Thermische Infrarotsensoren sind aus dem modernen Leben nicht mehr wegzudenken. Sie werden häufig in medizinischen Geräten, Smart Homes, industrieller Überwachung, Sicherheitssystemen und Wärmebildkameras eingesetzt. Im Gegensatz zu Sensoren für sichtbares Licht erfassen thermische Infrarotsensoren die von Objekten emittierte Infrarotstrahlung und wandeln sie basierend auf Temperaturänderungen in elektrische Signale um.
Heutzutage lassen sich die gebräuchlichsten thermischen Infrarotsensortechnologien in drei Hauptkategorien einteilen: Thermopile-Infrarotsensoren, pyroelektrische Infrarotsensoren und Mikrobolometer. Jede Technologie funktioniert nach einem anderen Prinzip und ist für unterschiedliche Anwendungen konzipiert. Das Verständnis dieser Sensortypen kann Ingenieuren, Herstellern und Endbenutzern dabei helfen, die richtige Infrarotlösung für ihre Anforderungen auszuwählen.
1.Was ist ein thermischer Infrarotsensor?
Ein thermischer Infrarotsensor erkennt die von Objekten abgegebene Infrarotenergie und wandelt sie in messbare elektrische Signale um. Da alle Objekte über dem absoluten Nullpunkt Infrarotstrahlung aussenden, können Thermosensoren ohne direkten Kontakt die Temperatur messen oder die Anwesenheit von Personen und Objekten erkennen.
Im Gegensatz zu Photonendetektoren reagieren thermische Infrarotsensoren auf wärmebedingte Änderungen der Materialeigenschaften. Dadurch eignen sie sich für ein breites Anwendungsspektrum und reduzieren häufig die Systemkomplexität und -kosten.
2. Thermopile-Infrarotsensoren und pyroelektrische Infrarotsensoren
Thermopile-Sensoren gehören zu den am weitesten verbreiteten thermischen Infrarotsensoren. Das Funktionsprinzip ist relativ einfach: Wenn Infrarotstrahlung den Erfassungsbereich erwärmt, entsteht ein Temperaturunterschied, der ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt.
Da Thermopile-Sensoren die Temperatur ohne physischen Kontakt direkt messen können, werden sie häufig in Verbraucher- und Medizinprodukten eingesetzt. Ohrthermometer, Stirnthermometer, berührungslose Temperaturmessgeräte und Elektrogeräte basieren häufig auf der Thermopile-Technologie. Zu ihren Vorteilen gehören einfache Struktur, geringer Stromverbrauch, gute Stabilität und relativ niedrige Kosten. Sie werden jedoch im Allgemeinen eher zur Temperaturmessung als zur Wärmebildgebung verwendet.
Pyroelektrische Infrarotsensoren basieren auf dem pyroelektrischen Effekt. Bestimmte Materialien erzeugen elektrische Ladungen, wenn sich ihre Temperatur ändert. Ein wichtiges Merkmal pyroelektrischer Sensoren ist, dass sie nur auf sich ändernde Infrarotsignale reagieren. Sie reagieren sehr empfindlich auf Bewegungen, können jedoch stationäre Objekte mit konstanten Temperaturen nicht effektiv erkennen. Dadurch sind sie ideal für Bewegungserkennungsanwendungen. Infrarot-Bewegungssensoren, automatische Beleuchtungssysteme, intelligente Wasserhähne, Sicherheitsalarme und Belegungserkennungssysteme verwenden häufig pyroelektrische Infrarotsensoren.
3. Mikrobolometer: Das Herzstück von Wärmebildkameras
Mikrobolometer stellen die fortschrittlichste und am weitesten verbreitete thermische Infrarot-Sensortechnologie für Bildgebungsanwendungen dar. Im Gegensatz zu Thermopile- und pyroelektrischen Sensoren können Mikrobolometer statt einfacher Temperatur- oder Bewegungssignale vollständige Wärmebilder erzeugen.
Ein Mikrobolometer besteht aus temperaturempfindlichen Materialien, die Infrarotstrahlung absorbieren. Wenn sich das Material erwärmt, ändert sich sein elektrischer Widerstand. Der Detektor misst diese Widerstandsänderungen und wandelt sie in Bilddaten um, wodurch eine visuelle Temperaturkarte der Szene erstellt wird. Diese Fähigkeit ermöglicht es Wärmebildkameras, Temperaturunterschiede über Tausende von Pixeln gleichzeitig zu erkennen, was Mikrobolometer zur bevorzugten Wahl für Wärmebildsysteme macht.
Zu den Anwendungen gehören Industrieinspektionen, vorausschauende Wartung, Brandbekämpfung, Perimetersicherheit, Automotive Vision, medizinische Untersuchungen und auf Drohnen montierte Wärmebildkameras.
4.VOx vs. Mikrobolometer aus amorphem Silizium
Moderne Mikrobolometer verwenden typischerweise eines von zwei Sensormaterialien: Vanadiumoxid (VOx) oder amorphes Silizium (a-Si). Amorphes Silizium bietet eine gute Herstellungskompatibilität mit Standard-Halbleiterprozessen und wurde in verschiedenen Wärmebildprodukten eingesetzt. Allerdings gilt die VOx-Technologie im Allgemeinen als ausgereifter und wird in Hochleistungs-Infrarot-Bildgebungssystemen weit verbreitet eingesetzt. VOx-Mikrobolometer sind für ihre hohe Empfindlichkeit, hervorragende Bildqualität und stabile Leistung bekannt. Diese Vorteile haben VOx zu einer der dominierenden Technologien auf dem globalen Markt für ungekühlte Infrarotdetektoren gemacht. Da Wärmebildanwendungen immer weiter zunehmen, bleiben VOx-basierte Detektoren eine beliebte Wahl für professionelle und kommerzielle Wärmebildkameras.
5. Auswahl des richtigen thermischen Infrarotsensors
Der beste thermische Infrarotsensor hängt von den Anwendungsanforderungen ab. Thermopile-Sensoren eignen sich hervorragend zur berührungslosen Temperaturmessung. Pyroelektrische Sensoren zeichnen sich durch Bewegungserkennung und Anwesenheitserkennung aus. Mikrobolometer sind die bevorzugte Lösung, wenn Wärmebildgebung und detaillierte Temperaturkartierung erforderlich sind.
Bei modernen Wärmebildsystemen sind VOx-Mikrobolometer aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit, ausgereiften Technologie und hervorragenden Bildgebungsleistung weiterhin marktführend.
Abschluss
Thermische Infrarotsensoren spielen in vielen alltäglichen und industriellen Anwendungen eine entscheidende Rolle. Thermopile-Sensoren sorgen für eine genaue Temperaturmessung, pyroelektrische Sensoren ermöglichen eine zuverlässige Bewegungserkennung und Mikrobolometer ermöglichen die Wärmebildgebung.
Während sich die Infrarottechnologie weiter weiterentwickelt, tragen VOx-basierte ungekühlte Infrarotdetektoren dazu bei, die Verbreitung der Wärmebildtechnik in den Verbraucher-, Industrie-, Medizin- und Sicherheitsmärkten weiter voranzutreiben. Diese Innovationen machen die thermische Sensorik leistungsfähiger, erschwinglicher und zugänglicher als je zuvor.