Thermometers

Naast mond, oksels en rectum is de laatste jaren de gehoorgang in trek voor het opnemen van de juiste lichaamstemperatuur. Het gaat daarbij om de temperatuur van het trommelvlies. Dicht bij dit vlies loopt de halsslagader waarin bloed stroomt met de kerntemperatuur van het lichaam. Die temperatuur is een belangrijke diagnostische parameter bij narcose.

“Tijdens operaties koelen patiënten af doordat alle vitale functies worden uitgeschakeld”, zegt hoogleraar Jaap de Lange, hoofd afdeling anesthesiologie van het VU ziekenhuis. “Het trommelvlies is een betrouwbaar meetpunt voor de centrale temperatuur, wij doen het overigens in de slokdarm of het rectum.”

Contact-thermometers gebruikt men bij het temperaturen van het kwetsbare trommelvlies liever niet. Indirect meten is beter, bijvoorbeeld door op kleine afstand de afgestraalde warmte te meten met een infrarood-sensor. Thermometers op afstand zijn er in de vorm van zogenaamde thermozuilen en pyro-elektrische elementen.

“Thermozuilen nemen echter veel ruimte in beslag en pyro-elektrische elementen zijn minder nauwkeurig”, zegt Takehisa Mori van het R&D Center van Terumo (Kanagawa) die samen met Mitsuteru Kimura van de Tohoku-Gakuin Universiteit (Tagajo) een nauwkeuriger alternatief heeft. De twee maakten een trommelvliesthermometer op basis van een microbolometer die is ondergebracht in een behuizing van 2 bij 2,5 millimeter.

Met bolometers werden in de Tweede wereldoorlog al oorlogsschepen op kilometers afstand gesignaleerd door detectie van hun warmtestraling. Het sensitieve deel in een bolometer is een warmtegevoelig element waarvan de elektrische weerstand afneemt als de temperatuur toeneemt.

In de microbolometer van Mori en Kimura is het een dun plaatje dat in een vacuüm-ruimte tussen twee zeer smalle bruggen is opgespannen. Op dit plaatje zit een temperatuurgevoelige weerstand (termistor). Dringt er infrarode straling vanaf het trommelvlies de chip binnen dan warmt het plaatje op. De verandering in weerstand is eenvoudig te meten.

Honeywell gebruikte dit principe in nachtzicht-apparatuur. Het Amerikaanse bedrijf maakte een infrarood-beeldsensor waarop 80.000 (240x340) microbolometers op één chip zijn geïntegreerd. Honeywell begon in 1982 al met de ontwikkeling van deze nachtzichtapparatuur in opdracht van het Department of Defence. Twee jaar geleden mocht Honeywell dit onderzoek openbaar maken. Door commercialisering hoopt het DOD op goedkopere nachtkijkers.

Net zoals een fototoestel en een videocamera het zichtbare licht via een lenzenstelsel op een fotografische film of een lichtgevoelige CCD-chip projecteren, zo beeldt een nachtkijker infrarode straling af op een array IR-sensoren. In de infraroodcamera van Honeywell meet elke microbolometer de straling voor één pixel. Daarmee wordt vervolgens een zwart-wit beeldscherm aangestuurd. De huidige nachtzichtapparaten zijn Forward Looking InfraRed systems. “In de VS worden FLIR's in grote hoeveelheden geproduceerd voor helikopters, tanks, vliegtuigen en raketzoeksystemen”, zegt Paul Kruse, Chief Research Fellow van Honeywells Sensor and System Development Center in Bloomington. “Ze hebben hun waarde in Desert Storm bewezen.” FLIR's werken op basis van fotogeleiding in de halfgeleider kwikcadmiumtelluride (HgCdTe). Infrarood licht met een golflengte van 8 tot 12 micron kan elektronen inHgCdTe van de valentieband naar de geleidingsband exiteren. Het materiaal geleidt dan beter en dat is gemakkelijk te meten. Deze energiesprong is echter klein. Bij kamertemperatuur is alzoveel thermische energie in hetHgCdTe-kristal aanwezig dat ook trillende atomen zo'n exitatie-zetje kunnen geven. Om deze thermische ruis te elimineren moet men HgCdTe-arrays afkoelen tot -196orrespondentC, bijvoorbeeld met behulp van vloeibare stikstof.

Cryogene koeling is niet de enige reden waarom FLIR's peperduur zijn (ruim honderduizend dollar per stuk). De huidige systemen zijn lijnscanners. Een sensorrij van HgCdTe wordt met een draaiend spiegeltje van IR-straling voorzien. “Tweedimensionale HgCdTe-arrays zijn nog niet in produktie”, zegt Kruse. “Maar ook als men dat bereikt blijven ze duur, omdat dit materiaal geen andere toepassingen kent.”

Met micromachining-technieken kon Honeywell echter gemakkelijk 240 bij 340 bolometers op een stuk silicium integreren. Produktie gebeurt in een conventionele chipfabriek. Elk van de 80.000 microbolometers is een tegeltje van 50 bij 50 micron dat net als in de trommelvliesthermometer aan microbruggen is opgehangen. Bij 20 orrespondentC zenden voorwerpen infrarode straling uit met een golflengte van 5 tot 22 micron. Het materiaal van de bolometertegeltjes is zodanig gekozen dat de absorptie het grootst is voor straling van 8 tot 14 micron. Het tegeltje warmt op en met de thermoweerstand zijn veranderingen vanaf 0,1 orrespondentC te meten.

Deze thermische detectie is weliswaar tien maal minder gevoelig dan de fotondetectie in FLIR's, maar er is geen cryogene koeling nodig. Thermische bolometer-arrays hebben een responstijd van milliseconden.

HgCdTe-fotondetectoren reageren in microseconden. Kruse: “Ze zijn dus snel genoeg om 30 beelden per seconde te genereren, en dat is de eis van de militairen.”

Honeywell denkt dat conventionele chipfabricagetechnieken en gebruik bij kamertemperatuur prijzen mogelijk maken van circa 6000 gulden per nachtzichtsysteem. De infraroodkijkers kunnen bijvoorbeeld automobilisten beter zicht bieden bij nacht of mist. In mist zouden de systemen het mogelijk maken om zes maal verder te kijken dan met groot licht. Op een monitor komen warme auto's en honden wit over, de lucht is zwart.

De bolometer-chip is bij verdere verkleining ook in nachtbrillen te monteren. Huidige nachtbrillen worden veel gebruikt door helikopterpiloten en werken met image intensification (I). Ze versterken het aanwezige zichtbaar licht en infrarood (bijvoorbeeld maan- of sterlicht) tot ongeveer 1 micron. In het pikkedonker doen ze niets.