Sensorik und Sensorsysteme

Ungekühlte IR-Detektoren für den fernen Infrarotbereich mit einem Pixelpitch von 12 μm

8.5.2017

© Foto Fraunhofer IMS

Innovative 12 μm-Mikrobolometerstruktur.

Infrarot-Detektoren sorgen in unterschiedlichsten Anwendungen für mehr Durchblick, denn sie sehen vieles, was dem menschlichen Auge verborgen bleibt: In der Bauthermografie lassen sich so etwa Dämmfehler an Gebäuden lokalisieren und in Fahrerassistenzsystemen helfen sie, die Sicherheit von Fußgängern nachts zu erhöhen. Das Problem: Bislang am Markt verfügbare ungekühlte Sensoren für den langwelligen bzw. den fernen Infrarotbereich benutzen typischerweise Mikrobolometer mit einem Pixelpitch von 25 μm oder 17 μm. Daraus resultieren große Infrarot-Detektoren beziehungsweise große IR-Objektive, die zu hohen Preisen solcher Systeme führen und somit die Anwendungsbereiche limitieren.

Forscher des Fraunhofer IMS arbeiten seit einigen Jahren an so genannten digitalen »infrared focal plane arrays« (IRFPA) mit skalierbaren Pixeln. Die IRFPAs basieren auf Mikrobolometern – thermischen Sensoren, die elektromagnetische Strahlung messen können – und arbeiten im Wellenlängenbereich von 8 – 14 μm.

Typischerweise lässt sich der Pixelpitch nicht unabhängig von der thermischen Isolierung, die die Empfindlichkeit eines IR-Detektors maßgeblich bestimmt, optimieren, so dass IR-Detektoren mit einem Pixelpitch von 17 μm den aktuellen Stand der Technik bilden. Die Duisburger Experten haben eine innovative Mikrobolometerstruktur entwickelt, bei der sich die thermische Isolierung unabhängig vom Pixelpitch einstellen lässt. Diese Mikrobolometerstruktur bildet die Basis für skalierbare Pixel. Aktuell konzentrieren sich diese Entwicklungen auf einen Pixelpitch von 12 μm, aber auch Strukturen mit einem Pixelpitch von bis zu 6 μm konnten schon gezeigt werden. Die Mikrobolometer werden in ein Vakuum-Gehäuse auf Waferebene verkapselt. Dabei integrieren sie das Gehäuse, die CMOS-Ausleseschaltung sowie das Mikrobolometerarray zu einem kompletten Bildaufnehmer-Chip. Auch die Digitalwandlung wird direkt auf dem Chip durchgeführt.