ДенисовСА_болометрическая_матрица (1)

1.

Разработка новых
подходов к созданию
микроболометрических матриц
для тепловизионных систем
Денисов С.А.
заведующий лабораторией
Научно-исследовательского физикотехнического института ННГУ
denisov@nifti.unn.ru
Нижний Новгород, 2025

2. Тепловые детекторы ИК излучения (болометры)

Преобразуют энергию ИК излучения в тепловую энергию, а затем в
электрический сигнал ‒ в результате изменение температуры приводит к
изменению сопротивления болометрического элемента
+ низкая стоимость
+ отсутствие систем охлаждения
+ малые массогабариты
- сниженное быстродействие (по сравнению с фотонными)
Объем рынка болометров
Соотношение численности выпускаемых
фотоприемных устройств (ФПУ)
2

3. Область применения болометров

— военное назначение
разведка, обнаружение, целеуказание объекта
— системы видеонаблюдения и безопасности
обнаружение, распознавание людей, животных и техники;
охрана границ и правопорядка
— промышленность
неразрушающий контроль производственных процессов, мониторинг,
обнаружение
— космос
наблюдение за поверхностью Земли в
интересах метереологии, экологического
мониторинга, разведки месторождений
— медицина
диагностика воспалительных, опухолевых заболеваний.
Объем рынка в 2022 г. составляет ~ 4 млрд. $
3

4. Наиболее распространенная конструкция пиксельного элемента

На примере отечественного производителя АО ОКБ «Астрон»
Материал: оксид ванадия
— Конструкция: MEMS-технологии (сложная и дорогая)
— Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) : ~ 2 % /град.
https://astrohn.ru
4

5. Демонстрация возможностей нового материала

в НИФТИ изготовлена пластина Ø 50 мм
с тестовыми болометрическими элементами
1
2
1
2
Подложка: пластина кремния, Ø 50 мм
1 - слой SiO2
Каждая «полоска» - болометрический
элемент. Они отличаются шириной
нижних контактов.
2 - нижние контакты
4
3
3 - рабочий слой
4 - верхний контакты
2
Размер рабочего элемента: 200 мкм
5

6. Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) болометрического элемента НИФТИ

Сопротивление болометрического элемента
от приложенного напряжения двух
температурах : 25 и 50 ºC
Сопротивление, кОм
ТКС = 5,7 %/град
25 ºC
ТКС болометрических элементов НИФТИ
достигает значений до 7,3 %/град.
Это значение кратно превышает ТКС
наиболее широко используемого
теплопоглощающего слоя на основе VOx.
(~ 2 %/град), что создает основу для
разработки датчика с большей
температурной чувствительностью и
точностью измерений.
50 ºC
В приведенном примере
повышение температуры на 0,01º
изменяет сопротивление структуры
на ~100 Ом.
Напряжение, В
6

7. Новый подход НИФТИ

Научная задача
Разработка технологии создания болометрической матрицы повышенной
чувствительности или повышенного быстродействия
Новый материал
твердый раствор на основе оксидов переходных металлов
Новая слоевая структура болометрического датчика
планарная технология совместима и полностью встраиваема
в современный КМОП-процесс
улучшенный коэффициент заполнения рабочей поверхности матрицы (до 90 %),
поскольку все элементы схемы расположены под теплопоглощающим слоем
Варьируемый размер датчика
- один большой элемент ( >100 мкм);
- линейка элементов ;
- матрица элементов.
Низкие рабочие напряжения
Наибольшие значения ТКС наши
структуры демонстрируют при
напряжениях < 1 В.
Болометрические элементы НИФТИ
7