Разработка нового радиально-распределённого спирального бимассового термопильного ИК-датчика с повышенной чувствительностью

Более чёткое тепловое зрение для повседневных устройств

От умных термостатов до бесконтактных медицинских термометров — многие устройства полагаются на невидимые тепловые поля, чтобы «видеть» окружающий мир. В этой работе рассматривается новый крошечный тепловой сенсор, который лучше воспринимает инфракрасное излучение без необходимости в дорогостоящем охлаждении, что открывает путь к более чётким и доступным тепловым камерам для дома, больниц и заводов.

Почему маленьким тепловым датчикам сложно

Современные инфракрасные камеры стремятся показывать больше деталей, оставаясь компактными и недорогими. Чтобы уместить больше пикселей на чипе, каждый элемент сенсора должен уменьшаться, но это обычно ослабляет сигнал и увеличивает шум на изображении. Традиционные конструкции также теряют часть поступающего тепла из-за неравномерного распределения по чувствительным элементам, а массовое производство таких структур стандартными техпроцессами может быть сложным и дорогостоящим.

Новый спиральный путь для тепла

Исследователи предложили новый тип ИК-датчика — термопиль, который напрямую превращает тепловые градиенты в напряжение. Их новшество — размещение «ножек» сенсора в виде спиралей, расходящихся от центра тонкой круглой мембраны. Каждая ножка выполнена из двух уложенных друг на друга слоев разных материалов, разделённых изолирующим слоем. Вертикальная компоновка позволяет уместить в той же области гораздо больше пар ножек, а спиральная форма заставляет тепло идти более длинным путём от тёплого центра к более холодному краю, усиливая температурный градиент и повышая электрический сигнал.

Баланс теплопроводности и однородности

С помощью компьютерного моделирования команда исследовала, насколько тугими должны быть спирали для оптимальной работы. Они обнаружили, что более плотные витки увеличивают длину теплового пути, уменьшают утечку тепла и усиливают разницу температур между горячим и холодным концами каждой ножки. Круглая мембрана и радиальная компоновка также помогают всем ножкам испытывать почти одинаковый температурный профиль, поэтому ни одна часть сенсора не используется неэффективно. По сравнению со старыми прямоугольными схемами новая круглая спиральная компоновка более равномерно распределяет тепло и избегает горячих и холодных зон, которые со временем могут вызвать механические напряжения.

От изготовления чипа до реальных измерений

Чипы сенсора изготовили стандартными технологическими этапами, совместимыми с обычными CMOS-процессами, включая осаждение кремниевых и металлических плёнок, их паттернизацию в спиральные ножки и травление кремния для получения подвешенной мембраны. Готовый чип был установлен в небольшой металлический корпус с ИК-окном и испытан перед контролируемым источником тепла. Измерения показали плавный и предсказуемый выходной сигнал при изменении температуры источника, подтвердив, что сенсор способен дистанционно считывать температуру с хорошей стабильностью и воспроизводимостью.

Сильнее сигналы при небольшой уступке

При сравнении спирального дизайна с более традиционной несворачиваемой версией того же размера преимущества стали очевидны. Новый сенсор генерировал примерно на сорок процентов больше напряжения на единицу поступающего тепла и демонстрировал заметный рост способности обнаруживать слабые сигналы на фоне шума. Это сопровождалось лишь незначительным увеличением времени отклика на несколько тысячных секунды, что остаётся достаточно быстрым для большинства задач визуализации и мониторинга. Для непрофессионального читателя важный вывод такой: путём продуманного управления путями теплопередачи в крошечной структуре исследователи создали более чувствительный и при этом практичный тепловой пиксель, который поможет будущим инфракрасным камерам видеть более тонкие детали без значительного удорожания.

Цитирование: 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

Ключевые слова: инфракрасный датчик, термопиля, тепловизионная съемка, MEMS, обнаружение тепла