الميكروبولومتر

الميكروبولومتر هو نوع خاص من البولومترات يُستخدم ككاشف في الكاميرا الحرارية . يصطدم الإشعاع تحت الأحمر ذو الأطوال الموجية بين 7.5 و14 ميكرومتر بمادة الكاشف، مما يؤدي إلى تسخينها وتغيير مقاومتها الكهربائية . يُقاس هذا التغير في المقاومة ويُحوّل إلى درجات حرارة يمكن استخدامها لإنشاء صورة. على عكس أنواع أخرى من أجهزة الكشف عن الأشعة تحت الحمراء، لا يحتاج الميكروبولومتر إلى تبريد.

المقياس الحراري الدقيق هو مستشعر حراري غير مبرد . تتطلب المستشعرات الحرارية عالية الدقة أساليب تبريد متطورة ومكلفة، بما في ذلك مبردات دورة ستيرلينغ ومبردات النيتروجين السائل . هذه الأساليب لتبريد أجهزة التصوير الحراري عالية الدقة مكلفة التشغيل ويصعب نقلها. كما تتطلب هذه الأجهزة فترة تبريد تزيد عن 10 دقائق قبل أن تصبح قابلة للاستخدام.

يتكون مقياس الإشعاع الحراري الدقيق من مصفوفة من البكسلات ، يتألف كل بكسل منها من عدة طبقات. يوضح الشكل 1 مخططًا مقطعيًا يُظهر البكسل بشكل عام. لكل شركة مصنعة لمقاييس الإشعاع الحراري الدقيقة إجراءاتها الخاصة لإنتاجها، وتستخدم أنواعًا مختلفة من المواد الماصة للأشعة تحت الحمراء. في هذا المثال، تتكون الطبقة السفلية من ركيزة سيليكون ودائرة متكاملة للقراءة ( ROIC ). تُرسّب الموصلات الكهربائية ثم تُزال بشكل انتقائي. يُصنع عاكس، كمرآة تيتانيوم مثلاً، أسفل المادة الماصة للأشعة تحت الحمراء. ولأن بعض الضوء يمر عبر الطبقة الماصة، يُعيد العاكس توجيه هذا الضوء لأعلى لضمان أقصى امتصاص ممكن، مما يسمح بإنتاج إشارة أقوى. بعد ذلك، تُرسّب طبقة تضحية لإنشاء فجوة لاحقًا في العملية لعزل المادة الماصة للأشعة تحت الحمراء حراريًا عن دائرة القراءة المتكاملة. ثم تُرسّب طبقة من المادة الماصة وتُزال بشكل انتقائي لإنشاء الموصلات النهائية. لإنشاء البنية النهائية الشبيهة بالجسر الموضحة في الشكل 1، تُزال الطبقة الواقية بحيث تُعلق المادة الماصة على ارتفاع 2 ميكرومتر تقريبًا فوق دائرة القراءة. ولأن الميكروبولومترات لا تخضع لأي تبريد، يجب عزل المادة الماصة حراريًا عن دائرة القراءة السفلية، وتتيح البنية الشبيهة بالجسر تحقيق ذلك. بعد إنشاء مصفوفة البكسلات، يُغلّف الميكروبولومتر تحت فراغ لزيادة عمر الجهاز. في بعض الحالات، تتم عملية التصنيع بأكملها دون كسر الفراغ.

توجد مصفوفة الميكروبولومتر عادةً بحجمين: 320×240 بكسل، أو 160×120 بكسل الأقل تكلفة. وقد أدت التكنولوجيا الحالية إلى إنتاج أجهزة بدقة 640×480 أو 1024×768 بكسل. ^{[ 1 ]} كما لوحظ انخفاض في أبعاد البكسل الفردية، حيث كانت تبلغ عادةً 45 ميكرومترًا في الأجهزة القديمة، ثم انخفضت إلى 12 ميكرومترًا في العقد الأول من الألفية الثانية، ووصلت مؤخرًا إلى 6 ميكرومترات في الميكروبولومترات المصنعة عام 2025. ^{[ 2 ]} ومع انخفاض أبعاد البكسل وزيادة عدد البكسلات في وحدة مساحة المصفوفة بشكل متناسب، يتم إنشاء صورة بدقة أعلى، ولكن مع فرق درجة حرارة مكافئ للضوضاء (NETD) أعلى، نظرًا لأن البكسلات الأصغر حجمًا أقل حساسية للأشعة تحت الحمراء.

تُستخدم مجموعة واسعة من المواد في صناعة عنصر الكاشف في الميكروبولومترات. ويُعدّ عامل الاستجابة أحد أهم العوامل المؤثرة في كفاءة الجهاز ، حيث تُعرّف الاستجابة بأنها قدرة الجهاز على تحويل الإشعاع الوارد إلى إشارة كهربائية. وتؤثر خصائص مادة الكاشف على هذه القيمة، لذا ينبغي دراسة عدة خصائص رئيسية للمادة، منها: معامل درجة الحرارة للمقاومة (TCR)، وضوضاء 1/f، والمقاومة الكهربائية.

يتمتع نظام التصوير بمصفوفة الميكروبولومتر (MAIS) بإمكانية استخدامه في التطبيقات الطبية للكشف عن إشارات 1-5 تيراهيرتز على سطح الجسم الناتجة عن مولد إشعاع غير مؤين اعتبارًا من عام 2025. ^{[ 3 ]}

أكثر المواد استخدامًا في الكشف عن الأشعة تحت الحمراء في الميكروبولومترات هي السيليكون غير المتبلور وأكسيد الفاناديوم . تكمن إحدى المشكلات في بعض المواد المحتملة في أن درجات حرارة ترسيبها قد تكون مرتفعة جدًا بالنسبة لعمليات تصنيع CMOS للحصول على الخصائص المطلوبة. وقد أُجريت أبحاث مكثفة لاختبار جدوى استخدام مواد أخرى، منها: التيتانيوم، و YBaCuO ، وGeSiO، وpoly SiGe ، وBiLaSrMnO، بالإضافة إلى السيتوكروم C البروتيني وألبومين مصل البقر .

يمكن دمج الأغشية الرقيقة من السيليكون غير المتبلور (a-Si) بسهولة في عملية تصنيع CMOS باستخدام درجات حرارة ترسيب منخفضة، وهي تتميز بثبات عالٍ، وثابت زمني سريع، وعمر افتراضي طويل قبل التلف. يتطلب إنشاء البنية الطبقية والنقش باستخدام عملية تصنيع CMOS الحفاظ على درجات حرارة أقل من 200 درجة مئوية في المتوسط. كما يتميز السيليكون غير المتبلور (a-Si) بقيم ممتازة لمعامل درجة الحرارة للمقاومة (TCR)، وضوضاء 1/f، والمقاومة عند تحسين معايير الترسيب.

يمكن دمج أغشية أكسيد الفاناديوم الرقيقة في عملية تصنيع CMOS، وإن لم يكن ذلك بسهولة دمج السيليكون غير المتبلور (a-Si) لأسباب تتعلق بدرجة الحرارة. يُعدّ أكسيد الفاناديوم (VO₂) تقنية أقدم من السيليكون غير المتبلور، كما أن أداءه وعمره الافتراضي أقل. يسمح الترسيب عند درجات حرارة عالية وإجراء المعالجة الحرارية اللاحقة بإنتاج أغشية ذات خصائص فائقة. يتميز VO₂ بمقاومة منخفضة _، ولكنه يخضع لتغير طوري من المعدن إلى العازل عند حوالي 67 درجة مئوية ،  كما أن له قيمة منخفضة لمعامل المقاومة الحرارية (TCR). من ناحية أخرى، _يُظهر V₂O₅ مقاومة عالية ومعامل مقاومة حرارية مرتفع. توجد أطوار عديدة من VOₓ، _{ويبدو أن} x ≈ 1.8 هو الأكثر شيوعًا لتطبيقات الميكروبولومتر. تُعدّ كاميرا التصوير الحراري المزودة بكاشف ميكروبولومتر من أكسيد الفاناديوم أكثر استقرارًا وصغرًا وحساسية مقارنةً بأي تقنية أخرى، على الرغم من أن VOₓ تقنية أقدم.

تتفوق تقنية أكسيد الفاناديوم (VOx) في حصتها السوقية على أي تقنية أخرى، حيث تبلغ 70% مقابل 13% للسيليكون غير المتبلور. كما تُستخدم الكاميرات الحرارية القائمة على تقنية VOx في القطاع الدفاعي نظرًا لحساسيتها العالية، وثبات صورها، وموثوقيتها.

يمكن أن يؤدي استخدام الهوائيات البصرية بالأشعة تحت الحمراء مع مواد الميكروبولومتر صغيرة الحجم إلى تحسين كفاءة الكشف. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

يمكن لطبقة مشبعة بالجرافين فوق مقياس الإشعاع الحراري الدقيق المصنوع من أكسيد الفاناديوم أن تحسن حساسية الكشف عن الترددات من 1 إلى 5 تيراهيرتز. ^{[ 6 ]}

تحتوي معظم أجهزة قياس الإشعاع الحراري الدقيقة على مقاومة حساسة للحرارة، مما يجعلها أجهزة إلكترونية سلبية. في عام ١٩٩٤، بدأت شركة تصميم أجهزة الاستشعار الكهروضوئية (EOSD) بدراسة إنتاج أجهزة قياس الإشعاع الحراري الدقيقة التي تستخدم ترانزستور الأغشية الرقيقة (TFT)، وهو نوع خاص من ترانزستورات تأثير المجال. يتمثل التغيير الرئيسي في هذه الأجهزة في إضافة قطب بوابة. على الرغم من تشابه المفاهيم الأساسية للأجهزة، فإن استخدام هذا التصميم يسمح بالاستفادة من مزايا ترانزستور الأغشية الرقيقة. تشمل بعض هذه المزايا ضبط المقاومة وطاقة التنشيط ، وتقليل أنماط الضوضاء الدورية. حتى عام ٢٠٠٤، كان هذا الجهاز لا يزال قيد الاختبار ولم يُستخدم في التصوير بالأشعة تحت الحمراء التجاري.

• إنها صغيرة الحجم وخفيفة الوزن. أما بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب نطاقات قصيرة نسبيًا، فإن الأبعاد الفيزيائية للكاميرا تكون أصغر. هذه الخاصية تُمكّن، على سبيل المثال، من تركيب كاميرات التصوير الحراري الدقيقة غير المبردة على الخوذات.
• قم بتوفير مخرج فيديو حقيقي فور تشغيل الجهاز.
• استهلاك منخفض للطاقة مقارنة بأجهزة التصوير الحراري المزودة بكاشف مبرد.
• متوسط ​​وقت طويل جداً بين حالات الفشل .
• أقل تكلفة مقارنة بالكاميرات التي تعتمد على أجهزة الكشف المبردة.

• أقل حساسية (بسبب الضوضاء الأعلى) من أجهزة التصوير الحراري والفوتوني المبردة، ونتيجة لذلك لم تتمكن من مطابقة دقة الأساليب القائمة على أشباه الموصلات المبردة.

تتأثر حساسية الجهاز جزئيًا بالتوصيل الحراري للبكسل. أما سرعة الاستجابة فتتأثر بنسبة السعة الحرارية إلى التوصيل الحراري. يؤدي تقليل السعة الحرارية إلى زيادة السرعة، ولكنه يزيد أيضًا من تقلبات درجة الحرارة الحرارية ( الضوضاء ) . بينما يؤدي زيادة التوصيل الحراري إلى زيادة السرعة، ولكنه يقلل من الحساسية.

طُوّرت تقنية الميكروبولومتر في الأصل من قبل شركة هانيويل في أواخر سبعينيات القرن الماضي بموجب عقد سري مع وزارة الدفاع الأمريكية . رفعت الحكومة الأمريكية السرية عن هذه التقنية عام ١٩٩٢. بعد رفع السرية، منحت هانيويل ترخيصًا لتقنيتها لعدد من الشركات المصنعة.

المصدر: ^{[ 7 ]}

1. أنظمة Teledyne FLIR / Teledyne Dalsa ^{[ 8 ]}
2. LYNRED SAS (سابقًا Sofradir et ULIS)
3. شركة ليوناردو دي آر إس
4. شركة بي إيه إي سيستمز بي إل سي
5. شركة غايد سينسمارت تك المحدودة

• ابحث عن الحرارة

ملحوظات

• وانغ، هونغتشين؛ شينجيان يي؛ جيانجون لاي؛ ويي لي (31 يناير 2005). "تصنيع مصفوفة ميكروبولومتر على دارة متكاملة للقراءة غير مستوية". المجلة الدولية للأشعة تحت الحمراء والموجات المليمترية . 26 (5): 751-762 . Bibcode : 2005IJIMW..26..751W . doi : 10.1007/s10762-005-4983-8 . S2CID 110889363 . 
• معهد ليتي. "الميكروبولومترات" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 13 أبريل 2015. تم الاطلاع عليه بتاريخ 3 ديسمبر 2007 .
• ديب، ك.ك.؛ إيونيسكو، أ.س.؛ لي، س. (أغسطس 2000). "الأغشية الرقيقة القائمة على البروتين: مادة جديدة ذات معامل مقاومة حراري عالٍ" . مجلة الحساسات . 17 (8). بيتربورو، نيو هامبشاير: أدفانستار كوميونيكيشنز: 52-55 . مؤرشف من الأصل بتاريخ 28 أبريل 2008. تم الاطلاع عليه بتاريخ 3 ديسمبر 2007 .
• كومار، آر تي راجندرا؛ بي. كاروناغارانا؛ دي. مانغالاراجا؛ إس. كيه. ناراياندسا؛ وآخرون  . (18 مارس 2003). "أغشية رقيقة من أكسيد الفاناديوم مُرَسَّبة في درجة حرارة الغرفة لكواشف الأشعة تحت الحمراء غير المبردة". نشرة بحوث المواد . 38 (7): 1235-1240 . doi : 10.1016/S0025-5408(03)00118-1 .
• ليديارد، كيفن سي. (2004). "مقياس الإشعاع الحراري الدقيق النشط: مفهوم جديد في الكشف بالأشعة تحت الحمراء". في: أبوت، ديريك؛ إشراغيان، كامران؛ موسكا، تشارلز أ؛ بافليديس، ديميتريس؛ ويست، نيل (محررون). وقائع مؤتمر SPIE: الإلكترونيات الدقيقة: التصميم والتكنولوجيا والتغليف . المجلد  5274. بيلينجهام، واشنطن: SPIE. الصفحات 227-238 . doi : 10.1117/12.530832 . S2CID 108830862 .  

• نظرة عامة على التكنولوجيا: أجهزة الكشف عن الميكروبولومتر