日常的な熱画像処理に関しては ほとんどの人が 温度測定や建物検査 電子機器や監視カメラで使用される 冷めない赤外線検出器を よく知っています遠隔監視など 要求の高い用途では温度測定,航空宇宙観測,天文学の分野でも,別のタイプの検出器が重要な役割を果たしています. インディウムアンチモニード (InSb) 冷却赤外線焦平面配列 (FPA) です.InSbは,中波赤外線 (MWIR) 画像撮影のための最も確立された光子検出器材料の一つです.高い感度,迅速な応答の組み合わせ,高性能冷却赤外線カメラの重要な選択となりました.
1.InSbとは何か?なぜMWIR検出に適しているのか?
InSbは,インディウム (In) とアンチモニウム (Sb) から作られたIII-V化合物半導体であるインディウム反モニドを略している.狭いバンドギャップ半導体で 周波数帯の反応は 特に中波赤外線領域に適しています3 5 μm MWIR帯は,大気への重要な伝達窓である.航空機の排気ガス,ジェットエンジン,産業用炎,燃焼プロセスなどの高温の物体からの赤外線放射,この波長範囲内で熱源を効果的に検知できます この窓では適正な環境条件下で 大気吸収が比較的低いためMWIR 画像 撮影 は,特に 遠隔 の 観測 に 役立つこのスペクトル特性により,InSbは,比較的弱い熱放射線を長距離で検出する能力が重要なアプリケーションで自然な利点を与えます.
低温マイクロボロメーターとは異なり,InSbは光子検出器で,温度による電気抵抗の変化によって赤外線を間接的に検出する.入ってくる赤外線光子は半導体材料と直接相互作用し,電荷キャリアを生成しますこの光子検出メカニズムは,InSbに高い感度,迅速な応答,熱信号の迅速な変化を記録する優れた能力この理由から,InSbは高性能MWIRカメラにとって重要な検出材料であり続けています.
2.なぜ InSb検出器は 77K くらいまで冷却する必要があるのか?
InSb冷却赤外線検出器の最も特徴的な特徴は,非常に低い動作温度である.多くの従来のInSb焦平面配列は約77Kで動作する.約−196°C に相当する原因は,InSbの狭い帯隙と密接に関連しています.室温では,熱エネルギーは,検出器に赤外線が入っていない場合でも,半導体の内部で相当数の電子穴ペアを生成することができます.この熱発生媒体は ダーク電流に寄与し 望ましくない電気信号を生み出します
赤外線検出器では これは深刻な問題です. 遠隔または比較的低放射線標的からの実際の赤外線信号は 非常に小さい可能性があります.検出器が電気騒音を 過剰に発生させる場合低温で冷却することで 熱帯電流を劇的に抑制し ダーク電流を減少させます検出器はより正確な弱赤外線信号を区別できます単純に言えば,冷却は,より強い赤外線信号を作り出すことで,InSb検出器をより敏感にしません.弱い赤外線信号を検出しやすくするこれは冷却されたインSb検出器と冷却されていないマイクロボロメーターの基本的な違いの1つです.
3.InSb FPAはどのように冷却されますか?
InSb検出器は,単に環境にさらされ,77Kの温度を維持することが期待できない.検出器は通常,真空デワール組装に統合されています.Dewarは,冷たい検出器と周囲の環境との間に熱隔離を提供します機械冷却器,通常はスターリングサイクル冷却器で,検出器組から熱を継続的に除去し,必要な動作温度を維持します.このアーキテクチャは,通常,いくつかの主要なコンポーネントを組み合わせます.InSb検知チップ 読み込み回路 冷たい指 デワール容器 赤外線窓 低温冷却器結果は,画像撮影中に安定した低温操作を維持できる完全な冷却された赤外線検出器またはカメラコアです.
4.InSb赤外線焦点平面配列はどうやって動きますか?
焦点平面配列 (FPA) は,数千から数百万の個々のピクセルを含む二次元赤外線画像センサーとして理解することができます.各ピクセルは,シーン内の対応する場所から赤外線を受信します配列全体が空間情報を捕捉し,赤外線放射分布を電気画像に変換します.
InSb FPAは,一般的に2つの重要な半導体コンポーネントで構成される.InSb光検出器配列と読み込み集積回路 (ROIC).InSb検出器配列には多くの光二極子ピクセルが含まれていますMWIRの光子がピクセルに到達すると 光子吸収によって電荷キャリアを生成します発生する電気信号は極めて小さいので,効率的に収集し処理する必要がありますROICはこの重要な読み取り機能を実行します. 個々の検出ピクセルから信号を収集し,電荷を統合し,増幅します.信号処理のために情報を準備します検出器配列とROICは通常,インディウムブンプハイブリダライゼーションプロセスによって接続され,コンパクトなハイブリッド焦点平面組成を形成する.
5.InSb 冷却式 FPA: MWIR イメージングのための高性能選択
InSb冷却赤外線焦平面配列を理解する鍵は,材料の特性,スペクトル応答,および冷凍操作の関係性を認識することです.InSb は MWIR 地域には自然に適しています特に3−5μmの大気伝達窓.光子検出器として,迅速な応答と高い感度を提供することができます.狭い帯隙によって,室温で熱生成媒介物質に非常に敏感になります.高性能の操作には深冷却が不可欠です
INSB検出器を ROICと統合して 配列を真空デワールに詰め込み 冷蔵庫で低温を維持することでMWIR信号を高精度で検出できる赤外線画像システムを製造できます冷却されていない赤外線カメラよりも大きく,複雑で,より電力消費です.遠隔検出が難しいアプリケーションでは 置き換えが困難です検出器のピクセルが小さくなり,配列形式が大きくなり,ROICがより高度になり,低密度で冷凍システムがよりコンパクトになる要求の高い MWIR イメージング アプリケーションにとって重要な選択肢であり続けると予想されています
システム設計者にとって,選択は最終的にアプリケーションに依存します: 紧縮性と低電力が優先される場合,冷却されていない検出器がより良い解決策かもしれません.最大 MWIR 感度と迅速な応答が必要な場合,冷却されたInSb焦平面配列は,実証された高性能技術です.