Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка многоэлементных неохлаждаемых КМОП-сенсоров теплового излучения на основе МЭМС-термопар для инфракрасных оптико-электронных систем технического зрения

Докладчик: Фетисов Евгений Александрович

Должность: Доцент, к.ф.-м.н., МИЭТ, Кафедра интегральной электроники и микросистем (ИЭМС)

Цель проекта:
1.Формулировка проблемы, на решение которой направлен реализуемый проект: Создание многоэлементных неохлаждаемых КМОП-сенсоров теплового излучения (КМОП - интегральные схемы из комплементарных транзисторов с структурой "металл-окисел-полупроводник) на основе микроэлектромеханических систем (МЭМС) с микротермопарными преобразователями ИК-излучения, предназначенных для использования в оптико-электронных системах технического зрения. 2.Формулировка цели реализуемого проекта; конечного продукта, создаваемого с использованием результатов, планируемых при выполнении проекта; места и роли проекта и его результатов в решении проблемы: Цель реализуемого проекта - разработка новых конструктивных и технологических принципов, технических решений и создание экспериментальных образцов многоэлементных неохлаждаемых КМОП-сенсоров теплового излучения на основе микроэлектромеханических (МЭМС) структур с микротермопарными преобразователями инфракрасного (ИК) излучения. Конечный продукт, создаваемый с использованием результатов, планируемых при выполнении проекта - новый класс изделий микрофотоэлектроники - многоэлементные МЭМС-микротермопарные преобразователи ИК-излучения. Место и роли проекта и его результатов в решении проблемы: неохаждаемые МЭМС-микротермопарные ИК-преобразователи явятся технологичеси наиболее близкими к развитой КМОП-технологии. Результаты проекта в целом в решении проблемы создания неохлаждаемых КМОП-сенсоров теплового излучения на основе МЭМС с микротермопарными преобразователями ИК излучения: от физические принципов и предельных характеристик до измерения параметров экспериментальных образцов и проекта технического задания на выполнение ОКР.

Основные планируемые результаты проекта:
1.Краткое описание основных результатов.
Ожидаемые результаты проекта в целом в решении проблемы создания неохлаждаемых КМОП-сенсоров теплового излучения на основе МЭМС с микротермопарными преобразователями ИК излучения: физические принципы функционирования, предельные характеристики, физическая и аналитическая модели чувствительных элементов и ячеек, технические решения для определения конструктивных параметров, результаты компьютерного моделирования чувствительных элементов для определения предельных характеристик функционирования, методики и результаты исследования параметров и характеристик тонкопленочных термоэлектрических материалов и структур, лабораторная технология изготовления, проектирование конструкции и топологии (ЭКД), изготовление и результаты исследования экспериментальных образцов, рекомендации по использованию результатов проведенного прикладного научного исследования в реальном секторе экономики и проект технического задания на выполнение ОКР.
2.Основные характеристики планируемых результатов.
Экспериментальный образец многоэлементного неохлаждаемого КМОП-сенсора теплового излучения на основе МЭМС с микротермопарными преобразователями ИК излучения должен включать:
1) матрица с числом термопарных ИК МЭМС чувствительных элементов не менее 64 х 64, обеспечивающая преобразование ИК-излучения спектрального диапазона 8 мкм – 14 мкм в электрический сигнал с формированием растра с числом пикселей 4096;
2) модуль мультиплексора, обеспечивающий последовательный сбор электрического сигнала со всех элементов матрицы и передачу его на выходной усилитель при кадровой частоте не менее 10 Гц;
3) модуль выходного усилителя, обеспечивающий усиление термоэлектрического сигнала термопарных чувствительных элементов матрицы в полосе частот не менее 100 кГц с коэффициентом усиления, достаточным для программно-аппаратной обработки сигнала;
Научно-технические принципы создания многоэлементных неохлаждаемых КМОП-сенсоров теплового излучения на основе МЭМС с микротермопарными преобразователями ИК излучения должны обеспечить достижение следующих параметров ЭО:
1) количество элементов: не менее 64х64;
2) спектральный диапазон работы: 8 мкм – 14 мкм;
3) диапазон рабочих температур: от -20оС до + 40оС;
4) разрешаемая разность температур: не более 0,5 К.
3.Оценка элементов новизны научных (технологических) решений, применявшихся методик и решений.
При получении результатов интеллектуальной деятельности, способных к правовой охране, они будут зарегистрированы в соответствии с законодательством РФ. В 2015 и в 2016 годах будут поданы 2 патентные заявки.
4.Сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень.
ТАБЛИЦА - ИНФРАКРАСНЫЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ (СРАВНЕНИЕ С АНАЛОГАМИ) - прилагается к данной Заявке на участие в конференции. Вывод из таблицы: разрабатываемый в проекте многоэлементный неохлаждаемый КМОП-сенсор
на основе МЭМС-термопар превосходит зарубежные коммерческие аналоги (фирмы Texas Instruments, OMRON, Panasonic, Heimann) по формату (4096 пиксел) и не уступают по разрешаемой разности температур (± 0,5 °С).
5.Ограничения и риски.
Принципиальные (физические) ограничения на достижение результатов отсутствуют. Требуется создание базовой технологии производства ИК-фотоприемников на МЭМС.
Возможными рисками предлагаемого проекта, которые могут воспрепятствовать достижению ожидаемого эффекта, являются:
- финансовые риски (низкие цены на продукцию проекта на внутреннем и мировом рынках и неустойчивость экономики);
- маркетинговые риски (неотлаженность сбытовой сети на рынках сбыта, задержка в выходе на рынок);
- технологические риски (ошибки в проектировании, недостатки технологии и неправильный выбор оборудования, нехватка квалифицированной рабочей силы, повышение цен на сырье, энергию и комплектующие, рост расходов на зарплату);
- риски участников проекта (невыполнение участником своих обязательств в рамках проекта);
- юридические риски (документы, подтверждающие авторское право).

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Реализация проекта позволит создавать приборы различных типов, такие как тепловизоры, бесконтактные измерители температуры и т.п., которые могут применяться в различных областях науки, техники и промышленности. Общим является то, что создание ИК-фотоприемников на основе МЭМС позволит снизить стоимость, снизить энергопотребление и габариты приборов.
Влияние предлагаемого решения масштабной научно-технической задачи распространяется на многие независимые сферы и отрасли и позволит использовать фотоприемники ИК-диапазона на основе МЭМС для таких применений как:
- робототехника;
- энергосберегающие системы для бесконтактного термомониторинга;
- мониторинг работы трансформаторных подстанций и тепловых пунктов с целью своевременного предупреждения возникновения неисправностей и аварий;
- проведение энергоаудита жилых домов и производственных сооружений;
- измерения температуры объектов для мобильных устройств, планшетов и ноутбуках;
- бесконтактное измерение температуры тела человека, такое применение позволит медицинским и образовательным учреждениям производить быстрый бесконтактный мониторинг температуры значительного количества людей с возможностью сохранения данных и графического их отображения.

Текущие результаты проекта:
В ходе выполнения 1 этапа проекта проводятся выбор направления исследований и теоретические исследования поставленных задач: выполнены аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей исследуемую научно-техническую проблему, в том числе обзор научных информационных источников, и патентные исследования; разработана физическая модель чувствительных элементов и ячеек для определения предельных характеристик функционирования; разрабатываются физические принципы функционирования многоэлементных неохлаждаемых КМОП-сенсоров теплового излучения на основе МЭМС с микротермопарными преобразователями ИК излучения; технические решения для определения конструктивных параметров.