Tellurid in der Wärmebildgebung
Neue Infrarotsensoren erkennen Entzündungen und Stürze berührungslos
Ob Krebs, Entzündungen oder Stürze – berührungslose Wärmebildsensoren sollen diese künftig frühzeitig erkennen. Neue MEMS-Bauelemente mit CMOS-integrierten Tellurid-Thermoelementen sollen Wärmebildsensoren deutlich empfindlicher machen, auf unter 20 Millikelvin bei Pixelgrößen unter 45 Mikrometern.
Eine Kamera, die berührungslos erkennt, ob sich eine Wunde entzündet, oder ob ein pflegebedürftiger Mensch zuhause gerade gestürzt ist – die Grundidee ist nicht neu, doch bisherige Wärmebildsensoren sind dafür schlicht nicht empfindlich genug. Genau daran arbeitet jetzt ein Forschungskonsortium aus Fraunhofer IPMS, Heimann Sensor und dem Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW Dresden) im gemeinsamen Projekt HITACT.
Woran Wärmebildsensoren bisher scheitern
Thermoelektrische Infrarotsensoren erfassen Temperaturen berührungslos und erstellen daraus Wärmebilder – Prozessüberwachung, Gebäudetechnik und Sicherheitstechnik nutzen das bereits heute. Die Grenze liegt dabei bislang im Material: Die bisher verwendeten Thermoelement-Werkstoffe begrenzen, wie empfindlich die Sensoren überhaupt werden können.
Telluride als Gamechanger
Der Name des Projekts verrät bereits den technischen Kern: »Hochdetektive Infrarot Thermopile Arrays mit CMOS-Integration von Telluriden« – die Forschenden integrieren deutlich effizientere thermoelektrische Materialien auf Tellurid-Basis in ein neuartiges MEMS-Bauelementkonzept, das vollständig CMOS-kompatibel bleibt. Ziel ist eine Temperaturauflösung von unter 20 Millikelvin bei Pixelgrößen von weniger als 45 Mikrometern – ein deutlicher Sprung gegenüber heutigen Systemen.
Früherkennung von Krebs und Stürzen
Was die höhere Empfindlichkeit medizinisch ermöglichen könnte, bleibt im Projekt bewusst als Perspektive formuliert, nicht als fertige Anwendung: Unterstützung bei der Krebsfrüherkennung, die Erkennung äußerlich sichtbarer Entzündungen sowie im Bereich des altersgerechten Wohnens die zuverlässige Erkennung von Stürzen oder anderen Notfallsituationen im häuslichen Umfeld. Auch autonome Fahrzeuge und industrielle Thermografie-Anwendungen sollen von der höheren Sensitivität profitieren, ebenso kosteneffiziente Lösungen zur kontaktlosen Temperaturmessung.
Früher Forschungsstand
Fraunhofer IPMS übernimmt im Projekt die MEMS-Technologieentwicklung: die Integration der neuen Thermoelementschichten, die Optimierung der Fertigungsprozesse und den Bau von Demonstrator-Chips – mit dem Ziel, die Materialien perspektivisch auch in die institutseigene 200-Millimeter-Fertigungslinie zu integrieren. Diese ist komplett CMOS-kompatibel ausgelegt und deckt neben MEMS auch MOEMS ab, also mikro-opto-elektro-mechanische Systeme – technologisches Rüstzeug, das dem Institut auch für andere Sensorprojekte zugutekommt. Zunächst demonstrieren die Projektpartner die Technologie an passiven Sensorarrays, erst in einer folgenden Phase sollen daraus aktive Arrays mit integrierter CMOS-Ansteuerelektronik entstehen. Angestrebt wird ein Technologiereifegrad von TRL4 - also der Punkt, an dem aus einer reinen Forschungsidee ein potenziell kommerzialisierbarer Ansatz wird. (uh)
