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tm - Technisches Messen

Plattform für Methoden, Systeme und Anwendungen der Messtechnik

[TM - Technical Measurement: A Platform for Methods, Systems, and Applications of Measurement Technology
]

Editor-in-Chief: Puente León, Fernando / Zagar, Bernhard


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ISSN
2196-7113
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Volume 81, Issue 5

Issues

Thermographischer Detektor basierend auf einem neuartigen Mikro-Spiegel Sensor

Novel micro-mirror sensor based thermal detector

Ivo W. Rangelow / Stefan Sinzinger / Marek Steffanson / Mathias Holz / Tzvetan Ivanov / Roman Kleindienst / Ronald Kampmann
Published Online: 2014-04-28 | DOI: https://doi.org/10.1515/teme-2014-1017

Zusammenfassung

Wir berichten über die Entwicklung eines Wärmebildgeräts, das auf einem neuartigen, patentierten Sensor basiert. Der Sensor besteht aus einer Matrix aus Mikro-Spiegeln für deren Betreib keine Energiezufuhr in Form von Strom oder Spannung und darüber hinaus keine Kühlung notwendig ist. Die Mikro-Spiegel verbiegen sich proportional zur aufgenommen Wärmestrahlung (Infrarot-Intensität), vergleichbar mit einem bi-Metall-Thermometer. Die Verbiegung des einzelnen Mikro-Spiegels wird durch Auslenkung eines, an dem Spiegel reflektierten Kaltlichtstrahles von einem konventionellen CCD-Sensor erfasst und in Echtzeit-Wärmebilder umgewandelt. Das System besteht aus optischen Standardkomponenten. Durch Dünnschichttechnologien und CMOS-Kompatibilität des Sensors besitzt diese Innovation klare Kostenvorteile gegenüber aktuellen Infrarotdetektoren.

Abstract

The development of a thermal imaging system with a novel-type of infrared micro-sensor is presented. The sensor consists of a bi-material actuated micro-mirror focal plane array and does not require cooling for its operation. In addition the sensor does not require any electrical power for its operation, hence is completely passive. Its working principle is thermo-mechanical actuation. Due to a temperature rise of the free standing micro-structure generated by absorbed incident infrared flux, the structure experiences a mechanical deflection due to the mismatch of coefficients of thermal expansion of two different materials. The deflection is proportional to incident infrared intensity and is captured by an optical readout. The readout includes a visual light source (LED), standard optical components and a CCD-imager. The micro-mechanical movements are captured by the conventional CCD-sensor and directly presented as a real- time thermal image. Due to the novel sensor-design and the optimized straightforward, thin-film technology and CMOS-compatible micro-machining process this patented innovation has a clear competitive advantage over current infrared technologies.

Schlagwörter: Wärmestrahlung; Mikrospiegelmatrix; Wärmebildgerät; CCD-Sensor

Keywords: Infrared radiation; micromirror array; thermal imaging system; CCD sensor

About the article

Ivo W. Rangelow

Ivo W. Rangelow ist seit 2005 ordentlicher Professor an der Technischen Universität Ilmenau und leitet die Arbeitsgruppe „Mikro- und nanoelektronische Systeme“. Prof. Rangelow ist Gastprofessor an der Universität Berkeley und TU Wien. Während 1985–2004 war er leitender Wissenschaftler am Institut für Mikrosystem-Technology und Analytik, Universität Kassel, Leiter der Mikrostrukturierungsgruppe. Sein Curriculum umfasst wissenschaftliche Projektleitung in den Forschungsgebieten Nanosonden, MEMS, Nanostrukturierung, Ionenprojektionslithographie, Halbleiteranalytik, Vakuum-Mikroelektronik, Festkörper-Gasphasen-Reaktionen, Halbleiter und Nano-Bauteile, Sensoren, Aktuatoren und eingebettete Systeme. Prof. Rangelow ist ferner zuständig für Mittelbeschaffung und Projektakquisition, Betreuung von Diplom- und Doktorarbeiten, Projekte und Lehre.

Institut für Mikro- und Nano-Elektronik, Technische Universität Ilmenau, Postfach 100565, 98684 Ilmenau

Stefan Sinzinger

Stefan Sinzinger ist seit dem Jahre 2002 Fachgebietsleiter im Fachgebiet Technische Optik an der Technischen Universität Ilmenau. Nach erfolgreichem Abschluss der Promotion an der Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg im Jahre 1993, arbeitete er als wissenschaftlicher Assistent und Oberingenieur an der Fernuniversität Hagen (Optische Nachrichtentechnik) wo er sich im Jahre 2002 habilitierte. Seine Forschungsschwerpunkte liegen auf den Gebieten Design, Herstellung und Charakterisierung abbildender optischer (Mikro-)Systeme mit Freiform-Oberflächen mit Blick auf Anwendungen in der Biomedizintechnik, Mikro-nano-Integration und Sensorik.

Technische Universität Ilmenau, 98684 Ilmenau

Marek Steffanson

Marek Steffnason hat 2008 sein Master of Business (Engineering Management) in Australien abgeschlossen und 2009 das Mechatronikstudium an der TU Ilmenau. Er arbeitete seit 2009 in der Arbeitsgruppe von Prof. Rangelow an der Entwicklung des neuartigen Infrarotdetektors. Er ist für die mikrotechnische Entwicklung des Mikrosensors verantwortlich.

Technische Universität Ilmenau, 98684 Ilmenau

Mathias Holz

Mathias Holz hat an der TU Ilmenau seinen Bachelor in Elektro- und Informationstechnik gemacht. Dabei spezialisierte er sich auf Mikro- und Nanoelektronik. Seit 2012 arbeitet er im Fachgebiet für Mikro- und Nanoelektronische Systeme unter der Leitung von Professor I. W. Rangelow. Dort ist er an der Entwicklung und Herstellung der neuartigen Infrarotsensoren beteiligt.

Technische Universität Ilmenau, 98684 Ilmenau

Tzvetan Ivanov

Tzvetan Ivanov hat 1996 seinen Master in der Festkörperphysik (Solid State Physics) an der Universität in Sofia mit ausgezeichnetem Erfolg abgeschlossen. 2004 promovierte er an der Universität in Kassel mit dem Thema „Piezoresistive cantilver with an integrated bimorph actuator“ im Fachgebiet Physik zum Dr. rer. nat. Seit 2006 arbeitet er an der technischen Universität in Ilmenau als wissenschaftlicher Mitarbeiter im Fachgebiet für Mikro- und Nanoelektronische Systeme. Er leitet die Abteilung für technologische Entwicklungen von neuartigen Mikro- und Nanosensoren.

Technische Universität Ilmenau, 98684 Ilmenau

Roman Kleindienst

Nach seinem Abschluss als Diplomingenieur im Bereich physikalische Optik und einer Tätigkeit als Entwicklungsingenieur im Geschäftsbereich Mikrooptik der Jenoptik L. O. S. GmbH wechselte Roman Kleindienst 2008 als wissenschaftlicher Mitarbeiter und Doktorand an die TU Ilmenau. Seine Forschungsschwerpunkte liegen im Design und der technologischen Realisierung (mikro-)optischer Komponenten und Systeme. Zur Vermarktung von Dienstleistungen im Bereich der technischen Optik gründete er zusammen mit Prof. Stefan Sinzinger die Ilmenau Optics Solutions GmbH.

Technische Universität Ilmenau, 98684 Ilmenau

Ronald Kampmann

hat Ende 2010 sein Masterstudium der Optronik an der TU Ilmenau erfolgreich abgeschlossen. Seitdem arbeitet er am Fachgebiet Technische Optik an der TU Ilmenau als wissenschaftlicher Mitarbeiter sowie an seiner Assistenzpromotion. Die Schwerpunkte seiner Arbeiten liegen in der Ultrakurzpulslaserbearbeitung, der Streulicht-Messtechnik und -Simulation sowie in dem Feld der optischen Pinzetten.

Technische Universität Ilmenau, 98684 Ilmenau


Accepted: 2013-12-12

Received: 2013-09-09

Published Online: 2014-04-28

Published in Print: 2014-05-28


Citation Information: tm - Technisches Messen, Volume 81, Issue 5, Pages 219–227, ISSN (Online) 2196-7113, ISSN (Print) 0171-8096, DOI: https://doi.org/10.1515/teme-2014-1017.

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©2014 Walter de Gruyter Berlin/Boston.Get Permission

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