Миниатюрный транзистор повысил чувствительность тепловизоров в 15 раз

Учёные нашли способ заметно подтянуть точность массовых тепловизоров, не меняя их базовые материалы. Команда под руководством профессора Фэнняня Ся просто добавила в схему миниатюрный двухконтактный NPN-транзистор — и температурная чувствительность микроболометров выросла примерно с 10% до 150% на кельвин. Если эту схему доведут до серии, в выигрыше окажутся и приборы ночного видения, и робототехника, и автомобильные системы помощи водителю, и промышленная диагностика.

Работу опубликовали в Nature Sensors. Исследователи не стали искать новый экзотический материал для сенсора, а пошли более прямым путём: встроили транзистор в уже привычную конструкцию микроболометра. Такой датчик ловит инфракрасное излучение не напрямую, а через нагрев чувствительного элемента и изменение его электрического сопротивления.

У недорогих тепловизоров слабое место давно известно. Самые точные инфракрасные камеры работают на охлаждаемых фотонных детекторах, но это дорогая и капризная история. Поэтому в автомобилях, переносных камерах, системах наблюдения и пожарных датчиках обычно ставят микроболометры на основе оксида ванадия или аморфного кремния. Они дешевле, только слабые перепады температуры видят хуже.

Авторы работы решили усилить температурный коэффициент сопротивления, или TCR. Чем он выше, тем заметнее меняется сопротивление материала при нагреве и тем проще электронике заметить мелкие температурные детали в кадре. По словам ведущего автора исследования Цзячжэня Чэня, транзистор создаёт обратную связь между носителями заряда и за счёт этого усиливает зависимость. Причём чувствительность можно не просто поднять, а ещё и подстроить под конкретную задачу.

Цифры тут выглядят почти слишком хорошо для лабораторного эксперимента: рост с 10% до 150% на кельвин — это увеличение в 15 раз. Для отрасли это важная штука, потому что производители тепловизоров годами выжимают больше из тех же материалов, не ломая всю производственную цепочку. Компании вроде FLIR, Hikmicro и ULIS в последние годы в основном улучшали разрешение, алгоритмы обработки и размер пикселя. Такого скачка TCR за счёт одной схемотехнической доработки они не показывали.

У технологии есть и вполне прикладной смысл. По данным отраслевых аналитиков, мировой рынок инфракрасных и тепловизионных систем уже измеряется миллиардами долларов, а главный драйвер роста сейчас — не армейские заказы, а гражданские сценарии: ADAS, дроны, предиктивное обслуживание оборудования и компактные камеры для мобильных устройств. Если новую архитектуру удастся перенести на кремниевую платформу, как планируют авторы, её будет проще встроить в существующие линии выпуска микросхем.

Дальше всё будет куда прозаичнее, чем звучат заголовки про «революцию»: команде нужно собрать полноценные устройства и показать, как схема ведёт себя вне лабораторного образца, в том числе в среднем инфракрасном диапазоне. Вот там и станет ясно, сохранится ли выигрыш в чувствительности при массовом производстве, где цена, энергопотребление и стабильность важны не меньше красивых процентов.