Institut für Festkörperelektronik Pyroelektrische Infrarotsensoren in der Gerätetechnik V. Norkus
Gliederung 1 Einführung 2 Pyroelektrische Infrarotsensoren 3 Eigenschaften pyroelektrischer Sensoren 3.1 Einelementsensoren 32 3.2 Zeilensensoren 4 Sensoranwendungen in der Gerätetechnik 5 Zusammenfassung Dr. V. Norkus, TU Dresden, IFE, 01062 Dresden volkmar.norkus@tu-dresden.de
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
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
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
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
Prinzipieller Aufbau eines pyroelektrischen Sensors Empfindliches Element Vorverstärker z Rückelektrode u S u R y x Pyroelektrischer Chip Frontelektrode
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
Layouts pyroelektrischer Chips Pyroelectric chip Responsive element Perforation Back electrode Front electrode
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] 20 5 20 5 5 5 A S [mm 2 ] 2x2 2x2 2x2 2x2 1x1 1x1 S V [V/W ] 380 350 540 500 1200 1750 D* [x10 8 cm Hz 1/2 W -1 ] 5 8 8 12 8 12 * with metal black layer
Spezifische Detektivität von LiTaO 3 Sensoren (A S = 2x2 mm 2 ) 1,00E+10 1,00E+09 D* in cm Hz 1/2 W -1 20 µm 5 µm 1,00E+08 1,00E+07 1,00 10,00 100,00 1000,00 f in Hz
Silber-Absorptionsschwarzschichten
Spektrale Empfindlichkeit von LiTaO 3 Sensoren (A S = 2x2 mm 2 ) 300 250 n V/W R Vλ (15 Hz) i 200 150 100 50 450nm NiCr-absorber 750nm NiCr-absorber 1150nm NiCr-absorber 10µm silver-black coating without absorber 0 1 3 5 7 9 11 13 15 λ in µm
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
Zeilenchiplayouts Pyroelectric chip Responsive element Back electrode Bond pad Thermal isolation trench Back electrode groove
Typische Konfigurationen von Zeilensensoren Type Number of elements Pitch [ µm ] Size of element [ µm 2 ] 128LT 128 100 90 x 100 128LTI* 128 100 90 x 100 256LTI 256 50 42 x 100 128LT SP0.5 128 100 90 x 500 128LT SP1.0 128 100 90 x 1000 128LTI SP0.5 128 100 90 x 500 128LTI SP1.0 128 100 90 x 1000 256LTI SP0.5 256 50 42 x 500 256LTI SP1.0 256 50 42 x 1000 *- higher responsivity because of thinner elements
Typische Eigenschaften von Zeilensensoren (128 Hz, RT) Type of array 128LT 128LTI 256LTI 256LTI* Size of elements [ µm 2 ] 90 x 100 90 x 100 42x100 42x100 Pitch [ µm ] 100 100 50 50 Element thickness [ µm ] 20 5 5 3 Responsivity R V [ VW -1 ] 230.000000 540.000000 620.000000 1000.000 Variation R V [%] 5 5 5 5 NEP [ nw ] 3 1.5 1.1 0.7 MTF (R = 3 lp/mm ) 0.6 0.6 0.6 0.6 * - in development
Typische Empfindlichkeitsverteilung, dp = 5 µm 1.2 1 0.8 R0 R/R 06 0.6 0.4 0.2 0 0 32 64 96 128 160 192 224 256 Pixel
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
Pyrometrie, zeilenförmig Zeilenkamerasystem PYROLINE 256, DIAS Infrared
Gasanalyse ssion in % 100 90 80 70 60 50 Ge CaF2 ZnSe 8-14 µm 3,39 µm 3,79 µm 4,26 µm 4,86 µm Transmi 40 30 20 10 0 0 5 10 15 20 25 Wavelength λ in μm
Prinzip Gitterspektrometer Imaged spectrum Radiation source Position of the linear array Entrance slit Imaging concave grating
Gitterspektrometer Ethanol [NIST] Ethanol Methan 100 80 Radiator T [%] 60 40 Optical grating Linear array wih evaluation unit 20 0 2,8 3 3,2 3,4 3,6 3,8 λ [µm]
PIR-Bewegungsmelder
Anordnung eines Zeilensensormoduls zur Türraumdetektion
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