Kapitel 7 Flashcards
1) Thermische Sensoren kommen dann zum Einsatz, wenn der Halbleiter Silizium keinen für die Anwendung brauchbaren Wandlungseffekt zur Verfügung stellt:
a) Skizzieren Sie schematisch den Energiefluss bei der Signalwandlung in thermischen Mikrosensoren. Nennen sie einige Beispiele von thermischen Mikrosensoren.
Chemisch, Strahlung, mechanisch
-> thermisch -> elektrisch
Beispiele sind
(Mikro-)Bolometer zur IR Detektion
1) Thermische Sensoren kommen dann zum Einsatz, wenn der Halbleiter Silizium keinen für die Anwendung brauchbaren Wandlungseffekt zur Verfügung stellt
Nennen sie einige Beispiele von thermischen Mikrosensoren.
b) Skizzieren Sie eine solche Struktur und benennen Sie die wesentlichen Funktionselemente
Mikro-Bolometer (siehe Foto)
a-Si Membran durch thermisch isolierende Brücken und Stelzen in der Schwebe gehalten. Reflektor-Schicht darunter und Ausleseschaltkreis
WärmeleitungsSensoren
-> Leitfähigkeit der Luft mit PT-Heizmäander als Aktor und Sensor
Metalloxid-Gas-Sensoren
Beheizte Membran mit Elektroden und Metalloxid. Detektion der Widerstandsänderung der Sensorschicht.
Thermische Sensoren
Welche Anforderungen sind an eine thermische Mikrostruktur zu stellen, damit diese wirkungsvoll thermische in elektrische Signale umwandeln kann? (Empfindlichkeit, hohe Zeitauflösung)
Maximale Ausnutzung der verfügbaren Strahlung. Geringe Sensormasse, Reflektoren, wenn möglich Strahlenfalle, gute thermische Isolation des des Sensormaterials von Rest des Mems/Aufbau, Schnell Leitende Materialien (Elektroden) -> Supraleiter, on-site Signalverarbeitung,..
2) Wegen seiner relativ großen Bandlücke zeigt einkristallines Silizium keinen Photoeffekt bei Beleuchtung mit infrarotem Licht (Lambda ~ 10qm).
a) Skizzieren Sie den Aufbau eines Mikrobolometers und beschreiben Sie qualitativ dessen Funktionsweise.
Mikro-Bolometer (siehe Foto)
a-Si Membran durch thermisch isolierende Brücken und Stelzen in der Schwebe gehalten. Reflektor-Schicht darunter und Ausleseschaltkreis
- Modellierung der Festkörper-Wärmeleitung in der Membran durch thermische Widerstände
- Modellierung der molekularen Wärmeleitung zur Umgebung durch thermische Widerstände
Thermistor-Effekte in Si
a-Si zeigt Absorption im IR-Bereich
(Einkristallines Silizium)
b) Wie würden Sie ein Bolometer auslegen, um eine möglichst gute thermisch-elektrische Energiewandlung zu erhalten (Empfindlichkeit, hohe Zeitauflösung)
c) Wodurch ist die minimal detektierbare optische Leistung limitiert?
b) IR absorbierende Membran gut vom Rest des Sensors thermisch isolieren.
Reflektor unter der Membran
c) Durch die Bandlücke des Sensormaterials und damit detektierbare Wellenlänge
3) Wegen seiner indirekten Bandlücke ist einkristallines Silizium nicht zur Lichtemission fähig (Elektrolumineszenz, LED, HL-Laser).
d) Skizzieren Sie Aufbau und Funktionsweise eines thermischen Infrarot-Emitters.
Umgekehrter Energiefluss bei einem Bolometer -> Sensor wird zum Aktor!
Verwendung von z.B. GaAs als Sensormaterial -> direkte Bandlücke/Übergang -> zur Lichtemisdion fähig!
InGaAsN…
-> LEDs, Laser (quantum Wells, dots, wires)
3) Wegen seiner indirekten Bandlücke ist einkristallines Silizium nicht zur Lichtemission fähig (Elektrolumineszenz, LED, HL-Laser).
e) Wie würden Sie einen IR-Emitter auslegen, um einen möglichst guten elektrisch-optischen Wirkungsgrad zu erzielen?
Maximale Ausnutzung der verfügbaren erzeugten Strahlung. Reflektoren, gute thermische Isolation des des Sensormaterials von Rest des Mems/Aufbau, Schnell Leitende Materialien (Elektroden) -> Supraleiter, on-site Signalverarbeitung,..
Strahlenfalle bzw. Fokussierung passend zur Anwendung.
4) Beschreiben Sie an einem Beispiel wie mit Hilfe thermischer Mikrostrukturen Gase detektiert werden können.
IR-Absorption der Gase
Testkammer mit Luft Ein- und Ausgang (durchgeflutet). Eingang mit IR Emitter und IR Detektor (Array) am Ausgang.
z.B CO2, CO, HC, Ref
Vielzahl von Gasen zeigen ein charakteristisches Absorptionsspektrum!
CO2: Lüftungssteuerung, Feuerindikator
CO: Brandgas, Feuerindikator
HC: Leckagendetektion, Feuerindikator
Verlängerung des optischen Pfads (geschlossene reflektive Kammer) zur Erhöhung der Empfindlichkeit
5) Beschreiben Sie das Funktionsprinzip eines thermischen Massenflusssensors.
Mikro-Anemometer
Zwei seriell im Luftstrom positionierte und auf konstante T geregelte Pt-Heizer erlauben zeitlich hochaufgelöste Flussmessung
Kammer mit Luftstrom links->rechts
Links Heizer, Rechts T-Sensor
Temperaturfeld dazwischen
Dazu p und T Messung zur Bestimmung des Luftmassenstroms -> alle drei Sensoren finden sich zusammen in der Luftansaugsteuerung
6) Erläutern Sie die Idee thermischer Ersatzschaltbilder. Welche Analogien bestehen zwischen elektrischen und thermischen Größen?
Thermische Ersatzschaltbilder dienen dazu die Funktion thermischer Mikrostrukturen zu analysieren.
