Sviluppo di un nuovo sensore a termopila bilivello a spirale distribuita radialmente con responsività migliorata

Visione termica più nitida per i dispositivi di uso quotidiano

Dai termostati intelligenti ai termometri medici senza contatto, molti dispositivi si affidano a pattern di calore invisibili per percepire l’ambiente. Questo articolo esplora un nuovo sensore termico microscopico in grado di «vedere» la luce infrarossa con maggiore chiarezza senza necessità di costose apparecchiature di raffreddamento, aprendo la strada a telecamere termiche più nitide e meno costose per abitazioni, ospedali e stabilimenti industriali.

Perché i piccoli sensori di calore fanno fatica

Le moderne camere a infrarossi sono spinte a mostrare più dettagli restando compatte e accessibili. Per aumentare il numero di pixel su un chip, ciascuna unità sensoriale deve ridursi, ma questo normalmente indebolisce il segnale e aumenta il rumore dell’immagine. I progetti tradizionali sprecano inoltre parte del calore in arrivo perché non viene distribuito in modo uniforme tra gli elementi sensibili, e possono risultare difficili e costosi da produrre in grandi volumi con gli strumenti standard della microelettronica.

Un nuovo percorso a spirale per il calore

I ricercatori hanno progettato un nuovo tipo di sensore a infrarossi chiamato termopila, che converte direttamente le differenze di temperatura in tensione. La loro innovazione consiste nel disporre le «gambe» sensoriali a forma di spirale che si dipartono dal centro di una sottile membrana circolare. Ogni gamba è costruita come due strati impilati di materiali differenti, separati da un film isolante. Questo impilamento verticale permette di inserire molte più coppie di gambe nella stessa area, mentre la forma a spirale costringe il calore a percorrere un tragitto più lungo dal centro caldo al bordo più freddo, aumentando la differenza di temperatura e quindi il segnale elettrico.

Bilanciare flusso di calore e uniformità

Usando simulazioni al computer, il gruppo ha testato quanto dovesse essere stretta la spirale per ottenere le migliori prestazioni. Hanno scoperto che spirali più serrate allungano il percorso termico, riducono le perdite di calore e aumentano il divario di temperatura tra le estremità calde e fredde di ciascuna gamba. La membrana circolare e la disposizione radiale aiutano anche a far sì che ogni gamba sperimenti uno schema termico quasi identico, evitando che parti del sensore siano poco sfruttate. Rispetto ai layout rettangolari tradizionali, il nuovo design circolare a spirale distribuisce il calore in modo più uniforme ed evita zone eccessivamente calde o fredde che potrebbero sollecitare la struttura nel tempo.

Dalla fabbricazione del chip alle misure reali

I chip sensori sono stati realizzati con passaggi di produzione ampiamente utilizzati e compatibili con i processi CMOS standard, inclusi il deposito di film di silicio e metallo, la loro definizione in gambe a spirale e la rimozione di silicio tramite incisione per lasciare una membrana sospesa. Il chip finito è stato montato in un piccolo package metallico con una finestra per infrarossi e testato davanti a una sorgente di calore controllata. Le misure hanno mostrato un’uscita regolare e prevedibile al variare della temperatura della sorgente, confermando che il sensore può leggere la temperatura a distanza con buona stabilità e ripetibilità.

Segnali più forti con un piccolo compromesso

Confrontando il design a spirale con una versione più convenzionale non a spirale della stessa dimensione, i miglioramenti sono risultati evidenti. Il nuovo sensore ha prodotto circa il quaranta percento in più di tensione per unità di calore in arrivo e ha mostrato un guadagno significativo nella capacità di rilevare segnali deboli al di sopra del rumore di fondo. Questo è avvenuto con un solo modesto aumento del tempo di risposta di pochi millesimi di secondo, ancora sufficientemente rapido per la maggior parte delle applicazioni di imaging e monitoraggio. Per il lettore non specialista, la conclusione è che modellando con cura il percorso del calore attraverso una struttura microscopica, i ricercatori hanno creato un pixel termico più sensibile e pratico che può permettere alle future camere a infrarossi di vedere dettagli più fini senza aumenti di costo.

Citazione: 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

Parole chiave: sensore a infrarossi, termopila, imaging termico, MEMS, rilevamento del calore