Pro náročné bezkontaktní měření teploty v případech, kdy nelze použít pyroelektrické detektory nebo infratermočlánky, se hodí tzv. bolometry. Mikrobolometry se pak využívají hlavně pro účely infračerveného snímání obrazu. Princip, provedení i použití těchto senzorů je popsán v následujícím článku ...

Bolometry (z řeckého bole: paprsek) jsou senzory pro bezdotykové měření teploty (thermometers) pracující na principu pyrometrie, tzn. měření celkového vyzářeného tepelného výkonu prostřednictvím infračerveného záření. Tvoří tak alternativu k ostatním senzorům pro bezdotykové měření teploty, infratermočlánky, pyroelektrické senzory a fotonové snímače. Častěji se však bolometry vyskytují v podobě integrovaných obvodů obsahující uspořádání několika desítek, stovek nebo i tisíců bolometrů do matice, obecně označované jako mikrobolometry (viz. obrázek vedle). Využívají se nejčastěji pro potřeby termovize, tzn. infračerveného snímání obrazu předmětů s následnou možností měření nebo detekce jejich teploty.

Vlastnosti bolometrů & mikrobolometrů

• Jsou rychlé - krátká časová konstanta (až 1 ms)
• Velká citlivost
• Spektrální citlivost 1.6 až 5000 µm
• Velký pracovní teplotní rozsah senzorů (-40°C až 100 °C)
• Lze bez problémů měřit vysoký rozsah teplot měřeného objektu (i nad 1500 °C).
• Malé rozměry (u mikrobolometrů jen desítky µm)
• Není zde žádné ovlivnění měřeného objektu
• U mikrobolometrů velký počet snímačů ( i přes 80 tisíc) na malé ploše => infračervené snímaní obrazu s rozlišením až 320x240 pixelů
• Vysoká cena
• U některých typů je nutné chlazení

Použití bolometrů & mikrobolometrů

 

• Detekce ohně a plamenů
• Monitorování tepelného zatížení součástek, objektů - termovize s rozlišením až 320 x 240 pixelů (viz. obrázky)
• Detekce výbuchu
• Bezdotykové měření teploty
• Spektrometrie
• Monitorování teploty procesů
• Měření teploty pohyblivých předmětů
• Astronomie
• Infračervené kamery a dalekohledy
• Zabezpečovací technika

 

Co je to bolometr ?

Princip bolometrického detektoru infračerveného záření je znám od 80. let 19. století a princip činnosti je jednoduchý, dá se říct, že je vzdáleně podobný kovovým odporovým senzorům teploty. Elektrický odpor bolometru se zde také mění v závislosti na jeho teplotě, která však závisí na množství absorbovaného dopadajícího infračerveného záření. Množství dopadajícího záření může být tedy určeno ze změň odporu bolometru. Aby však byla změna teploty bolometru úměrná pouze absorbovanému infračervenému záření, musí být vlastní bolometr tepelně izolován od svého okolí.

Obr. 2. Princip použití bolometru jako proměnného prvku odporového děliče

Struktura jednoduchého bolometru je na obrázku 3. Infračervené záření dopadá na absorpční vrstvu senzoru tvořenou zlatou fólií, která pohlcuje až 95% záření. To ohřívá teplotně vodivý povrch i nosník. Na spodní straně nosníku je napařený meandr odporové dráhy, jejíž odpor se mění lineárně s teplotou. Na obrázku 4. je příklad dnes běžnější realizace v integrovaných bolometrech, tzn. na hliníkovém substrátu (desce) odizolované oxidem hliníku Al2O3, jsou na tepelně vodivé podložce z bismutu napařené odporové dráhy z kysličníků MgO, MnO, NiO, TiO2 (tzv. termistorové bolometry) nebo chalkogenidové sklo Tl2SeAs2Te3 (tzv. vrstvové bolometry). V případě jednoduchých bolometrů jsou obvykle použity čtyři (R1 až R4) vzájemně propojené do klasického Wheatstonova můstku, z nichž se některé používají jako kompenzační nebo referenční (zastíněném proti záření).

Stručný princip mikrobolometru

Mikrobolometr (někdy též mikrobolometrové pole - microbolometer array) se od jednoduchého bolometru liší počtem odporových plošek na jednom senzoru. Obvykle jde o čtvercovou strukturu (dvourozměrné pole) pokrytých právě teplotně citlivým odporovým materiálem ve formě plošek, který absorbují infračervené záření (IR radiation) - viz. obrázek 5. Celý mikrobolometrický senzor je pak vyroben jako monolitický křemíkový obvod.

Na obrázku 6. pak je detailní pohled na strukturu jedné plošky, která sama funguje jako klasický bolometr popsaný o kapitolu výše. Jak je patrné z obrázku, jako odporový materiál plošky veliké řádově desítek µm a tlusté desetiny µm se v současné době využívá oxid vanadičitý nebo nitrid křemíku. Ploška je z důvodu tepelné izolace od křemíkového substrátu vyvýšena o 2.5 µm pomocí "nožiček", které zároveň tvoří i přívodní kontakty. Izolant tvoří vzduch. Někdy bývá substrát pod a kolem plošky opatřen reflexní vrstvou, která neabsorbované záření odrazí zpět. Tím se zvyšuje účinnost. K vzájemnému propojení jednotlivých mikrobolometrů slouží propojovací síť obvykle hliníkových vodičů (X-metal, Y-metal). Dále je zde pod každou ploškou implementovaný spínací tranzistor (Monolitic Bipolar Transistor), který umožňuje adresovat jednotlivé mikrobolometry řídící logikou a tak z každého postupně přečíst změnu velikosti odporu, resp. změnu úbytku napětí, způsobeného ohřevem z dopadajícího infračerveného záření. Některé mikrobolometrické snímače se umisťují na Peltierův element pro udržování konstantní teploty až v rozmezí ±0,1 °C, čímž lze minimalizovat změny vlastností snímače s teplotou a tak zpřesnit měření.

Řídící logika senzoru je podobná té, která se využívá ve známých CCD obrazových snímačích nebo dynamických pamětech DRAM, kde se také postupně adresují a čtou jednotlivé elementy po řádcích (row) - viz. obrázek 7. Navíc však moderní mikrobolometry obsahují již na chipu přímo integrované signálové obvody pro analogovou nebo digitální úpravu signálu včetně například standardizovaného video signálu na jednom z výstupů obvodu.

Na následujícím obrázku 8. je reálná fotografie jedné plošky a výřez čtvrtiny chipu mikrobolometrového pole 320x240 pixelů. Tomu dominuje matice snímačů s bloky řídící logiky po stranách okolo matice. Z pohledu současných možností velikostí mikrobolometrických obrazových infračervených snímačů je možné implementovat na jeden křemíkový substrát více jak 300 tisíc plošek mikrobolometrů a vytvořit rozlišení 640x480 pixelů. Rozlišení 320x240 pixelů jsou už běžná. Vyrábí se však, z důvodu nižší ceny, například i rozlišení 160x120. Jinak na ceny kompletních termovizních systémů obvykle má větší vliv zaostřovací optika než samotný senzor. Ovšem čím větší je senzor, tím větší a dražší je i optika.

Mikrobolometry ULIS (Uncooled Infrared Detectors)

Jako praktický příklad mikrobolometrických senzorů jsem vybral výrobky francouzské firmy ULIS. Všechny senzory jsou nechlazené infračervené detektory s přímým TV výstupem s rozlišením 320 x 240 nebo 384 x 288 pixelů. Struktura mikrobolometrů je založená na rezistivním amorfním křemíku, který je plně slučitelný s technologií CMOS a není jej nutné chladit.

Silicon Infrared Detector - UL 01 12 1 / UL 01 01 1

Vlastnosti:

• Formát pole (rozlišení): 320x240, 45 µm vzdálenost pixelů (mikrobolometrů na chipu)
• Materiál: Resistive amorphous silicon
• Časová konstanta: 4 ms
• Spektrální rozsah: 2 až 16 µm
• NETD: 85 mK (f/1, 300 K, 60 Hz)
• Dynamický teplotní rozsah měřeného objektu: až 1500°C
• Převodní konstanta: 6 mV/K
• Pracovní teplotní rozsah senzoru: - 40°C až + 80°C
• Chyba opakovatelnosti měření: < 1.6%
• Rozměry: 37.5 x 37.5 x 12.5 mm bez vývodů
• Spotřeba: < 200 mW
• Analogový video výstup na pinech

Silicon Infrared Detector - UL 03 04 1

Vlastnosti:

• Formát pole (rozlišení): přepínatelný mezi 384 x 288 a 320x240 pixelů, 35 µm vzdálenost pixelů (mikrobolometrů na chipu)
• Materiál: Resistive amorphous silicon
• Časová konstanta: 7 ms
• Spektrální rozsah: 8 až 14µm
• NETD: 85 mK (f/1, 300 K, 60 Hz)
• Dynamický teplotní rozsah měřeného objektu: až 1500°C
• Převodní konstanta: 7 mV/K
• Pracovní teplotní rozsah senzoru: - 40°C až + 80°C
• Chyba opakovatelnosti měření: < 1.5%
• Rozměry: 32 x 23.5 x 7.4 mm bez vývodů
• Spotřeba: < 200 mW
• Analogový video výstup na pinech

Závěr

V tomto článku jsem se snažil představit, dle mého názoru, obecně málo známé senzory. Bolometry se kvůli vysoké ceně využívají hlavně pro účely bezkontaktního měření teploty v aplikacích, kde je nelze nahradit jinými radiačními pyrometry jako jsou infratermočlánky (thermopile senzory) nebo pyroelektrické senzory. Nejčastěji se s nimi tak lze setkat v provedení mikrobolometrů pro infračervené snímání obrazu. Postupem času se však díky integraci a použití nových materiálů odbourávají některé nedostatky v podobě například dříve nutného chlazení. Tím se snižuje cena i rozšiřuje možnost uplatnění.

 

DOWNLOAD & Odkazy

• Domovská stránka firmy ULIS - www.ulis-ir.com
• Další zajímavé odkazy na stránky o bolometrech: www.infraredsolutions.com, www.cedip-infrared.com,
  
• Ing. Jan Pech, Ing. Pavel Zahradník, CSc.: "Mikrobolometrické obrazové snímače", Elektrorevue 2003/15 - 7.4.2003.
• H. Kroegler: "Bolometry", Assciazione Euratom-ENEA sulla Fusione, Frascati (Italy)
• P.E. Howard, J.E. Clarke, A.C. Ionescu, and C. Li: "DRS U6000 640x480 VOX Uncooled IR
  Focal Plane", DRS Sensors and Targeting Systems, Inc, 1999
  


• Článek o principu bezdotykového měření teploty (pyrometrie) a thermopile senzorech na serveru automatizace.HW.cz
• Další články týkající se senzorů na serveru automatizace.HW.cz