Специалисты создали инновационную методику для улучшения восприимчивости широко применяемых тепловизионных камер. В основе разработки – крошечный транзистор, который способен увеличить температурный коэффициент сопротивления датчиков с приблизительно десяти процентов до ста пятидесяти процентов на градус Кельвина. Это может существенно улучшить характеристики приборов ночного видения, робототехнических комплексов и систем самостоятельной ориентации.

Исследование проводилось командой ученых под руководством профессора Фэнняня Ся (Fengnian Xia), а итоги их работы были обнародованы в журнале Nature Sensors. Для совершенствования существующих тепловых сенсоров исследователи применили двухконтактный NPN-транзистор – электронное устройство, предназначенное для усиления электрических сигналов.

Современные тепловизоры функционируют по двум основным принципам действия. Более высокоточные модели используют фотонные детекторы, которые непосредственно фиксируют световые частицы в инфракрасной области спектра; однако они нуждаются в охлаждении до экстремально низких температур и характеризуются высокой ценой. Именно поэтому такие приборы преимущественно находят применение в военной сфере и специализированных системах.

Более экономичный вариант – микроболометры, трансформирующие тепловое воздействие инфракрасного излучения в изменение электрического сигнала. Они используются в портативных тепловизорах, противопожарных установках и средствах наблюдения. Тем не менее, их чувствительность ниже по сравнению с охлаждаемыми фотонными детекторами из-за ограничений используемых материалов, таких как оксид ванадия или аморфный кремний.

Основная трудность при использовании данных материалов заключается в их невысоком температурном коэффициенте сопротивления (TCR). Этот параметр определяет степень изменения электрического сопротивления вещества под воздействием колебаний температуры. Высокий TCR облегчает обнаружение незначительных изменений нагрева сенсором.

Вместо разработки принципиально нового материала, исследователи внедрили транзистор в существующую схему. Как отметил ведущий автор исследования, Цзячжэнь Чэн, этот компонент обеспечивает обратную связь между носителями заряда – частицами, отвечающими за перенос электрического тока, что усиливает зависимость сопротивления от температуры и позволяет настраивать чувствительность сенсора.

Благодаря этой доработке температурный коэффициент сопротивления вырос приблизительно с 10% до 150% на кельвин. Это даёт возможность тепловым датчикам более эффективно регистрировать инфракрасное излучение от окружающих объектов, исключая необходимость в сложных системах охлаждения.

В дальнейшем коллектив разработчиков намерен создать прототипы устройств, основанных на данной технологии, включая сенсоры для регистрации среднего инфракрасного спектра. Кроме того, планируется адаптация разработки к кремниевой платформе, которая широко применяется при изготовлении современных микрочипов.