Mikrobolometer

Et mikrobolometer er en termisk sensor, der bruges til at detektere elektromagnetisk stråling. Foruden påvisning af millimeterbølger, UV og røntgen stråling , er det hovedsagelig anvendes til påvisning af medium og langbølget infrarød stråling . Som et todimensionalt infrarødt fokalplan-array (IRFPA) repræsenterer de billedsensoren på termiske billedkameraer .

Mikrobolometre anvendes hovedsageligt som detektorer i bølgelængdeområder over ca. 3 µm. I dette område er ukølede fotodioder teknisk vanskelige at implementere på grund af den termiske excitation. Mikrobolometre kan arbejde ved stuetemperatur - dvs. uden kompleks afkøling - men kræver temperaturstabilisering.

Microbolometer-arrays bruges blandt andet. inden for termografi , astronomi, overvågning, bilindustri, militær og for nylig også smartphones.

Struktur og funktionalitet

Grundlæggende struktur for et mikrobolometer

Et mikrobolometer består af en membran, der er sammensat af en sensor og et absorberende lag, der er ophængt af to elektroder over et substrat i et vakuum og således er termisk isoleret. På grund af absorptionen af ​​den indfaldende infrarøde stråling opvarmes den termisk isolerede membran, hvilket resulterer i en ændring i sensorlagets elektriske modstand . Den resulterende ændring i målesignalet detekteres ved hjælp af et udlæsningskredsløb. En reflektor er normalt placeret under membranen, hvilket resulterer i, at strålingen, som delvist transmitteres, reflekteres tilbage og derefter absorberes af absorberingslaget. Afstanden mellem membran og reflektor følger λ / 4-tilstanden.

Sensormateriale

Sensorlaget er et kerneelement i mikrobolometeret og har en afgørende indflydelse på mikrobolometerets egenskaber og ydeevne. Der er flere materialer, der bruges til sensorlaget i mikrobolometre. Sensorlaget og dets materialegenskaber såsom. B. TCR , 1 / f støj og modstand, mikrobolometerets respons bestemmes. Responsivitet beskriver evnen til at konvertere den indkommende stråling til et elektrisk signal og dermed mikrobolometerets kvalitet.

De mest anvendte sensormaterialer i mikrobolometre er amorft silicium og vanadiumoxid . Mindre almindelige materialer er Ti, YBaCuO, GeSiO, Poly-SiGe eller BiLaSrMnO. Vanadiumoxid er det originale materialesystem til mikrobolometre. Det er med almindelige CMOS - fremstillingsprocesser kompatible. Der er flere faser af VOx. VO2 har lav modstand, men gennemgår en metalisolator faseændring ved 67 ° C og har en relativt lav TCR. V2O5 har derimod en høj modstand og en høj TCR. I øjeblikket synes x ≈1.8 at være den mest populære fase til mikrobolometerapplikationer. Amorft silicium (a-Si) er en nyere teknologi end VOx. Den kan integreres meget godt i CMOS-fremstillingsprocessen, er meget stabil, har en hurtig tidskonstant og en lang gennemsnitstid før fiasko. For at skabe lagstrukturen og struktureringen kræves der imidlertid temperaturer på op til 400 ° C.

Pixel-tonehøjde

I øjeblikket er IRFPA'er med en pixelstørrelse (mikrobolometer) på 17 µm avanceret i den kommercielle sektor. For at følge trenden med IRFPA'er og kameraer med høj opløsning består den nye generation af IRFPA'er af pixels med en størrelse på 12 µm. For at realisere de stadig mindre strukturer stilles der stadig højere krav til mikrostrukturen, z. B. På Fraunhofer Institute for mikroelektroniske kredsløb og systemer anvendes 12 µm bolometre og andre. realiseret via nanorørmetalkontakter.

Oprindelse og liste over producenter

Mikrobolometerteknologi blev oprindeligt udviklet af Honeywell til det amerikanske forsvarsministerium begyndende i slutningen af ​​1970'erne. Den amerikanske regering frigav teknologien i 1992. Efter aktivering licenserede Honeywell sin teknologi til flere producenter. Mikrobolometre er underlagt eksportkontrol. Følgende virksomheder er involveret i udvikling, produktion og salg af mikrobolometerarrays:

Termisk billedkamera med en række 320 × 200 mikrobolometre

Individuelle beviser

  1. ↑ K.-M. Muckensturm, D. Weiler, F. Hochschulz, C. Busch, T. Geruschke: Måleresultater af et mikrobometerarray på 12 μm pixelstørrelse baseret på en ny termisk isolerende struktur ved anvendelse af et 17 μm ROIC . I: Infrarød teknologi og applikationer XLII . bånd 9819 . International Society for Optics and Photonics, 20. maj 2016, s. 98191N , doi : 10.1117 / 12.2223608 ( spiedigitallibrary.org [adgang til 25. maj 2018]).