Desarrollo de un novedoso sensor infrarrojo termopila en doble capa con distribución radial en espiral y responsividad mejorada

Visión térmica más nítida para dispositivos cotidianos

Desde termostatos inteligentes hasta termómetros médicos sin contacto, muchos dispositivos dependen de patrones de calor invisibles para percibir el entorno. Este artículo explora un nuevo sensor térmico en miniatura que puede ver la radiación infrarroja con mayor claridad sin necesidad de costosos sistemas de refrigeración, allanando el camino para cámaras térmicas más nítidas y económicas en hogares, hospitales y fábricas.

Por qué a los pequeños sensores térmicos les cuesta más

Las cámaras infrarrojas modernas se ven empujadas a mostrar más detalle manteniéndose pequeñas y asequibles. Para colocar más píxeles en un chip, cada unidad sensora debe reducirse, pero esto suele debilitar la señal y aumentar el ruido en la imagen. Los diseños tradicionales también desperdician parte del calor entrante porque no se distribuye de manera uniforme entre los elementos sensores, y además pueden ser difíciles y costosos de fabricar en grandes cantidades con las herramientas estándar de la industria de semiconductores.

Un nuevo camino en espiral para el calor

Los investigadores diseñaron un nuevo tipo de sensor infrarrojo llamado termopila, que convierte las diferencias de temperatura directamente en voltaje. Su innovación consiste en disponer las “patillas” sensibles en formas espirales que se extienden desde el centro de una membrana circular y delgada. Cada patilla está construida como dos capas apiladas de materiales diferentes, separadas por una capa aislante. Este apilamiento vertical permite acomodar muchos más pares de patillas en la misma área, mientras que la forma en espiral obliga al calor a recorrer un camino más largo desde el centro caliente hasta el borde más frío, aumentando la diferencia de temperatura y, por tanto, la señal eléctrica.

Equilibrando el flujo de calor y la uniformidad

Mediante simulaciones por ordenador, el equipo probó cuán cerrada debía ser la espiral para obtener el mejor rendimiento. Encontraron que las espirales más apretadas alargan la trayectoria del calor, reducen las pérdidas térmicas y aumentan la brecha de temperatura entre los extremos caliente y frío de cada patilla. La membrana circular y la disposición radial también ayudan a que cada patilla experimente un patrón de temperatura casi idéntico, de modo que ninguna parte del sensor quede infrautilizada. En comparación con los diseños rectangulares más antiguos, la nueva configuración circular en espiral distribuye el calor de forma más homogénea y evita puntos calientes o fríos que podrían generar tensiones en la estructura con el tiempo.

De la fabricación del chip a las mediciones reales

Los chips sensores se fabricaron con pasos ampliamente usados y compatibles con procesos CMOS estándar, incluidos el depósito de capas de silicio y metal, su patrón en patillas en espiral y el grabado del silicio para dejar una membrana suspendida. El chip terminado se montó en un pequeño paquete metálico con una ventana para infrarrojos y se probó frente a una fuente de calor controlada. Las mediciones mostraron una salida suave y predecible conforme cambiaba la temperatura de la fuente, confirmando que el sensor puede leer la temperatura a distancia con buena estabilidad y repetibilidad.

Señales más fuertes con un pequeño compromiso

Al comparar el diseño en espiral con una versión no espiral convencional del mismo tamaño, las mejoras fueron claras. El nuevo sensor generó aproximadamente un cuarenta por ciento más de voltaje por unidad de calor incidente y mostró una ganancia notable en su capacidad para detectar señales débiles por encima del ruido de fondo. Esto supuso solo un aumento modesto en el tiempo de respuesta —de unos pocos milisegundos—, aún lo bastante rápido para la mayoría de tareas de imagen y monitorización. Para un lector general, la conclusión es que, al diseñar cuidadosamente cómo viaja el calor a través de una estructura diminuta, los investigadores han creado un píxel térmico más sensible y práctico que puede ayudar a futuras cámaras infrarrojas a ver más detalle sin un aumento de coste.

Cita: 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

Palabras clave: sensor infrarrojo, termopila, imagen térmica, MEMS, detección de calor