Höchstdetektive pyroelektrische Infrarotsensoren mit interner thermischer Verstärkung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Projektes war es, neue Ansätze zur Sensitivitätssteigerung pyroelektrischer Sensoren durch Selbstverstärkungseffekte zu untersuchen. In der Vergangenheit wurden die höchsten Detektivitätswerte durch spezielle konstruktive Maßnahmen wie minimale Elementdicke und maximale thermische Isolation im pyroelektrischen Chip erreicht. Durch geeignete räumliche Strukturierung der empfindlichen Fläche bei pyroelektrischen Sensoren, wie sie hier untersucht wurden, wird nun ein zusätzlicher Wärmestrom in das empfindliche Element generiert, so dass eine Empfindlichkeitssteigerung von weiteren bis zu 45% erreicht werden konnte. Im Vergleich zum bisherigen Stand der Technik wurde das empfindliche Element der pyroelektrischen Sensorchips so strukturiert, dass sich eine in x- und y-Richtung wiederholende Struktur von dicken und dünnen Gebieten ergibt. Dadurch weist die Frontelektrode eine Grubengitterstruktur auf. Die Bereiche mit Front- und Rückelektrode wurden als elektrisch aktive Volumina, die Bereiche ohne Frontelektrode als elektrisch passive Volumina bezeichnet). Aufgrund der unterschiedlichen Wärmekapazitäten dieser aktiven und passiven Bereiche bildet sich ein Wärmestrom von den dünneren zu den dickeren Bereichen aus, wodurch die Temperaturamplitude in den aktiven Gebieten signifikant gesteigert werden kann. Die Quantität der Steigerung hängt in entscheidendem Maße von den geometrischen Abmessungen der eingebrachten Strukturen ab. Gleichzeitig beeinflusst die Strukturierung auch die elektrischen Eigenschaften des Sensorchips. Durch die verkleinerte Frontelektrodenfläche verringern sich der pyroelektrische Strom und damit die Sensitivität bei gleichzeitigem Anstieg der Rauschspannung. Diese unerwünschten, aber unvermeidbaren Nebeneffekte können bei geeigneter Dimensionierung durch den positiven Einfluss der Strukturierung auf die Temperaturänderung mehr als kompensiert werden, so dass sich der Strukturierungseffekt positiv auf die Empfindlichkeit auswirkt. Im Einzelnen wurden folgende Punkte untersucht: Für die Untersuchung der erreichbaren Empfindlichkeitssteigerungen wurden sowohl analytische Modelle an die zu untersuchenden Strukturen angepasst, als auch numerische Modelle erstellt und verifiziert. Ausgehend von den Simulationsergebnissen ließen sich daraus Entwurfsrichtlinien für strukturierte Einelementsensoren ableiten. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse wurde eine Belichtungsmaske entworfen und Sensoren mit unterschiedlichen Strukturabmessungen hergestellt. Des Weiteren wurde der Einfluss verschiedener Absorptionsschichten betrachtet und anhand ihrer technologischen Anforderungen auf ihre Einsetzbarkeit in den strukturierten Sensoren diskutiert und bewertet. Es wurde festgestellt, dass für sehr dünne LiTaO3-Substratdicken der Einsatz einer Absorptionsschicht unbedingt erforderlich ist, da für Schichtdicken d-a < 3 µm das Absorptionsvermögen nicht ausreichend ist. Die spezifische Detektivität der strukturierten Sensoren konnte gegenüber unstrukturierten Sensoren mit identischen Abmessungen allerdings nicht gesteigert werden. Vielmehr verschlechtert sie sich durch die aufgrund der verkleinerten aktiven Fläche vergrößerte Rauschspannung. Weiterhin wurde im Rahmen dieses Projektes ein zweiter Ansatz zur Steigerung der Empfindlichkeit untersucht, bei dem sich durch die konstruktive Gestaltung der strahlungsabsorbierenden Detektorbereiche zwei thermische Wellen im Sensorvolumen so ausbreiten, dass sie sich im aktiven Volumen konstruktiv überlagern. Die Anregungs- und Überlagerungsorte sind dabei räumlich voneinander getrennt. Mittels Simulation konnte gezeigt werden, dass für eine Modulationsfrequenz von 5 Hz die Temperaturamplitude bei einem Abstand der Anregungsorte d < 400 µm gegenüber einem Standardsensor gesteigert werden kann. Ein erster Versuchsplatz wurde konzipiert und aufgebaut. Allerdings konnten im Rahmen der verbliebenen Projektzeit die theoretischen Betrachtungen bisher noch nicht experimentell bestätigt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Patterned absorption layers for pyroelectric detectors with higher sensitivity. In: Proc. IRS2, 11th International Conference and Exhibition on Infrared Sensors and Systems, 2009, Nürnberg, Germany, 285-288
Querner, Y., Norkus, V., Gerlach, G.
- Pyroelektrischer Detektor. Patentnummer DE 10 2009 009 342 B3, 2009
Norkus, V. ; Schulze, A. ; Gerlach, G.
- High-sensitive pyroelectric detectors with internal thermal amplification. In: Proc. of Eurosensors XXIV Conference, 2010, Linz, Austria, 629-632
Querner, Y., Schulze, A., Norkus, V., Gerlach, G.
- Thermal effects to enhance the responsivity of pyroelectric infrared detectors. In: Proc. of Eurosensors XXIV Conference, 2010, Linz, Austria, 944-947
Norkus, V., Schulze, A., Querner, Y., Gerlach, G.
- : The use of thermal effects for increasing the responsivity of pyroelectric detectors. In: Proc. IEEE Sensors Conference, 2011, Limerick, Ireland, 853-856
Querner, Y., Norkus, V., Gerlach, G.
- High-sensitive pyroelectric detectors with internal thermal amplification. Sensors and Actuators A 172 (2011) 1, 169-174
Querner, Y., Norkus, V., Gerlach, G.
- Internal thermal amplification for increasing the responsivity of pyroelectric detectors. In: Proc. IRS2, 12th International Conference and Exhibition on Infrared Sensors and Systems, 2011, Nürnberg, Germany, 30-35
Querner, Y., Norkus, V., Gerlach, G.
- Empfindlichkeitssteigerung bei pyroelektrischen Infrrarotsensoren durch interne thermische Verstärkung. Dresden: TUDpress 2012, ISBN 9-783942-710930
Querner, Y.
