میکروبولومتر (Microbolometer)، در فیزیک (Physics)
انواع حسگرها (Sensor) را در آموزش زیر شرح دادیم :
میکروبولومتر (Microbolometer) :
میکروبولومتر نوع خاصی از بولومتر است که با استفاده از فناوری ریزساخت (MEMS) ساخته می شود و به صورت آرایه های دوبعدی برای تصویربرداری حرارتی به کار می رود. هر پیکسل از این آرایه یک میکروبولومتر مستقل است که تابش فروسرخ (معمولا در محدوده ۸ تا ۱۴ میکرومتر) را جذب کرده و دمای آن افزایش می یابد. این افزایش دما باعث تغییر مقاومت ماده حساس (معمولا وانادیوم اکسید (VOx) یا سیلیکون آمورف (α-Si)) می شود.
ساختار هر پیکسل شامل یک پل معلق (micro-bridge) است که لایه جاذب و لایه حساس به دما روی آن قرار دارد. این پل توسط پایه های باریک (با رسانایی حرارتی کم) به زیرلایه (سیلیکون) متصل است تا عایق بندی حرارتی خوبی ایجاد کند (
\[ G \]کوچک). این عایق بندی باعث می شود که گرمای ناشی از جذب تابش به راحتی به زیرلایه منتقل نشود و افزایش دما قابل اندازه گیری باشد. زیرلایه به عنوان مخزن حرارتی عمل می کند و معمولا توسط یک عنصر ترموالکتریک (TEC) در دمای ثابت نگه داشته می شود.
\[ \text{حساسیت} \propto \frac{\alpha R I_b}{G \sqrt{1 + \omega^2 \tau^2}} \]که
\[ \alpha = (1/R)(dR/dT) \]ضریب دمایی مقاومت (TCR)،
\[ R \]مقاومت،
\[ I_b \]جریان بایاس،
\[ G \]رسانایی حرارتی و
\[ \tau \]ثابت زمانی است. میکروبولومترها برخلاف سنسورهای CCD یا CMOS نیاز به خنک سازی ندارند (برخلاف بولومترهای خنک شونده) و در دمای اتاق کار می کنند، به همین دلیل به آنها "uncooled microbolometer" می گویند. این ویژگی باعث شده دوربین های حرارتی کوچک، سبک و کم مصرف شوند.
مراحل ساخت شامل لایه نشانی، حکاکی (etching) و آزادسازی ساختار معلق است. هر پیکسل توسط ترانزیستورهای انتخاب گر (در زیرلایه سیلیکونی) به مدار خوانش (ROIC) متصل می شود. اندازه پیکسل ها معمولا بین ۱۲ تا ۲۵ میکرومتر است و آرایه هایی با وضوح بالا (مثلا ۱۰۲۴×۷۶۸) ساخته می شوند.
کاربردهای میکروبولومتر: دوربین های حرارتی نظامی (دید در شب)، بازرسی تأسیسات الکتریکی (تشخیص نقاط داغ)، آتش نشانی (یافتن افراد در دود)، خودروهای لوکس (سیستم بینایی شب)، پزشکی (غربالگری تب) و تحقیقات علمی. زمان پاسخ معمولا در حدود ۱۰-۵۰ میلی ثانیه است که برای تصویربرداری با فریم ریت استاندارد کافی است.
چالش اصلی میکروبولومترها، نویز حرارتی و نیاز به کالیبراسیون دقیق (غیریکنواختی پیکسل ها) است. تکنیک های جبران سازی درون پردازشی (Non-Uniformity Correction - NUC) برای تصحیح این اثر استفاده می شود. پیشرفت در مواد با TCR بالاتر (مانند VOx با TCR ~2%/K) و طراحی های جدید، کیفیت تصویر را بهبود بخشیده است.
