LWIR Sensoren
Langwelliges Infrarot (LWIR) bezieht sich auf Multi- und Hyperspektraldaten, die im Wellenlängenbereich von 8-15 µm erfasst werden. LWIR-Erhebungen werden manchmal als „Wärmebildaufnahmen“ bezeichnet und können zur Identifizierung relativ warmer Merkmale wie heißer Quellen, Fumarolen und Schneeschmelze eingesetzt werden. LWIR-Sensoren können auch zur Kartierung der Verteilung bestimmter Mineralien im Zusammenhang mit hydrothermalen Prozessen eingesetzt werden.
Eine Vielzahl von Aktivitäten erfordert die Erfassung elektromagnetischer Strahlung. Da die Atmosphäre im Wellenlängenbereich nur schwach absorbiert, ist der Nutzen von Strahlungssensoren im sichtbaren Bereich groß und es können Informationen über weit entfernte Objekte gewonnen werden. Der nahe Infrarot- und der LWIR-Bereich weisen ebenfalls eine besonders geringe atmosphärische Absorption auf und bieten daher ein großes Potenzial für Sensoren zur Fernbeobachtung.
Die Erkennung von unbeleuchteten Objekten bei Raumtemperatur wird durch die Erfassung von Strahlung im LWIR ermöglicht, eine zentrale Fähigkeit für verschiedene Spezialanwendungen. So wird beispielsweise die Nachtsicht durch die effiziente Erkennung von LWIR ermöglicht, und LWIR-Sensoren sind für viele Aufklärungsanwendungen äußerst wertvoll. Ein weiterer kritischer Parameter für viele Fertigungsanwendungen ist die Temperatur. Infrarotsensoren haben den Vorteil, dass sie Temperaturänderungen in einem bestimmten Bereich besonders schnell erfassen können und berührungslos arbeiten. Die gleichen Eigenschaften werden auch zur Erkennung von Defekten wie Hohlräumen angewandt, da sich deren thermische Eigenschaften von denen der Matrix unterscheiden. Außerdem sind LWIR-Detektoren mit den richtigen Eigenschaften für die chemische Detektion wertvoll, da viele Molekülschwingungen charakteristische Resonanzfrequenzen in diesem Energiebereich haben.
Für die Erkennung von LWIR können verschiedene Strategien angewandt werden. Am einfachsten und kostengünstigsten sind bolometrische Ansätze, bei denen einfallende Strahlung das Detektorelement erwärmt und dadurch eine messbare Größe verändert (z. B. Widerstand oder Kapazität). Bolometer eignen sich für bestimmte Anwendungen, unter anderem für solche, bei denen ein integrierter Detektor benötigt wird, da sie bei Raumtemperatur arbeiten können. Es gibt eine preisgünstige Nachtsichtkamera, die auf 240 mal 336 einzelnen Mikrobolometern basiert, die auf einem mikrobearbeiteten Siliziumchip gefertigt sind. Grundlegende Leistungseinschränkungen der bolometrischen Detektion ergeben sich daraus, dass Bolometer auf einen Effekt zweiter Ordnung angewiesen sind; so bedeutet beispielsweise eine hohe Empfindlichkeit in der Regel eine langsame Reaktion. Bei Anwendungen, die eine hohe Empfindlichkeit erfordern, sind Photo-Detektoren (die einzelne Photonen direkt in eine elektrische Spannung oder einen Strom umwandeln) die bessere Wahl.
LWIR-PHOTODETEKTOREN
Theoretisch maximale Leistung (d. h. untergrundbegrenzt) bei schneller Ansprechzeit kann mit Festkörperbauelementen, so genannten Photodetektoren, erreicht werden. Diese werden wegen ihrer potenziell hervorragenden Eigenschaften für viele Anwendungen eingesetzt:
- Geometrische Erfassung und Stabilität;
- Signal-Rausch-Verhältnis und Dynamikbereich;
- optische, elektrische und mechanische Robustheit;
- Kompaktheit und Kompatibilität mit Halbleiterschaltkreisen.
Die meisten LWIR-Detektoren von Interesse werden aus Halbleitermaterialien hergestellt. Die Absorption eines Photons und die Anregung eines Ladungsträgers aus dem gefüllten Valenzband in das Leitungsband führt zur Detektion. Strahlungsenergie in der Nähe der Bandlücke wird von Materialien mit direkter Bandlücke besser absorbiert als von Materialien mit indirekter Lücke.
Kein Halbleitermaterial kann Strahlung effizient absorbieren, es sei denn, die Wellenlänge des absorbierten Lichts ist kurz genug, damit die Photonen genügend Energie mitbringen, um Ladungsträger über die Bandlücke anzuregen. Daher ist die Abstimmung der Bandlücke, die für die gewünschte Wellenlänge klein genug ist, um eine effiziente Absorption zu ermöglichen, ein wichtiger Aspekt bei der Entwicklung von Materialien, die für die Infrarotsensorik bei langen Wellenlängen geeignet sind. LWIR-Sensoren müssen Objekte erkennen, deren Temperatur sich der Umgebungstemperatur (etwa 300 K) nähert. Bei der Suche nach verbesserten Materialien für Infrarotsensoren geht es darum, Materialien mit Bandlücken von weniger als 130 meV zu finden, da eine Temperatur von 15 ¹C einer Strahlungswellenlänge von 10 µm entspricht. Um effiziente LWIR-Detektoren herzustellen, ist keine binäre Legierung mit einer Bandlücke im Bereich von 130 meV erforderlich.
Mit zunehmender Wellenlänge steigen auch die Anforderungen an die Materialien, die für die Herstellung hocheffizienter Sensoren erforderlich sind. Da sich kein binäres Material für die Anwendung als LWIR-Detektor eignet, wurden verschiedene Strategien angewandt, um ein Material mit der „richtigen“ Bandlücke zu finden. Im Folgenden werden drei solcher Materialstrategien zur Herstellung hocheffizienter Infrarotdetektoren beschrieben: MCT (Quecksilber-Cadmium-Tellurid), III-V-Multiple-Quantum-Well-Bauelemente und III-V-Supergitter mit verspannten Schichten. Bei den beiden letztgenannten Strategien handelt es sich um künstlich hergestellte, strukturierte Kristalle, deren Herstellung eine Kontrolle des Wachstumsprozesses auf atomarer Ebene erfordert.
Für die Sensoren sind geeignete Eigenschaften erforderlich. Unvoreingenommene Leistungsvergleiche zwischen verschiedenen Infrarotsensortechnologien sind für mehrere dieser Sensoren besonders wichtig
- Empfindlichkeit – gemessen an der spezifischen Detektivität;
- Auflösung – oder rauschäquivalente Temperatur (d. h. der kleinste Temperaturunterschied, der aufgelöst werden kann);
- Reichweite – oder spektrale Empfindlichkeit (d. h. wie die Detektivität von der Wellenlänge abhängt);
- Reaktionszeit;
- Thermische Beschränkung – in Bezug auf die Betriebstemperatur
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