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Principios de funcionamiento y tipos de matrices de plano focal de infrarrojos

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FPAs IR refrigerados vs. no refrigerados: Principales diferencias, materiales y comparación de prestaciones

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1.Principio básico de funcionamiento

Un conjunto de plano focal infrarrojo (IR FPA) integra la conversión fotoeléctrica y el procesamiento de lectura de señales. Se compone de elementos sensores de infrarrojos dispuestos en un patrón específico y una unidad de procesamiento de señales. El sistema óptico enfoca la luz infrarroja incidente sobre los elementos sensores. Los elementos sensores convierten la energía de la radiación infrarroja recibida en señales eléctricas mediante conversión fotoeléctrica. La unidad de procesamiento de señales se encarga de integrar, amplificar, muestrear y retener estas señales eléctricas. Por último, estas señales se envían al sistema de vigilancia a través de un búfer de salida y un sistema de multiplexación, lo que permite visualizar una imagen infrarroja correspondiente a la escena real.

2.Tipos de matrices de plano focal de infrarrojos
Los conjuntos de plano focal de infrarrojos (IR FPA) pueden clasificarse como refrigerados o no refrigerados en función de sus requisitos de refrigeración.

- Arrays de plano focal de infrarrojos refrigerados
Los conjuntos de plano focal infrarrojos refrigerados se basan en la tecnología de refrigeración criogénica y en los principios de detección de fotones. Requieren un dispositivo de refrigeración para mantener un entorno de baja temperatura y lograr un alto rendimiento. Los FPA infrarrojos refrigerados ofrecen una alta sensibilidad y un gran alcance de detección, por lo que destacan especialmente en aplicaciones como la búsqueda y seguimiento de objetivos, la teledetección por satélite y la investigación científica de alto nivel. Sin embargo, debido a las limitaciones de los equipos y materiales de refrigeración, los FPA IR refrigerados tienen unos costes y un consumo de energía más elevados.

Materiales del núcleo
Los FPA IR refrigerados se fabrican principalmente con dos tipos de materiales: Telururo de mercurio y cadmio (HgCdTe) y antimonuro de indio (InSb). De ellos, el HgCdTe se ha convertido en el material dominante para los detectores infrarrojos de alto rendimiento debido a su amplia respuesta espectral, su excelente capacidad de integración y su idoneidad para la teledetección espacial. El InSb, que a menudo emplea la tecnología de interconexión flip-chip, es especialmente adecuado para detectar la radiación infrarroja de 3-5 μm debido a su mayor movilidad de portadora, lo que le confiere un rendimiento excepcional en tareas dinámicas de búsqueda y seguimiento de objetivos.

-Matrices de plano focal infrarrojo no refrigerado
Los conjuntos de plano focal infrarrojos no refrigerados (IR FPA) constan de detectores piroeléctricos o microbolómetros junto con los circuitos y sistemas correspondientes. No necesitan dispositivo de refrigeración y pueden funcionar a temperatura ambiente. En comparación con los conjuntos de plano focal infrarrojo refrigerados, los tipos no refrigerados ofrecen claras ventajas en términos de tamaño, coste y vida útil, lo que los hace especialmente adecuados para aplicaciones civiles en las que la portabilidad y la rentabilidad son fundamentales, como la inspección industrial, la vigilancia de la seguridad, la conducción asistida y la electrónica de consumo.

Materiales básicos
En la actualidad, el desarrollo de matrices de plano focal infrarrojas no refrigeradas se centra principalmente en la banda infrarroja de onda larga (LWIR) de 8-14 μm. Su rendimiento depende en gran medida de la selección del material de detección térmica. Entre los materiales utilizados, el óxido de vanadio (VOx) es ampliamente reconocido por su excelente sensibilidad y precisión en la medición de la temperatura. El silicio amorfo (α-Si), debido a la madurez de su proceso de fabricación y a su idoneidad para la producción a gran escala, también ocupa una posición importante en el mercado.

3.Planos focales infrarrojos refrigerados y no refrigerados
Los conjuntos de plano focal infrarrojos (IR FPA) refrigerados y no refrigerados difieren en el diseño estructural, los materiales clave y los procesos de fabricación, lo que conlleva diferencias en sus aplicaciones adecuadas. Las principales diferencias radican en varios aspectos:

(1) Sensibilidad: Los FPA IR refrigerados deben funcionar en un entorno de baja temperatura para suprimir el ruido y la corriente oscura causados por la excitación térmica, consiguiendo así una mayor sensibilidad de detección y calidad de imagen. Por el contrario, los FPA IR no refrigerados funcionan a temperatura ambiente y, aunque no requieren un sistema de refrigeración, suelen ser menos sensibles y fiables.

(2) Precio: Los FPA IR refrigerados son más caros debido a su dependencia de sistemas de refrigeración criogénicos y a los complejos procesos de fabricación de sus materiales básicos. En comparación, los FPA IR no refrigerados no requieren componentes de refrigeración, tienen menores costes de fabricación y, por tanto, son más rentables.

(3) Vida útil: La vida útil de los FPA IR refrigerados suele estar limitada por la fiabilidad del mecanismo de refrigeración, lo que se traduce en una vida operativa relativamente más corta. Los FPA IR no refrigerados, al tener una estructura más simple y carecer de unidades mecánicas de refrigeración, suelen tener una vida útil más larga. Sin embargo, su sensibilidad puede disminuir a medida que envejecen los componentes.

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