Optimierung der Signalverarbeitung für moderne pyroelektrische Materialien in Infrarotmesssystemen

Produktbeschreibung

Pyroelektrische Sensoren wandeln modulierte Infrarotstrahlung in ein elektrisches Signal, um daraus beispielsweise eine Gaskonzentration oder Strahlungsintensität zu berechnen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit einem neuartigen pyroelektrischen Sensorelement auf Basis von Hafniumoxid (HfO2) sowie der dafür optimierten elektronischen Schaltung. Zunächst wird ein universelles Sensormodell eingeführt, um das frequenzabhängige Signal und Rauschverhalten des Sensors vorherzusagen und damit die Entwicklung und Optimierung der Einzelkomponenten zu unterstützen. Beim Design sind die technologischen Randbedingungen der Halbleitertechnik sowie die Anforderungen der übergeordneten Infrarotmesssysteme zu berücksichtigen. Die Integration weiterer Teile der Signalverarbeitung und -konditionierung im pyroelektrischen Sensor steigert die Integrationsdichte und verringert den Platzbedarf. Der dazu entwickelte und optimierte ApplicationSpecific Integrated Circuit (ASIC) mit digitaler Schnittstelle erlaubt die Verarbeitung der Messdaten mit minimalem externen Hardware-Aufwand. Sowohl das neu strukturierte HfO2-Sensorelement als auch der ASIC werden zuletzt in einem neuen Sensor zusammengeführt. Nach der Anpassung bestehender Messtechnik erfolgt eine Charakterisierung der Komponenten im Vergleich zu kommerziellen pyroelektrischen Sensoren.

Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
1.1 Neuartiges pyroelektrisches Schichtsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Integrierte Digitalisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Ziele der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 Grundlagen 5
2.1 Infrarotstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Infrarotspektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3 Thermische Infrarotsensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3.1 Allgemeiner Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3.2 Vergleich ausgewählter Sensortypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3 Stand der Technik 10
3.1 Infrarotmesssystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.1.1 Anwendungsgebiete pyroelektrischer Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.1.2 Infrarotemitter und Optik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.2 Funktionsprinzip von pyroelektrischen Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.2.1 Signalwandlungskette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.2.2 Pyroelektrische Materialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2.3 Rauschen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.2.4 Zeitkonstanten und Frequenzgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2.5 Schaltungen zur Signalkonditionierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.3 Modellierung von pyroelektrischen Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3.1 Thermisches Schichtenmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3.2 Wärmenetzmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.3.3 Finite-Elemente-Methode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.4 Charakterisierung von pyroelektrischen Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.4.1 Spektrale Signalanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.4.2 Empfindlichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.4.3 Rauschdichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.4.4 Spezifische Detektivität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.5 Kommerzielle pyroelektrische Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4 Präzisierte Aufgabenstellung 44
5 Universelle Modellierung pyroelektrischer Sensoren 47
5.1 Modellierungskonzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.1.1 Varianten von Sensorelementen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.1.2 Grenzen bisheriger Sensormodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.2 Gliederung in Teilsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.3 Modellierung des thermischen Verhaltens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.3.1 Finite-Elemente-Methode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.3.2 Ansatzfunktion für die Regressionsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.3.3 Regression der Temperaturempfindlichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.3.4 SPICE-Modell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.4 Modellierung des elektrischen Verhaltens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.4.1 Elektrisches Ersatzschaltbild des Sensorelements . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.4.2 Elektronische Verstärkerschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.5 Modellvalidierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.5.1 Übersicht Gesamtmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.5.2 Validierung des Signal- und Rauschverhaltens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.6 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
6 Strukturiertes Hafniumoxid-Sensorelement 71
6.1 Technologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
6.2 Vorgehen der Optimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
6.3 Topologie des Sensorelements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6.4 Optimierung der Sensorstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
6.4.1 Thermisches Verhalten des Sensorelements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
6.4.2 Elektrisches Verhalten des Sensorelements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
6.5 Realisiertes Sensorelement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.5.1 Dimensionierung des Sensorelements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.5.2 Modell des Sensorelements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.6 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
7 Integrierte Verstärkerschaltung 86
7.1 Randbedingungen von Infrarotmesssystemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
7.1.1 Größenordnung der Sensorparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
7.1.2 Bedeutung der Frequenzsynchronisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
7.2 Schaltungskonzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
7.2.1 Analogteil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
7.2.2 Analog-Digital-Wandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
7.2.3 Digitalteil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
7.3 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
8 Charakterisierung der Sensoren 97
8.1 Messaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
8.1.1 Aufbau der Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
8.1.2 Modifikation der Sensoransteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
8.2 Hafniumoxid-Sensorelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
8.2.1 Simulation und Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
8.2.2 Fit der Modellparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
8.3 Integrierter Schaltkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
8.4 CMOS-kompatibler Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
8.4.1 Vergleich der Leistungsfähigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
8.4.2 Technologische Grenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
8.5 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
9 Gesamtzusammenfassung und Ausblick 107
9.1 Zusammenfassung der Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
9.2 Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
Literatur 112

Keywords: Pyroelektrisches Sensormodell, Geschaltete Kapazität, SPICE, FEM, Rauschdichte, Pyroelektrisches Material, Hafniumoxid, Signalverarbeitung, Thermischer Infrarotsensor, CMOS-Sensor, pyroelectric sensor model, switched-capacitor, SPICE, FEM, noise density, pyroelectric material, hafnium oxide, signal conditioning, thermal infrared sensor, CMOS sensor