وقتی صحبت از تصویربرداری حرارتی روزمره می شود، بیشتر مردم با آشکارسازهای مادون قرمز بدون خنک کننده که در اندازه گیری دما، بازرسی ساختمان، لوازم الکترونیکی مصرفی و دوربین های امنیتی استفاده می شوند آشنا هستند.اما براي کاربردهاي سخت مثل نظارت دوربين، اندازه گیری دقیق دما، مشاهده هوافضا و نجوم، یک نوع دیگر از آشکارساز نقش مهمی دارد: انتی مونید ایندیوم (InSb) یخ زده تحت قرمز صفحه فوکال آرایه (FPA).InSb یکی از شناخته شده ترین مواد فوتونی برای تصویربرداری مادون قرمز موج میانی (MWIR) است.، به خصوص در پنجره انتقال 3 ′′ 5 μm جوی. ترکیب حساسیت بالا، پاسخ سریع،و تکنولوژی تولید بالغ آن را به یک انتخاب مهم برای دوربین های مادون قرمز با عملکرد بالا تبدیل کرده است.
1.InSb چیست و چرا برای تشخیص MWIR مناسب است؟
InSb مخفف از اندیوم آنتی مونید است که یک نیمه هادی ترکیبی III-V از اندیوم (In) و آنتی مون (Sb) است.این یک نیمه هادی با فاصله باند باریک با یک پاسخ طیف است که به ویژه برای منطقه مادون قرمز موج متوسط مناسب است.. باند MWIR 3 5 μm یک پنجره مهم انتقال جوی است. تابش مادون قرمز از اجسام با دمای بالا مانند اگزوز هواپیما، موتورهای جت، شعله های صنعتی، فرآیندهای احتراق,و سایر منابع حرارتی را می توان به طور موثر در این محدوده طول موج شناسایی کرد.تصویربرداری MWIR به ویژه برای مشاهدات از راه دور ارزشمند استاین ویژگی طیف به InSb مزیت طبیعی در کاربردهایی که توانایی تشخیص تشعشعات حرارتی نسبتا ضعیف در مسافت های طولانی مهم است، می دهد.
برخلاف یک میکروبولومتر غیر خنک شده که تابش مادون قرمز را به طور غیر مستقیم از طریق تغییر مقاومت الکتریکی ناشی از دمای هوا تشخیص می دهد، InSb یک آشکارساز فوتون است.فوتون های مادون قرمز وارد می شوند و مستقیماً با مواد نیمه هادی در تعامل هستند و حامل های شارژ را تولید می کنند.این مکانیسم تشخیص فوتون به InSb چندین ویژگی مهم از جمله حساسیت بالا، پاسخ سریع،و توانایی عالی برای ضبط سیگنال های حرارتی در حال تغییر سریعبه همین دلیل، InSb همچنان یک ماده آشکارگر مهم برای دوربین های MWIR با عملکرد بالا است، حتی اگر فناوری مادون قرمز غیر خنک شده به طور فزاینده ای گسترش یافته باشد.
2.چرا یک آشکارساز InSb نیاز به خنک شدن به حدود 77K دارد؟
متمایزترین ویژگی یک آشکارساز مادون قرمز خنک شده InSb درجه حرارت بسیار پایین کار آن است. بسیاری از آرایه های فوکال InSb معمولی در حدود 77 K کار می کنند.معادل حدود -196°C، نزدیک به نقطه جوش نیتروژن مایع در فشار جوی است. دلیل آن ارتباط نزدیکی با فاصله باریک InSb دارد. در دمای اتاقانرژی حرارتی می تواند تعداد قابل توجهی از جفت های سوراخ الکترون را در داخل نیمه هادی ایجاد کند حتی زمانی که تابش مادون قرمز وارد آشکارساز نشود. اين حامل هاي توليد شده از طريق حرارتي به جريان تاريک کمک مي کنند و سيگنال هاي غيرمطلوب الکتريکي ايجاد مي کنند
برای یک آشکارساز مادون قرمز، این یک مشکل جدی است. سیگنال مادون قرمز واقعی از یک هدف دور یا نسبتا کم تابش می تواند بسیار کوچک باشد.اگر خود آشکارگر صداهای الکتریکی زیادی تولید کند، سیگنال مفید می تواند در پس زمینه دفن شود. خنک کردن به طور چشمگیری حامل های تولید شده گرمایی را سرکوب می کند و جریان تاریک را کاهش می دهد. در نتیجه،آشکارگر می تواند سیگنال های مادون قرمز ضعیف را با دقت بسیار بیشتری تشخیص دهدبه عبارت ساده تر، خنک سازی باعث نمی شود که آشکارگر InSb با ایجاد یک سیگنال مادون قرمز قوی تر حساس تر شود.آن را کاهش صدا حرارتی خود را آشکارساز به طوری که سیگنال های مادون قرمز ضعیف آسان تر برای تشخیص می شوداین یکی از تفاوت های اساسی بین یک آشکارساز InSb خنک شده و یک میکروبولومتر غیر خنک شده است.
3.FPA InSb چطور خنک می شه؟
یک آشکارساز InSb نمی تواند به سادگی در معرض محیط قرار گیرد و انتظار می رود دمای 77 K را حفظ کند. آشکارساز به طور معمول در یک مجموعه خلاء Dewar ادغام شده است.ديوار جدايي حرارتي بين دتکتور سرما و محیط اطراف را فراهم مي کندیک خنک کننده ی مکانیکی، که معمولاً یک خنک کننده ی چرخه ی استرلینگ است، سپس به طور مداوم گرما را از مجموعه ی آشکارگر خارج می کند و دمای مورد نیاز را حفظ می کند.این معماری معمولا چندین جزء کلیدی را ترکیب می کند.: تراشه ي کشفي InSb، مدار يكپارچه خوندگي، انگشت سرد، ظرف ديوار، پنجره ي مادون قرمز، و کولر سرد.نتیجه یک آشکارگر مادون قرمز کامل یا هسته دوربین خنک شده است که قادر به حفظ عملکرد ثابت در دمای پایین در طول تصویربرداری است.
4.چگونه یک InSb Infrared Focal Plane Array کار می کند؟
یک آرایه سطح فوکال، یا FPA، می تواند به عنوان یک سنسور تصویر مادون قرمز دو بعدی که حاوی هزاران یا میلیون ها پیکسل فردی است، درک شود.هر پیکسل تابش مادون قرمز را از یک مکان مربوطه در صحنه دریافت می کندبنابراین کل آرایه اطلاعات فضایی را ضبط می کند و توزیع اشعه مادون قرمز را به یک تصویر الکتریکی تبدیل می کند.
یک InSb FPA به طور کلی شامل دو جزء نیمه هادی مهم است: آرایه فتودتکتور InSb و مدار یکپارچه خوندن (ROIC).آرایه آشکارگر InSb حاوی تعداد زیادی از پیکسل های فوتودیود استوقتی فوتون های MWIR به این پیکسل ها می رسند، از طریق جذب فوتون حامل های شارژ تولید می کنند.سیگنال های الکتریکی حاصل بسیار کوچک هستند و بنابراین نیاز به جمع آوری و پردازش به طور موثر. ROIC این عملکرد خواندن حیاتی را انجام می دهد. سیگنال را از پیکسل های آشکارگر جداگانه جمع آوری می کند، بار را یکپارچه می کند و تقویت می کند،و اطلاعات را برای پردازش سیگنال بعدی آماده می کندآرایه آشکارگر و ROIC به طور معمول از طریق یک فرآیند هیبریدیزاسیون Indium bump متصل می شوند و یک مجمع فشرده هیبریدی فلز محوری را تشکیل می دهند.
5.FPA خنک شده InSb: یک انتخاب با عملکرد بالا برای تصویربرداری MWIR
کلید درک InSb یخچال مادون قرمز رشته های سطح فوکال تشخیص رابطه بین خواص مواد، پاسخ طیف، و عمل کریوجنیک است.به طور طبیعی InSb برای منطقه MWIR مناسب است.به ویژه پنجره انتقال اتمسفر 3 ¢ 5 μm. به عنوان یک آشکارساز فوتون می تواند پاسخ سریع و حساسیت بالا را ارائه دهد.فاصله باریک آن نیز باعث می شود که آن را بسیار حساس به حامل های تولید شده گرمایی در دمای اتاق، به همین دلیل سرد کردن عمیق برای عملکرد بالا ضروری است.
با ادغام يک سيستم دتکتور InSb با يک ROIC، بسته بندي مجمع در داخل يک ديوار خلاء، و حفظ دماي کار با يک کريوکولر،تولید کنندگان می توانند سیستم های تصویربرداری مادون قرمز را بسازند که قادر به تشخیص سیگنال های MWIR ضعیف با دقت بالا باشند.اگرچه سیستم های InSb خنک شده بزرگتر، پیچیده تر و انرژی بیشتری نسبت به دوربین های مادون قرمز خنک نشده دارند،عملکرد آنها را در کاربردهایی که تشخیص از راه دور در آنها دشوار است، جایگزین می کند، حساسیت بالا، پاسخ سریع و تصویربرداری MWIR با کیفیت بالا بسیار مهم است. همانطور که پیکسل های آشکارگر کوچکتر می شوند، فرمت های آرایه بزرگتر می شوند، ROIC ها پیشرفته تر می شوند،و سیستم های کریوجنیک فشرده تر می شوند.انتظار می رود فناوری InSb گزینه مهمی برای برنامه های تصویربرداری MWIR باشد.
برای طراحان سیستم، انتخاب در نهایت به برنامه کاربردی بستگی دارد: هنگامی که فشرده سازی و قدرت کم اولویت هستند، یک آشکارساز بدون خنک کننده ممکن است راه حل بهتر باشد.زمانی که حداکثر حساسیت MWIR و پاسخ سریع مورد نیاز است، یک آرایه InSb فوکال پلین خنک شده همچنان یک تکنولوژی با عملکرد بالا ثابت شده است.