Höchstdetektive pyroelektrische Infrarotsensoren mit interner thermischer Verstärkung

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Gerald Gerlach
• Subject Area: Measurement Systems
• Term: from 2008 to 2013
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 101803911

Infrarotstrahlungsdetektoren finden in der berührungslosen Temperaturmessung, der Wärmebildtechnik, bei Bewegungsmeldern und in der Gasanalyse breite Anwendung. Thermische Infrarotsensoren weisen gegenüber Quantendetektoren zwar eine geringere Detektivität (entspricht dem Signal-Rausch-Abstand) auf, zeigen aber eine nur geringe Wellenlängenabhängigkeit der Sensitivität und können ungekühlt betrieben werden. Dies ermöglicht gegenüber Quantendetektoren ein hohes Miniaturisierungspotenzial. Pyroelektrische Infrarotsensoren sind gegenwärtig die thermischen Sensoren, für die mit speziellen konstruktiven Maßnahmen hinsichtlich einer minimierten Elementdicke und für eine optimierte thermische Isolation im Pyrochip die bisher höchsten Detektivitätswerte von 2*109 cm√ Hz /W erreicht werden konnten. Neue Ansätze hinsichtlich des Einsatzes von Aktiv-Passiv-Strukturen und durch Überlagerungseffekte von thermischen Wellen in abmessungsangepassten Strukturen lassen eine weitere signifikante Verbesserung der Detektivität solcher pyroelektrischer Infrarotdetektoren erwarten, so dass Detektivitätswerte erreichbar waren.Diese völlig neuartigen Ansätze beinhalten:• Mikrotechnische Strukturierung der Sensorelemente in dünne passive und dickere aktive Sensorbereiche, bei denen der bei IR-Einstrahlung induzierte Wärmestrom aus den dünnen passiven Bereichen in die dickeren aktiven Bereiche erheblich vergrößerte Temperaturänderungen hervorruft und sich so eine deutlich verbesserte Sensitivität und damit Detektivität einstellt.• Befüllen der abgedünnten passiven Bereiche mit hocheffektiv strahlungsabsorbierenden Materialien zur Erhöhung der thermischen Verstärkung.• Konstruktive Gestaltung der strahlungsabsorbierenden Detektorbereiche mit den hochabsorbierenden abgedünnten Bereichen so, dass sich zwei lateral ausbreitende Wärmewellen im aktiven Sensorvolumen konstruktiv überlagern und erheblich vergrößerte Temperaturdifferenzen auftreten.Innerhalb des hier beantragten Projekts sollen die Modellierungs- und Simulationsgrundlagen für solche pyroelektrischen IR-Detektoren erarbeitet, der Einfluss der Entwurfsparameter bestimmt, damit entsprechende Detektoren dimensioniert und gefertigt und diese dann messtechnisch untersucht und charakterisiert werden.

• DFG Programme: Research Grants