Microbolómetro

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 sobre el material del detector, calentándolo y, por lo tanto, modificando su resistencia eléctrica . Este cambio de resistencia se mide y se procesa para obtener temperaturas que se utilizan para crear una imagen. A diferencia de otros tipos de equipos de detección infrarroja, los microbolómetros no requieren refrigeración.

Un microbolómetro es un sensor térmico sin refrigeración . Los sensores térmicos de alta resolución requieren métodos de refrigeración complejos y costosos, como los enfriadores de ciclo Stirling y los enfriadores de nitrógeno líquido . Estos métodos de refrigeración para cámaras termográficas de alta resolución son costosos de operar y difíciles de transportar. Además, las cámaras termográficas de alta resolución requieren un tiempo de enfriamiento superior a 10 minutos antes de poder utilizarse.

Un microbolómetro consta de una matriz de píxeles , cada uno compuesto por varias capas. El diagrama de sección transversal que se muestra en la Figura 1 ofrece una vista general del píxel. Cada empresa que fabrica microbolómetros tiene su propio procedimiento de producción e incluso utiliza una variedad de materiales absorbentes de infrarrojos diferentes. En este ejemplo, la capa inferior consta de un sustrato de silicio y un circuito integrado de lectura ( ROIC ). Se depositan contactos eléctricos que luego se graban selectivamente. Debajo del material absorbente de infrarrojos se crea un reflector, por ejemplo, un espejo de titanio. Dado que parte de la luz puede atravesar la capa absorbente, el reflector la redirige hacia arriba para asegurar la máxima absorción posible, lo que permite producir una señal más fuerte. A continuación, se deposita una capa de sacrificio para que, posteriormente, se pueda crear un espacio que aísle térmicamente el material absorbente de infrarrojos del ROIC. Finalmente, se deposita una capa de material absorbente que se graba selectivamente para 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 manera que el material absorbente quede suspendido aproximadamente 2 μm por encima del circuito de lectura. Dado que los microbolómetros no se enfrían, el material absorbente debe estar aislado térmicamente del circuito integrado de lectura inferior, y la estructura en forma de puente permite que esto ocurra. Una vez creada la matriz de píxeles, el microbolómetro se encapsula al vacío para aumentar la vida útil del dispositivo. En algunos casos, todo el proceso de fabricación se realiza sin romper el vacío.

La matriz de microbolómetros se encuentra comúnmente en dos tamaños: 320 × 240 píxeles o, más económica, 160 × 120 píxeles. La tecnología actual ha llevado a la producción de dispositivos con 640 × 480 o 1024 × 768 píxeles. ^{[ 1 ]} También ha habido una disminución en las dimensiones de los píxeles individuales, que eran típicamente de 45 μm en dispositivos más antiguos, se redujeron a 12 μm en la década de 2000 y, más recientemente, a 6 μm en los microbolómetros fabricados en 2025. ^{[ 2 ]} A medida que las dimensiones de los píxeles disminuyen y el número de píxeles por unidad de área de la matriz aumenta proporcionalmente, se crea una imagen con mayor resolución, pero con una NETD (diferencia de temperatura equivalente al ruido) más alta debido a que los píxeles más pequeños son menos sensibles a la radiación IR.

En los microbolómetros, se utiliza una amplia variedad de materiales para el elemento detector. Un factor clave para determinar el buen funcionamiento del dispositivo es su capacidad de respuesta . Esta capacidad se refiere a la capacidad del dispositivo para convertir la radiación incidente en una señal eléctrica. Las propiedades del material del detector influyen en este valor, por lo que se deben investigar varias propiedades principales: coeficiente de temperatura de resistencia (TCR), ruido 1/f y resistencia.

Un sistema de imágenes de matriz de microbolómetros (MAIS) tiene potencial para aplicaciones médicas para detectar señales de 1 a 5 THz en la superficie del cuerpo creadas por un generador de radiación no ionizante a partir de 2025. ^{[ 3 ]}

Los dos materiales más utilizados para la detección de radiación infrarroja en microbolómetros son el silicio amorfo y el óxido de vanadio . Un problema con algunos materiales potenciales es que, para obtener las propiedades deseadas, sus temperaturas de deposición pueden ser demasiado altas para los procesos de fabricación CMOS. Se han realizado numerosas investigaciones para evaluar la viabilidad de otros materiales. Entre los investigados se incluyen: Ti, YBaCuO , GeSiO, poli SiGe , BiLaSrMnO y citocromo C y albúmina sérica bovina basados ​​en proteínas .

Las películas delgadas de silicio amorfo (a-Si) se integran fácilmente en el proceso de fabricación CMOS mediante bajas temperaturas de deposición, son altamente estables, presentan una constante de tiempo rápida y un largo tiempo medio antes de fallas. Para crear la estructura en capas y el patrón mediante el proceso de fabricación CMOS , se requiere que la temperatura se mantenga por debajo de los 200 °C en promedio. Además, el a-Si posee excelentes valores de coeficiente de temperatura de resistencia (TCR), ruido 1/f y resistencia cuando se optimizan los parámetros de deposición.

Las películas delgadas de óxido de vanadio también pueden integrarse en el proceso de fabricación CMOS, aunque no tan fácilmente como el a-Si debido a la temperatura. El VO es una tecnología más antigua que el a-Si, y su rendimiento y longevidad son inferiores. La deposición a altas temperaturas y el posterior recocido permiten la producción de películas con propiedades superiores. _El VO₂ tiene baja resistencia, pero experimenta un cambio de fase metal-aislante cerca de los 67 _°  C y también tiene un valor de TCR más bajo. Por otro lado, el _V₂O₅ exhibe alta resistencia y también un TCR alto. Existen muchas fases de VOₓ, _aunque parece que x≈1,8 se ha convertido en la más popular para aplicaciones de microbolómetros. 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 el VOₓ sea una tecnología más antigua.

La cuota de mercado de la tecnología 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 la tecnología VOx se utilizan en el sector de la defensa debido a su sensibilidad, estabilidad de imagen y fiabilidad.

El uso de antenas ópticas infrarrojas junto con materiales microbolómetros de pequeño tamaño puede mejorar su eficiencia de detección. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

Una capa con infusión de grafeno sobre un microbolómetro de óxido de vanadio puede mejorar la sensibilidad para detectar frecuencias de 1 a 5 THz. ^{[ 6 ]}

La mayoría de los microbolómetros contienen una resistencia sensible a la temperatura, lo que los convierte en dispositivos electrónicos pasivos. En 1994, la empresa Electro-Optic Sensor Design (EOSD) comenzó a investigar la producción de microbolómetros que utilizaban un transistor de película delgada (TFT), un tipo especial de transistor de efecto de campo. El principal cambio en estos dispositivos sería la adición de un electrodo de puerta. Si bien los conceptos básicos de los dispositivos son similares, este diseño permite aprovechar las ventajas del TFT. Algunos beneficios incluyen el ajuste de la resistencia y la energía de activación , así como la reducción de patrones de ruido periódico. En 2004, este dispositivo aún estaba en fase de pruebas y no se utilizaba en imágenes infrarrojas comerciales.

• Son pequeñas y ligeras. Para aplicaciones que requieren alcances relativamente cortos, las dimensiones físicas de la cámara son aún menores. Esta característica permite, por ejemplo, el montaje de cámaras termográficas microbolómetros sin refrigeración en cascos.
• Proporciona salida de vídeo real inmediatamente después de encenderlo.
• Bajo consumo de energía en comparación con las cámaras termográficas con detector refrigerado.
• Tiempo medio entre fallos muy prolongado .
• Más económicas en comparación con las cámaras que utilizan detectores refrigerados.

• Son menos sensibles (debido a un mayor ruido) que los detectores de imágenes térmicas y de fotones refrigerados, y como resultado no han podido igualar la resolución de los métodos basados ​​en semiconductores refrigerados.

La sensibilidad está parcialmente limitada por la conductancia térmica del píxel. La velocidad de respuesta está limitada por la capacidad calorífica dividida por la conductancia térmica. Reducir la capacidad calorífica aumenta la velocidad, pero también incrementa las fluctuaciones de temperatura térmicas ( ruido ) . Aumentar la conductancia térmica incrementa la velocidad, pero disminuye la sensibilidad.

La tecnología de microbolómetros fue desarrollada originalmente por Honeywell a finales de la década de 1970 como un contrato clasificado para el Departamento de Defensa de los Estados Unidos . El gobierno estadounidense desclasificó la tecnología en 1992. Tras la desclasificación, Honeywell otorgó licencias de su tecnología a varios fabricantes.

Fuente: ^{[ 7 ]}

1. Teledyne FLIR Systems / Teledyne Dalsa ^{[ 8 ]}
2. LYNRED SAS (ex Sofradir y ULIS)
3. Leonardo DRS, Inc.
4. BAE Systems plc
5. Guía de Sensmart Tech Company, Ltd.

• Buscar térmica

Notas

• Wang, Hongchen; Xinjian Yi; Jianjun Lai y Yi Li (31 de enero de 2005). "Fabricación de una matriz de microbolómetros en un circuito integrado de lectura no planar". International Journal of Infrared and Millimeter Waves . 26 (5): 751– 762. Bibcode : 2005IJIMW..26..751W . doi : 10.1007/s10762-005-4983-8 . S2CID 110889363 . 
• LETI. "Microbolómetros" . Archivado del original el 13 de abril de 2015. Consultado el 3 de diciembre de 2007 .
• Deb, KK; Ionescu, AC; Li, C. (agosto de 2000). "Películas delgadas a base de proteínas: un nuevo material de alto TCR" . Sensors . 17 (8). Peterborough, NH: Advanstar Communications: 52–55 . Archivado del original el 28 de abril de 2008. Recuperado el 3 de diciembre de 2007 .
• Kumar, RT Rajendra; B. Karunagarana; D. Mangalaraja; Sa.K. Narayandassa; et  al. (18 de marzo de 2003). "Películas delgadas de óxido de vanadio depositadas a temperatura ambiente para detectores infrarrojos sin refrigeración". Materials Research Bulletin . 38 (7): 1235– 1240. doi : 10.1016/S0025-5408(03)00118-1 .
• Liddiard, Kevin C. (2004). "El microbolómetro activo: un nuevo concepto en detección infrarroja". En Abbott, Derek; Eshraghian, Kamran; Musca, Charles A; Pavlidis, Dimitris; Weste, Neil (eds.). Actas de SPIE: Microelectrónica: Diseño, Tecnología y Empaquetado . Vol.  5274. Bellingham, WA: SPIE. pp. 227–238 . doi : 10.1117/12.530832 . S2CID 108830862 .  

• Descripción general de la tecnología: Detectores de microbolómetro