تطوير حساس بالأشعة تحت الحمراء جديد ثنائي الطبقة على شكل لولبي موزع شعاعياً مع استجابة محسّنة

رؤية حرارية أكثر حدة للأجهزة اليومية

من منظمات الحرارة الذكية إلى موازين الحرارة الطبية التي تعمل بدون لمس، تعتمد العديد من الأجهزة على أنماط حرارة غير مرئية لاستشعار العالم. يستعرض هذا البحث حساس حرارة صغير جديد يمكنه رؤية الضوء تحت الأحمر بوضوح أكبر دون الحاجة إلى معدات تبريد غالية، مما يمهّد الطريق لكاميرات حرارية أكثر وضوحاً وأرخص في المنازل والمستشفيات والمصانع.

لماذا تكافح حساسات الحرارة الصغيرة

تُدفع الكاميرات تحت الحمراء الحديثة لعرض تفاصيل أكثر بينما تظل صغيرة وميسورة التكلفة. ولزيادة عدد البكسلات على الرقاقة، يجب تصغير كل وحدة استشعار، لكن هذا عادة ما يضعف الإشارة ويجعل الصورة أكثر ضوضاءً. كما أن التصاميم التقليدية تضيّع جزءاً من الحرارة الواردة لأنها لا توزّعها بالتساوي عبر عناصر الاستشعار، وقد تكون صعبة ومكلفة للتصنيع بكميات كبيرة باستخدام أدوات تصنيع الرقائق القياسية.

مسار لولبي جديد للحرارة

صمّم الباحثون نوعاً جديداً من حساسات الأشعة تحت الحمراء يُدعى ثرموبايل، يحول فروق الحرارة مباشرة إلى فولتية. والتحوّل لديهم يكمن في ترتيب «الأرجل» الاستشعارية على شكل لولبي ممتد من مركز غشاء دائري رقيق. كل رجل مبني من طبقتين مكدستين من مواد مختلفة مفصولة بطبقة عازلة. يسمح هذا التكديس الرأسي بضغط عدد أكبر من أزواج الأرجل في نفس المساحة، بينما يجبر الشكل اللولبي الحرارة على السير في مسار أطول من المركز الدافئ إلى الحافة الأبرد، مما يزيد فرق الحرارة ويقوّي الإشارة الكهربائية.

موازنة تدفق الحرارة والتجانس

باستخدام محاكاة حاسوبية، اختبر الفريق مدى انحناء اللولب للحصول على أفضل أداء. وجدوا أن اللولبات الأشد تجعل مسار الحرارة أطول، مما يقلل تسرب الحرارة ويعزز الفارق الحراري بين طرفي كل رجل. كما يساعد الغشاء الدائري والتوزيع الشعاعي كل رجل على تجربة نمط درجة حرارة شبه موحد، بحيث لا يُهدر أي جزء من الحساس. وبالمقارنة مع التخطيطات المستطيلة القديمة، ينشر التصميم الحلزوني الدائري الحرارة بشكل أكثر انتظاماً ويتجنب البقع الساخنة والباردة التي قد تشكل إجهاداً هيكلياً مع مرور الوقت.

من تصنيع الرقاقة إلى القياسات الحقيقية

بُنيت شرائح المستشعر بخطوات تصنيع مستخدمة على نطاق واسع ومتوافقة مع عمليات CMOS القياسية، بما في ذلك ترسيب طبقات السيليكون والمعادن، ونقشها إلى أرجل لولبية، ونحت السيليكون لإبقاء غشاء معلق. ثم رُكبت الشريحة النهائية في حزمة معدنية صغيرة مع نافذة للأشعة تحت الحمراء واختبرت أمام مصدر حرارة متحكم به. أظهرت القياسات خرجاً سلساً ومتوقعاً مع تغير درجة حرارة المصدر، مما يؤكد أن الحساس قادر على قراءة الحرارة من مسافة بثبات وقابلية تكرار جيدة.

إشارات أقوى مع تنازل بسيط

عند مقارنة التصميم الحلزوني بنسخة تقليدية غير حلزونية بنفس الحجم، كانت التحسينات واضحة. أنتج الحساس الجديد نحو أربعين بالمئة فولتية أكثر لكل وحدة حرارة واردة وأظهر زيادة ملحوظة في قدرته على كشف الإشارات الضعيفة فوق الضوضاء الخلفية. جاء ذلك مع زيادة متواضعة في زمن الاستجابة بمقدار بضعة أجزاء من الألف من الثانية، وهو ما يزال سريعاً بما يكفي لمعظم مهام التصوير والمراقبة. خلاصة القول للقارئ العادي هي أن تشكيل مسار الحرارة بعناية داخل بنية صغيرة جعل الباحثين يحققون بكسل استشعار أكثر حساسية وبقابلية عملية يمكن أن تساعد كاميرات الأشعة تحت الحمراء المستقبلية على رؤية تفاصيل أدق دون زيادة كبيرة في التكلفة.

الاستشهاد: Xia, Y., Meng, X., Lv, Y. et al. Development of a novel radially-distributed spiral bilayer thermopile infrared sensor with enhanced responsivity. Microsyst Nanoeng 12, 169 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01278-1

الكلمات المفتاحية: مستشعر تحت أحمر, ثرموبايل, التصوير الحراري, MEMS, كشف الحرارة