Thermischer Detektor
Neben Quantendetektoren sind thermische Detektoren eine zweite Art von Infrarotdetektoren. Sie basieren auf einer Temperaturänderung des Elements durch Absorption elektromagnetischer Strahlung. Die Temperaturänderung bewirkt eine Änderung einer temperaturabhängigen Eigenschaft des Thermodetektors, die elektrisch ausgewertet wird und ein Maß für die absorbierte Energie ist.
Strahlungsthermoelement (Thermosäule)
Wenn die Verbindung zweier unterschiedlicher Metalle erhitzt wird, entsteht aufgrund des thermoelektrischen Effekts eine zur Temperatur proportionale elektrische Spannung. Dieser Effekt wird seit vielen Jahren für technische Kontakttemperaturmessungen mit Thermoelementen ausgenutzt. Wenn die Erwärmung der Verbindungsstelle durch die Absorption von Strahlung verursacht wird, spricht man von einer Thermosäule.
Das Bild zeigt Thermoelemente aus Wismut/Antimon, die kreisförmig auf einer Detektorfläche eines Chips angeordnet sind. Durch die Erwärmung der Detektorfläche entsteht eine Signalspannung, die an der Bondinsel abgegriffen werden kann.
Pyroelektrische Detektoren
Die sogenannten pyroelektrischen Detektoren basieren auf dem pyroelektrischen Effekt. Das empfindliche Detektorelement besteht aus einem pyroelektrischen Material mit zwei durch Aufdampfen befestigten Elektroden. Der Grundaufbau eines pyroelektrischen Elements ist im Bild unten dargestellt.
Die durch die Absorption der Infrarotstrahlung entstehende Temperaturänderung im Detektorelement führt durch den pyroelektrischen Effekt zu einer Änderung der Oberflächenladung. Dadurch entsteht ein elektrisches Ausgangssignal, das in einem Vorverstärker verarbeitet wird. Aufgrund der Art und Weise der Ladungsbildung im pyroelektrischen Material muss der Strahlungsfluss ständig abwechselnd unterbrochen werden (Zerhacken). Der Vorteil der resultierenden frequenzselektiven Verstärkung ist ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis.
Bolometer
Das sogenannte Bolometer ist eine spezielle Art thermischer Detektoren und basiert auf der Temperaturabhängigkeit eines elektrischen Widerstands. Das empfindliche Detektorelement besteht aus einem Widerstand, dessen Wert sich bei Absorption der Wärmestrahlung ändert. Die Widerstandsänderung führt zu einer Änderung des Signalspannungsabfalls am Bolometerwiderstand. Um eine hohe Empfindlichkeit und einen großen spezifischen Nachweis zu erreichen, ist es notwendig, ein Material mit einem hohen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands zu verwenden. Bei Bolometern, die bei Raumtemperatur funktionieren, werden sowohl der Temperaturkoeffizient des Widerstands von Metallen (z. B. Schwarzschicht- und Dünnschichtbolometer) als auch der von Halbleitern (z. B. Thermistorbolometer) verwendet.
Bei Infrarotkameras kommt am häufigsten ein Focal Plane Array (FPA) auf Basis von Dünnschichtbolometern zum Einsatz. Der integrierte Bildsensor hat typischerweise eine Größe von 20.000 bis 1 Million Pixel. Hier ist jedes Pixel ein 17×17 bis 35×35 µm² großes Mikrobolometer. Durch den Einsatz von VOX (Vanadiumoxid) oder amorphem Silizium als alternative Technologien für FPAs kann ein drastisch verbessertes Preis-Leistungs-Verhältnis erreicht werden. Typische Detektorgrößen sind heute 160×120, 320×240 und 640×480 Pixel. Um die Messgenauigkeit zu erhöhen, werden die Bolometer mit hoher Regelgenauigkeit auf definierte Temperaturen thermostatisiert und über eine Offsetkorrektur regelmäßig referenziert.
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