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2025-03-21T15:53:07Z

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[[Datei:Simplified representation of a bolometric pixel.svg|mini|Vereinfachte Darstellung eines Mikrobolometers in dimetrische Axonometrie]]
Ein '''Mikrobolometer''' ist ein thermischer [[Sensor]] zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung. Neben der Detektion von Millimeterwellen, UV- und Röntgen-[[Strahlung]] wird er hauptsächlich zur Detektion von [[MWIR|mittlerer]] und [[LWIR|langwelliger Infrarotstrahlung]] eingesetzt. Als zweidimensionales Infrarot Focal Plane Array (IRFPA) stellen sie den [[Bildsensor]] von [[Wärmebildkamera]]s dar.

Mikrobolometer werden hauptsächlich als Detektoren in Wellenlängenbereichen oberhalb von etwa 3 µm eingesetzt. In diesem Bereich sind ungekühlte [[Fotodiode]]n aufgrund der thermischen Anregung technisch nur schwer realisierbar. Mikrobolometer können bei Raumtemperatur – also ohne aufwändige Kühlung – arbeiten, benötigen jedoch eine Temperaturstabilisierung.

Einsatz finden die Mikrobolometerarrays u. a. in den Bereichen der [[Thermografie]], Astronomie, Überwachung, Automotive, Militär und neuerdings auch Smartphones.

== Aufbau und Funktionsweise ==
[[Datei:Microbolometer.svg|mini|Prinzipieller Aufbau eines Mikrobolometers]]
Ein Mikrobolometer besteht aus einer Membran, die sich aus einer Sensor- und [[Absorber (Physik)|Absorberschicht]] zusammensetzt, die von zwei Elektroden über einem Substrat im [[Vakuum]] aufgehängt und somit thermisch isoliert ist. Aufgrund der Absorption der einfallenden infraroten Strahlung erwärmt sich die thermisch isolierte Membran, was eine Änderung des [[Widerstand (Bauelement)|elektrischen Widerstandes]] der Sensorschicht zur Folge hat. Die resultierende Änderung des Messsignals wird mithilfe einer Ausleseschaltung detektiert. Unterhalb der Membran befindet sich in der Regel ein Reflektor, wodurch die zum Teil zunächst transmittierte Strahlung reflektiert und anschließend von der Absorberschicht absorbiert wird. Der Abstand zwischen Membran und Reflektor folgt der λ/4-Bedingung.

Bei der Auslegung der thermischen Isolation durch dünne Stege muss abgewogen werden zwischen thermischer Isolation und mechanischer Robustheit.<ref>{{Literatur |Autor=Fabian Utermöhlen |Titel=Modeling of MEMS Microbolometers: A Physics-Based Scalable Compact Model |Verlag=Shaker |Datum=2015 |ISBN=978-3-8440-3565-0 |Seiten=}}</ref>

== Sensormaterial ==
Die Sensorschicht ist ein Kernelement des Mikrobolometers und hat maßgeblichen Einfluss auf die Eigenschaften und Performance des Mikrobolometers. Es gibt mehrere Materialien, die für die Sensorschicht in Mikrobolometern verwendet werden. Durch die Sensorschicht und ihre Materialeigenschaften wie z. B. Widerstands-[[Temperaturkoeffizient]] (TCR), [[1/f-Rauschen]] und Widerstand wird die Responsivität des Mikrobolometers bestimmt. Die Responsivität beschreibt die Fähigkeit, die eingehende Strahlung in ein elektrisches Signal umzuwandeln und somit die Qualität des Mikrobolometers.

Die am häufigsten verwendeten Sensormaterialien in Mikrobolometern sind amorphes [[Silizium]] und [[Vanadium(V)-oxid]] (V2O5). Seltenere Materialien sind [[Titan (Element)|Titan]], [[Yttrium-Barium-Kupferoxid]] (YBaCuO), [[GeSiO]], Poly-[[Siliciumgermanium]] oder [[BiLaSrMnO]]. [[Vanadiumoxid]] ist das ursprüngliche Materialsystem für Mikrobolometer. Es ist mit gängigen [[CMOS]]-[[Halbleitertechnik|Herstellungsprozessen]] kompatibel. Es gibt mehrere Phasen von VOx. [[Vanadium(IV)-oxid]] (VO2) hat einen niedrigen Widerstand, erleidet jedoch eine Metall-Isolator-Phasenänderung bei 67 °C und hat einen relativ niedrigen TCR. Vanadium(V)-oxid dagegen hat einen hohen Widerstand und einen hohen TCR. Aktuell scheint ''x'' ≈ 1,8 die populärste für Mikrobolometeranwendungen gewordene Phase zu sein. [[Amorphes Silizium]] (a-Si) ist eine neuere Technologie als VOx. Sie kann sehr gut in den CMOS-Herstellungsprozess integriert werden, ist sehr stabil, hat eine schnelle Zeitkonstante und eine lange mittlere Zeit vor dem Versagen. Um die Schichtstruktur und die Strukturierung zu erstellen, werden allerdings Temperaturen bis zu 400 °C benötigt.

Die Herstellung von Mikrobolometern kann [[MEMS]] basierend erfolgen.<ref>{{Literatur |Autor=Frank Niklaus, Christian Vieider, Henrik Jakobsen |Titel=MEMS-based uncooled infrared bolometer arrays: a review |Sammelwerk=MEMS/MOEMS Technologies and Applications III |Band=6836 |Verlag=SPIE |Datum=2008 |Seiten=125–139 |DOI=10.1117/12.755128}}</ref><ref>{{Internetquelle |autor=Coventor |url=https://www.coventor.com/blog/are-mems-bolometers-the-next-big-thing/ |titel=Are MEMS bolometers the next big thing? |werk=Coventor |datum=2014-04-08 |abruf=2022-11-27}}</ref>

== Pixelpitch ==
Aktuell sind IRFPAs mit einer [[Pixel]]größe (Mikrobolometer) von 17 µm im kommerziellen Bereich Stand der Technik. Um dem Trend von hochauflösenden IRFPAs und Kameras zu folgen, besteht die neue Generation der IRFPAs aus Pixeln mit einer Größe von 12 µm. Zur Realisierung der immer kleiner werdenden Strukturen, werden immer höhere Anforderungen an die Mikrostrukturierung gestellt, z. B. werden am [[Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme]] 12 µm Bolometer u. a. über Nanotube-Metallkontakte realisiert.<ref>{{Literatur |Autor=K.-M. Muckensturm, D. Weiler, F. Hochschulz, C. Busch, T. Geruschke |Titel=Measurement results of a 12 μm pixel size microbolometer array based on a novel thermally isolating structure using a 17 μm ROIC |Sammelwerk=Infrared Technology and Applications XLII |Band=9819 |Verlag=International Society for Optics and Photonics |Datum=2016-05-20 |Seiten=98191N |Online=https://www.spiedigitallibrary.org/conference-proceedings-of-spie/9819/98191N/Measurement-results-of-a-12-mum-pixel-size-microbolometer-array/10.1117/12.2223608.short |Abruf=2018-05-25 |DOI=10.1117/12.2223608}}</ref>

== Ursprung und Liste von Herstellern ==
Die Mikrobolometer-Technologie wurde ursprünglich beginnend in den späten 1970er Jahren von Honeywell für das US-Verteidigungsministerium entwickelt. Die US-Regierung hat die Technologie im Jahr 1992 freigegeben. Nach der Freischaltung lizenzierte Honeywell ihre VOx-Technologie an mehrere Hersteller. Die Patente sind mittlerweile ausgelaufen, sodass die VOx-Technologie auch anderen Herstellern offen steht. Mikrobolometer und darauf aufbauende Produkte unterliegen der Zollausfuhrkontrolle. U.a. folgende Unternehmen befassen sich mit der Entwicklung, Produktion und dem Vertrieb von Mikrobolometerarrays:

[[Datei:Sentry.jpg|mini|[[Wärmebildkamera]] mit einem Array von 320×200 Mikrobolometern|378x378px]]
* [[BAE Systems]] (GB)
* Dali Thermal (C)
* DRS Technologies (USA)
* FLIR Systems (USA)
* [[Fluke (Unternehmen)|Fluke Corporation]] (USA)
* [[Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme|Fraunhofer IMS]] (D)
* Guide Infrared (C)
* [[Honeywell International|Honeywell]] (USA)
* Institut National d’Optique (CDN)
* [[L-3 Communications]] Infrared Products (USA)
* Lynred (F) (former ULIS-IR and Sofradir)
* NEC (J)
* Opgal Optronics (IL)
* [[Raytheon]] (USA)
* Seek Thermal (USA)
* Teledyne Dalsa (CDN)

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Optisches Messgerät]]
[[Kategorie:Elektrotechnisches Messgerät]]

[[ja:ボロメータ#マイクロボロメータ]]

Mikrobolometer - Versionsgeschichte

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