Quando si tratta di immagini termiche di uso quotidiano, la maggior parte delle persone conosce i rilevatori infrarossi non raffreddati utilizzati per misurare la temperatura, ispezionare edifici, elettronica di consumo e telecamere di sicurezza.Ma per applicazioni impegnative come la sorveglianza a lungo raggioPer la misurazione della temperatura di precisione, l'osservazione aerospaziale e l'astronomia, un altro tipo di rivelatore svolge un ruolo fondamentale: l'indium antimonide (InSb) raffreddato a infrarossi (FPA).InSb è uno dei materiali più affermati per il rilevatore di fotoni per l'imaging a infrarossi a media onda (MWIR), in particolare nella finestra di trasmissione atmosferica di 3 ‰ 5 μm.La tecnologia di produzione matura ha reso una scelta importante per le telecamere a infrarossi raffreddate ad alte prestazioni.
1.Cos'è l'InSb e perché è adatto per la rilevazione MWIR?
InSb sta per antimonuro di indio, un semiconduttore composto III-V fatto di indio (In) e antimonio (Sb).È un semiconduttore a banda stretta con una risposta spettrale particolarmente adatta alla regione infrarossa a onda media. La banda MWIR di 3 ̊5 μm è un'importante finestra di trasmissione atmosferica.,e altre fonti termiche possono essere efficacemente rilevate in questo intervallo di lunghezza d'onda.Le immagini MWIR sono particolarmente utili per l'osservazione a lunga distanzaQuesta caratteristica spettrale conferisce all'InSb un vantaggio naturale nelle applicazioni in cui la capacità di rilevare radiazioni termiche relativamente deboli a lunghe distanze è importante.
A differenza di un microbolometro non raffreddato, che rileva la radiazione infrarossa indirettamente attraverso un cambiamento della resistenza elettrica indotto dalla temperatura, InSb è un rivelatore di fotoni.I fotoni infrarossi in entrata interagiscono direttamente con il materiale semiconduttore e generano portatori di caricaQuesto meccanismo di rilevamento dei fotoni conferisce a InSb diverse caratteristiche importanti, tra cui elevata sensibilità, risposta rapida,e eccellente capacità di cattura di segnali termici in rapida evoluzionePer questo motivo, l'InSb rimane un importante materiale rilevatore per le telecamere MWIR ad alte prestazioni, anche se la tecnologia infrarossa non raffreddata è diventata sempre più diffusa.
2.Perché un rilevatore InSb deve essere raffreddato a circa 77 K?
La caratteristica più distintiva di un rivelatore a infrarossi raffreddato InSb è la sua temperatura di funzionamento estremamente bassa.equivalente a circa -196°C, vicino al punto di ebollizione dell'azoto liquido a pressione atmosferica.L'energia termica può generare un numero significativo di coppie di elettroni-buco all'interno del semiconduttore anche quando non entra radiazione infrarossa nel rilevatoreQuesti portatori generati termicamente contribuiscono alla corrente oscura, creando un segnale elettrico indesiderato.
Per un rivelatore a infrarossi, questo è un grave problema. Il segnale infrarosso effettivo da un bersaglio lontano o relativamente a bassa radiazione può essere estremamente piccolo.Se il rilevatore stesso genera troppo rumore elettricoIl raffreddamento sopprime drasticamente i portatori generati termicamente e riduce la corrente oscura.il rilevatore può distinguere segnali infrarossi deboli con una precisione molto maggioreIn termini semplici, il raffreddamento non rende il rivelatore InSb più sensibile creando un segnale infrarosso più forte;Riduce il rumore termico del rilevatore in modo che i segnali infrarossi deboli diventino più facili da rilevareQuesta è una delle differenze fondamentali tra un rilevatore InSb raffreddato e un microbolometro non raffreddato.
3.Come viene raffreddato un FPA InSb?
Un rivelatore InSb non può essere semplicemente esposto all'ambiente e si prevede che mantenga una temperatura di 77 K. Il rivelatore è normalmente integrato in un impianto Dewar a vuoto.Il Dewar fornisce isolamento termico tra il rilevatore di freddo e l'ambiente circostanteUn cryocooler meccanico, comunemente un refrigeratore a ciclo di Stirling, elimina continuamente il calore dall'assemblaggio del rilevatore e mantiene la temperatura di funzionamento richiesta.Questa architettura di solito combina diversi componenti chiave: il chip del rilevatore InSb, il circuito integrato di lettura, il dito freddo, il vaso Dewar, la finestra a infrarossi e il raffreddatore criogeno.Il risultato è un rivelatore a infrarossi raffreddato completo o un nucleo della fotocamera in grado di mantenere un funzionamento stabile a bassa temperatura durante l'imaging.
4.Come funziona un sistema InSb Infrared Focal Plane Array?
Un array di piani focali, o FPA, può essere inteso come un sensore di immagine a infrarossi bidimensionale contenente migliaia o milioni di singoli pixel.Ogni pixel riceve radiazioni infrarosse da una posizione corrispondente nella scenaL'intera matrice cattura quindi informazioni spaziali e converte la distribuzione delle radiazioni infrarosse in un'immagine elettrica.
Un FPA InSb è generalmente costituito da due componenti semiconduttori critici: il fotodetettore InSb e il circuito integrato di lettura (ROIC).La matrice di rilevatori InSb contiene un gran numero di pixel fotodiodiQuando i fotoni MWIR raggiungono questi pixel, generano portatori di carica attraverso l'assorbimento dei fotoni.I segnali elettrici risultanti sono estremamente piccoli e quindi devono essere raccolti e elaborati in modo efficienteIl ROIC esegue questa funzione di lettura critica, raccoglie il segnale dai singoli pixel del rilevatore, integra e amplifica la carica,e prepara le informazioni per l'elaborazione successiva del segnaleL'array di rilevatori e il ROIC sono in genere collegati attraverso un processo di ibridazione con urto di indio, formando un compatto assemblaggio di piano focale ibrido.
5.FPA raffreddato InSb: una scelta ad alte prestazioni per l'imaging MWIR
La chiave per comprendere le matrici di piano focale a infrarossi raffreddati InSb è riconoscere la relazione tra proprietà del materiale, risposta spettrale e funzionamento criogenico.InSb è naturalmente ben adattato alla regione MWIRCome rilevatore di fotoni può fornire una risposta rapida e un'elevata sensibilità.Il suo stretto intervallo lo rende anche molto suscettibile ai vettori generati termicamente a temperatura ambiente, motivo per cui il raffreddamento in profondità è essenziale per un funzionamento ad alte prestazioni.
Integrando un array di rilevatori InSb con un ROIC, confezionando l'assemblaggio all'interno di un Dewar a vuoto, e mantenendo una bassa temperatura di funzionamento con un criocolore,i produttori possono costruire sistemi di imaging a infrarossi in grado di rilevare segnali MWIR deboli con elevata precisioneAnche se i sistemi InSb raffreddati sono più grandi, più complessi e più affamati di energia rispetto alle telecamere infrarosse non raffreddate,Le loro prestazioni le rendono difficili da sostituire in applicazioni in cui il rilevamento a lungo raggio, alta sensibilità, risposta rapida e immagini MWIR di alta qualità sono fondamentali.e i sistemi criogenici diventano più compattiLa tecnologia InSb dovrebbe rimanere un'opzione importante per le più esigenti applicazioni di imaging MWIR.
Per i progettisti di sistemi, la scelta dipende in ultima analisi dall'applicazione: quando la compattezza e la bassa potenza sono la priorità, un rivelatore non raffreddato può essere la soluzione migliore;quando sono richieste la massima sensibilità MWIR e una risposta rapida, un array di piano focale InSb raffreddato rimane una tecnologia di elevate prestazioni.