Pyroelektrische. Gerätetechnik. V. Norkus

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1 Institut für Festkörperelektronik Pyroelektrische Infrarotsensoren in der Gerätetechnik V. Norkus

2 Gliederung 1 Einführung 2 Pyroelektrische Infrarotsensoren 3 Eigenschaften pyroelektrischer Sensoren 3.1 Einelementsensoren Zeilensensoren 4 Sensoranwendungen in der Gerätetechnik 5 Zusammenfassung Dr. V. Norkus, TU Dresden, IFE, Dresden volkmar.norkus@tu-dresden.de

3 1 Einführung - Gehören zur Gruppe der thermischen Infrarotsensoren - Können bei Raumtemperatur betrieben werden - Prinzipiell eine homogene spektrale Empfindlichkeit im Wellenlängenbereich von 800nm bis 25 µm - Klein, robust und kostengünstig - Anwendung in der Pyrometrie, Spektrometrie und Sicherheits- technik - Zunehmend Nachfrage nach hohem Signal-Rausch-Abstand

4 Prinzipielle Funktionsweise thermischer Infrarotsensoren thermische Wandlung thermisch-elektrische Wandlung Φ S (t) T P (t) X(t) - Absorption des Infrarotstrahlungsflusses - Änderung der Temperatur im empfindlichen Element - Änderung einer elektrisch auswertbaren Größe

5 Thermische Einflussgrößen Empfindliches Element A S H P G T τ W Φ (t) α T P (t) d P Wärmestrom Φ (t) Einfallender Strahlungsfluss τ w Fenstertransmissionsgrad Wärmesenke α Absorptionsgrad A S Empfindliche Fläche d P Dicke empfindliches Element T P P( (t) Temperatur empfindliches Element H P Wärmekapazität G T Wärmeleitwert Umgebungstemperatur T A

6 2 Pyroelektrische Infrarotsensoren Prinzipielle Funktionsweise - Basieren auf dem pyroelektrischen Effekt - Änderung der spontanen Polarisation bei Temperaturänderung in pyroelektrischen Materialien (LiTaO 3, TGS, PZT usw.) thermische thermisch-elektrische elektrische Φ (t) T P (t) i P (t) elektrische u S (t) Wandlung Wandlung Wandlung

7 Prinzipieller Aufbau eines pyroelektrischen Sensors Empfindliches Element Vorverstärker z Rückelektrode u S u R y x Pyroelektrischer Chip Frontelektrode

8 Forderungen zur Sicherung eines hohen Signal-Rausch-Abstandes - Sehr dünne empfindliche Elemente (50 µm 20 µm 5 µm) - Hoher Absorptionsgrad α des empfindlichen Elementes - Gute thermische h Isolation des empfindlichen Elementes Entwicklung entsprechender Sensortechnologien am IFE

9 Layouts pyroelektrischer Chips Pyroelectric chip Responsive element Perforation Back electrode Front electrode

10 3 Eigenschaften pyroelektrischer Sensoren 3.1 Einelementsensoren Typische Eigenschaften von LiTaO 3 Sensoren (500 K, 10 Hz, 1 Hz, τ F = 1) Type of sensor LT LT-I LTS* LTS*-I LT-I LTS*-I d P [µm] A S [mm 2 ] 2x2 2x2 2x2 2x2 1x1 1x1 S V [V/W ] D* [x10 8 cm Hz 1/2 W -1 ] * with metal black layer

11 Spezifische Detektivität von LiTaO 3 Sensoren (A S = 2x2 mm 2 ) 1,00E+10 1,00E+09 D* in cm Hz 1/2 W µm 5 µm 1,00E+08 1,00E+07 1,00 10,00 100, ,00 f in Hz

12 Silber-Absorptionsschwarzschichten

13 Spektrale Empfindlichkeit von LiTaO 3 Sensoren (A S = 2x2 mm 2 ) n V/W R Vλ (15 Hz) i nm NiCr-absorber 750nm NiCr-absorber 1150nm NiCr-absorber 10µm silver-black coating without absorber λ in µm

14 3.2 Zeilensensoren Schematischer Aufbau und technische Realisierung Pyroelectric chip Responsive elements Read-out circuit Ceramic carrier Bonding bridges IR window Support Read-out circuit Black coating Support

15 Zeilenchiplayouts Pyroelectric chip Responsive element Back electrode Bond pad Thermal isolation trench Back electrode groove

16 Typische Konfigurationen von Zeilensensoren Type Number of elements Pitch [ µm ] Size of element [ µm 2 ] 128LT x LTI* x LTI x LT SP x LT SP x LTI SP x LTI SP x LTI SP x LTI SP x 1000 *- higher responsivity because of thinner elements

17 Typische Eigenschaften von Zeilensensoren (128 Hz, RT) Type of array 128LT 128LTI 256LTI 256LTI* Size of elements [ µm 2 ] 90 x x x100 42x100 Pitch [ µm ] Element thickness [ µm ] Responsivity R V [ VW -1 ] Variation R V [%] NEP [ nw ] MTF (R = 3 lp/mm ) * - in development

18 Typische Empfindlichkeitsverteilung, dp = 5 µm R0 R/R Pixel

19 4 Sensoranwendungen in der Gerätetechnik Anwendung pyroelektrischer Sensoren : - Geräte zur berührungslosen Temperaturmessung - Spektrometer - Gasanalysegeräte (z. B. CO 2, CO, Ozon,...) - Geräte zur Stofferkennung (Recycling, ) - Medizintechnik (Atemgaskontrolle, Blutzuckermessung, ) - Militärtechnik (Scharfschaltsysteme,.) - PIR-Bewegungsmelder (Sicherungstechnik, Schalter, ) - Brandmelder - Wärmebildsysteme

20 Pyrometrie, zeilenförmig Zeilenkamerasystem PYROLINE 256, DIAS Infrared

21 Gasanalyse ssion in % Ge CaF2 ZnSe 8-14 µm 3,39 µm 3,79 µm 4,26 µm 4,86 µm Transmi Wavelength λ in μm

22 Prinzip Gitterspektrometer Imaged spectrum Radiation source Position of the linear array Entrance slit Imaging concave grating

23 Gitterspektrometer Ethanol [NIST] Ethanol Methan Radiator T [%] Optical grating Linear array wih evaluation unit ,8 3 3,2 3,4 3,6 3,8 λ [µm]

24 PIR-Bewegungsmelder

25 Anordnung eines Zeilensensormoduls zur Türraumdetektion

26 5 Zusammenfassung Entwicklung pyroelektrischer Infrarotsensoren am IFE Sensoren mit hohem Signal-Rausch-Abstand Flexible Sensortechnologie vorhanden Entwicklung anwenderspezifischer Sensoren bis zum Prototyp Fertigung der Sensoren bei DIAS Infrared GmbH