eng
Выпуск #1/2014
Б.Форг, Ф.Германн, Д.Шифердеккер, И.Ленек, M.Шульц, M.Симон, K.Сторч, Ф.Фолклейн
Инфракрасные термопарные матрицы с улучшенным пространственными разрешением, чувствительностью и качеством изображения
Инфракрасные термопарные матрицы с улучшенным пространственными разрешением, чувствительностью и качеством изображения
Просмотры: 6432
Теплоизмерительные бесконтактные приборы широко используются на практике для обеспечения безопасности, предотвращения несанкционированного проникновения на объекты, выявления заболевших в массе людей. Однако какому из приборов – тепловизору на основе микроболометров или камере на основе ИК-матрицы – отдать предпочтение, решает потребитель.
Теги: calibration heat measurement thermocouple matrix калибровка теплоизмерения термопарные матрицы
Компания Heimann Sensor представила новую инфракрасную термопарную матрицу серии HTPA для ИК-камер. Конструкция новой матрицы HTPA 64×62 по количеству и расположению выводов аналогична выпущенной ранее матрице HTPA 32×31. Основу термопарных матриц серии HTPA составляют элементы, обладающие очень коротким временным откликом и высокой чувствительностью, высокой частотой кадров обработки сигнала, низким шумом усилителя и периферийным интерфейсом. Некоторые типы матриц обладают дополнительной опцией, позволяющей получать цифровое изображение с помощью интегрируемого конвертера, преобразующего аналоговый сигнал в цифровую форму.
На основе своего многолетнего опыта в проектировании и разработке термопарных детекторов компания Heimann Sensor улучшила чувствительность существующих термопарных матриц серии HTPA 32×31 в 8–10 раз. Специалисты компании успешно сочетают передовые технологии разработки пикселов с технологиями вакуумирования корпуса. Поэтому, даже если бы вакуум в корпусе был заменен на инертным газом, чувствительность могла бы быть увеличена только в 4–6 раз по сравнению с существующими разработками. Заполнение корпуса матрицы инертным газом дает то преимущество, что постоянная времени сокращается (всего 7 мс), сохраняя при этом приемлемую чувствительность.
Введение
Термопарные матрицы по стоимости конкурентоспособны с другими технологическими решениями, используемыми в термографии и при бесконтактном измерении температуры, такими как тепловизионные микроболометры, в которых необходимо получить изображение окружающей среды, и при этом нет необходимости в высоком пространственном разрешении – например, обнаружение лица, наблюдение за критической температурой поверхности, обнаружение горячих точек и камер слежения. Другие применения могут быть найдены в области контроля в промышленности, контроля состояния воздуха, обнаружения больных лихорадкой пассажиров, обнаружения и предупреждения пожара.
Преимущества данной технологии проявляются в низкой стоимости, очень низком энергопотреблении, коротком времени отклика, а также в более высокой чувствительности и обнаружительной способности сенсора. Компания Heimann Sensor анонсировала первые полностью монолитные термопарные матрицы с форматом пикселов 8×8 и 16×16 в 2008 году и улучшила эту технологию до 32×31 чувствительных элементов в 2009 году. Развивая эти результаты, компания презентовала новую матрицу размером 64×62.
Теория
Структура термопарной матрицы (рис.1) представляет собой множество полупроводниковых термопар, расположенных на тонкой мембране и имеющих общее характерное строение: "холодный" контакт расположен на теплоотводе, который обычно представляет собой тонкую кремниевую полоску, и "горячий" контакт, расположенный на тонкой пленке.
Если поглотитель, расположенный на мембране, подвергается воздействию инфракрасного излучения от нагретого объекта, то поток излучения между пленкой и объектом будет нагревать мембрану. Это приведет к тому, что термопара будет создавать напряжение за счет эффекта Зеебека. Для стандартных пикселов основной эффект передач тепла от "горячих" (поглощающая область пленки) к "холодным" контактам (подложка пленки) пиксела базируется на тепловой проводимости пленки.
По закону Фурье передача тепла может быть описана формулой:
,
где А – поперечное сечение поверхности, ∆T – изменение температуры, Δх – расстояние, k – теплопроводность материала.
Очевидно, что количество теплоты может быть уменьшено за счет уменьшения поперечного сечения площади поверхности или увеличения расстояния. Незначительные тепловые потоки между мембраной и нагретым объектом приведут к увеличению градиента температуры мембраны, что вызовет увеличение и улучшение соотношения сигнал-шум. Если теплопередача через пленку уменьшается, то теплопроводность окружающего газа становится главным механизмом передачи тепла. Следовательно, чувствительность может быть дополнительно увеличена при использовании газа с более низкой теплопроводностью.
Результаты
Новая технология изготовления более чувствительных термопарных пикселов изображена на рис. 2 (а – термограмма, б –схема). Миниатюрные термопары выполнены в виде протяженных полосок, расположенных на сетчатой пленке.
Как было отмечено выше, для увеличения чувствительности в случае, если при теплопередаче доминирует теплопроводность окружающего газа, необходимо использовать газы для наполнения корпуса с более низкой теплопроводностью, например ксенон Xe или аргон Аr или даже вакуум. Моделирование процесса показывает увеличение сигнала примерно в 3–4 раза для ксенона или до 20 раз для вакуума. Увеличение чувствительности сопровождается увеличением времени отклика до 8 мс для ксенона или около 50 мс для вакуума, в то время как измеренные значения чувствительности в вакууме достигают и выше 1500 В/Вт.
Чип с монолитной матрицей размером 8,5×9 мм установлен на подложку корпуса ТО-8 (рис.3). Как правило, для изготовления термопарной матрицы HTPA 64×62 используют разработанную матрицу HTPA 32×31, в ней размер пиксела чувствительного элемента уменьшен до 110 мкм. Также на выходной сигнал пиксела влияет сокращение расстояния между горячим и холодными контактами. Тем не менее, было принято решение, чтобы в качестве стандартного варианта исполнения использовать вакуумную герметизацию корпуса для матрицы HTPA 64х62 и инертный газ для матрицы HTPA 32×31. Благодаря невысокой зависимости температурного градиента чувствительности от температуры окружающей среды нет необходимости в температурной стабилизации чипа. В качестве термоэлектрических материалов используются n- и p- легированный поликристаллический кремний, который требует модифицированного КМОП-процессора. Потребляемая мощность термопарной матрицы составляет всего лишь примерно 35–50 мВт в зависимости от типа и частоты кадров.
В целях оптимизации были смоделированы пикселы с различными размерами и формой. Кроме того, рассматривались различные газы для наполнения корпуса. На рис.4 можно увидеть изображение одного из результатов моделирования: на оси Y отложена температура пленки в зависимости от поперечного сечения – ось X. Также можно увидеть на оси Y различие параметров сечения пиксела.
Тепловой шум может быть рассчитан по формуле: , где k – постоянная Больцмана, Т– абсолютная температура, Δf – ширина полосы, R – сопротивление.
В результате испытаний было оптимизировано число термопар на один пиксел. Эта процедура была необходима в связи с наличием того факта, что с увеличением числа термопар и, следовательно, с ростом импеданса пиксела, увеличивается тепловой шум. Также с увеличением числа термопар возрастает теплопроводность пиксела (поскольку происходит увеличение сечения поликремния), в этом случае необходимо достичь оптимальной чувствительности. Кроме того, было проведено моделирование для определения критического напряжения конструкции пиксела, что необходимо при проектировании пиксела, который может выдержать большие ускорения. Ускорение является одним из самых важных параметров, по которому можно судить о способности конструкции не допускать повреждения в области мембраны при критических условиях. На рис.5 изображен результат моделирования в качестве цветовой диаграммы напряжений фон Мизеса.
Кроме того компания Heimann Sensor разработала новую оптику для термопарных матриц. Следовательно, четыре типа термопарных матриц серии HTPA с различным количеством пикселов (8×8, 4×16, 32×31, 64×62) могут быть выполнены в 10 вариантах со встроенными германиевыми или кремниевыми линзами. Это позволяет получать различные значения поля зрения. К примеру, две линзы с асферическими поверхностями L10/0,8 (фокальная длина = 10 мм, числовая апертура = 0,8).
Термопарная матрица HTPA 8×8 теперь доступна в миниатюрном корпусе ТО39 с диаметром корпуса около 8 мм. Так как на стоимость матрицы также влияет стоимость оптики, которая пропорциональна диаметру оптической линзы, то миниатюрная термопарная матрица – это идеальное решение для недорогих приложений. На рис.7 представлены некоторые типичные примеры инфракрасных термопарных матриц, выполненных в различных корпусах, снабженных оптикой.
Компания Heimann Sensor также расширила серию модулей HTPA, которые обеспечивают простой способ получения откалиброванной температуры напрямую от термопарной матрицы. Данные модули доступны с SPI-, UDP-, UART-интерфейсами. Также скоро будут доступны модули с CAN-интерфейсом. Кроме того, компания Heimann Sensor разработала SDK (Software Development Kit) для SPI-модулей для того, чтобы обеспечивать простое и комфортное использование матриц при разработке серийной продукции.
На сегодняшний день инфракрасная термопарная матрица HTPA 64×62 завершает HTPA серию, являясь серийно производимой продукцией, однако уже в 2014 году планируется появление термопарной матрицы HTPA 80×60, работа над которой уже близится к логическому завершению.
На основе своего многолетнего опыта в проектировании и разработке термопарных детекторов компания Heimann Sensor улучшила чувствительность существующих термопарных матриц серии HTPA 32×31 в 8–10 раз. Специалисты компании успешно сочетают передовые технологии разработки пикселов с технологиями вакуумирования корпуса. Поэтому, даже если бы вакуум в корпусе был заменен на инертным газом, чувствительность могла бы быть увеличена только в 4–6 раз по сравнению с существующими разработками. Заполнение корпуса матрицы инертным газом дает то преимущество, что постоянная времени сокращается (всего 7 мс), сохраняя при этом приемлемую чувствительность.
Введение
Термопарные матрицы по стоимости конкурентоспособны с другими технологическими решениями, используемыми в термографии и при бесконтактном измерении температуры, такими как тепловизионные микроболометры, в которых необходимо получить изображение окружающей среды, и при этом нет необходимости в высоком пространственном разрешении – например, обнаружение лица, наблюдение за критической температурой поверхности, обнаружение горячих точек и камер слежения. Другие применения могут быть найдены в области контроля в промышленности, контроля состояния воздуха, обнаружения больных лихорадкой пассажиров, обнаружения и предупреждения пожара.
Преимущества данной технологии проявляются в низкой стоимости, очень низком энергопотреблении, коротком времени отклика, а также в более высокой чувствительности и обнаружительной способности сенсора. Компания Heimann Sensor анонсировала первые полностью монолитные термопарные матрицы с форматом пикселов 8×8 и 16×16 в 2008 году и улучшила эту технологию до 32×31 чувствительных элементов в 2009 году. Развивая эти результаты, компания презентовала новую матрицу размером 64×62.
Теория
Структура термопарной матрицы (рис.1) представляет собой множество полупроводниковых термопар, расположенных на тонкой мембране и имеющих общее характерное строение: "холодный" контакт расположен на теплоотводе, который обычно представляет собой тонкую кремниевую полоску, и "горячий" контакт, расположенный на тонкой пленке.
Если поглотитель, расположенный на мембране, подвергается воздействию инфракрасного излучения от нагретого объекта, то поток излучения между пленкой и объектом будет нагревать мембрану. Это приведет к тому, что термопара будет создавать напряжение за счет эффекта Зеебека. Для стандартных пикселов основной эффект передач тепла от "горячих" (поглощающая область пленки) к "холодным" контактам (подложка пленки) пиксела базируется на тепловой проводимости пленки.
По закону Фурье передача тепла может быть описана формулой:
,
где А – поперечное сечение поверхности, ∆T – изменение температуры, Δх – расстояние, k – теплопроводность материала.
Очевидно, что количество теплоты может быть уменьшено за счет уменьшения поперечного сечения площади поверхности или увеличения расстояния. Незначительные тепловые потоки между мембраной и нагретым объектом приведут к увеличению градиента температуры мембраны, что вызовет увеличение и улучшение соотношения сигнал-шум. Если теплопередача через пленку уменьшается, то теплопроводность окружающего газа становится главным механизмом передачи тепла. Следовательно, чувствительность может быть дополнительно увеличена при использовании газа с более низкой теплопроводностью.
Результаты
Новая технология изготовления более чувствительных термопарных пикселов изображена на рис. 2 (а – термограмма, б –схема). Миниатюрные термопары выполнены в виде протяженных полосок, расположенных на сетчатой пленке.
Как было отмечено выше, для увеличения чувствительности в случае, если при теплопередаче доминирует теплопроводность окружающего газа, необходимо использовать газы для наполнения корпуса с более низкой теплопроводностью, например ксенон Xe или аргон Аr или даже вакуум. Моделирование процесса показывает увеличение сигнала примерно в 3–4 раза для ксенона или до 20 раз для вакуума. Увеличение чувствительности сопровождается увеличением времени отклика до 8 мс для ксенона или около 50 мс для вакуума, в то время как измеренные значения чувствительности в вакууме достигают и выше 1500 В/Вт.
Чип с монолитной матрицей размером 8,5×9 мм установлен на подложку корпуса ТО-8 (рис.3). Как правило, для изготовления термопарной матрицы HTPA 64×62 используют разработанную матрицу HTPA 32×31, в ней размер пиксела чувствительного элемента уменьшен до 110 мкм. Также на выходной сигнал пиксела влияет сокращение расстояния между горячим и холодными контактами. Тем не менее, было принято решение, чтобы в качестве стандартного варианта исполнения использовать вакуумную герметизацию корпуса для матрицы HTPA 64х62 и инертный газ для матрицы HTPA 32×31. Благодаря невысокой зависимости температурного градиента чувствительности от температуры окружающей среды нет необходимости в температурной стабилизации чипа. В качестве термоэлектрических материалов используются n- и p- легированный поликристаллический кремний, который требует модифицированного КМОП-процессора. Потребляемая мощность термопарной матрицы составляет всего лишь примерно 35–50 мВт в зависимости от типа и частоты кадров.
В целях оптимизации были смоделированы пикселы с различными размерами и формой. Кроме того, рассматривались различные газы для наполнения корпуса. На рис.4 можно увидеть изображение одного из результатов моделирования: на оси Y отложена температура пленки в зависимости от поперечного сечения – ось X. Также можно увидеть на оси Y различие параметров сечения пиксела.
Тепловой шум может быть рассчитан по формуле: , где k – постоянная Больцмана, Т– абсолютная температура, Δf – ширина полосы, R – сопротивление.
В результате испытаний было оптимизировано число термопар на один пиксел. Эта процедура была необходима в связи с наличием того факта, что с увеличением числа термопар и, следовательно, с ростом импеданса пиксела, увеличивается тепловой шум. Также с увеличением числа термопар возрастает теплопроводность пиксела (поскольку происходит увеличение сечения поликремния), в этом случае необходимо достичь оптимальной чувствительности. Кроме того, было проведено моделирование для определения критического напряжения конструкции пиксела, что необходимо при проектировании пиксела, который может выдержать большие ускорения. Ускорение является одним из самых важных параметров, по которому можно судить о способности конструкции не допускать повреждения в области мембраны при критических условиях. На рис.5 изображен результат моделирования в качестве цветовой диаграммы напряжений фон Мизеса.
Кроме того компания Heimann Sensor разработала новую оптику для термопарных матриц. Следовательно, четыре типа термопарных матриц серии HTPA с различным количеством пикселов (8×8, 4×16, 32×31, 64×62) могут быть выполнены в 10 вариантах со встроенными германиевыми или кремниевыми линзами. Это позволяет получать различные значения поля зрения. К примеру, две линзы с асферическими поверхностями L10/0,8 (фокальная длина = 10 мм, числовая апертура = 0,8).
Термопарная матрица HTPA 8×8 теперь доступна в миниатюрном корпусе ТО39 с диаметром корпуса около 8 мм. Так как на стоимость матрицы также влияет стоимость оптики, которая пропорциональна диаметру оптической линзы, то миниатюрная термопарная матрица – это идеальное решение для недорогих приложений. На рис.7 представлены некоторые типичные примеры инфракрасных термопарных матриц, выполненных в различных корпусах, снабженных оптикой.
Компания Heimann Sensor также расширила серию модулей HTPA, которые обеспечивают простой способ получения откалиброванной температуры напрямую от термопарной матрицы. Данные модули доступны с SPI-, UDP-, UART-интерфейсами. Также скоро будут доступны модули с CAN-интерфейсом. Кроме того, компания Heimann Sensor разработала SDK (Software Development Kit) для SPI-модулей для того, чтобы обеспечивать простое и комфортное использование матриц при разработке серийной продукции.
На сегодняшний день инфракрасная термопарная матрица HTPA 64×62 завершает HTPA серию, являясь серийно производимой продукцией, однако уже в 2014 году планируется появление термопарной матрицы HTPA 80×60, работа над которой уже близится к логическому завершению.
Отзывы читателей
