En sensor inspirerad av ormars värmedetektering

Ett forskarteam har tagit fram en infraröd sensor som bygger på hur ormar fångar upp värmen från sitt byte. Enheten jobbar i 4K-upplösning, kräver ingen komplicerad kylning och kan snart dyka upp i helt vanliga mobiltelefoner.

Tekniken har gått en ovanlig väg – istället för det klassiska angreppssättet på infraröd detektering hämtade forskarna inspiration direkt från naturen. Resultatet är en miniatyriserad sensor som registrerar värmestrålning lika naturligt som de bästa nattjägarna i djurriket.

Från Peking till labbet: så skapades sensorn

Forskare från Beijing Institute of Technology och Changchun Institute of Optics har skapat en prototyp som kombinerar kvanttrådar av kvicksilvertellurid med fosforescerande iridium-föreningar. Hela konstruktionen är kompatibel med standardproduktionslinjer för CMOS-chip, vilket öppnar dörren till massproduktion.

Den här tekniken kan avsevärt utöka möjligheterna inom vardagselektronik – från byggnadsdiagnostik till nattnavigering. Det är ett exempel på hur biologiska principer kan förvandlas till praktiska ingenjörslösningar.

Ormarnas hemlighet: ett termiskt sinnesorgan i miniformat

Vissa ormarter jagar i fullständigt mörker tack vare ett särskilt sinnesorgan: de fångar upp värmestrålning från sitt byte. Mellan ögat och näsborren har de gropar med ett tunt membran som reagerar på de minsta temperaturskillnaderna.

När infraröd strålning träffar detta membran värms dess delar upp en aning. Den termiska reaktionen omvandlas till en nervsignal, och i hjärnan uppstår ett slags temperaturbild som smälter samman med den normala synen.

Hur den biologiska förebilden hjälpte till att bygga en elektronisk sensor

Forskarteamet överförde denna mekanism till elektronikens värld. Istället för ett biologiskt membran använde de ett lager av halvledarmaterial som fångar upp infraröd strålning och omvandlar den först till en elektrisk och sedan till en ljussignal. Hela enhetens arkitektur skapades efter principen att efterlikna sinnessorganets funktion så troget som möjligt – men i material kompatibla med nuvarande CMOS-matriser.

Den nya sensorn fungerar som en digital version av ormgropens termiska organ – den fångar passivt upp värme och skapar en detaljerad bild av omgivningens temperaturer. Det avgörande är att den till skillnad från traditionella termokameror inte behöver kylning till mycket låga temperaturer. Det innebär en dramatisk minskning av enhetens storlek och pris.

Nyckeln till funktionaliteten är lager i nanometertjocklek. Grundelementet är kvanttrådar av kvicksilvertellurid – mikroskopiska partiklar vars storlek kan regleras exakt, och därmed också det registrerade våglängdsintervallet. I det här fallet fångar de upp strålning upp till cirka 4,5 mikrometer, vilket är det typiska området där människokroppen och en bilmotor avger värme.

Därför krävde traditionella termokameror kylning – och den nya tekniken gör det inte

Att fånga upp infraröd strålning är bara halva framgången. Det kritiska problemet med klassiska termiska kameror är så kallade mörkerströmmar – brus från sensorns egen uppvärmning. Tidigare bekämpade man detta genom att kyla ner hela kretsen till extremt låga temperaturer, vilket krävde stora, dyra och ömtåliga apparater. Forskarna valde ett annat tillvägagångssätt.

Mellan kvanttrådarna och resten av kretsen satte de in en barriär av zinkoxid och den speciella polymeren P3HT. Ett sådant lager blockerar signaler som uppstår vid slumpmässig uppvärmning av elektroniken, men släpper igenom dem som utlöses av verklig infraröd strålning från omgivningen. Tack vare detta fungerar sensorn tillförlitligt vid normal rumstemperatur.

Ett ytterligare trick är ännu mer intressant. Istället för att direkt skicka den elektriska signalen till behandlingselektroniken placerade forskarna ett ljusavgivande lager ovanpå sensorn. Det innehåller fosforescerande föreningar med iridium som omvandlar strömmen till stabilt grönt ljus. Just denna ljusbild registrerar en standard CMOS-matris – precis som i en vanlig kamera.

Hela systemet fungerar som en översättare: osynlig infraröd strålning blir först till ström och sedan till vanligt ljus, som en traditionell kamera fångar perfekt. Denna arkitektur gör det möjligt att utnyttja befintliga produktionsteknologier och samtidigt uppnå parametrar som tidigare krävde specialkylda detektorer.

Kvanttrådar av kvicksilvertellurid fångar upp infraröd strålning upp till 4,5 mikrometer
Barriär av zinkoxid och polymer P3HT eliminerar mörkerströmmar
Fosforescerande lager med iridium omvandlar den elektriska signalen till grönt ljus
Standard CMOS-matris registrerar den resulterande ljusbilden i 4K-upplösning
Hela konstruktionen arbetar vid rumstemperatur utan behov av kylning
Tjockleken på de aktiva lagren mäts i nanometer

Vilka parametrar uppnår sensorn i 4K-upplösning

Forskarna lyckades uppnå en foton-till-foton-konverteringseffektivitet på över 6 procent i det närinfraröda området, samtidigt som drift vid rumstemperatur upprätthölls. Inom detta segment är det ett mycket solidt resultat, med tanke på att varken kylning eller stora konstruktioner används.

Hela systemet integrerades med en klassisk CMOS-sensor i 4K-upplösning, det vill säga 3840 × 2160 pixlar. Inom termisk bildtagning representerar denna upplösning ett verkligt kvalitativt språng. Hittills har höga upplösningar varit förbehållna dyra system med kylda detektorer.

Under testerna registrerade den nya sensorn läsbara bilder även vid mycket svaga infraröda signaler. Forskarna mätte både det närinfraröda området (SWIR) och det mellersta (MWIR). Ljusstyrkan nådde upp till cirka 6388 cd/m² för SWIR och 1311 cd/m² för MWIR, vilket betyder att kameran klarar krävande scener där traditionella sensorer bara ser svart.

Det dynamiska området är också viktigt – skillnaden mellan den mörkaste och den ljusaste punkten som kan registreras utan detaljförlust. För SWIR nådde det 38 dB och för MWIR 33 dB. Det återspeglar förmågan att samtidigt fånga mycket varma element – exempelvis en motor – och en markant kallare bakgrund eller människokonturer, utan att bilden överexponeras.

Den nya sensorn kan detektera signaler så svaga som 10⁻¹�strong> watt per kvadratcentimeter – en intensitet jämförbar med ljusstyrkan från stjärnor sedda från jorden. Så hög känslighet öppnar vägen till tillämpningar i nästan fullständigt mörker och överallt där det mänskliga ögat slutar registrera något som helst.

Var kan denna teknik hitta användning

Utvidgningen av sensorns perceptionsintervall från typiska 0,4 till 0,7 mikrometer till cirka 4,5 mikrometer förändrar fundamentalt kamerornas möjligheter. De börjar fungera effektivt i situationer som är problematiska för vanlig optik: i dimma, i rök, i fullständigt mörker eller vid kraftiga reflexer från metall- och glasytor.

Redan från början tecknar sig flera områden där sådana lösningar kan ingå i dagligt bruk. Industri och infrastruktur kommer att dra nytta av kontroll med överhettade komponenter och läckagedetektering utan att behöva ta isär utrustning. Jordbruket får ett verktyg för att bedöma växters tillstånd, vattenstress och sjukdomar baserat på fina temperaturskillnader i bladen.

Inom livsmedelssäkerhet kommer temperatur- och fuktighetskontroll i förpackningar, lager och kylkedjor att hjälpa. Transport och självkörande bilar kommer att utnyttja detektering av fotgängare, djur och hinder vid noll sikt på vägen. Medicinen kan observera inflammationstillstånd, cirkulationsstörningar eller läkningsprocesser i realtid via miniatyrkameror.

Diagnostik av överhettade komponenter i industrianläggningar
Övervakning av grödornas hälsa och detektering av sjukdomar inom jordbruket
Kontroll av temperaturkedjor på lager och i livsmedelsdistribution
Nattsyn för självkörande fordon och transportsystem
Medicinsk diagnostik av inflammation och cirkulationsstörningar
Eftersökning av personer i rök under räddningsaktioner
Säkerhetssystem som fungerar i fullständigt mörker
Byggnadsinspektioner och detektering av värmeläckage

I takt med att produktionspriset sjunker kan samma teknik tränga in i massenheter: smartphones, bärbara sportkameror, drönare och till och med smarta hushållsapparater. Det som dyra industrikameror klarar idag kan en vanlig telefon kanske göra imorgon – och det i 4K-kvalitet, utan stativ, tunga kapslar och kylsystem.

Så här kommer en termokamera i smartphones att förändra daglig användning

Sensorns skapare understryker att deras konstruktion samarbetar med befintliga produktionslinjer för CMOS-matriser. Det finns ingen anledning att bygga nya fabriker eller skapa separata moduler. I praktiken innebär det en möjlighet att integrera infraröda lager direkt i framtida generationer av smartphonekameror.

De möjliga användningsscenarierna i telefoner är mycket breda. Nattfotografering och -videor kommer att få en helt ny dimension – telefonen kommer att kunna se ljus även där man inte har en chans att urskilja konturer. Diagnostik av hushållsapparater kommer att avslöja ställen där värme slipper ut, kylskåpet överhettas eller värmen fungerar dåligt.

Assisterad körning i bilar kan utnyttja data från en telefon fäst vid instrumentbrädan för att varna för fotgängare eller cyklister om natten. Hälsoövervakning kan registrera inflammerade hudområden, temperaturförändringar som signalerar sjukdom eller cirkulationsproblem innan synliga symptom visar sig. Friluftsentusiaster kommer att uppskatta navigering i bergen, där dimma eller mörker gör normal orientering omöjlig.

Vilka frågor väcker utökad termovision i fickan

En ny sorts syn i telefonen är inte bara en fråga om bekvämlighet. Det uppstår också viktiga frågeställningar. En kamera som ser värme genom vissa material kan kränka privatlivet om den hamnar i händerna på folk med dåliga avsikter. Lagstiftningen kommer att behöva fastställa hur användare får hantera sådan data, i vilken upplösning och i vilka situationer.

Därtill kommer en hälsofråga. Sensorn själv arbetar passivt – den utstrålar ingen kraftig strålning, den tar bara emot. Det potentiella problemet kan snarare vara mängden ytterligare elektronik packad i telefonens täta hölje och den därav följande uppvärmningen. Här har tillverkarna ett ansvar för att förnuftigt lösa värmeavledning och energiförbrukning.

För dig som användare kan det också vara väsentligt hur artificiell intelligens-system kopplar samman data från den klassiska kameran och den termiska sensorn. Telefonen kommer automatiskt att kunna känna igen exempelvis personer i rök eller bakom dåligt upplyst glas, markera farligt varma föremål eller hjälpa räddningspersonal att lokalisera människor i en byggnad.

Föreställ dig en app som varnar för att röra en glödande kokplatta, eller en som visar på en karta var mest kyla tränger in i hemmet. Om sådana lösningar går i massproduktion slutar kameran i telefonen uteslutande att vara ett verktyg för bilder på sociala medier. Den får en helt ny funktion – den blir en bärbar känsla som kombinerar mänsklig syn med ormarnas värmeperception, och kan fundamentalt förändra det sätt vi använder elektronik på i vardagen.