Digitale 17 µm IRFPA

Das Fraunhofer IMS hat ein digitales IRFPA mit QVGA-Auflösung und 17 µm Pixelpitch entwickelt. Digitales IRFPA erlaubt die Detektion von emittierter Wärmestrahlung im MWIR-Bereich (Wellenlänge 3 µm bis 5 µm) oder im LWIR-Bereich (Wellenlänge 8 µm bis 14 µm). Ziel dieses Projektes war die Entwicklung eines kompakten, leistungsfähigen und einfach zu betreibenden IR-Imagers.

Hierfür wurde am Fraunhofer IMS die Mikrobolometer-Technologie mit einer digitalen Ausleseschaltung und einem Chip-Scale-Vakuum-Package verbunden. Die am Fraunhofer IMS entwickelte Mikrobolometer-Technologie verwendet amorphes Silizium und hat einen Pixel-Pitch von 17 µm. Für die Auslese dieser Mikrobolometer wurde eine Ausleseschaltung entwickelt, die durch parallelen Einsatz einer Vielzahl von ΣΔ-ADC die temperaturbedingte Widerstandsänderung der Mikrobolometer in digitale Werte umwandelt. Für den einfachen Betrieb des digitalen IRFPAs besitzt die Ausleseschaltung ein SPI-Interface zur Konfiguration des IR-Imagers und einstellbare interne Spannungsreferenzen für die ΣΔ-ADCs. Die aufgenommene Temperaturverteilung wird als Videodaten mit 16-Bit Auflösung bereitgestellt. Die kompakte Bauform wurde durch die Entwicklung eines Chip-Scale-Vakuum-Package realisiert. Mit Hilfe dieser Technologie konnte Fläche des digitalen IRFPAs auf die für die Ausleseschaltung benötigte Fläche gegrenzt und eine Bauhöhe von 1,5 mm erreicht werden.

Zur berührungslosen Temperaturmessung beispielsweise in der Prozesskontrolle werden ungekühlte IR-Bildaufnehmer (IRFPAs) basierend auf Mikrobolometern eingesetzt. Weisen die zu untersuchenden Objekte eine hohe Temperatur (z.B. 300°C bis 1000°C) auf, so lassen sich Standard-IRFPAs nur mit großen Messfehlern zur Temperaturmessung einsetzen, denn diese begrenzen üblicherweise den IR-Spektralbereich durch Bandpassfilter auf l = 8 µm bis l = 14 µm, während das Maximum der Strahlungsintensität für diese Temperaturen bei deutlich geringeren Wellenlängen liegt (300 °C: 5,1 µm, 1000 °C: 2,3 µm). Das Fraunhofer IMS verzichtet bei seinen digitalen 17µm QVGA-IRFPAs für diese Anwendungen auf einen Bandpassfilter und hat die Antireflektionsschicht für den Wellenlängenbereich von 3 µm bis 5 µm (MWIR) optimiert. Die neueste Generation hochsensitiver ungekühlter Infrarotsensoren mit 320 x 256 Pixeln für den LWIR- und MWIR-Bereich ermöglicht mit diesem angepassten Wellenlängenbereich eine deutlich verbesserte Temperaturbestimmung. In der Verbindung des deutlich erweiterten Spektralbereichs mit der sensoreigenen hohen Szenendynamik zeichnet sich dieser neue Sensor für Kontrolle hoher Prozesstemperaturen aus.

Die Kerneigenschaften des digitalen IRFPA sind:

• Ungekühlter Infrarotsensor für thermisch messende oder bildgebende Anwendungen im MWIR-Bereich (Wellenlänge 3 µm bis 5 µm) oder im LWIR-Bereich (Wellenlänge 8 µm bis 14 µm)
• Sensortechnologie: ungekühlte Mikrobolometer (amorphes Silizium)
• Optische Auflösung: 320 x 256 Pixel (konfigurierbar)
  • Zeilenauflösung von 4 bis 256 Zeilen digital einstellbar
  • Spaltenauflösung: 240 Spalten (fest eingestellt)
• Pixel-Pitch: 17 µm
• Temperaturauflösung: NETD < 60 mK (f/1.0, 295K, 30Hz)
• Szenendynamik: ΔT > 300K (ohne Verschlechterung des NETD-Wertes)
• Integrierte Temperatursensoren (analog und digital) für Betriebsmodi TEC-less und Shutter-less
• Direkte 16-Bit-Auslese der Mikrobolometer
• Rauschoptimierte Mikrobolometerauslese mit niedrigen Fixed Pattern Noise
• Vakuum-Gehäuse: Miniaturisiertes Chip-Scale-Package