CMOS-kompatible Mikrobolometer zur multispektralen Bildgebung im mittelwelligen und langwelligen Infrarotbereich
Multispektrale Bildgebung im infraroten (IR) Wellenlängenbereich vereint analog zur Farbphotographie Informationen aus unterschiedlichen Teilbereichen des Spektrums. Dies lässt sich etwa zur bildgebenden Gasdetektion in der Industrie, bei der Brandbekämpfung oder in sicherheitsrelevanten Szenarien zur verbesserten Objekterkennung nutzen. Aktuelle multispektrale IR-Kamerasysteme basieren entweder auf aufwändig gekühlten photonischen Detektoren oder nutzen breitbandige thermische Detektoren in Kombination mit Vorrichtungen zur spektralen Filterung auf Systemebene. Beides ist technisch komplex und limitiert hinsichtlich der Realisierung kompakter Systeme. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, die spektrale Selektivität in einem ungekühlten Detektor bereits auf der Ebene der einzelnen Pixel zu implementieren. Eine Möglichkeit hierfür ist die Integration plasmonischer Metamaterialabsorber (PMA) in Mikrobolometerarrays. Zu diesem Ansatz publizierte Arbeiten demonstrieren zwar dieses Prinzip, zeigen aber keine bildgebende Funktionalität. In dieser Arbeit werden erstmalig multispektrale bildgebende Detektoren bestehend aus Mikrobolometerarrays mit PMAs und integrierter Ausleseschaltung für die Bildgebung im mittelwelligen und langwelligen IR-Bereich vorgestellt. Es werden zunächst PMAs hergestellt und ihre Absorptionseigenschaften in Abhängigkeit von Geometrie und Materialien untersucht. Die Messungen zeigen schmalbandige Absorption mit Absorptionsgraden von bis zu 98 % für eingestellte Wellenlängen in einem Bereich von 2,0 µm bis 9,2 µm. Die mikrosystemtechnische Integration der Absorber in die Nanotube-Mikrobolometer des Fraunhofer IMS erfolgt in einem CMOS-kompatiblen Herstellungsprozess auf 200 mm-Wafern. Mit einer Größe von 17 µm × 17 µm sind die Mikrobolometer dabei um den Faktor 4 kleiner als die bislang kleinsten mit diesem Absorberkonzept gezeigten. Die responsivsten hergestellten Detektoren weisen rauschäquivalente Temperaturdifferenzen von 151 mK auf und ermöglichen Aufnahmen mit einer Bildwiederholrate von 30 Hz. Die erfolgreiche Umsetzung wird anhand zweier Anwendungsbeispiele, der bildgebenden Gasdetektion und der multispektralen Thermographie, demonstriert.
Similar to color photography, multispectral imaging in the infrared (IR) wavelength range combines information from different parts of the spectrum. Potential applications include optical gas imaging in industrial contexts, firefighting, or enhanced object detection. Existing multispectral IR camera systems are either based on cooled photonic detectors or use broadband thermal detectors in combination with system-level spectral filtering techniques. Both are technically complex and limited in terms of miniaturization of the systems. Therefore, it is beneficial to implement spectral selectivity in an uncooled detector at the level of individual pixels. One possibility is the integration of plasmonic metamaterial absorbers (PMA) into microbolometer arrays. Despite the existence of published research on this approach that demonstrates the principle, none of it exhibits any imaging functionality. This work presents the first multispectral imager consisting of microbolometer arrays with PMAs and integrated readout circuitry for imaging in the mid-wavelength and long-wavelength IR. First, PMAs are fabricated and their absorption characteristics are evaluated with respect to geometry and materials. The measurements reveal narrowband absorption for distinct wavelengths within a range from 2.0 µm to 9.2 µm with absorptances of up to 98 %. The integration of the absorbers into the nanotube microbolometers of Fraunhofer IMS is carried out in a CMOS-compatible manufacturing process on 200 mm wafers. The microbolometers with dimensions of 17 µm × 17 µm feature a fourfold reduction in size compared to other work employing the same approach. The most responsive detectors produced have noise-equivalent temperature differences of 151 mK, enabling recordings at a frame rate of 30 Hz. Two application examples, optical gas imaging and multispectral thermography, are provided to demonstrate successful implementation.