Регистрация / Вход
Прислать материал

Теоретические исследования и моделирование многоэлементных неохлаждаемых КМОП-сенсоров теплового излучения на основе МЭМС-термопар

Номер контракта: 14.578.21.0009

Руководитель: Фетисов Евгений Александрович

Должность: Доцент кафедры ИЭМС, ст.н.с. ЦКТТ

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники"

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
к-моп сенсоры, мэмс системы, термопары, ик фотоприемники, приборы технического зрения

Цель проекта:
Проблема, на решение которой направлен проект: решение комплексной научно-технической задачи, включающей в себя создание задела в области теоретических, технологических и конструкторских работ, обеспечивающих возможность промышленного производства высокоэффективных многоэлементных термопарных ИК-МЭМС сенсоров и тепловизионных оптико-электронных модулей на их основе. Цель проекта - разработка новых конструктивных и технологических принципов, технических решений и создание экспериментальных образцов (далее ЭО) многоэлементных неохлаждаемых КМОП-сенсоров теплового излучения на основе микроэлектромеханических (далее МЭМС) структур с микротермопарными преобразователями инфракрасного (далее ИК) излучения.

Основные планируемые результаты проекта:
Основные практические и экспериментальные результаты:
физические принципы функционирования многоэлементных неохлаждаемых КМОП-сенсоров теплового излучения на основе МЭМС с микротермопарными преобразователями ИК излучения (далее ИК КМОП-сенсоров);
методы для определения предельных характеристик функционирования ИК КМОП-сенсоров;
технические решения для определения конструктивных параметров ИК КМОП-сенсоров;
лабораторная технология матричных термопарных ИК КМОП-сенсоров;
предложения и рекомендации по использованию разработанных принципов и научно-технических решений: принципы создания многоэлементных неохлаждаемых ИК КМОП-сенсоров; технические решения для определения предельных характеристик функционирования (теплофизических, термоэлектрических и термомеханических процессов) ИК КМОП-сенсоров;
сформулированные технические требования в виде проекта технического задания на проведение ОКР по теме: «Разработка матричного неохлаждаемого КМОП-сенсора теплового излучения на основе МЭМС-термопар с электронной программно-управляемой системой формирования интеллектуальных функций для инфракрасных устройств технического зрения».
Основные характеристики планируемых результатов проекта:
Аналитическая модель чувствительных элементов и ячеек для определения оптимальных конструктивных и технологических параметров ИК КМОП-сенсоров для преобразователей ИК-излучения.
Компьютерное моделирование чувствительных элементов для определения предельных характеристик функционирования, в том числе: теплофизических, термоэлектрических и термомеханических процессов, а также чувствительности и быстродействия ИК КМОП-сенсоров.
Компьютерное моделирование для определения оптимальных конструктивных параметров ИК КМОП-сенсоров.
Исследование тонкопленочных термоэлектрических материалов и структур, оптимальные сочетания материалов в составе термопарных КМОП-сенсоров с целью получения максимально возможных характеристик функционирования.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Экспериментальные образцы многоэлементных неохлаждаемых КМОП-сенсоров теплового излучения на основе МЭМС с микротермопарными преобразователями ИК излучения, включающие основные составные части:
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.
Выработанные в результате выполнения проекта принципы построения термопарных ИК МЭМС сенсоров обеспечат разработку оптико-электронных модулей с вышеуказанными параметрами.
Конечный продукт - матричные неохлаждаемые КМОП-сенсоры теплового излучения на основе МЭМС-термопар с электронной программно-управляемой системой формирования интеллектуальных функций для инфракрасных устройств технического зрения.
Место проекта в решении проблемы - создание задела в области теоретических, технологических и конструкторских работ, обеспечивающих возможность промышленного производства высокоэффективных многоэлементных термопарных ИК-МЭМС сенсоров и тепловизионных оптико-электронных модулей на их основе.
Элементы новизны научных решений - анализ модели чувствительных элементов для определения оптимальных предельно-достижимых параметров и инженерные расчёты аналитической модели чувствительных элементов и ячеек для определения их оптимальных конструктивных и технологических параметров. В ходе выполнения проекта разработаны следующие методики:
методика исследования параметров и характеристик тонкоплёночных термоэлектрических материалов и структур, совместимых с КМОП и МЭМС технологическими операциями методами поверхностной микроскопии;
методика исследования оптических свойств тонкоплёночных термоэлектрических материалов и структур;
методика исследований и измерений образцов ИК МЭМС на РЭМ с устройством ИК-облучения.
Предполагаемые результаты работ сопоставимы с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень. Например, элементная база неохлаждаемых матричных МЭМС приемников теплового излучения на микротермопарах, представленная продукцией таких компаний как: Melexis, MemsTech, Heimann Sensor GmbH, OMEGA Engineering, Inc., Omron (MEMS Industry Group) и т.д., коммерчески доступная и успешно реализуемая на рынке, характеризуется параметрами, близкими к разрабатываемым по данному проекту. Матрицы HTPA фирмы Heimann Sensors GMBH с количеством элементов 64х62 характеризуются спектральным диапазоном работы 8-14 мкм и разрешаемой разностью температур 0,1 К.
Пути и способы достижения заявленных результатов - решение комплексной научно-технической задачи, включающей в себя создание научно-технического задела в рамках данного проекта.
Ограничения и риски: нерешенность проблемы импортозамещения в области микро- и фотоэлектроники, нестабильность курса национальной валюты.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Области применения полученных результатов - контроль температуры жилого помещения или производственной линии, мониторинг изменений температуры оборудования. Перспективными применениями ИК датчиков являются: регулировка систем обогрева и кондиционирования, обнаружение неисправностей линий электросети, системы противопожарной безопасности, автомобильный климат-контроль, обнаружение присутствия, числа и положения пассажиров и многое другое.
Практическое внедрение полученных результатов - постановка серийного производства после проведения ОКР, перспективы использования – применение в робототехнике.В результате выполнения проекта будет обеспечена возможность производства недорогих миниатюрных ИК систем, которые найдут широкое применение в медицине для тепловизионной диагностики заболеваний, в охранных системах и системах по предотвращению террористических угроз, в интеллектуальных противопожарных устройствах, в бытовой технике и автомобилестроении (гаджеты, ИК-видеосистемы и др.), в устройствах термомониторинга энергоемкого оборудования и сооружений, в специальной технике (ИК системы целеуказания, позиционирования, пространственной ориентации) и др.
Оценка влияния полученных результатов на развитие научно-технического направления: совместимость МЭМС-процессов с кремниевой КМОП-технологией и разработка новых технических решений обеспечивает тепловым МЭМС-сенсорам достижение высоких характеристик (в том числе чувствительности и быстродействия).
Ожидаемый экономический эффект от использования товаров, которые будут созданы на основе полученных результатов – снижение стоимости ИК-систем.
Прогноз влияния планируемых результатов на развитие исследований в рамках международного сотрудничества, развитие системы демонстрации и популяризации науки, обеспечение развития материально-технической и информационной инфраструктуры. Результаты разработок в области создания конструктивных и технологических решений для многоэлементных неохлаждаемых КМОП-сенсоров теплового излучения на основе МЭМС-структур с микротермопарными преобразователями ИК-излучения дает возможность создания экспериментальных образцов сенсоров теплового излучения на основе базовых процессов и материалов КМОП технологии, с которыми термопарные ИК-фотоприемники наиболее совместимы. Использование технологий кремниевых МЭМС и подвешенных мембранных структур позволяет улучшить параметры за счет снижения теплоемкости и достаточно высокой тепловой изоляции. Кроме того, появились технологические возможности для разработки и производства монолитных сенсорных матриц на основе микротермопарных ИК преобразователей для сканирования тепловых изображений.
Преимуществами технологии изготовления неохлаждаемых термопарных матриц является относительно низкая стоимость по сравнению с микроболометрическими матрицами, низкое энергопотребление, работа при отрицательных температурах, компактные размеры и довольно высокая чувствительность к инфракрасному излучению. Таким образом, разработка и развитие указанных типов сенсоров представляются весьма перспективными.

Текущие результаты проекта:
В ходе выполнения проекта в 2015 году выполнены следующие работы:
разработана аналитическая модель чувствительных элементов и ячеек для определения оптимальных конструктивных и технологических параметров многоэлементных неохлаждаемых КМОП-сенсоров теплового излучения на основе МЭМС с МТП ИК излучения;
проведено компьютерное моделирование для определения предельных характеристик функционирования, в том числе: теплофизических, термоэлектрических и термо-механических процессов, а также чувствительности и быстродействия КМОП-сенсоров на основе МЭМС с МТП ИК излучения;
проведено компьютерное моделирование для определения оптимальных конструктивных параметров КМОП-сенсоров;
разработана методика исследования параметров и характеристик функционирования тонкопленочных термоэлектрических материалов и структур, совместимых с КМОП и МЭМС технологическими операциями;
исследованы тонкопленочные термоэлектрические материалы и структуры, определено оптимальное сочетание материалов в составе термопарных КМОП-сенсоров с целью получения максимально возможных характеристик функционирования;
разрабатывается лабораторная технология создания матричных термопарных КМОП-сенсоров;
разрабатывается конструкция и топология матричного термопарного КМОП-сенсора.
Получены характеристики отдельных элементов научной продукции, например, рассчитаны предельно-достижимые характеристики функционирования ячейки.
Полученные результаты являются новыми для РФ, поскольку в России предприятия - разработчики термопарных КМОП-сенсоров практически отсутствуют.