Utveckling av en ny radiellt fördelad spiralformad tvålagers termopil-infraröd sensor med förbättrad responsivitet

Skarpare värseende för vardagliga enheter

Från smarta termostater till beröringsfria medicinska termometrar förlitar sig många prylar på osynliga värmemönster för att uppfatta omvärlden. Denna artikel undersöker en ny liten värmesensor som kan se infrarött ljus tydligare utan behov av dyr kylutrustning, vilket banar väg för skarpare och billigare värmekameror i hem, sjukhus och fabriker.

Varför små värmesensorer har problem

Moderna infraröda kameror pressas att visa mer detaljer samtidigt som de förblir små och prisvärda. För att trycka in fler pixlar på ett chip måste varje känslenhet krympa, men det försvagar vanligtvis signalen och gör bilden brusigare. Traditionella konstruktioner slösar också bort en del av den inkommande värmen eftersom den inte sprids jämnt över sensorelementen, och de kan vara svåra och kostsamma att tillverka i stor skala med standardverktyg för chipframställning.

En ny spiralväg för värme

Forskarna utformade en ny typ av infraröd sensor kallad termopil, som omvandlar temperaturskillnader direkt till spänning. Deras vinkel är att ordna sensorns "ben" i spiralformer som utgår från centrum av en tunn cirkulär membran. Varje ben byggs som två staplade lager av olika material, separerade av en isolerande film. Denna vertikala stapling gör det möjligt att pressa in många fler benen-par på samma yta, medan spiralformen tvingar värmen att färdas en längre väg från den varmare mitten till den svalare kanten, vilket gör temperaturskillnaden starkare och den elektriska signalen större.

Att balansera värmeflöde och enhetlighet

Med hjälp av datorsimuleringar testade teamet hur kraftigt spiralen bör kurva för att få bästa prestanda. De fann att tätare spiraler förlänger värmebanan, minskar värmeläckage och ökar temperaturgapet mellan de heta och kalla ändarna av varje ben. Den runda membranen och den radiella layouten hjälper också varje ben att uppleva i stort sett samma temperaturmönster, så ingen del av sensorn blir underutnyttjad. Jämfört med äldre rektangulära layouter sprider den nya cirkulära spiraldesignen värmen jämnare och undviker heta och kalla fläckar som kan påfresta strukturen över tid.

Från chipframställning till verkliga mätningar

Sensorchipen byggdes med väl använda tillverkningssteg som är kompatibla med standard CMOS-processer, inklusive avsättning av kisel- och metallfilmer, mönstring till spiralformade ben och etsning bort kisel för att lämna en upphängd membran. Det färdiga chippet monterades i ett litet metallpaket med ett infrarött fönster och testades framför en kontrollerad värmekälla. Mätningar visade en jämn och förutsägbar utsignal när källans temperatur förändrades, vilket bekräftar att sensorn kan läsa av temperatur på avstånd med god stabilitet och upprepbarhet.

Starkare signaler med en liten kompromiss

När spiraldesignen jämfördes med en mer konventionell icke-spiralversion i samma storlek var förbättringarna tydliga. Den nya sensorn gav ungefär fyrtio procent mer spänning per enhet inkommande värme och visade en märkbar förbättring i förmågan att upptäcka svaga signaler över bakgrundsbrus. Detta kom med endast en måttlig ökning av responstiden med några tusendelar av en sekund, vilket fortfarande är tillräckligt snabbt för de flesta bild- och övervakningsuppgifter. För en lekmannaläsare är slutsatsen att genom att noggrant forma hur värme färdas genom en liten struktur har forskarna skapat en mer känslig, fortfarande praktisk värmeavkännande pixel som kan hjälpa framtida infraröda kameror att se finare detaljer utan kostnadsökning.

Citering: 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

Nyckelord: infraröd sensor, termopil, termisk avbildning, MEMS, värmedetektion