Erdfernerkundung - Numerische Physik: Modellierung

136 KAPITEL 3. SATELLITENINSTRUMENTE
Abbildung 3.56: Microbolometer [168]
Messprinzip
§ 441 Thermisches IR besteht aus Photonen geringer Energie. Daher erfolgt, im Gegensatz
zu Röntgen- oder Gammastrahlung (siehe Abschn. 5.2.1), der Nachweis nicht für einzelne
Photonen sondern über kollektive Effekte: es wird die durch Absorption des einfallenden
Lichts erzeugte Erwärmung gemessen. Letztere wird in der Regel nicht direkt sondern indirekt
über den sich mit der Erwärmung ändernden elektrischen Widerstand bestimmt. Geräte
dieser Art werden als Bolometer bezeichnet.
§ 442 Für die Erdfernerkundung von besonderem Interesse sind die Microbolometer im mittleren
[29] und thermischen IR [168, 332]: diese benötigen keine externe Kühlung, sind günstig
und lassen sich als Array arrangieren, so dass Thermographie möglich wird. 17 Abbildung 3.56
zeigt den Aufbau eines Pixels eines Microbolometers. Ale Pixel sind auf einem gemeinsamen
Substrat aufgebracht, in der Regel eine Silizium-Schicht, die auch dem Auslesen dient. Der
einzelne Pixel besteht aus einem Absorber und an seiner Unterseite dem eigentlichen Sensor,
ein polykristallines SiGe-Gemisch. Die Lücke zwischen Substrat und Absorber beträgt
ca. 2 µm, die Fläche des Pixels ca. 50 × 50 µm 2 . Die Kontaktierung zwischen Sensor und
Substrat muss (a) thermisch leitfähig sein (sonst ist der Sensor zu träge und reagiert nicht
auf Temperaturänderungen) und (b) elektrisch leitfähig sein (sonst ist ein Auslesen über das
Substrat nicht möglich).
§ 443 Der Widerstand des Sensors ist von der Temperatur abhängig gemäß
� �
Ea
R(T ) = R0 exp
kT
mit Ea als der Aktivierungsenergie, T der Temperatur, k der Boltzmann-Konstante und R0
einem nominellen Widerstand. Daraus lässt sich ein Koeffizient τ R(T) für die Änderung des
Widerstands mit der Temperatur bestimmen zu
τR(T) = 1 dR
R dt
Ea
= − .
kT 2
Die Aktivierungsenergie Ea lässt sich aus einer Messreihe (Labor) R(T ) bestimmen:
ln R(T ) = Ea
kT + ln R0 .
§ 444 Die Empfindlichkeit eines Mikrobolometers ist beschränkt durch die thermische Leitfähigkeit
des Pixels. Die Ansprechgeschwindigkeit hängt zusätzlich natürlich auch von der Wärmekapazität
ab. Eine Verringerung der Wärmekapazität führt auf ein schnelleres Ansprechen,
führt aber auch auf größere statistische Fehler. Eine Vergrößerung der Wärmeleitfähigkeit
erhöht zwar die Geschwindigkeit des Ansprechens, reduziert aber die Empfindlichkeit.
17 Der lange Zeit führende Entwickler von Microbolometern ist Raytheon [654], ein Mischkonzern, der
sich u.a. mit Produkten wie Sidewinder, Patriot oder Anti-Ballistic Early Warning Systems beschäftigt.
Die Kombination ist nicht überraschen: derartige Systeme benötigen zuverlässige, kleine und unempfindliche
Detektoren im IR.
2. Juli 2008 c○ M.-B. Kallenrode