เมื่อพูดถึงการถ่ายภาพความร้อนในชีวิตประจําวัน คนส่วนใหญ่คุ้นเคยกับเครื่องตรวจจับอินฟราเรดที่ใช้ในการวัดอุณหภูมิ การตรวจสอบอาคาร อิเล็กทรอนิกส์ประสิทธิภาพ และกล้องวงจรปิดแต่สําหรับการใช้งานที่ต้องการ เช่น การเฝ้าระยะไกลการวัดอุณหภูมิอย่างแม่นยํา การสังเกตอากาศและภูมิทรรศน์ มีเครื่องตรวจจับอีกชนิดหนึ่งที่มีบทบาทสําคัญ: เครื่องตรวจจับอินเดียมอนิโมไดด์ (InSb) ที่ทําความเย็นด้วยไฟฟ้าอินฟราเรด (FPA)InSb เป็นหนึ่งในวัสดุตรวจจับโฟตองที่มีชื่อเสียงมากที่สุดสําหรับการถ่ายภาพคลื่นกลางอินฟราเรด (MWIR), โดยเฉพาะอย่างยิ่งในหน้าต่างการถ่ายทอดอากาศ 3 5 μmและเทคโนโลยีการผลิตที่พัฒนาได้ทําให้มันเป็นตัวเลือกสําคัญสําหรับกล้องอินฟราเรดที่เย็นได้สูง.
1.InSb คืออะไร และทําไมมันเหมาะสําหรับการตรวจหา MWIR?
InSb หมายถึง อินเดียม แอนติโมไนด์ (indium antimonide) เป็นสารประกอบ III-V ที่ทําจาก อินเดียม (In) และ แอนติโมเนียม (Sb)มันคือครึ่งประสาทแคบแบนด์แช่ กับการตอบสนองสายสีที่เหมาะสมกับภูมิภาคอินฟราเรดในช่วงคลื่นกลางวงความถี่ MWIR 3 5 μm เป็นกระจกการถ่ายทอดอากาศที่สําคัญ แสงอินฟราเรดจากวัตถุที่มีอุณหภูมิสูง เช่น คันออกเครื่องบิน, เครื่องยนต์เจ็ท, ไฟไหม้อุตสาหกรรม, กระบวนการเผาไหม้,และแหล่งความร้อนอื่นๆ สามารถตรวจสอบได้อย่างมีประสิทธิภาพ ภายในช่วงความยาวคลื่นนี้การ ถ่าย ภาพ MWIR มี ความ คุ้มค่า โดย เฉพาะ สําหรับ การ ดู จาก ระยะ ยาวคุณสมบัติสายสีนี้ทําให้ InSb มีข้อดีธรรมชาติในการใช้งานที่ความสามารถในการตรวจจับรังสีความร้อนที่ค่อนข้างอ่อนแอในระยะทางไกลเป็นสิ่งสําคัญ
ไม่เหมือนกับไมโครโบโลเมตรที่ไม่ได้เย็น ซึ่งตรวจจับรังสีอินฟราเรดโดยตรง ผ่านการเปลี่ยนแปลงความต้านทานไฟฟ้าที่เกิดจากอุณหภูมิโฟตอนอินฟราเรดที่เข้ามาปฏิสัมพันธ์โดยตรงกับวัสดุครึ่งตัวนํา และสร้างตัวบรรทุกค่ากลไกการตรวจจับโฟตอนนี้มอบให้ InSb หลายลักษณะสําคัญ เช่น ความรู้สึกสูง การตอบสนองเร็วและความสามารถที่ดีในการจับสัญญาณความร้อนที่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วเพราะเหตุผลนี้ InSb ยังคงเป็นวัสดุตรวจจับที่สําคัญสําหรับกล้อง MWIR ที่มีประสิทธิภาพสูง แม้ว่าเทคโนโลยีอินฟราเรดที่ไม่เย็นลงจะแพร่หลายมากขึ้น
2.ทําไมเครื่องตรวจจับ InSb ต้องเย็นถึง 77K?
คุณลักษณะที่โดดเด่นที่สุดของเครื่องตรวจจับอินฟราเรดที่เย็นด้วย InSb คืออุณหภูมิการทํางานที่ต่ํามากเท่ากับประมาณ -196°C, ใกล้จุดเดือดของไอนิโตรเจนเหลวที่ความดันชั้นบรรยากาศ เหตุผลที่เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับช่องแดนแคบของ InSb ในอุณหภูมิห้องพลังงานความร้อนสามารถสร้างจํานวนมากของคู่อิเล็กตรอน-หลุมภายในครึ่งประสาท แม้ว่าจะมีรังสีอินฟราเรดที่เข้าสู่ตัวตรวจจับสายพัดไฟฟ้าที่เกิดจากความร้อนเหล่านี้ ส่งผลให้เกิดกระแสไฟฟ้าที่มืดมิด สร้างสัญญาณไฟฟ้าที่ไม่ต้องการ
สําหรับเครื่องตรวจจับอินฟราเรด นี่คือปัญหาที่ร้ายแรง สัญญาณอินฟราเรดจริงจากเป้าหมายที่ห่างไกลหรือแสงสว่างต่ําค่อนข้างจะเล็กมากถ้าตัวตรวจจับเองสร้างเสียงไฟฟ้ามากเกินไปการเย็นลดแรงพัดลมที่เกิดจากความร้อน และลดกระแสไฟฟ้าที่มืดเครื่องตรวจจับสามารถแยกสัญญาณอินฟราเรดที่อ่อนแอได้ด้วยความแม่นยําที่สูงกว่ามากภาษาง่าย ๆ การเย็นไม่ได้ทําให้ตัวตรวจจับ InSb รู้สึกมากขึ้นโดยการสร้างสัญญาณอินฟราเรดที่แข็งแรงมันลดความรบกวนทางความร้อนของตัวตรวจจับเอง เพื่อให้สัญญาณอินฟราเรดที่อ่อนแอสามารถตรวจจับได้ง่ายขึ้นนี่คือความแตกต่างพื้นฐานระหว่างตัวตรวจสอบ InSb ที่เย็นและไมโครโบโลเมตรที่ไม่เย็น
3.InSb FPA จะเย็นได้อย่างไร?
เครื่องตรวจจับ InSb ไม่สามารถถูกเผยแพร่ต่อสภาพแวดล้อมโดยง่ายๆ และคาดว่าจะรักษาอุณหภูมิ 77 K. เครื่องตรวจจับมักจะรวมอยู่ในชุด Dewar วัคิวัมDewar ให้อุปกรณ์กันความร้อนระหว่างตัวตรวจสอบความเย็นและสภาพแวดล้อมรอบ ๆเครื่องทําความเย็นแบบกลไก โดยทั่วไป เครื่องทําความเย็นแบบ Stirling cycle จากนั้นจะถอนความร้อนจากเครื่องตรวจจับอย่างต่อเนื่องและรักษาอุณหภูมิการทํางานที่ต้องการสถาปัตยกรรมนี้มักรวมหลายองค์ประกอบสําคัญ: ชิปตรวจจับ InSb, วงจรรวมการอ่าน, นิ้วเย็น, ถัง Dewar, หน้าต่างอินฟราเรด, และเครื่องเย็นไครโอเจนผลลัพธ์คือตัวตรวจสอบอินฟราเรดที่เย็นเต็มที่ หรือแกนกล้องที่สามารถรักษาการทํางานที่มีความมั่นคงในอุณหภูมิต่ําระหว่างการถ่ายภาพ.
4.InSb Infrared Focal Plane Array ทํางานอย่างไร
เครื่องฉากระนาบแกร่ง หรือ FPA สามารถเข้าใจได้ว่าเป็นเซ็นเซอร์ภาพอินฟราเรด 2 มิติ ที่มีพิกเซลเป็นพันหรือล้านตัวแต่ละพิกเซลได้รับรังสีอินฟราเรด จากจุดที่ตรงกันในฉากดังนั้น แอเรททั้งหมดจึงจับข้อมูลพื้นที่และแปลงการกระจายรังสีอินฟราเรดเป็นภาพไฟฟ้า
InSb FPA โดยทั่วไปประกอบด้วยองค์ประกอบครึ่งประสาทที่สําคัญสององค์ประกอบ: InSb photodetector array และวงจรบูรณาการอ่าน (ROIC)แอรรี่ตัวตรวจจับ InSb มีพิกเซลโฟตดิโอเดสจํานวนมากเมื่อโฟตอน MWIR ถึงพิกเซลเหล่านี้ พวกมันสร้างตัวบรรทุกไฟฟ้าสัญญาณไฟฟ้าที่เกิดขึ้นนั้นเล็กมาก ดังนั้นจึงจําเป็นต้องรวบรวมและประมวลผลอย่างมีประสิทธิภาพROIC ทําหน้าที่การอ่านที่สําคัญนี้ มันรวบรวมสัญญาณจากพิกเซลตัวต่อตัวของตัวตรวจจับและเตรียมข้อมูลสําหรับการประมวลผลสัญญาณต่อมารายการตรวจจับและ ROIC เป็นปกติเชื่อมต่อผ่านกระบวนการ hybridization indium bump, สร้างการประกอบภาพรวมระดับจุดเฉพาะแบบกระจกกระจกกระจกกระจก.
5.InSb Cooled FPA: การเลือกที่มีประสิทธิภาพสูงสําหรับ MWIR Imaging
คีย์ในการเข้าใจ InSb ระบบระนาบจุดไฟฟ้าอินฟราเรดเย็น คือการจําความสัมพันธ์ระหว่างคุณสมบัติของวัสดุ, การตอบสนองสายสี, และการทํางาน cryogenic.InSb เป็นธรรมชาติที่เหมาะสมกับภูมิภาค MWIR, โดยเฉพาะอย่างยิ่งหน้าต่างการถ่ายทอดในบรรยากาศ 3 5 μm เป็นตัวตรวจจับโฟตัน สามารถให้การตอบสนองอย่างรวดเร็วและความรู้สึกสูงช่องแดนแคบของมันทําให้มันมีความเปราะบางต่อสารบรรทุกที่เกิดจากความร้อนในอุณหภูมิห้องซึ่งเป็นเหตุผลว่าทําไมการเย็นลึกจึงจําเป็นสําหรับการทํางานที่มีประสิทธิภาพสูง
โดยการบูรณาการชุดตรวจจับ InSb กับ ROIC การบรรจุชุดภายใน Dewar วัคูม และการรักษาอุณหภูมิการทํางานที่ต่ําด้วยเครื่องเย็นผู้ผลิตสามารถสร้างระบบถ่ายภาพอินฟราเรด ที่สามารถตรวจจับสัญญาณ MWIR ที่อ่อนแอได้อย่างแม่นยําแม้ว่าระบบ InSb ที่เย็นกว่า จะใหญ่กว่า ซับซ้อนกว่า และใช้พลังงานมากกว่ากล้องอินฟราเรดที่ไม่เย็นผลงานของพวกเขาทําให้มันยากที่จะแทนที่ในแอพพลิเคชั่นที่การตรวจจับระยะไกล, ความรู้สึกสูง, การตอบสนองอย่างรวดเร็ว, และภาพ MWIR คุณภาพสูงเป็นสิ่งสําคัญ.และระบบไครโอเจนิกจะคอมแพคต์มากขึ้น, เทคโนโลยี InSb คาดว่าจะยังคงเป็นตัวเลือกสําคัญสําหรับการใช้งานภาพ MWIR ที่ต้องการ
สําหรับนักออกแบบระบบ การเลือกในที่สุดขึ้นอยู่กับการใช้งาน: เมื่อความจุและพลังงานต่ําเป็นความสําคัญ, เครื่องตรวจจับที่ไม่เย็นอาจเป็นทางออกที่ดีกว่า;เมื่อความรู้สึก MWIR ที่สูงสุดและการตอบสนองที่รวดเร็วถูกต้องการ, แอรฟอกอลเพลน InSb ที่เย็นยังคงเป็นเทคโนโลยีที่มีผลงานสูงที่พิสูจน์ได้