マイクロボロメータ

マイクロボロメータは、サーマルカメラの検出器として使用される特殊なタイプのボロメータです。波長7.5～14 μmの赤外線が検出器の材料に当たり、加熱されて電気抵抗が変化します。この抵抗の変化が測定され、画像の作成に使用できる温度に変換されます。他のタイプの赤外線検出装置とは異なり、マイクロボロメータは冷却を必要としません。

マイクロボロメータは非冷却型熱センサーです。高解像度の熱センサーには、スターリング サイクルクーラーや液体窒素クーラーなどの特殊で高価な冷却方法が必要です。高解像度の熱画像装置を冷却するこれらの方法は、運用コストが高く、移動も扱いにくいです。また、高解像度の熱画像装置は、使用可能になるまでに 10 分を超える冷却時間が必要です。

マイクロボロメータはピクセルの配列で構成され、各ピクセルは複数の層で構成されています。図 1 の断面図は、ピクセルの概略を示しています。マイクロボロメータを製造する各社は、独自の製造手順を持っており、さまざまな IR 吸収材料を使用しています。この例では、最下層はシリコン 基板と読み出し集積回路 ( ROIC ) で構成されています。電気接点が堆積され、選択的にエッチングされます。IR 吸収材料の下に、チタン ミラーなどの反射器が作成されます。一部の光は吸収層を通過できるため、反射器はこの光を上向きにリダイレクトして最大限の吸収を確保し、より強い信号を生成できるようにします。次に、犠牲層が堆積され、後のプロセスでギャップを作成して IR 吸収材料を ROIC から熱的に分離できるようになります。次に、吸収材料の層が堆積され、選択的にエッチングされて、最終的な接点が作成されます。図 1 に示す最終的なブリッジのような構造を作成するには、吸収材が読み出し回路の約 2 μm 上に浮くように犠牲層を除去します。マイクロボロメータは冷却されないため、吸収材は下部 ROIC から熱的に分離する必要があり、ブリッジのような構造によってこれが可能になります。ピクセルのアレイが作成された後、マイクロボロメータは真空下でカプセル化され、デバイスの寿命が延びます。場合によっては、製造プロセス全体が真空を破ることなく行われます。

マイクロボロメータアレイは、一般的に320×240ピクセルと、より安価な160×120ピクセルの2つのサイズで使用されています。現在の技術では、640×480または1024x768ピクセルのデバイスが製造されています。^[1]個々のピクセル寸法も縮小されています。ピクセルサイズは、古いデバイスでは通常45μmでしたが、現在のデバイスでは12μmに縮小されています。ピクセルサイズが縮小され、単位面積あたりのピクセル数が比例して増加すると、解像度の高い画像が作成されますが、ピクセルが小さいほどIR放射に対する感度が低くなるため、NETD（ノイズ等価温度差（差分））が高くなります。

マイクロボロメータの検出器要素には、さまざまな材料が使用されています。デバイスの動作を決定する主な要因は、デバイスの応答性です。応答性とは、デバイスが入射する放射線を電気信号に変換する能力です。検出器の材料特性はこの値に影響するため、TCR、1/f ノイズ、抵抗など、いくつかの主要な材料特性を調査する必要があります。

検出器に使用される材料は、わずかな温度変化によって抵抗が大きく変化する必要があります。赤外線の入射により材料が加熱されると、材料の抵抗が減少します。これは材料の抵抗温度係数(TCR)、特に負の温度係数に関係しています。現在、業界では、TCR が -2%/K に近い材料を含むマイクロボロメータを製造しています。これよりはるかに高い TCR を持つ材料は多数存在しますが、最適化されたマイクロボロメータを製造する際に考慮する必要がある他の要因がいくつかあります。

1/f ノイズは、他のノイズと同様に、信号に影響を及ぼし、信号によって運ばれる情報を歪める可能性のある妨害を引き起こします。吸収材料全体の温度変化は、検出材料を流れるバイアス電流または電圧の変化によって決まります。ノイズが大きいと、発生する小さな変化が明確に確認できず、デバイスが役に立たなくなる可能性があります。1/f ノイズが最小限の検出材料を使用すると、IR 検出と表示される出力の間でより明確な信号を維持できます。検出材料は、このノイズが信号に重大な干渉を及ぼさないことを確認するためにテストする必要があります。

室温抵抗が低い材料を使用することは、2 つの理由で重要です。まず、検出材料全体の抵抗が低いほど、使用する電力が少なくて済みます。次に、抵抗が高いほど、ジョンソン・ナイキスト ノイズが高くなります。

マイクロボロメータで最も一般的に使用される IR 放射線検出材料は、アモルファス シリコンと酸化バナジウムの 2 つです。いくつかの候補材料の問題点は、望ましい特性を生み出すには、堆積温度が CMOS 製造プロセスには高すぎる可能性があることです。他の材料の使用可能性をテストするために、多くの研究が行われてきました。調査対象には、Ti、YBaCuO、GeSiO、ポリSiGe、BiLaSrMnO、タンパク質ベースのシトクロム C、ウシ血清アルブミンなどがあります。

アモルファス Si (a-Si) 薄膜は、低い堆積温度を使用して CMOS 製造プロセスに簡単に統合でき、安定性が高く、時定数が速く、平均故障時間が長いという特徴があります。CMOS 製造プロセスを使用して層構造とパターンを作成するには、温度を平均 200˚C 未満に抑える必要があります。堆積パラメータが最適化されている場合、a-Si は TCR、1 / f ノイズ、抵抗に関しても優れた値を持ちます。

酸化バナジウム薄膜も CMOS 製造プロセスに統合できますが、温度上の理由から a-Si ほど簡単ではありません。VOはa-Si よりも古い技術であり、その性能と寿命は劣っています。高温で堆積し、後アニールを行うことで、優れた特性を持つフィルムを製造できます。VO _{2 は}抵抗が低いですが、約 67 °C で金属絶縁体相変化を起こし、TCR の値も低くなります。一方、V ₂ O _{5 は}抵抗が高く、TCR も高くなります。VO _xには多くの相がありますが、マイクロボロメータ用途では x≈1.8 が最も一般的になっているようです。VOx は古い技術ですが、酸化バナジウム マイクロボロメータ検出器を備えた熱画像カメラは、他のどの技術よりも安定しており、コンパクトで、感度が高いです。

VOx の市場シェアは他のどの技術よりも高くなっています。VOx の市場シェアは 70% ですが、アモルファス シリコンは 13% です。また、VOx 技術ベースのサーマル カメラは、その感度、画像の安定性、信頼性により、防衛分野で使用されています。

赤外線光学アンテナと小型マイクロボロメータ材料を併用することで検出効率を高めることができる。^{[2] [3]}

ほとんどのマイクロボロメータには温度に敏感な抵抗器が内蔵されており、受動的な電子デバイスとなっています。1994 年、Electro-Optic Sensor Design (EOSD) 社が、特殊な電界効果トランジスタである薄膜トランジスタ(TFT) を使用したマイクロボロメータの製造を検討し始めました。これらのデバイスの主な変更点は、ゲート電極の追加です。デバイスの主な概念は似ていますが、この設計を使用すると、TFT の利点を活用できます。利点としては、抵抗と活性化エネルギーの調整、周期的なノイズ パターンの削減などがあります。2004 年時点では、このデバイスはまだテスト中であり、商用の IR イメージングには使用されていませんでした。

• 小型で軽量です。比較的短い距離を必要とする用途では、カメラの物理的寸法はさらに小さくなります。この特性により、たとえば、ヘルメットに非冷却型マイクロボロメータ熱画像装置を取り付けることが可能になります。
• 電源投入後すぐにリアルなビデオ出力を提供します。
• 冷却検出器サーマルイメージャーに比べて消費電力が低い。
• 平均故障間隔が非常に長い。
• 冷却検出器をベースにしたカメラに比べて安価です。

• 冷却型熱画像装置や光子検出器画像装置よりも感度が低い（ノイズが高いため）ため、結果として冷却型半導体ベースのアプローチの解像度に匹敵することができません。

感度は、ピクセルの熱伝導率によって部分的に制限されます。応答速度は、熱容量を熱伝導率で割った値によって制限されます。熱容量を小さくすると速度は上がりますが、統計的な機械的な熱温度変動 (ノイズ) も大きくなります。熱伝導率を大きくすると速度は上がりますが、感度は低下します。

マイクロボロメータ技術は、もともとハネウェル社が1970年代後半に米国国防総省との機密契約として開発したものです。米国政府は1992年にこの技術を機密解除しました。機密解除後、ハネウェル社は複数のメーカーにその技術のライセンスを供与しました。

• ゼニックス^[4]
• BAEシステムズ
• DRSテクノロジーズ
• テレダイン FLIR システムズ
• テレダイン・ダルサ^[5]
• フラウンホーファーIMS
• ガイド^[6]
• Honeywell（赤外線ソリューション向けに製造）
• 国立光学研究所 (INO)
• L-3 コミュニケーションズ赤外線製品
• インフラレッドビジョンテクノロジー株式会社（L-3関連）
• ミクロセンスエレクトロニクス株式会社^[7]
• 日本電気
• オプガルオプトロニクス
• キオプティク
• レイセオン
• 半導体デバイス^[8]
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• LYNRED (旧Sofradirおよび ULIS)

注記

• Wang, Hongchen、Xinjian Yi、Jianjun Lai、Yi Li (2005 年 1 月 31 日)。「非平面読み出し集積回路によるマイクロボロメータ アレイの製造」。International Journal of Infrared and Millimeter Waves。26 (5): 751–762。Bibcode :2005IJIMW..26..751W。doi : 10.1007 /s10762-005-4983-8。S2CID 110889363  。
• LETI. 「マイクロボロメータ」。2015年4月13日にオリジナルからアーカイブ。2007年12月3日に閲覧。
• Deb, KK; Ionescu, AC; Li, C. (2000 年 8 月)。「タンパク質ベースの薄膜: 新しい高 TCR 材料」。センサー。17 ( 8)。ピーターボロ、NH: Advanstar Communications: 52–55。2008 年 4 月 28 日のオリジナルからアーカイブ。2007年 12 月 3 日に取得。
• Kumar, RT Rajendra; B. Karunagarana; D. Mangalaraja; Sa.K. Narayandassa ; et al. (2003 年 3 月 18 日)。 「非冷却型赤外線検出器用室温で堆積した酸化バナジウム薄膜」。Materials Research Bulletin。38 ( 7): 1235–1240。doi :10.1016/S0025-5408(03)00118-1。
• Liddiard, Kevin C. (2004)。「アクティブ マイクロボロメータ: 赤外線検出の新しい概念」。Abbott, Derek、Eshraghian, Kamran、Musca, Charles A、Pavlidis, Dimitris、Weste, Neil (編)。Proceedings of SPIE: Microelectronics: Design, Technology, and Packaging。Vol . 5274。Bellingham, WA : SPIE。pp. 227–238。doi :10.1117/12.530832。S2CID 108830862  。

• 技術概要 マイクロボロメータ検出器