Sind Silizium-Mikrobolometer von Natur aus teurer als herkömmliche CMOS-Lichtsensoren?

Endlich sehen wir praktische Wärmebildsensoren ( Mikrobolometer ) auf dem Verbrauchermarkt. Sie sind jedoch immer noch weitaus teurer als vergleichbare Sensoren für sichtbare Bildgebung. Die einfachsten Wärmebildkameras mit 384 x 288 Pixel und 17 µm Pixel (dh 32 mm ² ) kosten etwa 500 US-Dollar, während 500 US-Dollar einen CMOS-Sensor mit 6000 x 4000 ² µm Pixel (dh 96 mm ² ) erhalten ... plus 5-Achsen- Sensorstabilisierung und mehr.

Meine Frage: Ist der Herstellungsprozess für Silizium-Mikrobolometer von Natur aus teurer, wenn die gleichen Skaleneffekte angewendet werden, die bereits für herkömmliche CMOS-Sensoren verwendet werden? Oder ist es im Grenzfall immer noch nur eine (ähnliche) Anzahl von fotolithografischen Schritten?

Zur Ausarbeitung: Wärmebildkameras suchen nach Strahlung mit Wellenlängen zwischen 7 und 14 µm, während sichtbares Licht im Bereich von 0,4 bis 0,7 µm liegt. Basierend auf der Physik allein haben Mikrobolometerpixel an der Beugungsgrenze eine um eine Größenordnung größere Oberfläche. Offensichtlich befinden sich kommerzielle Sensoren an der Beugungsgrenze sowohl für sichtbares Licht (bei 1 Mikron Pixel) als auch für thermisches Licht (bei 17 Mikron Pixel). Um es fair zu machen, könnten wir einen sichtbaren 1 "24Mpx-Sensor mit einem 1" 300kpx-Wärmesensor vergleichen.

Beide Sensoren können mit einem CMOS-Verfahren aus Silizium hergestellt werden. Die Struktur von Mikrobolometern sieht etwas schwieriger aus als die von CMOS-Sensoren mit sichtbarem Spektrum nach dem Stand der Technik, die eine Wärmebrücke für jedes Pixel sowie eine Vakuumverkapselung des Sensors erfordern. Aber ich weiß wenig über Herstellungsprozesse in großem Maßstab. Sind diese Variablen für die Grenze pro Einheit von Bedeutung?

Mikrobolometer sind von Natur aus teurer als anderem Silizium - IC speziell wegenihre erforderliche dreidimensionale Struktur. Um die Sensorpixel an Wärmebrücken aufzuhängen, muss die Sensorschicht auf ein Substrat gelegt werden, das anschließend unter den ~ 17-Mikron-Platten herausgeätzt wird. Viele Verfahren, die üblicherweise unter CMOS verwendet werden, um etwas schnelles zu erledigen (wie ziemlich harte Reinigungsschritte, CMP usw.), müssen durch komplexere, langsamere Alternativen ersetzt werden, und selbst diese haben eine ausreichend signifikante Ausfallrate, die mehr Chips benötigen verschrottet werden. Zum Beispiel muss das Eintauchen der Wafer in Flüssigkeiten oder ein Prozess, bei dem ein Medium über sie fließt, äußerst vorsichtig und langsam erfolgen. Die Oberflächenspannung ist ein großes Problem, wenn es darum geht, das flüssige Ätzreagenz unter diesen Pixeln herauszuholen, ohne sie zu zerbrechen: Sie können es nicht mit Druck abblasen oder mit Hitze abkochen.

Um eine Vorstellung davon zu geben, wie empfindlich sie sind: Hier ist eine elektronenmikroskopische Aufnahme eines Arrays, das mit Druckluft getroffen wurde, um Staub zu entfernen:

Die 3D-Herstellungsprobleme mit Mikrobolometern sind vergleichbar mit denen bei der Herstellung von DLP-Chips, die selbst bei der Massenproduktion für Verbrauchergeräte relativ teuer blieben.

(Es werden Mikrobolometer hergestellt, die nur amorphes Silizium verwenden. Für die Leistung wird jedoch ein Vanadiumoxidsensor bevorzugt. Das Hinzufügen von VO erfordert eine separate und teurere Fertigungslinie, da es sich um eine gefährliche Substanz handelt.)

Ja ist die Antwort auf die Frage, wie sie gestellt wurde.

Ihr "Problem" (nicht Ihre Frage) lautet: "Wie kann ich sehen, dass LWIR (~ 7-14 µm)" eine Technologie verwendet (in der Zukunft), die kostengünstigere Sensoren ermöglicht, wenn "dieselben Skaleneffekte angewendet werden wie bereits? wird für herkömmliche CMOS-Sensoren verwendet. "

Dieses Bild wurde unter Verwendung eines ungekühlten ("heißen") T2SL-MWIR-Detektors (3-5 & mgr; m) erzeugt. Es hat einen besseren Kontrast als ein hochwertiges LWIR-Bild.

Die Verwendung von SWIR ermöglicht das Durchschauen von gewöhnlichem Glas (und die Verwendung herkömmlicher Linsen), aber nur sehr heiße Objekte (Motoren, Feuer usw.) sind ohne reflektiertes Licht leicht zu erkennen, das erforderlich ist, um etwas zu sehen, das nicht sehr heiß ist. Die Verwendung von LWIR ist besser für die genaue Messung der Temperatur, erfordert jedoch teure Optiken. Wenn Sie keine Mikrobolometer verwenden, benötigen Sie eine Kühlung.

MWIR-Kameras werden eingesetzt, wenn das Hauptziel darin besteht, qualitativ hochwertige Bilder zu erhalten, anstatt sich auf Temperaturmessungen und Mobilität zu konzentrieren.

Das MWIR-Band des Spektrums ist der Bereich, in dem der Wärmekontrast aufgrund der Schwarzkörperphysik höher ist; Während im LWIR-Band im Vergleich zum MWIR-Band deutlich mehr Strahlung von terrestrischen Objekten emittiert wird, variiert die Strahlungsmenge weniger mit der Temperatur (siehe Planck-Kurven). Deshalb bieten MWIR-Bilder im Allgemeinen einen besseren Kontrast als LWIR.

Beispielsweise tritt der Emissionspeak von heißen Motoren und Abgasen im MWIR-Band auf, sodass diese Kameras besonders empfindlich für Fahrzeuge und Flugzeuge sind.

Anstatt Ihre Wahl auf Mikrobolometer zu beschränken, müssen Sie sich QWIP , Typ-II Strained Lattice ( T2SL ) oder sogar Cooled LWIR ansehen , die alle CMOS ähnlicher sind als Mikrobolometer. und haben somit ein besseres zukünftiges Skalierungspotential (vorausgesetzt, es besteht genügend Interesse daran, LWIR-Strahlung zu sehen).

Weitere Informationen zu Alternativen zu Mikrobolometern: http://www.ircameras.com/articles/infrared-imaging-new-ir-detector-materials-challenge-existing-technologies/ und http://www.laserfocusworld.com/articles/ print / volume-51 / issue-07 / feature / photonics-products-mwir-and-lwir-detektoren-qwips-capture-lwir-images-at-low-cost.html .

Die Antwort liegt in Skaleneffekten. CMOS- Bildsensoren werden viel mehr produziert als Infrarotsensoren . Daher erhalten CMOS-Bildsensoren mehr F & E-Mittel, mehr Unternehmen, die sie produzieren, und eine größere Lieferkette. Infrarotsensoren werden immer billiger und werden immer häufiger eingesetzt.

MEMS sind von Natur aus nicht schwieriger herzustellen und verwenden manchmal dieselben Verfahren. Sie können sogar ältere, billigere Lithografieanlagen verwenden, da die Größe größer ist.