Мурр Мурыч и глаза «Хищника»

Мурр-р! Когда я охочусь ночью, я полагаюсь на слух и усы. А вот у людей есть тепловизоры. В их основе лежат микроболометрические матрицы — чипы, которые видят тепловое (инфракрасное) излучение.

Как камера вашего телефона видит мир? Благодаря сенсорной матрице — микросхеме, усеянной миллионами маленьких светочувствительных элементов, которые называются пикселями. Раньше доминировала технология CCD (ПЗС-матрицы), но сегодня почти все камеры используют CMOS (КМОП-матрицы): они быстрее и потребляют меньше энергии. Каждый пиксель имеет собственный усилитель, что упрощает обработку, и их легче и дешевле производить по стандартной технологии.

Каждый пиксель в CMOS-матрице — это, по сути, фотодиод, который накапливает заряд в зависимости от того, сколько света на него попало. Затем заряд считывается, усиливается и превращается в цифровой сигнал. Миллионы таких сигналов формируют итоговое изображение.

Микроболометры: «глаза», видящие тепло

А что, если нужно видеть не свет, а тепло? Представьте крошечный мостик, подвешенный над ямой: когда одна половина моста нагревается — мост изгибается. В микроболометре вместо моста тончайшая мембрана из особого материала (оксид ванадия VOₓ или аморфный кремний a-Si), а вместо ямы — полость под ней. Когда на мембрану попадает инфракрасное излучение (тепло), её температура слегка меняется, вместе с ней меняется электрическое сопротивление, и электроника фиксирует это изменение.

Каждый микроболометр — пиксель тепловизора. Их на одном чипе могут быть сотни тысяч. Электроника замеряет изменение сопротивления в каждом пикселе и переводит его в цифровой сигнал: чем выше температура объекта, тем сильнее «колеблется» мембрана и выше сигнал.

Как собирают микроболометр?

• На кремниевую пластину с готовой микросхемой считывания наносят слой VOₓ или a-Si толщиной в несколько сотен нанометров.

• Планарными методами формируют матрицу из этого слоя.

• Формируют металлические контакты к слою и к микросхеме по краям мембраны для измерения сопротивления.

• Наносят антиотражающее покрытие сверху, чтобы больше ИК-лучей попадало на чувствительный слой.

• Затем пластину травят под мембраной, чтобы образовалась крошечная пустота, и круглая «тарелочка» мембраны может свободно колебаться.

• Чтобы матрица работала, её помещают в герметичный вакуумный корпус со специальным окошком, прозрачным для ИК-лучей.

• Каждый пиксель уникален, поэтому для получения чёткой картинки используется сложная цифровая калибровка.

В отличие от транзисторов, здесь линии и зазоры — микрометры, а не нанометры. Достаточно UV-литографии (365–248 нм) и стандартных травильных станций. Это упрощает производство и снижает стоимость.

Применение микроболометров

• Пожарные тепловизоры видят очаги пожара сквозь дым.

• Ночные камеры видят в полной темноте тепло.

• Медицинская диагностика: тепловизионные матрицы фиксируют перегрев мышц и воспаления.

• Авиация и безопасность: обнаруживают людей в густом тумане или лесу.

Удивительный факт от Мурр Муррыча

Самая маленькая мембрана микроболометра в современных матрицах в сотню раз тоньше человеческого волоса, но она способна почувствовать изменение температуры в 0,01 °C.

В следующей главе продолжим собирать костюм супергероя. Расскажу о датчиках, которые слышат то, чего не слышим мы: МЭМС-микрофонах и ультразвуковых датчиках. Узнаем, как «Алиса» или Siri слышат ваш голос и как автомобили паркуются сами. Мур-мур!