Разработка сенсоров, чувствительных к электромагнитному излучению, является одним из важнейших направлений развития современной техники. Впечатляющие результаты, достигнутые в области микросенсорики за последние несколько десятков лет, обеспечены успехами развития микроэлектронных технологий, позволивших реализовать возможности создания сложных электронных приборов и систем для широкого спектра практических применений. Так, сенсоры с чувствительностью к ИК излучению сегодня используются в составе аппаратуры, решающей множество задач в военной и коммерческой сферах. Они эффективно применяются в приборах ночного видения, автономных системах вооружения наземного, воздушного и морского базирования, аппаратуре технического зрения беспилотных транспортных средств, в медицинской технике, в системах охраны и противопожарной безопасности, теплового мониторинга промышленного оборудования, индустриальных и гражданских объектов и многих других.

ТЕПЛОВЫЕ МЭМС-СЕНСОРЫ
Потенциальные возможности современной кремниевой технологии позволяют использовать для регистрации ИК излучения неохлаждаемые тепловые сенсоры, в основе работы которых лежат различные физические эффекты. Ведущими мировыми электронными компаниями предприняты серьезные усилия по постановке и проведению исследований и разработок с целью определения наиболее эффективных путей реализации таких сенсоров. Среди них можно выделить результаты исследований, позволившие создать многоэлементные ИК приемники с тепловыми МЭМС сенсорами, функционирование которых основано на использовании терморезистивного, термомеханического и термоэлектрического эффектов.
Неохлаждаемые тепловые матричные приемники с болометрическими сенсорами, использующих терморезистивный эффект, в настоящее время достаточно широко представлены на современном оптоэлектронном рынке. Современная технология создания микроболометрических ИК приемников изображения демонстрирует возможности создании матриц фокальной плоскости (FPA) с числом элементов вплоть до 2048 x 1536 [1]. Они имеют малые габариты, вес, энергопотребление. Вместе с тем, хотя их стоимость и значительно (в 10-100 раз) меньше, чем стоимость квантовых приемников ИК излучения с криогенным охлаждением, цены болометрических тепловизионных систем все еще достаточно высоки. Это значительно ограничивает возможности их широкого использования. Сегодня в России доступны камеры с болометрическими матрицами от различных фирм-производителей (FLIR Systems [2], ULIS [3], DALI [4], SUN CREATIVE [5] и др.) с числом элементов 640х480, 320х240, 240x180, 160х120. Ценовой диапазон камер – от 250 000 до более, чем 1 000 000 рублей [6]. В России разработки микроболометрических ИК приемников на основе диоксида ванадия ведутся в ОАО "ЦНИИ "Циклон" [7]. Высокая цена болометрических матриц обусловлена сложным технологическим процессом их изготовления. В качестве терморезистивного материала для обеспечения приемлемой ИК чувствительности используется диоксид ванадия, что создает проблемы совместимости процесса его формирования на поверхности мембраны МЭМС-структуры со стандартными процессами КМОП технологии. Высокий уровень цен болометрических многоэлементных ИК приемников существенным образом сужает диапазон их коммерческого использования. Сегодня основные области их применения – это дорогостоящие системы вооружения, высокотехнологичное медицинское оборудование и космическая техника.
Другие варианты реализации тепловых приемников ИК изображения, в частности, на основе термомеханических и термопарных сенсоров, которые по прогнозам могли бы удовлетворить потребности рынка в ИК системах с невысокой стоимостью, в настоящее время находятся на начальном этапе своего развития. Существенным преимуществом данных типов приемников является возможность формирования сенсорных элементов с использованием материалов промышленной КМОП технологии. Вместе с тем, интенсивное развитие автоматизированных, в том числе роботизированных устройств и механизмов, использующих оптико-электронные системы (ОЭС) для выполнения различных сценариев, остро ставит задачи разработки именно недорогих многоэлементных (в том числе малоформатных) тепловых приемников, которые позволят существенным образом расширить их функциональные возможности. С их помощью устройства с ОЭС смогут эффективно решать такие задачи, как:
  • тепловой мониторинг,
  • обнаружение и определение координат тепловых объектов,
  • обеспечение противопожарной безопасности и целый ряд других.
    • Термомеханические приемники активно разрабатываются рядом ведущих зарубежных фирм [8–12, см. список источников]. В России аналогичные работы проводились в 2009-2014 гг. нашим коллективом на научно-технической базе Национального исследовательского университета «МИЭТ» [13-23, см. список источников]. Проведенные разработки обеспечили возможность создания экспериментальных образцов многоэлементных ИК приемников с термомеханическими МЭМС элементами, сформированными с использованием технологии травления жертвенного слоя SiO2. В настоящее время, однако, как за рубежом, так и в России коммерчески реализуемые изделия на рынке не представлены.
    Особое место среди тепловых ИК приемников изображения занимают многоэлементные матрицы на термопарных сенсорах. Такие сенсоры представляет собой массив последовательно соединенных микротермопар, одни спаи («горячие») которых расположены на теплопоглощающей мембране, а другие («холодные») – имеют хороший тепловой контакт с подложкой. Возникающая вследствие поглощаемого мембраной тепла термоЭДС (эффект Зеебека) усиливается и считывается КМОП схемами, расположенными непосредственно на кристалле.
    Среди коммерчески реализуемых на рынке изделий с многоэлементными термопарными приемниками необходимо отметить линейку тепловизионных модулей с матрицами HTPA (Heimann Thermopile Array) с количеством элементов 8х8, 16х16, 32х32, 64х64 и 80х64 фирмы Heimann Sensors GMBH [24-29, см. список источников].
    Отечественные разработки многоэлементных термопарных ИК приемников и систем на их основе начаты в рамках НИОКР "Разработка концепции, схемотехнических принципов, моделирование и макетирование интеллектуального координаточувствительного неохлаждаемого ИК МЭМС сенсора с электрическим считываем сигнала. Расчет и макетирование оптической системы тепловой пространственной ориентации», выполненной ООО «ГрафИмпресс» в 2013-2014 гг. по договору с Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере [30]. В результате проведенных работ предложены и экспериментально подтверждены новые научно-технические решения, позволяющие реализовать с помощью многоэлементных термопарных тепловых сенсоров, интегрированных в состав систем технического зрения, такие интеллектуальные функции, как:
  • панорамный обзор тепловой сцены,
  • обнаружение локальных тепловых объектов,
  • автоматическое удержание изображения тепловых объектов в поле зрения системы.
    • Полученный в ходе этих работ задел использован при выполнении ПНИ по теме «Разработка многоэлементных неохлаждаемых КМОП-сенсоров теплового излучения на основе МЭМС-термопар для инфракрасных оптико-электронных систем технического зрения» (соглашение Минобрнауки с НИУ МИЭТ 14.578.21.0009 от 5 июля 2014 г., сроки работы 2014-2016 гг.) [31]. В рамках ПНИ выполнен комплекс работ по теоретическому анализу, численному приборно-технологическому моделированию и экспериментальному исследованию термопарных МЭМС структур и тепловых сенсоров на их основе, а также разработаны, изготовлены и исследованы экспериментальные образцы КМОП-МЭМС матрицы с числом элементов 64х64 и размером пиксела 125х125 мкм.

    МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ СЕНСОРЫ
    Главной областью применения датчиков магнитного поля до недавнего времени была автомобильная электроника. Магнитные сенсоры в автомобилях используются в качестве датчиков скорости и положения различных вращающихся устройств (роторов), а также переключателей положения электрических бесколлекторных двигателей. Автомобильный рынок, характеризуясь высокими объемами производства, предъявляет высокие требования к надежности и точности функционирования сенсорных микросхем.
    Сегодня датчики магнитного поля активно завоевывают современный рынок мобильных устройств, удовлетворяя активно формируемую потребность в бесконтактном включении и выключении приборов и выборе их рабочих функций, где бесконтактные возможности устройств на основе эффекта Холла обеспечивают высокую надежность и длительный срок службы. В отличие от механических переключателей датчики Холла, обладая более широкими функциональными возможностями, характеризуются малыми размерами и малой потребляемой мощностью, что чрезвычайно важно для применений в портативной электронике. Ведущие мировые производители магнитных датчиков активно реагируют на потребности рынка, предлагая недорогие сенсорные устройства с развитыми интеллектуальными функциями, обеспечивающими решение задач развития пользовательских интерфейсов мобильных приборов [32].
    Существенное преимущество кремниевых датчиков Холла заключается в использовании базовой технологии кремниевой микроэлектроники для их изготовления, что обеспечивает совместимость сенсоров с интерфейсной электроникой, расширяя диапазон их рабочих характеристик и возможностей применения за счет обработки сигналов. Кроме этого, использование современной КМОП технологии дает возможности реализации полевых датчиков Холла (ПДХ) на базе структур металл-диэлектрик-полупроводник (МДП), как с инверсионным поверхностным каналом, так и включающих встроенный объемный канал проводимости, а также возможность полной диэлектрической изоляции сенсора от несущей подложки и прилегающих схемных элементов за счет формирования структур кремний на изоляторе (КНИ). ПДХ на основе МДП структур позволяют за счет возможности полевого управления состоянием канала проводимости регулировать в широких пределах магнитной чувствительностью датчика, обеспечивая условия для реализации дополнительных интеллектуальных функций сенсорных магниточувствительных приборов.
    Работа, выполненная в рамках контракта ООО "ГрафИмпресс" с АО "ПКК Миландр" , имела своей основной целью разработку технических решений создания многоэлементных преобразователей магнитного поля. Для выбора оптимального варианта направления разработки рассмотрены различные варианты магниточувствительных холловских сенсоров с полевым управлением, изготовленных с использованием КМОП технологий с проектными нормами 0,6, 0,35 и 0,18 мкм. Исследована их структура с использованием растровой микроскопии. Проведено моделирование МДП датчиков Холла с учетом возможности их изготовления на базе современной коммерческой КМОП технологии. Выявлены механизмы изменения их магнитной чувствительности в широком диапазоне управляющих напряжений. Рассмотрены варианты организации многоэлементных преобразователей магнитного поля с емкостным накоплением заряда, содержащем информацию о величине магнитной индукции. Предложена конструкция сенсорного магниточувствительного элемента, в котором преобразование, выделение информационной составляющей и ее интегрирование осуществляется непосредственно в самой ячейке. Выполненный физико-математический анализ сенсорного элемента показал возможность достижения коэффициента усиления сигнала в ячейке до уровня 103.

    МИКРОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
    Исследования в данном направлении были инициированы результатами работ д.ф.м.н., проф. Б.И. Фукса [33,34] По контракту ООО "ГрафИмпресс" с НИУ МИЭТ в 2014-2015 гг. выполнена НИР по разработке физико-математической модели, разработке стенда, проектированию топологии, разработке эскизной конструкторской документации и испытанию экспериментального образца высокоэффективного солнечного элемента (СЭ) на основе микроструктурированного монокристаллического кремния.
    В ходе этих работ проведен анализ возможностей конструктивной оптимизации СЭ с целью повышения эффективности преобразования солнечной энергии, включающий выбор конструктивно-технологических параметров кремниевой подложки и характеристик просветляющего покрытия, определение параметров структурирования поверхности СЭ с помощью анизотропного травления и создания локализованных эмиттерных контактов и топологического рисунка токосъемных шин с уменьшенными омическими потерями [35]. Оптимизирована физическая структура разрабатываемого прибора (материал и толщина подложки, микроструктурирование поверхности подложки, материал и толщина антиотражающего покрытия, толщина и материал пассивирующего покрытия). Разработана усовершенствованная топология СЭ, включающая замену сплошного р-п перехода на решетку локальных р-п переходов и замену сплошного р+-контакта на обратной стороне подложки на островковые р+-контакты [36]. По результатам исследований экспериментальных образцов СЭ показано, что применение предложенных конструктивно-технологических решений обеспечивает достижение КПД преобразования солнечной энергии в кремниевых СЭ до значений более 20%.

    © Ренат З. Хафизов, 2017

    ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
    [1] S.M. Johnson and E.P.G. Smith, Next Generation EO/IR Detectors, Raytheon Technology Today 2014, Issue 1, pp. 22-23.
    [2] http://www.flir.ru
    [3] https://www.ulis-ir.com
    [4] http://www.dali-technology.ru
    [5] https://suncti.ru
    [6] http://blockcamera.ru
    [7] http://www.cyclone-jsc.ru/
    [8] Yang Zhao, et al., Optomechanical Uncooled Infrared Imaging System: Design, Microfabrication, and Performance // Journal of Microelectromechanical Systems. 2002. Vol. 11. № 2. рр. 136-146.
    [9] Yi Ou, Z. Li, F. Dong, D. Chen, Q. Zhang, and C. Xie, Design, Fabrication, and Characterization of a 240x240 MEMS Uncooled Infrared Focal Plane Array With 42-µm Pitch Pixels, Journal of Microelectromechanical Systems, 2013, vol. 22, no. 2, pp. 452-461.
    [10]M. F.Toy, O. Ferhanoglu, H. Torun, H. Urey, Uncooled infrared thermo-mechanical detector array: Design, fabricationand testing // Sensors and Actuators. 2009. Vol. A 156. pp. 88–94.
    [11] S. R. Hunter, G. S. Maurer, G.Simelgor, S.Radhakrishnan, J. Gray, High sensitivity 25µm and 50µm pitch microcantilever IR imaging arrays, SPIE Conference Proceedings Infrared Technology and Applications XXXIII, 2007, vol. 6542.
    [12] X. Yu et al., Design and Fabrication of a High Sensitivity Focal Plane Array for Uncooled IR Imaging, Journal of Micromechanics and Microengineering, 2008, vol.18, pp.1-8.
    [13] Беспалов В.А., Золотарев В.И., Рудаков Г.А., Рыгалин Д.Б., Федирко В.А., Фетисов Е.А., Хафизов Р.З. Термочувствительный полевой прибор // Патент № 2399064. Опубликовано: 10.09.2010 г. Россия.
    [14] Фетисов Е.А., Федирко В.А., Хафизов Р.З., Золотарёв В.И., Зенюк Д.А., Рудаков Г.А. Наноэлектромеханические термочувствительные элементы / Сборник трудов IV всероссийской научно-технической конференции «Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем» – 2010 / М., ИППМ РАН. С. 638-641.
    [15] Хафизов Р.З., Фетисов Е.А., Лапшин Р.В., Кириленко Е.П., Анастасьевская В.Н., Колпаков И.В. Термомеханическая чувствительность неохлаждаемого биматериального приёмника ИК-диапазона, построенного по технологии микрооптомеханических систем //Успехи прикладной физики – 2013. Т. 1. № 4. С. 520–523.
    [16] Рыгалин Д.Б., Фетисов Е.А., Хафизов Р.З., Золотарев В.И., Решетников И.А., Рудаков Г.А., Лапшин Р.В., Кириленко Е.П. Перспективные интегральные матричные приемники теплового излучения с оптическим считыванием // Известия высших учебных заведений. Электроника – 2013. № 3(101). Москва. С. 60–63.
    [17] Фетисов Е.А., Хафизов Р.З., Белин А.М., Рудаков Г.А., Золотарев В.И., Федирко В.А., Рыгалин Д.Б. Инфракрасные фоточувствительные элементы на основе МЭМС / Сборник трудов V всероссийской научно-технической конференции «Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных – 2012 / М., ИППМ РАН. С. 658- 661.
    [18] И.А. Решетников, Д.Б. Рыгалин, Е.А. Фетисов, Р.З. Хафизов, Тепловые сенсоры на основе биморфных МЭМС для дистанционного контроля температурного распределения / Сборник Атомный проект, Вып.16, Москва, Россия, 2013. С. 43-44.
    [19 Беспалов В.А., Золотарев В.И., Рудаков Г.А., Рыгалин Д.Б., Федирко В.А., Фетисов Е.А., Хафизов Р.З., Шепелев С.О. Адаптивный датчик на основе чувствительного полевого прибора // Патент № 2511203. Опубликовано: 10.04.2014 г., Россия.
    [20] Rygalin D.B., Fetisov E.A., Khafizov R.Z., Zolotarev V.I., Reshetnikov I.A., Kirilenko E.P., Rudakov G.A., Lapshin R.V., Promising integral matrix detectors of thermal radiation with optical reading, Russian Microelectronics, 2014, Vol. 43, No. 7, pp. 516-518. DOI: 10.1134/S1063739714070142.
    [21] Белин А.М., Белин М.А., Федирко В.А., Фетисов Е.А., Р.З. Хафизов, Принципы проектирования и моделирование микротермомеханических приёмников ИК-изображения с оптическим считыванием / Сборник трудов VI Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем – 2014», / Часть II. – М.: ИППМ РАН 2014, С. 189-192.
    [22] Р.В. Лапшин, Р.З. Хафизов, Е.А. Фетисов, Математическая обработка выходного оптического изображения матрицы неохлаждаемых биматериальных приемников ИК-изображения методом особенность-ориентированного сканирования, Приборы и техника эксперимента, 2015, № 5. С. 52–58.
    [23] R. V. Lapshin, R. Z. Khafizov, E. A. Fetisov, Computer Processing of the Output Optical Image of a Focal Plane Array of Uncooled Bimaterial IR-detectors by Method of Feature-oriented Scanning, Instruments and Experimental Techniques, 2015, Vol. 58, No. 5, pp. 631–636.
    [24] Forg, F. Herrmann, J. Schieferdecker, W. Leneke, M. Schulze, M. Simon, K. Storck, Thermopile Sensor Array with Improved Spatial Resolution, Sensitivity and Image Quality // Sensor+Test Conferences 2011- IRS2 Proceedings, Nurnberg, pp. 42–44.
    [25] M. Schnorr, B. Forg, F. Herrmann, W. Leneke, J. Schieferdecker, M. Schulze, M.Simon , K. Storck, L. Buydens, New Developments for Thermopile Array Sensors in Packages as small as TO39 // AMA Conferences 2013 – SENSOR 2013, OPTO 2013, IRS2 2013, pp. 28-31.
    [26] M. Schnorr, B. Forg, F. Herrmann, W. Leneke, M. Simon, J. Schieferdecker, New miniaturized Thermopile IR Arrays with medium resolution // AMA Conferences 2015 – SENSOR 2015 and IRS2 2015, Nurnberg, Proceedings, pp. 957–960.
    [27] R. Funk, J. Schieferdecker, M. Simon, B. Forg, M. Schnorr, F. Herrmann, C. Schmidt, Thermopile Infrared Arrays with ultra wide field of view for person detection and building automation // AMA Conferences 2017 – SENSOR 2017 and IRS2 2017, Nurnberg, Proceedings, pp. 797–799.
    [28] www.heimannsensor.com
    [29] www.azimp.ru
    [30] https://rosrid.ru/ikrbs/3L8Hm00K3Bti15JGSI2cLb00
    [31] https://4science.ru/project/14-578-21-0009
    [32] Сысоева С., Датчики магнитного поля. Новые применения и технологии измерения движения и тока, Компоненты и технологии, 2011, №3, С. 18–30.
    [33] Б.И. Фукс, Повышение эффективности кремниевых солнечных элементов, Физика и техника полупроводников, 2014, том 48, вып. 12, С. 1704–1712.
    [34] B. I. Fuks, Improvement of the Efficiency of Silicon Solar Cells, Semiconductors, 2014, Vol. 48, No. 12, pp. 1664–1673.
    [35] R. Khafizov, A. Timofeev, Numerical Simulations of Optical Transmission for Pyramidally Textured Silicon Surface with Antireflection Dielectric Coating, International Journal of Applied Engineering Research ISSN 0973-4562 Volume 10, No 24 (2015), pp. 44035-44038.
    [36] Р.З. Хафизов, Б.И. Фукс, Г.А. Рудаков, В.М. Глазов, Высокоэффективный солнечный элемент на основе микроструктурированного монокристаллического кремния, Свидетельство о государственной регистрации топологии интегральной микросхемы №2015630140, дата регистрации 11.12.2015.