14.578.21.0009

Цель исследования - 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. Проблема, на решение которой направлено исследование: 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.

Рост рынка МЭМС продолжается, начиная с 2010 г., и по прогнозам аналитиков к 2019 году темпы его роста только увеличатся. По статистике французской компании Yole Developpement объём рынка МЭМС устройств в ценовом выражении приблизился к отметке 12 млрд. долларов в год, а уже к 2018 г. может перешагнуть рубеж 22 млрд. долларов в год, что подтверждается прогнозами аналитиков на конгрессе MEMS Executive Congress US 2013. Динамика развития рынка МЭМС в 2012–2018 гг. (источник - Yole Developpement). Это означает, что в ближайшие годы ожидаемый ежегодный прирост рынка (в ценовом выражении) составит порядка 13%.
Многоэлементные неохлаждаемые термопарные ИК МЭМС-сенсоры с учетом возможностей использования для их построения стандартной КМОП-технологии в сочетании с современными методами формирования МЭМС-структур позволяют решить актуальную проблему ИК-техники – создание дешевой и достаточно эффективной тепловизионной оптико-электронной аппаратуры широкого применения. Неохлаждаемые матричные МЭМС приёмники теплового излучения на основе микротермопар имеют компактные размеры и низкое энергопотребление (т.е. возможно их использование в переносных и мобильных устройствах с питанием от аккумуляторов). Выход на рынок новых производителей, в том числе российских, представляется, в этой связи, вполне реальным, учитывая имеющийся научно-технический задел.
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 2016 году по проекту: «Разработка многоэлементных неохлаждаемых КМОП-сенсоров теплового излучения на основе МЭМС-термопар для инфракрасных оптико-электронных систем технического зрения»  выполнены следующие работы:

Разработан и изготовлен исследовательский стенд для измерения характеристик ЭО многоэлементных неохлаждаемых КМОП-сенсоров теплового излучения на основе МЭМС с МЭМС с микротермопарными преобразователями (МТП) ИК излучения, включающий в себя:  схемы: функциональную, электрическую,  оптическую, схему соединений  и подключения;  формуляр. Автоматизированный исследовательский стенд предназначен для проведения исследований параметров ЭО многоэлементного неохлаждаемого КМОП-сенсора теплового излучения на основе МЭМС с микротермопарными преобразователями   ИК-излучения в зависимости от режимов управления, выбора оптимального режима и для проведения измерений основных параметров ЭО.  

Подготовлена технологическая инструкция изготовления ЭО матричных термопарных КМОП-сенсоров, описывающая технологические требования к ключевым процессам при изготовлении пластин кристаллов с приборными структурами и тестовыми элементами, перечень технологических документов и порядок их передачи в производство. Разработанные маршрутная карта и сопроводительный лист описывают пооперационное изготовление составных частей ЭО сенсора по КМОП-технологии АТ-12ДМ. Данная технология имеет проектные нормы 1,2 мкм с двумя уровнями металлизации, которая позволяет изготавливать как цифровые, так и цифро-аналоговые приборы и структуры для различного применения.

Разработаны и изготовлены составные части ЭО многоэлементного неохлаждаемого КМОП-сенсора теплового излучения на основе МЭМС с микротермопарными преобразователями (МТП) ИК излучения.

Проведены экспериментальные исследования приборных структур для ЭО многоэлементного неохлаждаемого КМОП-сенсора теплового излучения на основе МЭМС с МТП ИК-излучения.

Изготовлены приборные структуры на пластинах для ЭО многоэлементного неохлаждаемого КМОП-сенсора теплового излучения на основе МЭМС с МТП ИК излучения.

Разработан и изготавливается экспериментальный образец   многоэлементного неохлаждаемого КМОП-сенсора теплового излучения на основе МЭМС с микротермопарными преобразователями ИК излучения.

Разрабатываются рекомендации по использованию результатов проведенных прикладных научных исследований  в реальном секторе экономики, а также в дальнейших исследованиях и разработках.

Подготавливается проект технического задания на выполнение 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».

Экспериментальный образец многоэлементного неохлаждаемого КМОП-сенсора включает основные составные части:

  1) матрицу с числом термопарных ИК МЭМС чувствительных элементов 64 х 64, обеспечивающую 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 разрабатываемый продукт - матричные неохлаждаемые КМОП-сенсоры теплового излучения на основе МЭМС-термопар с электронной программно-управляемой системой формирования интеллектуальных функций для инфракрасных устройств технического зрения.

Разработан и изготовлен исследовательский стенд для измерения характеристик ЭО КМОП-сенсоров. Отлажены составные блоки стенда и проверено тестовое программное обеспечение.

Разработана технологическая инструкция изготовления многоэлементных неохлаждаемых КМОП-сенсоров теплового излучения на основе МЭМС с МТП ИК-излучения .

Разработаны и изготовлены составные части ЭО многоэлементного неохлаждаемого КМОП-сенсора теплового излучения на основе МЭМС с МТП ИК излучения – модули  мультиплексора и выходного усилителя. Изготовлен комплект фотошаблонов на основе спроектированной топологии матричного термопарного  КМОП-сенсора, обеспечивающий изготовление по КМОП технологии с технологическими нормами не хуже 1,2 мкм элементов системы считывания и обработки сигнала с сенсоров теплового излучения с МТП ИК излучения.

Модули мультиплексора представляют собой набор аналоговых КМОП-ключей, которые подключают выход каждого столбца поочередно на аналоговую площадку кристалла и обеспечивают последовательный сбор электрического сигнала со всех элементов матрицы и передачу его на выходной усилитель при заданной кадровой частоте.

Модуль выходного усилителя представляется собой набор КМОП-операционных усилителей для обеспечения емкостной и резистивной нагрузки при проведении измерений, и усиления термоэлектрического сигнала термопарных чувствительных элементов матрицы в полосе частот 100 кГц с коэффициентом усиления,  достаточным для программно-аппаратной части.

Выполнены исследования ИК-спектров поглощения тонких пленок нестехиометрического нитрида кремния (SiN_x), полученных с использованием низкотемпературных методов (T<300 °С) плазмохимического осаждения из газовой фазы. В результате выполненных исследований определены оптимальные значения толщин слоя SiN_x (1-1,5 мкм) в теплочувствительных МЭМС-мембранах КМОП-сенсора.  Доля поглощённой мощности ИК-излучения в мембране достигает 40%.

Экспериментально исследованы технологические параметры и характеристики приборных структур и тестовых элементов:  пороговое напряжение р- и n-канальных транзисторов, подпороговый ток транзисторов, напряжения пробоя транзисторов и р-n - переходов, сопротивление диффузионных областей, сопротивление слоя поликристаллического кремния, контактное сопротивление между металлом и областями стока-истока, сопротивление слоев металлизации, переходное сопротивление между двумя уровнями металлов. На приборных и тестовых структурах исследованы модули выходного  усилителя и узлы мультиплексора. Измерено сопротивление полностью открытого ключа коммутации адреса выборки (380 Ом), которое обеспечивает при реальных емкостях нагрузки порядка 5 пФ необходимый диапазон работоспособности мультиплексора выборки строки с существенным запасом.  В результате исследования параметров выходного дифференциального усилителя получены следующие данные: определен статический коэффициент усиления: 58; напряжение смещения дифференциального каскада: 0,8 мВ; максимальное дифференциальное напряжение на входе усилителя  ±15 мВ; полоса пропускания усилителя  600кГц при опорном токе 1 мкА; собственные шумы усилителя 5,6 мкВ в полосе частот 10-2000 кГц. Замена n-MOП транзистора на входе дифференциального каскада на р-MOП транзистор и увеличение ширины канала входных транзисторов с 100мкм до 250мкм обеспечит десятикратное снижение шума усилителя (до 0,56 мкВ).

Многоэлементные неохлаждаемые термопарные ИК МЭМС-сенсоры занимают особое место среди тепловых приемников. С учетом возможностей использования для их построения стандартной КМОП-технологии в сочетании с современными методами формирования МЭМС структур, они позволяют решить актуальную проблему ИК-техники – создание дешевой и достаточно эффективной тепловизионной оптико- электронной аппаратуры широкого применения. Несмотря на то, что по своим параметрам в части чувствительности и быстродействия они еще уступают ИК-приемникам на основе микроболометров, низкий ценовой уровень и еще неиспользованные возможности их совершенствования позволяют прогнозировать активное развитие этого направления. Это подтверждается интенсивными работами, которые проводятся ведущими мировыми электронными корпорациями и исследовательскими центрами, и уже выпускаемыми к настоящему времени продуктами. Полученные результаты являются новыми для РФ, поскольку в России предприятия - разработчики термопарных КМОП-сенсоров практически отсутствуют.
Конкурентоспособный уровень ожидаемых результатов будет способствовать развитию промышленности Российской Федерации. 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 устройствах экологического контроля,
- в специальной технике (ИК системы целеуказания, позиционирования, пространственной ориентации и др.).