Entwicklung eines neuartigen radial-verteilten spiraligen zweilagigen Thermopilen-Infrarotsensors mit verbesserter Empfindlichkeit

Schärfere Wärmesicht für alltägliche Geräte

Von intelligenten Thermostaten bis zu berührungslosen medizinischen Thermometern verlassen sich viele Geräte auf unsichtbare Wärmemuster, um ihre Umgebung zu erkennen. Dieser Artikel untersucht einen neuen kleinen Temperatursensor, der infrarotes Licht klarer sehen kann, ohne teure Kühltechnik zu benötigen, und ebnet so den Weg für schärfere, günstigere Wärmebildkameras in Haushalten, Krankenhäusern und Fabriken.

Warum kleine Temperatursensoren kämpfen

Moderne Infrarotkameras sollen mehr Details zeigen und gleichzeitig klein und bezahlbar bleiben. Um mehr Pixel auf einen Chip zu packen, muss jede Sensoreinheit schrumpfen, doch das schwächt meist das Signal und erhöht das Bildrauschen. Traditionelle Designs verschwenden außerdem einen Teil der eingehenden Wärme, weil sie nicht gleichmäßig über die Sensorelemente verteilt wird, und sie können schwierig und teuer in großem Maßstab mit gängigen Chipfertigungswerkzeugen herzustellen sein.

Ein neuer Spiralweg für Wärme

Die Forscher entwarfen eine neue Art von Infrarotsensor, genannt Thermopile, die Temperaturunterschiede direkt in Spannung umwandelt. Ihr Kniff besteht darin, die sensierenden „Beine“ in Spiralen anzuordnen, die sich vom Zentrum einer dünnen kreisförmigen Membran nach außen winden. Jedes Bein besteht aus zwei übereinander geschichteten Materialien, getrennt durch eine isolierende Schicht. Diese vertikale Stapelung erlaubt es, deutlich mehr Beinpaare auf derselben Fläche unterzubringen, während die Spiralform die Wärme dazu zwingt, einen längeren Weg vom warmen Zentrum zum kühleren Rand zu nehmen, wodurch der Temperaturunterschied stärker und das elektrische Signal größer wird.

Abwägung von Wärmefluss und Gleichmäßigkeit

Mit Computersimulationen testete das Team, wie stark die Spirale gekrümmt sein sollte, um die beste Leistung zu erzielen. Sie fanden heraus, dass engere Spiralen den Wärmeweg verlängern, Wärmeverluste verringern und die Temperaturdifferenz zwischen den heißen und kalten Enden jedes Beins erhöhen. Die runde Membran und das radiale Layout sorgen außerdem dafür, dass jedes Bein nahezu dasselbe Temperaturprofil erfährt, sodass kein Teil des Sensors unterausgelastet ist. Im Vergleich zu älteren rechteckigen Layouts verteilt das neue kreisförmige Spiraldesign die Wärme gleichmäßiger und vermeidet heiße und kalte Stellen, die die Struktur im Laufe der Zeit belasten könnten.

Von der Chipfertigung bis zu realen Messungen

Die Sensorchips wurden mit weit verbreiteten Fertigungsschritten hergestellt, die mit Standard-CMOS-Prozessen kompatibel sind, einschließlich des Auftragens von Silizium- und Metallschichten, des Strukturierens in Spiralbeine und des Ätzens von Silizium, um eine freistehende Membran zu hinterlassen. Der fertige Chip wurde in ein kleines Metallgehäuse mit einem Infrarotfenster montiert und vor einer kontrollierten Wärmequelle getestet. Messungen zeigten ein gleichmäßiges und vorhersehbares Ausgangssignal bei Änderung der Quellentemperatur, was bestätigt, dass der Sensor Temperatur aus der Ferne mit guter Stabilität und Reproduzierbarkeit erfassen kann.

Stärkere Signale mit kleinem Kompromiss

Beim Vergleich des Spiraldesigns mit einer konventionelleren nicht-spiralförmigen Version gleicher Größe waren die Verbesserungen deutlich. Der neue Sensor erzeugte etwa vierzig Prozent mehr Spannung pro Einheit eingehender Wärme und zeigte einen spürbaren Gewinn in seiner Fähigkeit, schwache Signale über dem Rauschgrund zu erkennen. Dies ging nur mit einer moderaten Erhöhung der Ansprechzeit um wenige Tausendstelsekunden einher, was für die meisten Bildgebungs- und Überwachungsaufgaben noch schnell genug ist. Für den Laien lautet die Quintessenz: Durch die gezielte Gestaltung des Wärmewegs in einer winzigen Struktur haben die Forscher ein empfindlicheres, weiter praktisch einsetzbares Wärme-Sensing-Pixel geschaffen, das künftigen Infrarotkameras hilft, feinere Details zu sehen, ohne die Kosten sprunghaft zu erhöhen.

Zitation: 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

Schlüsselwörter: Infrarotsensor, Thermopile, Wärmebildgebung, MEMS, Wärme detektion