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. Die Atmosphäre absorbiert Licht in diesem Wellenlängenbereich nur schwach.
Dadurch sind Strahlungssensoren im sichtbaren Bereich besonders nützlich. Sie können Informationen über weit entfernte Objekte sammeln. Die nahen Infrarot- und LWIR-Bereiche weisen eine geringe atmosphärische Absorption auf. Das bedeutet, dass sie sich hervorragend für Fernbeobachtungssensoren eignen.
Die Erkennung von Strahlung im LWIR-Bereich hilft uns, Objekte zu finden, die unbeleuchtet sind und Raumtemperatur haben. Diese Fähigkeit ist für viele spezielle Anwendungen von entscheidender Bedeutung. Beispielsweise funktioniert Nachtsicht gut, weil sie LWIR effektiv erkennt. LWIR-Sensoren sind für viele Beobachtungsaufgaben sehr nützlich.
Ein weiterer wichtiger Parameter für viele Fertigungsanwendungen ist die Temperatur. Infrarotsensoren haben hier einen großen Vorteil.
Sie können Temperaturänderungen über einen Bereich schnell erfassen, ohne ihn berühren zu müssen. Die gleichen Funktionen werden genutzt, um Fehler wie Hohlräume zu finden. Das liegt daran, dass sich ihre thermischen Eigenschaften von denen der Matrix unterscheiden. Darüber hinaus sind LWIR-Detektoren mit den richtigen Eigenschaften für die chemische Detektion wertvoll, da viele Molekülschwingungen charakteristische Resonanzfrequenzen in diesem Energiebereich aufweisen.
Ein klar definierter Infrarotsensor existiert im Spektralbereich von 8 bis 14 µm. Forscher haben erhebliche Investitionen in die Materialforschung für Anwendungen in LWIR-Sensoren getätigt.
Zwei wichtige Faktoren bei dieser Art von Anwendung sind die Kosten und vor allem die Leistung. Ein weiterer wichtiger Aspekt für die zukünftige Entwicklung einer weit verbreiteten Infrarot-Sensortechnologie ist die Abwägung zwischen Preis und Leistung.
Die zivile Strafverfolgung und viele weitere Anwendungen von LWIR sind preissensibel. Wenn Anwender keine extrem hohe Leistung benötigen, legen sie Wert auf einfache Verarbeitung und Zuverlässigkeit. Auch die Kompatibilität mit herkömmlicher Siliziumelektronik spielt eine Rolle, da diese Faktoren die Kosten stark beeinflussen.
Zur Erkennung von LWIR können Forscher viele Strategien anwenden. Die einfachsten und kostengünstigsten sind bolometrische Ansätze, bei denen die einfallende Strahlung das Detektorelement erwärmt und dadurch eine messbare Größe verändert (z. B. Widerstand oder Kapazität).
Bolometer sind für bestimmte Anwendungen hilfreich. Sie eignen sich gut, wenn ein integrierender Detektor benötigt wird. Außerdem können sie bei Raumtemperatur betrieben werden.
Es gibt eine kostengünstige Nachtsichtkamera. Sie verwendet 240 x 336 einzelne Mikrobolometer, die auf einem Siliziumchip hergestellt sind.
Die bolometrische Detektion hat einige grundlegende Leistungsgrenzen. Diese Grenzen ergeben sich aus der Funktionsweise von Bolometern. Beispielsweise führt eine hohe Empfindlichkeit oft zu einer langsamen Reaktion. Fotodetektoren (die einzelne Photonen direkt in elektrische Spannung oder Strom umwandeln) sind die bessere Wahl für Anwendungen, die eine hohe Empfindlichkeit erfordern.
LWIR-FOTODETEKTOREN
Mit Festkörperbauelementen, sogenannten Fotodetektoren, erzielen Sie die beste Leistung bei kurzer Reaktionszeit. Diese werden aufgrund ihrer potenziell hervorragenden Eigenschaften für viele Anwendungen eingesetzt:
- Geometrische Registrierung und Stabilität;
- Signal-Rausch-Verhältnis und Dynamikbereich;
- Optische, elektrische und mechanische Robustheit; und
- Kompaktheit und Kompatibilität mit Festkörper-Schaltungen.
Die meisten interessanten LWIR-Detektoren werden aus Halbleitermaterialien hergestellt. Ein Photon wird absorbiert und ein Ladungsträger bewegt sich vom gefüllten Valenzband zum Leitungsband. Dieser Prozess führt zur Detektion. Materialien mit direkter Bandlücke absorbieren Strahlungsenergie in der Nähe der Bandlücke besser als Materialien mit indirekter Bandlücke.
Ein Halbleiter kann Licht nur dann gut absorbieren, wenn die Wellenlänge des Lichts kurz genug ist. Dadurch kann die Energie der Photonen Ladungsträger über die Bandlücke hinweg anregen. Es ist wichtig, die Bandlücke so klein wie möglich für die gewünschte Wellenlänge einzustellen. Dies hilft bei der Herstellung von Materialien, die sich gut für die Infrarot-Sensorik bei langen Wellenlängen eignen.
LWIR-Sensoren müssen Objekte erkennen, deren Temperatur sich der Umgebungstemperatur (etwa 300 K) annähert. Die Suche nach besseren Materialien für Infrarotsensoren konzentriert sich auf Materialien mit Bandlücken unter 130 meV. Der Grund dafür ist, dass eine Temperatur von 15 °C einer Strahlungswellenlänge von 10 µm entspricht. Um effiziente LWIR-Detektoren herzustellen, benötigen Forscher keine binäre Legierung mit einer Bandlücke im Bereich von 130 meV.
Mit zunehmender Wellenlänge steigen auch die Herausforderungen bei der Herstellung hocheffizienter Sensoren. Wir haben verschiedene Strategien angewendet, um ein Material mit der „richtigen“ Bandlücke zu finden. Kein binäres Material eignet sich gut als LWIR-Detektor.
Hier sind drei Strategien zur Herstellung effizienter Infrarotdetektoren:
- MCT (Quecksilber-Cadmium-Tellurid)
- III-V-Mehrfach-Quantentopf-Bauelemente
- III-V-Spannungs-Supergitter
Bei den letzten beiden Strategien werden künstlich hergestellte Kristalle verwendet. Die Herstellung dieser Kristalle erfordert eine sorgfältige Kontrolle des Wachstumsprozesses auf atomarer Ebene.
Die Sensoren müssen bestimmte Eigenschaften aufweisen. Ein objektiver Vergleich der Leistungsfähigkeit verschiedener Infrarotsensor-Technologien ist für einige dieser Eigenschaften besonders wichtig:
- Empfindlichkeit – gemessen anhand der spezifischen Detektivität;
- Auflösung – oder rauschäquivalente Temperatur (d. h. die kleinste Temperaturdifferenz, die aufgelöst werden kann);
- Reichweite – oder spektrale Empfindlichkeit (d. h. wie die Detektivität von der Wellenlänge abhängt);
- Reaktionszeit;
- Thermische Einschränkungen – in Bezug auf die Betriebstemperatur.
ACKTAR ULTRA-BLACK-BESCHICHTUNG FÜR LWIR-OPTIMIERUNG
Die Ultra-Black-Beschichtungen von Acktar eignen sich hervorragend für LWIR-Sensorsysteme, da sie sowohl eine extrem niedrige Reflexion als auch eine sehr hohe Emissivität im langwelligen Infrarotbereich bieten. Insbesondere die Black™-Beschichtungen erreichen Emissivitätswerte von über 99 % im Bereich von 3–10 µm und über 94 % im breiteren Bereich von 3–30 µm – einschließlich des kritischen LWIR-Bands von 8–15 µm.
Darüber hinaus weisen Varianten wie Metal Velvet™ und Spectral Black™ im LWIR-Bereich (8–11 µm) eine Reflexion von nur etwa 4 % bzw. 7 % auf und übertreffen damit deutlich herkömmliche beflockte oder eloxierte Oberflächen (die typischerweise ~5 % erreichen).
Diese Beschichtungen sind außerdem vollständig anorganisch, vakuumbeschichtet und weisen eine geringe Ausgasung auf, wodurch sie mit kryogenen Umgebungen und der Halbleitermontage kompatibel sind. Das Ergebnis sind minimierte Streu-IR-Reflexionen, verbesserte Signal-Rausch-Verhältnisse und scharfe Wärmebilder, wodurch LWIR-Fotodetektorsysteme ihre theoretischen Leistungsgrenzen erreichen können.
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