью ключевых электрических схем, сформированных по кремниевой технологии в подложке в области каждой ячейки, информация о состоянии каждой ячейки переносится упругой волной вдоль линейки и преобразуется в форму последовательности электрических импульсов преобразователем, установленным в конце строки.

При матричном исполнении ФСИ апертура его заполняется необходимым количеством идентичных линеек, каждая из них содержит микроволновод. Если бегущие волны возбуждать в построчных микроволноводах последовательно строку за строкой, то в общем нагрузочном резисторе матрицы при этом формируется последовательность сигналов изображения всего кадра.

Волноводный опрос ячеек позволяет отказаться от сложных электронных схем опроса болометрических ячеек, требующих при изготовлении топологических норм ≈ 0,5 мкм, при этом достижимы более высокие значения чувствительности ячеек, чем в болометрических ячейках биматериальной конструкции.

Микромеханический волновод бегущих упругих волн представляет собой тонкую (0,1…5 мкм) узкую полоску металла (или диэлектрика), закрепленную концами в натянутом состоянии. Упругая волна возбуждается приложением деформирующего участок волновода короткого сигнала начала развертки (например, пондеромоторным воздействием электрического поля) и распространяется по волноводу в виде локальной деформации с постоянной скоростью. Волна может иметь изгибный (поперечный), продольный, или крутильный характер. Величина деформации в проводившихся исследованиях кремниевых микроволноводов достигала 0,1…0,3 мкм, скорость волны до 100…300 м/с.

Упрощенная структурная схема варианта устройства линейки ФСИ показана на рисунке.

Теплочувствительным элементом является теплоизолированная полоска пироэлектрика, например пирокерамики, над поверхностью которой на расстоянии d закреплена натянутая металлическая полоска, играющая роль волновода упругих изгибных волн. Упругая волна, возбужденная в виде локальной деформации (пунктир), перемещается вправо со скоростью v, определяемой геометрическими и механическими параметрами микроволновода, и с той же скоростью перемещается область уменьшенного зазора между поверхностями волновода и пироэлектрика. Заряд поверхности пироэлектрика, соответствующий тепловой картине, проецируемой на него, наводит в соответствии с принципом электростатической индукции заряд противоположного знака в металле волновода. Движение участка упругой деформации вдоль волновода приводит к поочередному сканированию зарядов , имеющихся на поверхности пироэлектрика, и возникновению тока в цепи волновода ( - заряд, индуцированный в волноводе). Ток усиливается зарядочувствительным усилителем, входное сопротивление которого равно нулю вследствие наличия емкостной отрицательной обратной связи.

Заряд попадает по волноводу, являющемуся проводником, на вход зарядового усилителя и является полезным сигналом о распределении температуры по площади пироэлектрической мишени. Полезный сигнал несет информацию о разности температур соседних участков пироэлектрической мишени, т. е. о температурном контрасте наблюдаемых объектов, чье изображение сформировано объективом тепловизора на мишени. При отсутствии температурного контраста у объекта сигнал равен нулю. Следует подчеркнуть, что известные и тепловые, и фотонные ФПУ не обладают указанной замечательной особенностью, полезный сигнал в них пропорционален температуре элемента изображения, а не разности температур соседних элементов. Изображение земных объектов в диапазоне 8 – 12 мкм обладает малой контрастностью, так как определяется разностью температур объектов, которая мала. Отсюда – уменьшение реальной обнаружительной способности таких ФПУ, ограничение чувствительности земным фоном. Самосканирующееся микромеханическое устройство может работать в двух режимах: в режиме периодического прерывания теплового потока от объекта и в режиме без прерывания с запоминанием зарядовой картины в ЗУ электронного обрамления и ее корректировками при появлении полезного сигнала, вызванного локальным изменением картины. Последнему режиму соответствует возможность формирования сигнала изображения с узкой полосой частот и потому уменьшенным влиянием шумов усилительного тракта на полезный сигнал.

Поперечная переменная с амплитудой сила, приложенная к струне, приводит к изгибу и появлению у элемента струны поперечной скорости с амплитудой :

.

Возбуждение волны возможно с использованием переменного электрического поля.

Найдем амплитуду изгибной волны, возбуждаемой в полосковом волноводе приложением перпендикулярно участку его поверхности переменного электрического поля .

Переменная составляющая возникающей силы давления на поверхность волновода равна:

где, площадь участка волновода, на которую действует поле.

Полагая длину изогнутого участка волновода, «снимающего» сигнал с Для волновода из пленки кремния с натяжением  = 10⁷ ÷ 10⁸ Па и  = 3·10³ кг/м³, фазовая скорость равна

мишени, равной где – длина изгибной волны в волноводе, – размер чувствительного элемента мишени (30 мкм), получим:  = 60 мкм, длительность сигнала при v = 100 м/с равна , частота основной гармоники Гц.

Для оценки значений величин воспользуемся гармоническим приближением. В случае гармонических колебаний справедливо соотношение

где - амплитуда скорости поперечных колебаний в струне.

Таким образом, в ходе проведения дальнейших исследований будут разработаны научно-технические пути создания устройства формирования изображения малоконтрастных тепловых объектов, основанного на новом физическом принципе. Будет создан работающий макет тепловизионного устройства, использующий разработанный формирователь сигналов и проведены его всесторонние исследования. Ожидаемые характеристики в части чувствительности ФПУ превосходят современный уровень параметров, что является существенным основанием для улучшения параметров элементной базы различных оптико-электронных систем.