Untersuchungen an leitfähigen Polymerkompositen zur Anwendbarkeit in Mikrobolometer-Arrays
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Projektes war die Untersuchung von polymeren Materialien und zugehörigen technologischen Verfahren für die Herstellung von Infrarot-(Mikro-)Bolometer-Arrays, wie sie z.B. in Wärmebildgeräten angewendet werden. Gegenüber konventionellen Mikrobolometer- Arrays, welche aus anorganischen Materialien aufgebaut sind, sollte dabei ausgenutzt werden, dass durch die Verwendung polymerer Materialien in der Mikrosystemtechnik deutlich einfachere Herstellungverfahren als in der Mikroelektronik möglich sind. Die sensitive Schicht des betrachteten Mikrobolometer-Arrays besteht aus einem elektrisch leitfähigen Polymerkomposit, das sich aus einem isolierenden Matrixpolymer und einem leitfähigen Füllstoff zusammensetzt. In einem solchen Materialsystem können die technologischen und mechanischen Eigenschaften der einzelnen Pixel (anhand des Matrixpolymers) und die elektrischen Eigenschaften (anhand des Füllstoffes) getrennt voneinander untersucht und optimiert werden. Letztere erfordern entsprechend dem thermoresistiven Wirkprinzip des Sensors eine große Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes und ein geringes Rauschverhalten. Unter Berücksichtigung dieser elektrischen und weiteren Anforderungen wurden als Füllmaterialien halbleitende Tellur- und Vanadiumdioxid- sowie metallische Silberpartikel ausgewählt und charakterisiert. Die Komposite mit den halbleitenden Füllstoffen zeigten die größere Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes, während die Silberkomposite ein geringeres Rauschverhalten aufwiesen. Die elektrischen Eigenschaften der Kompositen waren weitestgehend unabhängig von der Partikelanordnung in der Polymermatrix. Diese wurde sowohl für homogen verteilte als auch für kettenförmig angeordnete Partikel betrachtet, welche zuvor mittels Dielektrophorese zwischen den Elektroden ausgerichtet wurden. Als wesentlicher Vorteil der dielektrophoretischen Partikelausrichtung gegenüber homogenen Kompositen ergab sich, dass hiermit bereits bei viel kleineren Partikelfüllgraden leitfähige Netzwerke erzeugt werden können. Diese Eigenschaft ist wichtig, da zu große Partikelfüllgrade die technologische Bearbeitbarkeit des Polymerkomposites einschränken. Zur Herstellung der Mikrobolometer-Arrays wurde eine Technologiefolge entwickelt, deren sensitive Schichten aus den vorher charakterisierten Polymerkompositen bestehen. Es wurden gängige schichtbildende und strukturgebende Standardtechnologien der Polymerbearbeitung verwendet, die jeweils geeignet sind, eine Vielzahl von Strukturen parallel zu erzeugen. Da aufgrund des Sensorprinzips eine möglichst große thermische Isolation des sensitiven Bereichs gefordert ist, müssen sämtliche Pixel freitragend ausgeführt werden. Solche Strukturen wurden mithilfe einer Opferschichttechnik hergestellt. Exemplarisch wurden 2x2- Arrays mit den drei o.g. Füllstoffen gefertigt. Der Herstellungsprozess zeichnet sich durch eine gute Reproduzierbarkeit und die Möglichkeit der Aufskalierung der Pixelanzahl aus. Die resultierenden Sensorempfindlichkeiten liegen im Bereich von konventionellen Mikrobolometern. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt schränken die vergleichsweise schlechte thermische Isolation des Pixels und hohe Rauschwerte die Sensorqualität ein. Die auf die Temperatur des zu detektierenden Objektes bezogene thermische Auflösungsgrenze (NETD) liegt für die hergestellten Mikrobolometer mit der besten sensitiven Kompositschicht bei 6,7 K (Füllpartikel: Silber). Entsprechende Werte von konventionellen Mikrobolometern betragen (30…100) mK. Zukünftige Arbeiten müssen sich deshalb auf die folgenden Schwerpunkte konzentrieren, deren grundlegende Zielstellung eine weitere Verbesserung der Sensorkennwerte ist: a) Verbesserung der thermischen Isolation der einzelnen Pixel: Hierfür sind Modifikationen des untersuchten technologischen Prozesses notwendig, welche sowohl einen modifizierten geometrischen Aufbau des Mikrobolometer-Arrays als auch alternative Herstellungsverfahren umfassen können. b) Verringerung der Rauschpegel in Kompositen mit halbleitenden Füllpartikeln: Die Komposite mit den halbleitenden Füllpartikeln weisen einerseits große Empfindlichkeiten (u.a.: große Temperaturabhängigkeit des Widerstandes) auf, andererseits sind sie durch hohe Rauschpegel gekennzeichnet. Zur Reduzierung dieser Rauschpegel müssen Anzahl und energetische Höhe der Potenzialbarrieren des leitfähigen Netzwerkes minimiert werden. Solche Eigenschaften sind in Materialien zu erwarten, wenn diese aus kovalent miteinander verbundenen Regionen aufgebaut sind und ein möglichst großes Maß an Ordnung aufweisen (Kristallinität). Entsprechende Ansätze sind, die halbleitenden Partikel im Bereich der Mikrobolometer-Pixel chemisch zu synthetisieren oder durch konventionelle schichtbildende Abscheideverfahren herzustellen. Die Detektion von Objekten mit Temperaturdifferenzen von wenigen Kelvin oder gar von weniger als 1 K eröffnet Anwendungsgebiete für Low-Cost-Wärmebildgeräte zur einfachen Objekterkennung. Darüber hinaus ermöglicht der Aufbau der untersuchten Mikrobolometer- Arrays auf flexiblen Substraten den Einsatz in speziellen Anwendungsgebieten. Durch das Auftragen des Sensor-Arrays auf einem gekrümmten Untergrund kann eine gezielte Fokussierung in einem gewünschten Raumpunkt bzw. -bereich erfolgen, ohne dass dafür teure Infrarot-Optiken verwendet werden müssen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Conductive polymer compounds as microbolometer material. In: Sensor+Test 2008 Proceedings, 2008, Nürnberg, Deutschland, S. 271-276
Nocke, A., Budzier, H., Wolf, M., Arndt, K.-F. und Gerlach, G.
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Dielectrophoretic alignment of polymer compounds for thermal sensing. Sensors and Actuators A - Physical 156 (2009) 1, S. 164-170
Nocke, A., Wolf, M., Budzier, H., Arndt, K.-F. und Gerlach, G.
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Novel technology for polymer-based microbolometers. In: Electro-Optical and Infrared Systems: Technology and Applications VI, Proceedings of SPIE 7481, 2009, Berlin, Deutschland, S. 74810I-9.
Nocke, A., Wolf, M., Budzier, H., Arndt, K.-F. und Gerlach, G.
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Polymer composite strain sensor based on dielectrophoretically aligned tellurium nanorods. In: Proceedings of the Eurosensors XXIII conference, Procedia Chemistry 1, 2009, Lausanne, Schweiz, S. 1151-1154
Nocke, A., Richter, S., Wolf, M. und Gerlach, G.
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Resistiver Sensor zur Messung der Temperatur oder infraroter Strahlung und Verfahren zu dessen Herstellung. Patent DE 10 2008 046 319 B3, 2009
Nocke, A., Gerlach, G. und Wolf, M.
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Thermische Infrarotsensoren: Grundlagen für Anwender. Weinheim: Wiley-VCH 2010
Budzier, H. und Gerlach, G.
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Mikrobolometer auf der Basis von Polymerkompositen. Dissertation. TU Dresden, 2011
Nocke, A.
