Ученые представили инновационный метод повышения чувствительности стандартных тепловизоров, задействовав для этого миниатюрный транзистор. Новая технология позволяет увеличить температурный коэффициент сопротивления (TCR) сенсоров с 10% до 150% на кельвин, что открывает широкие возможности для улучшения характеристик устройств ночного видения, систем автономной навигации и робототехники.
Исследование, результаты которого опубликованы в журнале Nature Sensors, было проведено группой специалистов под руководством профессора Фэнняня Ся (Fengnian Xia). В своей работе ученые использовали двухконтактный NPN-транзистор, выступающий в роли усилителя сигналов, для оптимизации уже существующих тепловых сенсоров.
На сегодняшний день тепловизоры базируются на двух основных технологиях:
- Фотонные детекторы: обладают высокой точностью и напрямую регистрируют частицы инфракрасного излучения. Однако их массовое использование ограничено из-за необходимости применения систем глубокого охлаждения и высокой стоимости производства. В основном такие решения встречаются в военной и узкоспециализированной технике.
- Микроболометры: преобразуют тепловое воздействие ИК-излучения в электрический сигнал. Это доступные устройства, применяемые в пожарных системах и бытовых тепловизорах, но их чувствительность традиционно ниже из-за физических ограничений материалов, таких как аморфный кремний и оксид ванадия.
Изображение сгенерировано: Nano Banana
Главным «узким местом» микроболометров является низкий температурный коэффициент сопротивления (TCR). Этот показатель определяет степень изменения электрического сопротивления материала при колебаниях температуры: чем он выше, тем эффективнее датчик фиксирует минимальные тепловые изменения. Ведущий автор исследования Цзячжэнь Чэнь (Jiazhen Chen) пояснил, что вместо поиска принципиально новых материалов команда решила модифицировать конструкцию сенсора.
Добавленный транзистор создает обратную связь между носителями заряда, тем самым усиливая зависимость сопротивления от температуры и позволяя «программировать» чувствительность датчика. В результате интеграции компонента TCR удалось поднять до 150% на кельвин, что позволяет приборам распознавать тепловое излучение с гораздо более высокой точностью, не прибегая к дорогостоящему охлаждению.
В ближайших планах разработчиков — создание прототипов полноценных устройств на базе данной технологии, предназначенных для работы в среднем инфракрасном диапазоне. В долгосрочной перспективе ученые намерены адаптировать эту разработку под кремниевую платформу, что обеспечит легкую интеграцию в современное производство микросхем.
