13.10.2021

IR-Komponenten für Gassensorik und Temperaturmessung

Thermopile mit Referenztemperatursensor und Auswerteschaltkreis auf einem TO-Sockel.
Quelle: CiS
13.10.2021

Infrarotes Licht ist Träger zahlreicher Informationen: Zum einen kann die thermische Emission von Oberflächen für die kontaktfreie Temperaturmessung genutzt werden. Zum anderen kann durch die materialspezifische spektrale Lichtabsorption die Zusammensetzung und Konzentrationsmessung verschiedener Substanzen und Gemische durchgeführt werden. Der Weg von großen Laborgeräten hin zu kompakten Sensoren erfordert miniaturisierte und spezialisierte Baugruppen, für die sich die Technologien der Silizium-Mikrosensorik anbieten.

Entwicklung und Fertigung von IR-Strahlern und Thermopilesensoren 

Das CiS Forschungsinstitut hat sich hierbei auf die Entwicklung und Fertigung von IR-Strahlern und Thermopilesensoren fokussiert. Bei beiden Lösungen wird die eigentliche aktive Zone innerhalb einer sehr dünnen Membran aufgespannt. Der Siliziumträger wird gegen Ende der Herstellungsprozesse in diesen Gebieten vollständig entfernt, sodass davon nur ein schmaler Rahmen für die Handhabung und Montage übrig bleibt. Diese Struktur bietet den Vorteil, dass die aktiven Gebiete nur eine sehr geringe (thermische) Masse haben und gegenüber dem restlichen System gut thermisch isoliert vorliegen. Die so erzeugten Baugruppen sind mit Kantenlängen im Bereich 1 bis 3 mm nicht nur sehr klein, sondern weisen auch schnelle Reaktionszeiten auf.

Die realisierten MEMS IR-Strahler basieren auf der breitbandigen thermischen Emission eines typischerweise 600 bis 800°C heißen ohmschen Heizelements. Spektrales Verhalten und Dynamik können dabei anwendungsspezifisch durch den Schichtaufbau und die Geometrie kontrolliert werden. Im Fall der nicht-dispersiven IR (NDIR)-Sensorik durchstrahlt dieses Licht das zu untersuchende Volumen.

Thermopiles: Einsatz bei kontaktloser (Körper-) Temperaturmessung

Auf der Gegenseite wird ein oft in mehrere Spektral-Kanäle unterteilter IR-Sensor platziert, dessen Signale für die Konzentrationsbestimmung der gesuchten Stoffe genutzt werden können. Häufig kommen dazu Thermopiles mit optischen Filtern zum Einsatz, bei denen der Temperaturunterschied zwischen der beleuchteter Membran und dem kälteren Sensorrahmen zu messbaren Thermospannungen führt. Zum Einsatz kommt diese Technik insbesondere bei Gassensoren, wobei verschiedene Spezies wie Stickoxide, Methan, CO2 oder Alkohole erkannt und gemessen werden können. Thermopiles kommen darüber hinaus auch zur kontaktlosen (Körper-) Temperaturmessung zum Einsatz und sind häufig das sensorische Herzstück in kommerziellen Fieberthermometern und Pyrometern.

Das CiS Forschungsinstitut fokussiert sich dabei auf die Entwicklung und Fertigung der Siliziumkomponenten und innovativen Lösungen für deren Montage und Hausung. Die darauf aufbauende Entwicklung von Gassensoren und Temperaturmessgeräten erfolgt durch Industriepartner.

Kontakt: Dr. Martin Schädel, mschaedel@cismst.de

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