[열화상 카메라] 검출기

IR 검출기(Detector)

 

적외선 분류에 따라 주요 활용처가 달라집니다. 다음 표는 적외선 분류에 따른 주요 활용처를 나타냅니다.

용어	파장	활용처
VLWIR(극원적외선)	15~1000um	우주 관찰
LWIR(원적외선)	8~14um	조준경, 보안감시, 산불감시
MWIR(중적외선)	3~5um	항공, 감시, 정찰, 유도무기, 인공위선
SWIR(단적외선)	1~3um	근거리 관측, 레이저 감시
NIR(근적외선)	0.8 ~ 1um	저가 열상

 

 

IR 검출기는 빛이 없는 어두운 상태에서도 물체에서 방출되는 적외선을 탐지하여 적외선의 양을 영상으로 표출해 줍니다.

 

IR 검출기는 적외선 에너지를 전기 신호로 변환하는 변환기 역할을 합니다. 이 변환의 품질은 열화상 시스템의 성능을 크게 결정합니다.

 

IR 검출기는 광자 검출기와 열형 검출기의 두 그룹으로 나눌 수 있습니다.

광자(또는 양자) 검출기에서 단일 단계 변환은 IR 방사선에서 광자를 흡수할 때 검출기 요소의 자유 전하 캐리어의 농도 또는 이동도를 변화시킵니다. 입사 방사선이 비평형 전하 캐리어를 생성하면 검출기 소자의 전기 저항이 변경되거나 추가 광전류가 생성됩니다.

이 검출기는 극도로 민감하므로 냉각이 필요합니다.

 

열형 검출기는 입사된 방사선을 흡수하여 재료의 온도 변화에 의해 발생되는 검출소자의 전기적 특성(기전력, 저항, 전하 등)을 측정하는 방법입니다.

 

다음 표는 적외선 검출기 비교를 보여주고 있습니다.

항목	열형 검출기	양자형 검출기
구동방법	비냉각 방식	냉각기 필요
감지방법	온도변화에 의해 발생되는 검출소자의 전기적 특성(저항, 저항)을 측정	입사된 적외선 에너지의 강도에 따라 발생되는 전하 캐리어의 농도에 의한 전기적 특성(기전력, 전도도)으로 측정
재료	Si, Vox	MCT(HgCdTe), InSb
탐지성능	양자형에 비해 떨어짐	고성능 구현 가능
동작 온도	상온(300K)	80K(-193도) 근처에서 동작
종류	Bolometer, Pyroelectric	Photoconductive, Photovoltaic
단가	저가	고가
이용분야	민수용, 휴대용	군수용, 군사무기탐지

 

 

IR 검출기는 파장이 7~14μm인 적외선 복사에 민감한 작은 열 감지 센서 어레이입니다. 각 어레이 요소의 치수는 약 17 x 17µm(0.025 x 0.025mm)입니다. 적외선 에너지가 개별 볼로미터 요소에 부딪치면 요소의 온도가 상승하고 전기 저항이 변경됩니다. 이 저항 변화를 측정한 다음 열화상으로 그래픽으로 나타낼 수 있는 온도 값으로 처리합니다.

 

다음 그림은 열화상 카메라의 마이크로 볼로미터 감지기의 단일 픽셀을 보여줍니다. 픽셀은 기판에서 분리되고 아래에서 집적 회로(ROIC)를 판독하는 두 개의 다리가 있는 테이블 모양입니다. "테이블"은 VOx와 같은 전기 전도성 재료로 만들어지며 기본 전자 장치와 함께 완전한 회로를 형성합니다. 입사 LWIR 에너지가 "탁상"에 부딪치면 재료의 전기 저항이 변경됩니다. 더 많은 입사 방사선은 저항의 더 큰 변화를 일으킵니다. 이 저항 변화는 장치에 전류를 통과시켜 조사할 수 있습니다. 따라서 온도 변화를 전자 신호로 읽어 이미지를 생성하는 데 사용할 수 있습니다. 픽셀 디자인이 복잡해지는 이유 중 하나는 "다리"가 픽셀을 열적으로 격리(응답을 생성하기 위해)하고 전기를 전도해야(응답을 조사할 수 있도록)하기 때문입니다.

 

 

마이크로볼로미터 센서는 MEMS(Micro-Electro-Mechanical System) 공정을 사용하여 제조되며, 일반적으로 특수 VOx 처리 기능을 갖춘 맞춤형 주조 공장에서 사용됩니다. 먼저 맞춤형 ROIC 웨이퍼가 제조됩니다. 여기에는 열 유도 저항 변화를 해석하는 데 필요한 복잡한 회로가 포함됩니다. 그런 다음 픽셀 어레이가 이 웨이퍼에 증착됩니다. 일반적인 픽셀 디자인은 상당히 복잡하며 기본 CMOS 레이어가 포함될 때 30개 이상의 마스크 레이어가 필요할 수 있습니다. 픽셀 어레이가 증착되면 웨이퍼는 개별 다이로 절단되어 완성된 마이크로볼로미터 센서를 생성하기 위해 진공 포장됩니다. 그런 다음 센서는 제어 및 처리 전자 장치에 통합되고 LWIR 광학 장치도 부착됩니다. 전체 엔진은 주변 온도에 대한 성능을 위해 보정되고 판매 준비가 완료됩니다.