Ренат Закирович ХАФИЗОВ – начальник исследовательского центра «Болометрические детекторы» АО «ОКБ «Астрон», к.ф.­м.н.
Вадим Валерьевич СТАРЦЕВ – главный конструктор АО «ОКБ «Астрон»
Вадим Юрьевич МОСКВИЧЕВ – заместитель главного конструктора АО «ОКБ «Астрон»


Степень интеграции и чувствительность современных болометрических детекторов достигли значений, характерных для аналогичных фотонных приборов. По сравнению с фотонными детекторами болометры обеспечивают поглощение энергии в более широком спектральном диапазоне, могут работать без охлаждения и весьма привлекательны по стоимости и энергопотреблению. Вместе с тем они существенно уступают фотонным детекторам по быстродействию. Сегодня ведущими технологическими компаниями проводятся работы по развитию неохлаждаемых болометрических матричных детекторов для использования в оптико-электронных системах (ОЭС), предназначенных для пеленгации быстро движущихся тепловых объектов.

В ОКБ «Астрон» ведутся работы по разработке чувствительных микроболометрических структур, исходя из современных требований, предъявляемых к теплопеленгационной аппаратуре в части чувствительности и быстродействия детекторов (рис.1). Рассмотрены возможности оптимизации параметров и характеристик матричных неохлаждаемых микроболометрических фотоприемных устройств (ФПУ), определены конструктивные и технологические решения по их разработке.

В болометрических сенсорах значение времени релаксации τr определяется соотношением τr = C⁄G, где C – теплоемкость чувствительной мембраны, а G – теплопроводность консолей. Теплоемкость мембраны определяется ее объемом, а теплопроводность зависит от геометрии и материала консолей. Уменьшение теплоемкости при заданной площади элемента возможно лишь за счет использования более тонких слоев, входящих в структуру мембраны, что лимитируется возможностями технологии и ограничениями в связи с необходимостью обеспечения достаточной прочности структуры, в то время как увеличение теплопроводности можно реализовать конструктивными решениями. При этом использование конструктивных возможностей для увеличения быстродействия имеет смысл наряду с применением технологий, обеспечивающих максимальные значения ТКС, коэффициента поглощения ИК-излучения и оптимальную для решения конкретных задач спектральную чувствительность элемента.

Чувствительность микроболометров в составе ОЭС характеризуются эквивалентной шуму разностью температур (NETD – Noise Equivalent Temperature Difference). На рисунке 2 представлены расчетные зависимости NETD от шага элементов болометрической матрицы совместно с аналогичными зависимостями для времени релаксации. В качестве параметра использовано отношение ширины консоли wt к ее длине L. Из рисунка видно, что приемлемых значений NETD (менее 100 мК) при достаточно низких значениях времени тепловой релаксации (менее 2 мс) можно достичь для матриц с шагом элементов 35–40 мкм и таким образом увеличить кадровую частоту по крайней мере до ~200 Гц. При этом не следует увеличивать число элементов матрицы, небольшие форматы матриц достаточны для ряда специальных применений в теплопеленгационных ОЭС, работающих с малыми полями зрения, где на первый план выступает необходимость пеленгации объектов, перемещающихся в пространстве с высокими скоростями.

Дополнительные улучшения характеристик чувствительности теплопеленгационной аппаратуры с болометрическими ФПУ реализуются за счет адаптивной обработки сигналов, учитывающей текущее изменение условий пеленгации тепловых объектов, прежде всего по их угловым скоростям и дальностям.

Рисунок 2:

АО «ОКБ «АСТРОН»
Россия, 140080, Московская область, г. Лыткарино, ул. Парковая, 1

Отдел продаж:
Тел.: +7 (495) 374­53­88, 215­13­82, 941­62­72
E­mail: sales@astrohn.ru
www.astrohn.ru