Ontwikkeling van een nieuw radiaal-gedistribueerd spiraalvormig tweelaags thermopile-infraroodsensor met verbeterde gevoeligheid

Scherpere warmtevisie voor alledaagse apparaten

Van slimme thermostaten tot contactloze medische thermometers: veel apparaten vertrouwen op onzichtbare warmtepatronen om de wereld waar te nemen. Dit artikel onderzoekt een nieuwe, kleine warmtesensor die infraroodlicht duidelijker kan ‘zien’ zonder dure koeling, en daarmee de weg vrijmaakt voor scherpere, goedkopere thermische camera’s in huizen, ziekenhuizen en fabrieken.

Waarom kleine warmtesensoren moeite hebben

Moderne infraroodcamera’s worden gedwongen meer detail te tonen terwijl ze compact en betaalbaar blijven. Om meer pixels op een chip te plaatsen moet elke detectie-eenheid krimpen, maar dat verzwakt meestal het signaal en maakt het beeld rumoeriger. Traditionele ontwerpen verspillen ook een deel van de binnenkomende warmte omdat deze niet gelijkmatig over de detectie-elementen wordt verdeeld, en ze kunnen moeilijk en duur zijn om in grote aantallen te produceren met standaard chipproductietechnieken.

Een nieuwe spiraalbaan voor warmte

De onderzoekers ontwierpen een nieuw type infraroodsensor, een thermopile, die temperatuurverschillen rechtstreeks in spanning omzet. Hun innovatie is het rangschikken van de detectie-‘poten’ in spiraalvormen die vanuit het midden van een dunne cirkelvormige membraan uitstralen. Elke poot is opgebouwd als twee gestapelde lagen van verschillende materialen, gescheiden door een isolerende film. Deze verticale stapeling maakt het mogelijk veel meer paar poten in hetzelfde oppervlak te persen, terwijl de spiraalvorm de warmte dwingt een langere weg af te leggen van het warme midden naar de koelere rand, wat het temperatuurverschil vergroot en het elektrische signaal versterkt.

Heatflow en uniformiteit in balans

Met computersimulaties onderzocht het team hoe sterk de spiraal moest krullen om de beste prestaties te bereiken. Ze ontdekten dat strakkere spiralen het warmtepad verlengen, waardoor warmteverlies wordt verminderd en het temperatuurverschil tussen het warme en koude uiteinde van elke poot toeneemt. Het ronde membraan en de radiale lay-out zorgen er ook voor dat elke poot bijna hetzelfde temperatuurpatroon ervaart, zodat geen deel van de sensor onderbenut raakt. Vergeleken met oudere rechthoekige ontwerpen verspreidt het nieuwe cirkelvormige spiraalontwerp warmte gelijkmatiger en voorkomt het hete en koude plekken die de structuur na verloop van tijd kunnen belasten.

Van chipfabricage tot echte metingen

De sensorchips zijn gebouwd met veelgebruikte fabricagestappen die compatibel zijn met standaard CMOS-processen, inclusief het afzetten van silicium- en metaalfilms, het patroonvormen ervan tot spiraalpoten, en het etsen van silicium om een opgehangen membraan achter te laten. De afgewerkte chip werd in een klein metalen pakket met een infraroodvenster gemonteerd en getest voor een gecontroleerde warmtebron. Metingen lieten een vloeiend en voorspelbaar uitgangssignaal zien naarmate de bron-temperatuur veranderde, wat bevestigt dat de sensor op afstand temperatuur kan meten met goede stabiliteit en herhaalbaarheid.

Krachtigere signalen met een kleine concessie

Bij vergelijking van het spiraalontwerp met een meer conventionele niet-spiraalversie van hetzelfde formaat waren de verbeteringen duidelijk. De nieuwe sensor leverde ongeveer veertig procent meer spanning per eenheid ingestraalde warmte en toonde een merkbare winst in zijn vermogen zwakke signalen boven de achtergrondruis te detecteren. Dit ging gepaard met slechts een bescheiden toename in responstijd van een paar duizendsten van een seconde, wat nog steeds snel genoeg is voor de meeste beeldvormings- en bewakingstaken. Voor een lezer zonder technische achtergrond is de conclusie dat door zorgvuldig te sturen hoe warmte door een kleine structuur reist, de onderzoekers een gevoeliger maar praktisch warmtedetecterend pixel hebben gecreëerd dat toekomstige infraroodcamera’s kan helpen fijnere details te zien zonder kostenstijging.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: infraroodsensor, thermopile, thermische beeldvorming, MEMS, warmtedetectie