Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme
Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme

Pyrosensoren

Wärmebildsensoren und thermische Infrarotsensoren

CMOS-kompatible Pyrosensoren und Thermopile-Sensoren für industrielle, medizinische und sicherheitsrelevante Anwendungen

Die berührungslose Erfassung thermischer Strahlung ist eine Schlüsseltechnologie für zahlreiche industrielle, medizinische und wissenschaftliche Anwendungen. Thermische Infrarotsensoren ermöglichen die präzise Messung von Oberflächentemperaturen sowie die Detektion kleinster Temperaturunterschiede, ohne das Messobjekt zu berühren. Dadurch eignen sie sich unter anderem für die

  • Wärmebildgebung und Thermografie
  • Industrielle Prozessüberwachung
  • Gasanalyse und Umweltüberwachung
  • Sicherheitanwendungen
  • Mobilitätsanwendungen
  • Medizintechnik / Ambient Assisted Living
  • Smart Building und Internet of Things

Im Gegensatz zu gekühlten Infrarotdetektoren arbeiten thermische Infrarotsensoren bei Umgebungstemperatur und ermöglichen dadurch kompakte, energieeffiziente und kostengünstige Sensorsysteme. Fortschritte in der Mikro- und Nanotechnologie eröffnen heute neue Möglichkeiten, die Leistungsfähigkeit ungekühlter Sensoren deutlich zu steigern und gleichzeitig ihre Herstellungskosten zu reduzieren.

Das Fraunhofer IPMS entwickelt CMOS-kompatible Technologien für ungekühlte thermische Infrarotsensoren. Im Fokus stehen pyroelektrische Sensoren auf Basis ferroelektrischer Hafniumoxid-Dünnschichten. Darüber hinaus entwickelt das Fraunhofer IPMS MEMS-Technologien für thermische Infrarotsensoren, insbesondere post-CMOS-Fertigungsprozesse für thermisch isolierte Strukturen, wie sie beispielsweise für Thermopile-Sensoren benötigt werden. Durch die Kombination aus MEMS-Technologie, CMOS-Kompatibilität und langjähriger Erfahrung in der Sensorentwicklung begleitet das Fraunhofer IPMS Unternehmen von der Materialentwicklung über das Sensordesign bis hin zu anwendungsspezifischen Demonstratoren und Pilotfertigungen.

Thermopile-Sensoren

Thermopile-Sensoren werden aus mehreren in Reihe geschalteten Thermoelementen gebildet. Trifft Infrarotstrahlung auf den Absorber des Sensors, entsteht zwischen der absorbierenden Membran und dem Substrat eine Temperaturdifferenz. Diese wird durch den Seebeck-Effekt direkt in eine elektrische Spannung umgewandelt, die proportional zur eingestrahlten Wärmeleistung ist. Im Gegensatz zu pyroelektrischen Sensoren erfassen sie auch zeitlich konstante Infrarotstrahlung (DC-fähig) und können nach Kompensation mit der eigenen Referenztemperatur ein Maß für die Objekttemperatur liefern.

Durch die Anordnung vieler Sensorelemente in einem Array lassen sich Temperaturverteilungen zweidimensional erfassen. Solche Thermopile-Arrays bilden die Grundlage kompakter, ungekühlter Wärmebildsensoren für industrielle, medizinische und sicherheitsrelevante Anwendungen.

Forschungsschwerpunkte am Fraunhofer IPMS

  • post-CMOS-Fertigungsprozesse für thermisch isolierte Strukturen, wie sie für Thermopile-Sensoren benötigt werden. Ziel ist es, die Leistungsfähigkeit sowie die Empfindlichkeit ungekühlter Wärmebildsensoren weiter zu steigern
  • Nutzung neuartiger thermoelektrische Materialien wie Bismuttellurid und Antimontellurid für CMOS-kompatible MEMS-Prozesse. In Kombination mit vakuumisolierten Sensorstrukturen und einer optimierten thermischen Isolation entstehen kompakte Sensorarrays mit hoher Temperaturauflösung für zukünftige Wärmebildsysteme.

 

Vorteile von Thermopile-Sensoren

  • berührungslose Messung absoluter Temperaturen
  • keine Modulation der Infrarotstrahlung erforderlich
  • ungekühlter Betrieb
  • CMOS-kompatible MEMS-Fertigung
  • kompakte Thermopile-Arrays für Wärmebildsensoren
  • hohe Integrationsfähigkeit für intelligente Sensorsysteme durch kompakte MEMS-Bauweise
  • Potenzial für Temperaturauflösungen unter 20 mK durch neuartige thermoelektrische Materialien

 

Typische Anwendungen

  • berührungslose Temperaturmessung,
  • industrielle Prozessüberwachung,
  • Gebäudeautomation,
  • Smart-Home-Systeme,
  • Medizintechnik
  • thermische Bildgebung

Pyroelektrische Sensoren

Pyroelektrische Sensoren besitzen vielfältige Anwendungen in den Bereichen Gasanalyse, Flammsensorik, Prozesstechnologie und Infrarot-Detektion. Viele bisher verwendete pyroelektrische Materialien sind nicht mit modernen Herstellungsverfahren kompatibel oder gar giftig. Am Fraunhofer IPMS wird an Sensoren auf Basis von Hafniumoxid geforscht, welche viele Vorteile gegenüber herkömmlichen Materialien aufweisen. Insbesondere die Vereinbarkeit mit Halbleiter-Herstellungsverfahren (CMOS-Kompatibilität) sowie Umweltverträglichkeit (RoHS-Kompatibilität) machen das Material interessant für zukünftige, integrierte Sensoranwendungen. Gegenüber Halbleiterdetektoren weisen pyroelektrische Sensoren eine breite spektrale Empfindlichkeit auf, ohne die Notwendigkeit einer aktiven Kühlung.

Hafniumoxid besitzt eine lange Geschichte in der Halbleitertechnologie. Die Pyroelektrischen Eigenschaften des Materials wurden erst in den letzten Jahren erforscht, und eröffnen neue Möglichkeiten für die Fertigung hochintegrierter und miniaturisierter Sensorbauelemente. Pyroelektrische Dünnschichten auf Basis von Hafniumoxid zeigen vielversprechende Eigenschaften für eine Vielzahl von Anwendungen. Neben Sensor-Applikationen sind auch die Rückgewinnung von Verlustwärme (sog. „Energy Harvesting“) sowie elektrokalorisches Kühlen Gegenstand aktiver Forschung am Fraunhofer IPMS.

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