ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ИК МЭМС

«Многоэлементные ИК МЭМС-сенсоры с
термопарными преобразователями теплового
излучения»
Р.З. Хафизов
ООО «ГрафИмпресс», imagelab@mail.ru
Работа выполнена при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий
в научно-технической сфере (контракт №11927р/21899 от 27.06.2013).
ПРИНЦИП РАБОТЫ СЕНСОРА
Чувствительный элемент термопарного ИК МЭМС сенсора работает следующим
образом. Тонкая диэлектрическая мембрана, «подвешенная» над поверхностью
кремниевой подложки, нагревается падающим тепловым излучением.
Возникающая разность температур между мембраной и подложкой преобразуется в
электрический сигнал с помощью микротермопар, «теплые» контакты которых
расположены на мембране, а «холодные» – на подложке.
СОСТОЯНИЕ РАЗРАБОТОК ЗА РУБЕЖОМ
Среди коммерчески реализуемых на рынке изделий с многоэлементными
термопарными приемниками наиболее продвинутыми являются:
- камера с матрицей 48х47 компании OMEGA Engineering,
- и модули с матричными датчиками фирмы Heimann Sensors GMBH
с
количеством элементов 32х31 и 64х62.
Модуль фирмы Heimann Sensors GMBH
Камера компании OMEGA Engineering
ПРИНЦИПЫ ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ
ТЕРМОПАРНЫХ МЭМС СЕНСОРОВ
На рисунке представлен чувствительный элемент
ИК МЭМС сенсора фирмы Хейманн, максимально
адаптированный
к
возможностям
КМОП
технологии. Характерной особенностью топологии
элемента является то, что большую часть его
площади занимает теплоприемная мембрана. При
этом только две очень узкие консоли, на которых
расположены микротермопары, обеспечивают ее
удержание в подвешенном состоянии над
кремниевой подложкой кристалла.
При разработке конструкции ячейки сенсора и выборе материалов для ее создания
необходимо минимизировать тепловые утечки через консоли. Для этого слои
материалов, которые используются для создания термопар, должны обладать низкой
теплопроводностью. Вместе с тем, они также должны характеризоваться высокими
значениями коэффициентов Зеебека и хорошей электропроводностью. Эти требования
конфликтуют и могут быть только компромиссно согласованы друг с другом.
ПРИНЦИПЫ ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ
ТЕРМОПАРНЫХ МЭМС СЕНСОРОВ
Соотношение параметров материала термопары (коэффициент качества),
позволяющее оценить эффективность ИК сенсора, выглядит следующим образом:
где – коэффициент Зеебека,
– удельное сопротивление,
– удельная теплопроводность. График дает наглядное
представление зависимости
коэффициента качества
термопарного ИК приемника
от электрофизических
параметров материала.
Видно, что полупроводниковые материалы являются предпочтительными для
формирования термопар сенсора.
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ИК МЭМС СЕНСОРОВ
Интеллектуальные системы пожарной безопасности
Эффективность предотвращения пожароопасной ситуации сильнейшим образом
зависит от того, как быстро система тушения огня реагирует на возникновение
очага возгорания и насколько она контролирует его параметры (площадь,
температуру и др.).
Стандартные спринклерные системы, использующие детекторы дыма не в
состоянии точно определить местоположение очага возгорания. Соответственно, их
эффективность в пожарной охране весьма ограничена. Интеллектуальная
противопожарная система способна обеспечить эффективный контроль
температурного состояния охраняемого объекта, прогнозируя пожарную опасность,
с высокой точностью определяет пространственное положение очага возгорания и
может функционировать в качестве дополнительной меры безопасности, наряду с
уже существующими распределенными противопожарными системами.
Существенным достоинством интеллектуальной системы является возможность
реализации на ее основе экономичных вариантов противопожарной защиты жилых
домов.
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ИК МЭМС СЕНСОРОВ
Интеллектуальные системы пожарной безопасности
Результаты разработок ООО ГрафИмпресс по созданию оптико-электронных систем
на основе термопарных ИК МЭМС сенсоров позволят реализовать недорогую
интеллектуальную оптико-электронную систему пожарной безопасности.
Система включает в себя ИК
МЭМС модуль с многоэлементным термопарным датчиком, сканирующую платформу, микропроцессорные
платы, программное обеспечение и интерфейс отображения данных.
Система в реальном времени
определяет
координаты
объектов с повышенным
тепловыделением, информирует о пожарной безопасности и выдает команды для
предотвращения возгорания.
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ИК МЭМС СЕНСОРОВ
Селективный дистанционный тепловой мониторинг
Ключевая особенность системы состоит в возможности задания температурного
порога воспроизведения тепловой сцены, что обеспечивает селективную регистрацию
только тех тепловых объектов, которые имеют температуру выше установленного
уровня.
Пример – выделение теплового изображения сигареты
Tmin = 20C0
Tmin = 25C0
Tmin = 30C0
Tmin = 35C0
Для температурного уровня Tmin = 35C0 выделяется только тепловое изображение
сигареты.
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ИК МЭМС СЕНСОРОВ
Дистанционная тепловизионная диагностика
Экспрессное дистанционное определение заболеваний по повышенной температуре
пораженных органов.
Пример – диагностика заболеваний суставов и мастита у коров
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ИК МЭМС СЕНСОРОВ
Специальные применения
Обнаружение, целеуказание, захват и удержание изображения тепловых объектов в
поле зрения системы.
Пример – автоматическое целеуказание с удержанием изображения
руки человека при ее перемещении в поле зрения системы
РАЗРАБОТКИ ООО «ГРАФИМПРЕСС»
Макет сканирующей платформы панорамного обзора тепловой сцены с ИК модулем
TPA 32х31
РАЗРАБОТКИ ООО «ГРАФИМПРЕСС»
Примеры тепловизионных изображений, полученных системой с ИК модулем TPA
32х31 с различными вариантами цветового кодирования.
РАЗРАБОТКИ ООО «ГРАФИМПРЕСС»
Макет подвижной платформы со сканирующим механизмом с ИК модулем TPA
4х16. Обеспечивает обнаружение, захват и сопровождение локальных тепловых
объектов
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Предложены и экспериментально подтверждены научно-технические решения,
позволяющие реализовать с помощью многоэлементного термопарного теплового
сенсора, интегрированного в состав ОЭС, такие интеллектуальные функции, как:
- панорамный обзор тепловой сцены,
- обнаружение локальных тепловых объектов,
- автоматическое удержание изображения тепловых объектов поле зрения ОЭС.
Реализованные интеллектуальные функции дают возможность создания
автоматизированных систем и роботизированных устройств теплового
технического зрения, эффективно решающих задачи мониторинга окружающей
среды, пожарной безопасности, охраны значимых инфраструктурных объектов.
Дальнейшие работы в рамках проекта обеспечат расширение интеллектуальных
возможностей разрабатываемых систем.
Проведение дальнейших работ обеспечит
возможностей разрабатываемых систем.
расширение
интеллектуальных