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Micron Document

<!DOCTYPE html>

<title>Mikrobolometer</title>

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<h1 id="firstHeading" class="firstHeading mw-first-heading"><span class="mw-page-title-main">Mikrobolometer</span></h1>

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</div>

<p>Ein <b>Mikrobolometer</b> ist ein thermischer <a href="Sensor" title="Sensor">Sensor</a> zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung. Neben der Detektion von Millimeterwellen, UV- und Röntgen-<a href="Strahlung" title="Strahlung">Strahlung</a> wird er hauptsächlich zur Detektion von <a href="MWIR" class="mw-redirect" title="MWIR">mittlerer</a> und <a href="LWIR" class="mw-redirect" title="LWIR">langwelliger Infrarotstrahlung</a> eingesetzt. Als zweidimensionales Infrarot Focal Plane Array (IRFPA) stellen sie den <a href="Bildsensor" title="Bildsensor">Bildsensor</a> von <a href="W%C3%A4rmebildkamera" title="Wärmebildkamera">Wärmebildkameras</a> dar.

</p><p>Mikrobolometer werden hauptsächlich als Detektoren in Wellenlängenbereichen oberhalb von etwa 3 µm eingesetzt. In diesem Bereich sind ungekühlte <a href="Fotodiode" class="mw-redirect" title="Fotodiode">Fotodioden</a> aufgrund der thermischen Anregung technisch nur schwer realisierbar. Mikrobolometer können bei Raumtemperatur – also ohne aufwändige Kühlung – arbeiten, benötigen jedoch eine Temperaturstabilisierung.

</p><p>Einsatz finden die Mikrobolometerarrays u. a. in den Bereichen der <a href="Thermografie" title="Thermografie">Thermografie</a>, Astronomie, Überwachung, Automotive, Militär und neuerdings auch Smartphones.

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Aufbau_und_Funktionsweise">Aufbau und Funktionsweise</h2></div>

<p>Ein Mikrobolometer besteht aus einer Membran, die sich aus einer Sensor- und <a href="Absorber_(Physik)" class="mw-redirect" title="Absorber (Physik)">Absorberschicht</a> zusammensetzt, die von zwei Elektroden über einem Substrat im <a href="Vakuum" title="Vakuum">Vakuum</a> aufgehängt und somit thermisch isoliert ist. Aufgrund der Absorption der einfallenden infraroten Strahlung erwärmt sich die thermisch isolierte Membran, was eine Änderung des <a href="Widerstand_(Bauelement)" title="Widerstand (Bauelement)">elektrischen Widerstandes</a> der Sensorschicht zur Folge hat. Die resultierende Änderung des Messsignals wird mithilfe einer Ausleseschaltung detektiert. Unterhalb der Membran befindet sich in der Regel ein Reflektor, wodurch die zum Teil zunächst transmittierte Strahlung reflektiert und anschließend von der Absorberschicht absorbiert wird. Der Abstand zwischen Membran und Reflektor folgt der λ/4-Bedingung.

</p><p>Bei der Auslegung der thermischen Isolation durch dünne Stege muss abgewogen werden zwischen thermischer Isolation und mechanischer Robustheit.<sup id="cite_ref-1" class="reference"><a href="#cite_note-1"><span class="cite-bracket">[</span>1<span class="cite-bracket">]</span></a></sup>

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Sensormaterial">Sensormaterial</h2></div>

<p>Die Sensorschicht ist ein Kernelement des Mikrobolometers und hat maßgeblichen Einfluss auf die Eigenschaften und Performance des Mikrobolometers. Es gibt mehrere Materialien, die für die Sensorschicht in Mikrobolometern verwendet werden. Durch die Sensorschicht und ihre Materialeigenschaften wie z. B. Widerstands-<a href="Temperaturkoeffizient" title="Temperaturkoeffizient">Temperaturkoeffizient</a> (TCR), <a href="1/f-Rauschen" title="1/f-Rauschen">1/f-Rauschen</a> und Widerstand wird die Responsivität des Mikrobolometers bestimmt. Die Responsivität beschreibt die Fähigkeit, die eingehende Strahlung in ein elektrisches Signal umzuwandeln und somit die Qualität des Mikrobolometers.

</p><p>Die am häufigsten verwendeten Sensormaterialien in Mikrobolometern sind amorphes <a href="Silizium" class="mw-redirect" title="Silizium">Silizium</a> und <a href="Vanadium(V)-oxid" title="Vanadium(V)-oxid">Vanadium(V)-oxid</a> (V<sub>2</sub>O<sub>5</sub>). Seltenere Materialien sind <a href="Titan_(Element)" title="Titan (Element)">Titan</a>, <a href="Yttrium-Barium-Kupferoxid" title="Yttrium-Barium-Kupferoxid">Yttrium-Barium-Kupferoxid</a> (YBaCuO), GeSiO, Poly-<a href="Siliciumgermanium" title="Siliciumgermanium">Siliciumgermanium</a> oder BiLaSrMnO. <a href="Vanadiumoxid" class="mw-disambig" title="Vanadiumoxid">Vanadiumoxid</a> ist das ursprüngliche Materialsystem für Mikrobolometer. Es ist mit gängigen <a href="CMOS" class="mw-redirect" title="CMOS">CMOS</a>-<a href="Halbleitertechnik" title="Halbleitertechnik">Herstellungsprozessen</a> kompatibel. Es gibt mehrere Phasen von VO<sub>x</sub>. <a href="Vanadium(IV)-oxid" title="Vanadium(IV)-oxid">Vanadium(IV)-oxid</a> (VO<sub>2</sub>) hat einen niedrigen Widerstand, erleidet jedoch eine Metall-Isolator-Phasenänderung bei 67 °C und hat einen relativ niedrigen TCR. Vanadium(V)-oxid dagegen hat einen hohen Widerstand und einen hohen TCR. Aktuell scheint <i>x</i> ≈ 1,8 die populärste für Mikrobolometeranwendungen gewordene Phase zu sein. <a href="Amorphes_Silizium" class="mw-redirect" title="Amorphes Silizium">Amorphes Silizium</a> (a-Si) ist eine neuere Technologie als VO<sub>x</sub>. Sie kann sehr gut in den CMOS-Herstellungsprozess integriert werden, ist sehr stabil, hat eine schnelle Zeitkonstante und eine lange mittlere Zeit vor dem Versagen. Um die Schichtstruktur und die Strukturierung zu erstellen, werden allerdings Temperaturen bis zu 400 °C benötigt.

</p><p>Die Herstellung von Mikrobolometern kann <a href="MEMS" class="mw-redirect" title="MEMS">MEMS</a> basierend erfolgen.<sup id="cite_ref-2" class="reference"><a href="#cite_note-2"><span class="cite-bracket">[</span>2<span class="cite-bracket">]</span></a></sup><sup id="cite_ref-3" class="reference"><a href="#cite_note-3"><span class="cite-bracket">[</span>3<span class="cite-bracket">]</span></a></sup>

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Pixelpitch">Pixelpitch</h2></div>

<p>Aktuell sind IRFPAs mit einer <a href="Pixel" title="Pixel">Pixelgröße</a> (Mikrobolometer) von 17 µm im kommerziellen Bereich Stand der Technik. Um dem Trend von hochauflösenden IRFPAs und Kameras zu folgen, besteht die neue Generation der IRFPAs aus Pixeln mit einer Größe von 12 µm. Zur Realisierung der immer kleiner werdenden Strukturen, werden immer höhere Anforderungen an die Mikrostrukturierung gestellt, z. B. werden am <a href="Fraunhofer-Institut_f%C3%BCr_Mikroelektronische_Schaltungen_und_Systeme" title="Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme">Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme</a> 12 µm Bolometer u. a. über Nanotube-Metallkontakte realisiert.<sup id="cite_ref-4" class="reference"><a href="#cite_note-4"><span class="cite-bracket">[</span>4<span class="cite-bracket">]</span></a></sup>

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Ursprung_und_Liste_von_Herstellern">Ursprung und Liste von Herstellern</h2></div>

<p>Die Mikrobolometer-Technologie wurde ursprünglich beginnend in den späten 1970er Jahren von Honeywell für das US-Verteidigungsministerium entwickelt. Die US-Regierung hat die Technologie im Jahr 1992 freigegeben. Nach der Freischaltung lizenzierte Honeywell ihre VO<sub>x</sub>-Technologie an mehrere Hersteller. Die Patente sind mittlerweile ausgelaufen, sodass die VO<sub>x</sub>-Technologie auch anderen Herstellern offen steht. Mikrobolometer und darauf aufbauende Produkte unterliegen der Zollausfuhrkontrolle. U.a. folgende Unternehmen befassen sich mit der Entwicklung, Produktion und dem Vertrieb von Mikrobolometerarrays:

</p>

<ul><li><a href="BAE_Systems" title="BAE Systems">BAE Systems</a> (GB)</li>

<li>Dali Thermal (C)</li>

<li>DRS Technologies (USA)</li>

<li>FLIR Systems (USA)</li>

<li><a href="Fluke_(Unternehmen)" title="Fluke (Unternehmen)">Fluke Corporation</a> (USA)</li>

<li><a href="Fraunhofer-Institut_f%C3%BCr_Mikroelektronische_Schaltungen_und_Systeme" title="Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme">Fraunhofer IMS</a> (D)</li>

<li>Guide Infrared (C)</li>

<li><a href="Honeywell_International" title="Honeywell International">Honeywell</a> (USA)</li>

<li>Institut National d’Optique (CDN)</li>

<li><a href="L-3_Communications" class="mw-redirect" title="L-3 Communications">L-3 Communications</a> Infrared Products (USA)</li>

<li>Lynred (F) (former ULIS-IR and Sofradir)</li>

<li>Opgal Optronics (IL)</li>

<li><a href="Raytheon" title="Raytheon">Raytheon</a> (USA)</li>

<li>Seek Thermal (USA)</li>

<li>Teledyne Dalsa (CDN)</li></ul>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Einzelnachweise">Einzelnachweise</h2></div>

<li id="cite_note-1"><span class="mw-cite-backlink"><a href="#cite_ref-1">↑</a></span> <span class="reference-text">Fabian Utermöhlen: <cite style="font-style:italic">Modeling of MEMS Microbolometers: A Physics-Based Scalable Compact Model</cite>. Shaker, 2015, ISBN 978-3-8440-3565-0.<span class="Z3988" title="ctx_ver=Z39.88-2004&rft_val_fmt=info%3Aofi%2Ffmt%3Akev%3Amtx%3Abook&rfr_id=info:sid/de.wikipedia.org:Mikrobolometer&rft.au=Fabian+Uterm%C3%B6hlen&rft.btitle=Modeling+of+MEMS+Microbolometers%3A+A+Physics-Based+Scalable+Compact+Model&rft.date=2015&rft.genre=book&rft.isbn=9783844035650&rft.pub=Shaker" style="display:none"> </span></span>

</li>

<li id="cite_note-2"><span class="mw-cite-backlink"><a href="#cite_ref-2">↑</a></span> <span class="reference-text">Frank Niklaus, Christian Vieider, Henrik Jakobsen: <cite style="font-style:italic">MEMS-based uncooled infrared bolometer arrays: a review</cite>. In: <cite style="font-style:italic">MEMS/MOEMS Technologies and Applications III</cite>. <span style="white-space:nowrap">Band<span style="display:inline-block;width:.2em"> </span>6836</span>. SPIE, 2008, <span style="white-space:nowrap">S.<span style="display:inline-block;width:.2em"> </span>125–139</span>, <a href="Digital_Object_Identifier" title="Digital Object Identifier">doi</a>:<span class="uri-handle" style="white-space:nowrap"><a rel="nofollow" class="external text" href="https://doi.org/10.1117/12.755128">10.1117/12.755128</a></span>.<span class="Z3988" title="ctx_ver=Z39.88-2004&rft_val_fmt=info%3Aofi%2Ffmt%3Akev%3Amtx%3Abook&rfr_id=info:sid/de.wikipedia.org:Mikrobolometer&rft.atitle=MEMS-based+uncooled+infrared+bolometer+arrays%3A+a+review&rft.au=Frank+Niklaus%2C+Christian+Vieider%2C+Henrik+Jakobsen&rft.btitle=MEMS%2FMOEMS+Technologies+and+Applications+III&rft.date=2008&rft.doi=10.1117%2F12.755128&rft.genre=book&rft.pages=125-139&rft.pub=SPIE&rft.volume=6836" style="display:none"> </span></span>

</li>

<li id="cite_note-3"><span class="mw-cite-backlink"><a href="#cite_ref-3">↑</a></span> <span class="reference-text"><span class="cite">Coventor: <a rel="nofollow" class="external text" href="https://www.coventor.com/blog/are-mems-bolometers-the-next-big-thing/"><i>Are MEMS bolometers the next big thing?</i></a> In: <i>Coventor.</i> 8. April 2014,<span class="Abrufdatum"> abgerufen am 27. November 2022</span>.</span><span style="display: none;" class="Z3988" title="ctx_ver=Z39.88-2004&rft_val_fmt=info%3Aofi%2Ffmt%3Akev%3Amtx%3Adc&rfr_id=info%3Asid%2Fde.wikipedia.org%3AMikrobolometer&rft.title=Are+MEMS+bolometers+the+next+big+thing%3F&rft.description=Are+MEMS+bolometers+the+next+big+thing%3F&rft.identifier=https%3A%2F%2Fwww.coventor.com%2Fblog%2Fare-mems-bolometers-the-next-big-thing%2F&rft.creator=Coventor&rft.date=2014-04-08"> </span></span>

</li>

<li id="cite_note-4"><span class="mw-cite-backlink"><a href="#cite_ref-4">↑</a></span> <span class="reference-text">K.-M. Muckensturm, D. Weiler, F. Hochschulz, C. Busch, T. Geruschke: <cite style="font-style:italic">Measurement results of a 12 μm pixel size microbolometer array based on a novel thermally isolating structure using a 17 μm ROIC</cite>. In: <cite style="font-style:italic">Infrared Technology and Applications XLII</cite>. <span style="white-space:nowrap">Band<span style="display:inline-block;width:.2em"> </span>9819</span>. International Society for Optics and Photonics, 20. Mai 2016, <span style="white-space:nowrap">S.<span style="display:inline-block;width:.2em"> </span>98191N</span>, <a href="Digital_Object_Identifier" title="Digital Object Identifier">doi</a>:<span class="uri-handle" style="white-space:nowrap"><a rel="nofollow" class="external text" href="https://doi.org/10.1117/12.2223608">10.1117/12.2223608</a></span> (<a rel="nofollow" class="external text" href="https://www.spiedigitallibrary.org/conference-proceedings-of-spie/9819/98191N/Measurement-results-of-a-12-mum-pixel-size-microbolometer-array/10.1117/12.2223608.short">spiedigitallibrary.org</a> [abgerufen am 25. Mai 2018]).<span class="Z3988" title="ctx_ver=Z39.88-2004&rft_val_fmt=info%3Aofi%2Ffmt%3Akev%3Amtx%3Abook&rfr_id=info:sid/de.wikipedia.org:Mikrobolometer&rft.atitle=Measurement+results+of+a+12+%CE%BCm+pixel+size+microbolometer+array+based+on+a+novel+thermally+isolating+structure+using+a+17+%CE%BCm+ROIC&rft.au=K.-M.+Muckensturm%2C+D.+Weiler%2C+F.+Hochschulz%2C+...&rft.btitle=Infrared+Technology+and+Applications+XLII&rft.date=2016-05-20&rft.doi=10.1117%2F12.2223608&rft.genre=book&rft.pages=98191N&rft.pub=International+Society+for+Optics+and+Photonics&rft.volume=9819" style="display:none"> </span></span>

</li>

</ol></div><div><div class="zim-footer">

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