História dos detectores de infravermelho

Em geral, os detectores de infravermelho são usados para detectar, gerar imagens e medir os padrões de radiação térmica que todos os objetos emitem. O desenvolvimento de termopares e bolômetros começou no século XIX. Esses primeiros dispositivos consistiam de elementos detectores individuais que dependiam de uma mudança na temperatura do detector. A tecnologia evoluiu, mas o princípio do bolômetro e do termopar são usados até hoje.

Os detectores térmicos são geralmente sensíveis a todos os comprimentos de onda do infravermelho e operam à temperatura ambiente. Sob essas condições, eles têm relativamente baixa sensibilidade e resposta lenta.

First generation detector arrays

Detectores de fótons foram desenvolvidos para melhorar a sensibilidade e o tempo de resposta. Esses detectores têm sido amplamente desenvolvidos desde os anos 1940. O sulfeto de chumbo (PbS) foi o primeiro detector de IR prático. Ele é sensível aos comprimentos de onda de infravermelho de até ~3 µm.

No final dos anos1940 e início dos anos 1950, uma grande variedade de novos materiais foi desenvolvida para a detecção de IR. O seleneto de chumbo (PbSe), o telureto de chumbo (PbTe) e o antimoneto de índio (InSb) estenderam a faixa espectral para além do PbS, promovendo a detecção na janela atmosférica de comprimento de onda médio (MWIR) de 3 a 5 µm.

O final dos anos 1950 assistiu à primeira introdução das ligas semicondutoras em sistemas de materiais dos grupos III–V, IV–VI e II–VI da tabela periódica de elementos químicos. Essas ligas permitiram que a banda proibida dos semicondutores, e consequentemente sua resposta espectral, fosse adaptada para aplicações específicas. O MCT (HgCdTe), um material do grupo II–VI, tornou-se hoje o mais usado entre os materiais de banda proibida ajustável.

Quando a fotolitografia se tornou disponível no início dos anos 1960, ela foi aplicada para fazer matrizes de sensores de IR. A tecnologia de matriz linear foi demonstrada pela primeira vez em detectores de PbS, PbSe e InSb. O desenvolvimento de detectores fotovoltaicos (PV) iniciou-se com a disponibilidade do material de cristal único de InSb.

No final dos anos 60 e início dos anos 70, foram desenvolvidas as matrizes lineares de detectores fotocondutores de MCT intrínsecos de "primeira geração". Isso permitiu que sistemas de radiômetros FLIR na banda LWIR operassem a 80 K com um mecanismo de criogenia de fase única, tornando-os muito mais compactos e leves e reduzindo significativamente o consumo de energia.

Os anos 1970 testemunharam uma proliferação de aplicações de IR combinadas com o início da produção em larga escala de sistemas de sensores de primeira geração usando matrizes lineares

Ao mesmo tempo, outros desenvolvimentos significativos da tecnologia de detectores estavam ocorrendo. A tecnologia do silício gerou novos dispositivos detectores de siliceto de platina (PtSi) que se tornaram produtos comerciais padrão para uma série de aplicações de alta resolução na banda MWIR.

Second generation detector arrays

A invenção dos dispositivos de carga acoplada (CCDs) no final dos anos 1960 possibilitou vislumbrar as matrizes de detectores de "segunda geração", juntamente com leituras eletrônicas de sinais analógicos em plano focal, o que poderia multiplexar o sinal de uma série muito grande de detectores. A avaliação inicial deste conceito demonstrou que os detectores fotovoltaicos, como InSb, PtSi e MCT, ou fotocondutores de alta impedância, como PbSe, PbS e silicone extrínseco, eram candidatos promissores, pois tinham impedâncias adequadas para fazer interface com a entrada FET de multiplexadores de leitura. O PC MCT não era adequado devido a sua baixa impedância. Por isso, no final dos anos 1970 e ao longo dos anos 1980, as iniciativas na tecnologia de MCT se concentraram quase que exclusivamente no desenvolvimento de dispositivos PV, devido à necessidade de baixa potência e alta impedância para fazer interface com circuitos de entrada de leitura em grandes matrizes. Esses esforços foram recompensados na década de 1990 com o surgimento da segunda geração de detectores de IR com grandes matrizes 2D nos dois formatos lineares. Esses detectores usam TDI para sistemas de varredura; para sistemas de visão, são apresentados nos formatos quadrado e retangular.

Detectores de silício extrínseco monolítico foram demonstrados pela primeira vez em meados dos anos 1970. A abordagem do silício extrínseco monolítico foi posteriormente abandonada porque o processo de fabricação de circuitos integrados degradava a qualidade detector. Detectores de PtSi monolítico, no entanto, em que o detector pode ser formado depois que a leitura é processada, estão agora amplamente disponíveis.