Quando se trata de imagens térmicas diárias, a maioria das pessoas está familiarizada com detectores infravermelhos não resfriados usados na medição de temperatura, inspeção de edifícios, eletrônicos de consumo e câmeras de segurança.Mas para aplicações exigentes como a vigilância de longo alcanceNo domínio da medição de temperatura de precisão, da observação aeroespacial e da astronomia, outro tipo de detector desempenha um papel fundamental: a matriz de plano focal de infravermelho resfriado com antimoneto de ínio (InSb).InSb é um dos materiais de detector de fótons mais estabelecidos para imagens de infravermelho de onda média (MWIR)A sua combinação de alta sensibilidade, resposta rápida,e tecnologia de fabricação madura tornou-se uma escolha importante para câmeras infravermelhas resfriadas de alto desempenho.
1.O que é o InSb e por que é adequado para a detecção de MWIR?
InSb significa antimoneto de ínio, um semicondutor composto III-V feito de ínio (In) e antimônio (Sb).É um semicondutor de banda estreita com uma resposta espectral particularmente adequada para a região infravermelha da onda médiaA banda MWIR de 3 ̊5 μm é uma importante janela de transmissão atmosférica.,Como a absorção atmosférica é relativamente baixa nesta janela sob condições ambientais adequadas,As imagens do MWIR são especialmente valiosas para observação a longa distânciaEsta característica espectral confere ao InSb uma vantagem natural em aplicações em que a capacidade de detectar radiação térmica relativamente fraca a longas distâncias é importante.
Ao contrário de um microbolômetro não resfriado, que detecta a radiação infravermelha indiretamente através de uma mudança induzida pela temperatura na resistência elétrica, o InSb é um detector de fótons.Os fótons infravermelhos que entram interagem diretamente com o material semicondutor e geram portadores de cargaEste mecanismo de detecção de fótons confere ao InSb várias características importantes, incluindo alta sensibilidade, resposta rápida,e excelente capacidade de captura de sinais térmicos em rápida mudançaPor esta razão, o InSb continua a ser um importante material de detecção para câmaras MWIR de alto desempenho, embora a tecnologia infravermelha não arrefecida se tenha tornado cada vez mais difundida.
2.Por que um detector InSb precisa ser resfriado para cerca de 77 K?
A característica mais distintiva de um detector de infravermelho resfriado InSb é a sua temperatura de funcionamento extremamente baixa.equivalente a cerca de -196°CA razão está estreitamente relacionada com a estreita distância de banda de InSb.energia térmica pode gerar um número significativo de pares de elétrons-buracos dentro do semicondutor, mesmo quando nenhuma radiação infravermelha está entrando no detectorEstes transportadores gerados termicamente contribuem para a corrente escura, criando um sinal elétrico indesejado.
Para um detector de infravermelhos, este é um problema sério. O sinal infravermelho real de um alvo distante ou relativamente de baixa radiação pode ser extremamente pequeno.Se o próprio detector gerar muito ruído elétricoO resfriamento suprime drasticamente os portadores gerados termicamente e reduz a corrente escura.O detector pode distinguir sinais infravermelhos fracos com uma precisão muito maiorEm termos simples, o resfriamento não torna o detector InSb mais sensível, criando um sinal infravermelho mais forte; em vez disso,reduz o ruído térmico do próprio detector para que os sinais infravermelhos fracos sejam mais fáceis de detectarEsta é uma das diferenças fundamentais entre um detector InSb refrigerado e um microbolómetro não refrigerado.
3.Como é que um InSb FPA é arrefecido?
Um detector InSb não pode simplesmente ser exposto ao ambiente e manter uma temperatura de 77 K. O detector é normalmente integrado num conjunto Dewar a vácuo.O Dewar fornece isolamento térmico entre o detector de frio e o ambiente circundanteUm criocolor mecânico, geralmente um refrigerador de ciclo de Stirling, remove então continuamente o calor do conjunto do detector e mantém a temperatura de funcionamento necessária.Esta arquitetura normalmente combina vários componentes-chaveO chip do detector InSb, circuito integrado de leitura, dedo frio, recipiente Dewar, janela infravermelha e refrigerador criogénico.O resultado é um detector de infravermelho resfriado completo ou núcleo de câmera capaz de manter uma operação estável a baixas temperaturas durante a imagem.
4.Como funciona uma matriz de plano focal infravermelho InSb?
Uma matriz de plano focal, ou FPA, pode ser entendida como um sensor de imagem infravermelha bidimensional contendo milhares ou milhões de pixels individuais.Cada pixel recebe radiação infravermelha de um local correspondente na cenaPor conseguinte, toda a matriz capta informação espacial e converte a distribuição da radiação infravermelha numa imagem eléctrica.
Um FPA InSb consiste geralmente em dois componentes críticos de semicondutores: a matriz fotodetector InSb e o circuito integrado de leitura (ROIC).A matriz de detectores InSb contém um grande número de pixels de fotodiodosQuando os fótons MWIR atingem estes pixels, geram portadores de carga através da absorção de fótons.Os sinais elétricos resultantes são extremamente pequenos e, portanto, precisam ser coletados e processados de forma eficienteO ROIC executa esta função crítica de leitura. Ele coleta o sinal de pixels de detector individuais, integra e amplifica a carga,e prepara as informações para o processamento subsequente do sinalA matriz de detectores e o ROIC são tipicamente conectados através de um processo de hibridação de colisão de ínio, formando um conjunto de plano focal híbrido compacto.
5.FPA resfriado InSb: uma escolha de alto desempenho para a imagem MWIR
A chave para compreender as matrizes de plano focal infravermelho resfriados InSb é reconhecer a relação entre as propriedades do material, a resposta espectral e a operação criogênica.O InSb é naturalmente bem adaptado à região MWIRComo um detector de fótons, pode fornecer uma resposta rápida e alta sensibilidade.A sua estreita distância entre bandas também a torna altamente suscetível a transportadores gerados termicamente à temperatura ambiente., razão pela qual o arrefecimento profundo é essencial para uma operação de alto desempenho.
Integrando uma matriz de detectores InSb com um ROIC, empacotando o conjunto dentro de um Dewar a vácuo, e mantendo uma temperatura de funcionamento baixa com um criocolor,Os fabricantes podem construir sistemas de imagem infravermelha capazes de detectar sinais MWIR fracos com alta precisãoEmbora os sistemas InSb arrefecidos sejam maiores, mais complexos e mais energéticos do que as câmaras infravermelhas não arrefecidas,O seu desempenho dificulta a sua substituição em aplicações em que a detecção a longa distância, alta sensibilidade, resposta rápida e imagem MWIR de alta qualidade são críticos. À medida que os pixels do detector ficam menores, os formatos de matriz ficam maiores, os ROICs se tornam mais avançados,e os sistemas criogénicos tornam-se mais compactosA tecnologia InSb deverá continuar a ser uma opção importante para aplicações de imagem MWIR exigentes.
Para os projetistas de sistemas, a escolha depende, em última análise, da aplicação: quando a compacidade e a baixa potência são a prioridade, um detector sem arrefecimento pode ser a melhor solução;Quando for necessária a sensibilidade MWIR máxima e uma resposta rápida, uma matriz de plano focal InSb arrefecida continua a ser uma tecnologia de alto desempenho comprovada.