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Sensores para Detección de Radiación IR

Responsable

DR. GONZALO PÁEZ PADILLA

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Sensores para Detección de Radiación IR

Introducción

En los últimos 20 años la tecnología de infrarrojo (IR) ha llegado a ser una herramienta muy importante en investigaciones y aplicaciones civiles

Esto ha sido gracias a los avances en la tecnología de semiconductores, misma que proporciona sensores con mejor relación señal a ruido.

Agricultura

Sensado remoto

Meteorología

Astronomía

Exploración de recursos

Mapas espectrales

Búsqueda y rescate

Medicina, entre otros

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Siglo 18. La luz visible y radiofrecuencias se incluyen dentro del espectro electromagnético.

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Breve historia del IR

Siglo 19. IR permite la identificación de cantidades minúsculas de material.

Siglo 20. Aplicaciones militares como la visión nocturna y las firmas de gases

1800. Sir Herschel deja el termómetro de mercurio expuesto al lado rojo del espectro solar, y observa el incremento de temperatura. Descubre que existe la radiación al otro lado del rojo (infra-), la cual el ojo humano no detecta.

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c1965. Descubrimiento del transistor y múltiples usos de semiconductores

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Breve historia del IR

C1975. Cámaras IR con un píxel, y rastreo de la escena

Actualmente: Inicio de termografía para caracterización de materiales, procesos, agujeros negros, detección de planetas extrasolares…

c1970. El mapeo del cielo nocturno en IR con satélite COBE

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Determinación de distribución de temperatura con resolución micrométrica

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Grupo de IR del CIO

En el Centro de Investigaciones en Óptica, hemos trabajado ampliamente en temas sobre investigación y tecnología de infrarrojo.

En los últimos años, en el Grupo de IR, hemos desarrollado técnicas para:

Termometría tomográfica de gases en combustión

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Grupo de IR del CIO

Oximetría y tomografía en infrarrojo

Calibración incremental de temperatura

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Grupo de IR del CIO

Modelos para ablación láser en infrarrojo en tejido dental

Detección de fotones balísticos en infrarrojo

Instrumentos para detección de planetas extrasolares

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Radiación IR

IR posee mucha más información que VIS

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Problemática

• En el país no existe la infraestructura para desarrollar sensores IR en las bandas MWIR y LWIR

• La tecnología es de acceso restringido debido a sus aplicaciones militares.

• En consecuencia, viene enorme dependencia tecnológica en este rubro.

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Objetivos

Objetivo GeneralCrear la capacidad para realizar investigación y tecnología de detección de infrarrojo, con orientación a Sensado Remoto y con capacidades para respuesta y procesamiento en tiempo real. Incidir en el desarrollo tecnológico del país, impulsando el uso de esta tecnología.

Contraste térmico

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La investigación para la detección de radiación IR, formando recursos humanos de alto desempeño para cubrir la carencia del país de capital humano especializado en esta área.

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Medios para Alcanzar el Objetivo

La adquisición de la capacidad para producir materiales para fabricar óptica IR.

El desarrollo de la tecnología propia para detectores IR con orientación a sensado remoto y con capacidades para respuesta y procesamiento en tiempo real.

La generación de la infraestructura para desarrollar materiales sensibles al IR.

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Medios para Alcanzar el Objetivo

Desarrollo de Sensores IR

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Medios para Alcanzar el Objetivo

Desarrollo de Materiales y Óptica IR

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Tipos: MCT

De los detectores más importantes en la actualidad, debido a que su sensibilidad espectral puede seleccionarse desde 0.8 hasta 30 micrómetros

Estos detectores alcanzan una responsividad del orden de 3 A/W, con tiempo de respuesta de microsegundos

Tecnología de alto costo y estricto control militar.

El MCT se crece actualmente con técnicas de crecimiento epitaxial, siendo la MBE (molecular beam epitaxy) una de las técnicas más extendidas

Mercury-Cadmium Telluride

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Tipos: QWIP

QWIP (Quantum Well Infrared Photodetectors) han incrementado rápidamente su popularidad debido a los avances en su fabricación.

Se basan en pozos cuánticos creados con heteroestructuras de semiconductores con brechas de energía muy anchas, generando estados de energía cuantizados dependientes del espesor físico de las capas.

Se controla la sensibilidad espectral simplemente eligiendo la “profundidad” del pozo cuántico en el diseño del detector.

GaAs/AlxGa1-xAs permiten detectar longitudes de onda más largas que las 12 micras.

Detectores de Pozo Cuántico

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Técnicas epitaxiales

crecimiento epitaxial en fase vapor (VPE)crecimiento epitaxial en fase líquida (LPE)crecimiento epitaxial por haces moleculares (MBE)crecimiento por química metalorgánica por deposición a vapor (MOCVD)

Son del dominio de una decena de países, y un tercio de los laboratorios están en Estados Unidos

Técnicas de crecimiento preciso de cristales

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Impacto en

Frontera del Conocimiento y Desarrollo Tecnológico

Reducción de la Dependencia Tecnológica del País

Dicha reducción es una estrategia central del CIO así como parte del Plan Nacional de Desarrollo.

La generación de tecnología propia para detectores IR con orientación a sensado remoto, vendrá acompañada de oportunidades para impactar positivamente a la sociedad y economía del país.

Contar con investigación de frontera nos permite obtener respuestas específicas a nuestras necesidades, sin tener que adaptarnos a tecnologías existentes.

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Impacto en

Frontera del Conocimiento y Desarrollo Tecnológico

Conocimiento y Desarrollo Tecnológico generado directamente por la Investigación y Desarrollo de Sensores

IR: Materiales fotosensibles; diseño, modelado y fabricación de

dispositivos semiconductores binarios y ternarios; fabricación de materiales para óptica IR; manufactura de óptica IR; sistemas para acondicionamiento y procesamiento de señal mixta en tiempo real.

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Impacto en

Frontera del Conocimiento y Desarrollo Tecnológico

Desarrollo Tecnológico y beneficios impulsados por el uso de tecnología de detección IR:

SECTOR PRODUCTIVO: Desarrollos en diseño para eficiencia y ahorro de energía; procesos de manufactura y pruebas no destructivas de producto; mantenimiento productivo; evaluación de perdidas estructurales de energía; etc.

SECTOR ENERGÉTICO: Diagnostico remoto en sistemas de distribución eléctrica; detección de fugas en ductos de líquidos y gases; predicción temprana de fallas.

SECTOR SALUD: Investigación y desarrollo de técnicas de diagnóstico no invasivas y de bajo riesgo para el paciente

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Infraestructura requerida

Para poder crecer los cristales semiconductores para la detección de IR es necesario crear infraestructura no disponible en el país.

•Instalaciones para diseño (incluyendo equipo de cómputo y software especializado).•Instalaciones para fabricación (cuarto limpio).•Equipo para la fabricación.•Equipo para inspección y pruebas.

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Infraestructura requerida

Equipo de fabricación:•Máquinas de crecimiento epitaxial molecular (MBE).•Evaporadoras para crecimiento de óptica IR.•Equipo de litografía de haz de electrones.•Equipo para tratamiento térmico, entre otros.

Equipo de pruebas:•Fuentes espectrales.•Cuerpo negro.•Monocromadores.•Radiómetros, etc.

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MetodologíaEl proyecto está estructurado considerando cuatro etapas: Diagnóstico, Diseño, Implementación y Desarrollo.

Las etapas de Diagnóstico y Diseño están estructuradas para asegurar que la infraestructura instalada sea vigente y actualizada, así como asegurar la compatibilidad con laboratorios de clase mundial.

Durante la etapa de Implementación se adquirirá la mayor parte de la infraestructura y equipo.

En la etapa de Desarrollo se darán los primeros pasos para impulsar tecnologías de sensores IR y se crearán prototipos con materiales bien establecidos.

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MEGAPROYECTO

Cronograma resumenEl proyecto está estructurado considerando cuatro etapas: Diagnóstico, Diseño, Implementación y Desarrollo.

Las etapas de diagnóstico y diseño están estructuradas para asegurar que la infraestructura instalada sea vigente y actualizada, así como asegurar la compatibilidad con laboratorios de clase mundial.

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Desglose Financiero

RUBROMONTO EN DÓLARES

GASTO CORRIENTE $

2.500.000,00 Honorarios, Viáticos, Becas, Estancias, Protección Intelectual

GASTO DE INVERSIÓN  

Equipo de Fabricación $

18.000.000,00

Infraestructura (Cuarto Limpio) $

2.000.000,00

Equipo de Prueba y Diagnóstico

$ 1.000.000,00

Licenciamiento de Software $

50.000,00

Mantenimiento $

3.000.000,00

TOTAL ESTIMADO $

26.550.000,00

Ejercicio Anual del Presupuesto

AÑOGASTO TOTAL EN DÓLARES

1 $ 1.325.000,00

2 $ 2.650.000,00

3 $ 10.600.000,00

4 $ 7.950.000,00

5 $ 3.975.000,00

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Gracias