Миниатюрный транзистор значительно улучшает точность тепловизоров в 15 раз

Учёные разработали схему увеличения температурной чувствительности микроболометров без изменения используемых материалов

Наука и космос209 июл 19:24

Исследователи нашли новый метод, позволяющий повысить чувствительность популярных тепловизоров с помощью миниатюрного транзистора. Эта технология дает возможность увеличить температурный коэффициент сопротивления сенсоров с примерно 10% до 150% на K, что может значительно улучшить точность устройств для ночного видения, робототехники и автономной навигации.

Работа была выполнена командой, возглавляемой профессором Фэннянем Ся (Fengnian Xia), и результаты были опубликованы в журнале Nature Sensors. Ученые применили двухконтактный NPN-транзистор — электронный элемент, который способен усиливать сигналы в электрических схемах, для оптимизации характеристик существующих тепловых сенсоров.

Современные тепловизоры обычно функционируют по одному из двух принципов. Более точные системы используют фотонные детекторы, которые напрямую фиксируют частицы света в инфракрасном спектре, однако требуют охлаждения до крайне низких температур и имеют высокую стоимость. Поэтому такие устройства в основном применяются в военной технике и специализированных системах.

Более доступным вариантом являются микроболометры, которые преобразуют тепло от инфракрасного излучения в изменение электрического сигнала. Их применяют в портативных тепловизорах, системах пожарной безопасности и средствах наблюдения. Однако по чувствительности они уступают охлаждаемым фотонным детекторам из-за ограничений материалов, чаще всего оксида ванадия и аморфного кремния.

Ключевой проблемой этих материалов является низкий температурный коэффициент сопротивления (TCR) — индекс, показывающий, насколько сильно изменяется электрическое сопротивление вещества при колебаниях температуры. Чем выше TCR, тем легче сенсору зафиксировать небольшие изменения нагрева.

Вместо поиска нового материала исследователи интегрировали транзистор в существующую конструкцию. По словам ведущего автора работы, Цзячжэня Чэня (Jiazhen Chen), транзистор создает обратную связь между носителями заряда — частицами, которые переносят электрический ток, — что усиливает зависимость сопротивления от температуры и позволяет настраивать чувствительность сенсора.

После такой модификации температурный коэффициент сопротивления удалось увеличить примерно с 10% до 150% на каждый кельвин. Это дает возможность тепловым сенсорам более эффективно фиксировать тепловое излучение окружающих объектов без необходимости в сложных системах охлаждения.

Следующим шагом команда планирует разработать полноценные устройства на основе этой технологии, включая сенсоры для регистрации среднего инфракрасного диапазона. Также ученые намерены адаптировать разработку для кремниевой платформы, которая широко используется в производстве современных микросхем.

Darth SaharaИсточники:Nature SensorsНаука и космос2РобототехникаТепловизорыНанотехнологииИнфракрасное излучениеНочное видениеТранзисторыСенсорыКремниевая электроника09 июл 19:24