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Thermischer Detektor

Die thermischen Detektoren sind neben den Quantendetektoren eine zweite Art der Infrarotdetektoren. Sie basieren auf der Änderung der Temperatur des Detektorelements durch Absorption von elektromagnetischer Strahlung. Die Temperaturveränderung bewirkt die Änderung einer temperaturabhängigen Eigenschaft des thermischen Detektors, die elektrisch ausgewertet wird und ein Maß für die absorbierte Energie ist.

Strahlungsthermoelement (Thermosäule)

Bei der Erwärmung der Verbindungsstelle zweier verschiedener Metalle entsteht aufgrund des thermoelektrischen Effekts eine zur Temperatur proportionale elektrische Spannung. Dieser Effekt wird seit Langem technisch bei der berührenden Temperaturmessung mit Hilfe von Thermoelementen genutzt. Wenn die Erwärmung der Verbindungsstelle durch Absorption von Strahlung hervorgerufen wird, dann bezeichnet man dieses Bauelement als Thermosäule.

In der Abbildung sind auf einem Chip kreisförmig um eine Detektorfläche angeordnete Thermoelemente aus Wismut/ Antimon dargestellt. Die Erwärmung der Detektorfläche führt zur Erzeugung einer  Signalspannung, die an den Bondinseln abgegriffen werden kann.

Pyroelektrische Detektoren

Die sogenannten pyroelektrischen Detektoren basieren auf dem pyroelektrischen Effekt. Das empfindliche Detektorelement besteht aus einem pyroelektrischen Material mit zwei aufgedampften Elektroden. Der prinzipielle Aufbau eines pyroelektrischen Elements ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Durch die bei der Absorption von Infrarotstrahlung hervorgerufene Temperaturänderung des Detektorelements ändert sich die Oberflächenla-dung in Folge des pyroelektrischen Effekts. Es ergibt sich ein elektrisches Ausgangssignal, das in einem Vorverstärker verarbeitet wird. Aufgrund der Natur der Ladungserzeugung im Pyroelektrikum muss der Strahlungsfluss hierbei kontinuierlich alternierend unterbrochen werden (Chopperung). Der Vorteil der anschließenden frequenzselektiven Verstärkung ist ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis.

Bolometer

Das sogenannte Bolometer ist eine Sonderform des thermischen Detek-tors und beruht auf der Temperaturabhängigkeit des elektrischen Wider-stands. Das empfindliche Detektorelement besteht aus einem Wider-stand, dessen Wert sich bei Absorption von Wärmestrahlung ändert. Die Widerstandsänderung ruft eine Änderung der über dem Bolometerwi-derstand abfallenden Signalspannung hervor. Um hohe Empfindlichkeit und große spezifische Detektivität zu erreichen, muss insbesondere ein Material mit einem hohen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands verwendet werden. In Bolometern, die bei Raumtemperatur arbeiten, wird sowohl der Temperaturkoeffizient des Widerstands von Metallen (z. B. Schwarzschicht und Dünnschichtbolometer) als auch der von Halbleitern (z. B. Thermistorbolometer) ausgenutzt.

Bei Infrarotkameras werden überwiegend Focal Plane Arrays (FPA) auf der Basis von Dünnschichtbolometern als Detektor genutzt. Der integrierte Bildsensor hat eine Größe von typischerweise 20.000 bis zu 1 Million Pixel. Jedes Pixel ist dabei ein 17x17 bis 35x35 µm² großes Mik-robolometer. Durch die Verwendung von VOX (Vanadiumoxid) oder amorphem Silizium als alternative Technologien für FPAs wird ein drastisch verbessertes Preis-Leistungs-Verhältnis erreicht. Typische Detektorgrößen sind heutzutage 160x120, 320x240 und 640x480 Pixel. Zur Erhöhung der Messgenauigkeit werden die Bolometer bei definierten Temperaturen mit großer Regelgenauigkeit thermostatiert und regelmäßig durch eine →Offsetkorrektur referenziert.

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