Opracowanie nowego radialnie rozłożonego spiralnego dwuwarstwowego thermopilowego czujnika podczerwieni o zwiększonej czułości

Ostre widzenie termiczne dla urządzeń codziennego użytku

Od inteligentnych termostatów po bezdotykowe termometry medyczne, wiele urządzeń polega na niewidocznych wzorcach ciepła, by odbierać otoczenie. Artykuł bada nowy, niewielki czujnik ciepła, który potrafi lepiej widzieć promieniowanie podczerwone bez potrzeby stosowania drogich systemów chłodzenia, torując drogę do ostrzejszych, tańszych kamer termicznych w domach, szpitalach i zakładach przemysłowych.

Dlaczego małe czujniki ciepła mają trudności

Nowoczesne kamery na podczerwień są popychane do pokazywania większej liczby detali przy zachowaniu kompaktowych i przystępnych rozmiarów. Aby upakować więcej pikseli na chipie, każda jednostka pomiarowa musi się zmniejszyć, co zwykle osłabia sygnał i zwiększa szum obrazu. Tradycyjne projekty marnują też część padającego ciepła, ponieważ nie jest ono równomiernie rozprowadzane po elementach sensorycznych, a ich masowa produkcja przy użyciu standardowych narzędzi półprzewodnikowych może być trudna i kosztowna.

Nowa spiralna ścieżka dla ciepła

Naukowcy zaprojektowali nowy rodzaj czujnika podczerwieni zwanego thermopilem, który przekształca różnice temperatur bezpośrednio w napięcie. Ich innowacja polega na rozmieszczeniu „nóżek” sensorycznych w kształcie spirali rozchodzących się od środka cienkiej, okrągłej membrany. Każda nóżka zbudowana jest z dwóch ułożonych pionowo warstw różnych materiałów, rozdzielonych warstwą izolacyjną. To pionowe układanie pozwala upchać znacznie więcej par nóżek na tej samej powierzchni, natomiast spiralny kształt zmusza ciepło do pokonania dłuższej drogi od ciepłego środka do chłodniejszej krawędzi, zwiększając różnicę temperatur i wzmacniając sygnał elektryczny.

Równoważenie przepływu ciepła i jednorodności

Przy użyciu symulacji komputerowych zespół sprawdzał, jak mocno spirala powinna się kręcić, aby uzyskać najlepsze osiągi. Odkryli, że ciaśniejsze spirale wydłużają ścieżkę cieplną, zmniejszając ucieczkę ciepła i zwiększając gradient temperatury między gorącym a zimnym końcem każdej nóżki. Okrągła membrana i radialny układ sprawiają też, że każda nóżka doświadcza niemal takiego samego rozkładu temperatur, więc żaden fragment sensora nie pozostaje niewykorzystany. W porównaniu ze starszymi prostokątnymi układami nowy, okrągły spiralny projekt lepiej rozprowadza ciepło i unika gorących oraz zimnych punktów, które mogłyby obciążać strukturę w czasie.

Od wytwarzania chipów do rzeczywistych pomiarów

Chip z czujnikami został wykonany przy użyciu powszechnie stosowanych kroków produkcyjnych zgodnych ze standardowymi procesami CMOS, w tym osadzania warstw krzemu i metalu, patternowania ich w spiralne nóżki oraz trawienia krzemu w celu pozostawienia zawieszonej membrany. Gotowy chip zamontowano w małej metalowej obudowie z oknem na podczerwień i przetestowano przed kontrolowanym źródłem ciepła. Pomiary wykazały gładki i przewidywalny przebieg sygnału w miarę zmiany temperatury źródła, potwierdzając, że sensor może z daleka mierzyć temperaturę ze stabilnością i powtarzalnością.

Mocniejsze sygnały przy niewielkim kompromisie

Gdy projekt spiralny porównano z bardziej konwencjonalną, nie-spiralną wersją o tym samym rozmiarze, różnice były wyraźne. Nowy czujnik generował około czterdzieści procent więcej napięcia na jednostkę padającego ciepła i wykazywał zauważalny wzrost zdolności wykrywania słabych sygnałów ponad poziom szumu tła. Towarzyszyło temu jedynie niewielkie wydłużenie czasu reakcji o kilka tysięcznych sekundy, co wciąż jest wystarczająco szybkie dla większości zadań obrazowania i monitorowania. Dla czytelnika nietechnicznego wniosek jest prosty: poprzez przemyślane kształtowanie dróg przepływu ciepła w maleńkiej strukturze, badacze stworzyli bardziej czuły, a wciąż praktyczny piksel sensorowy, który może pomóc przyszłym kamerom na podczerwień widzieć więcej szczegółów bez wzrostu kosztów.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: czujnik podczerwieni, thermopil, obrazowanie termiczne, MEMS, detekcja ciepła