Thermistorbolometer
Die Erfindung bezieht sich auf Thermistorbolometer und insbesondere auf Immersions-Thermistorbolometer.
Thermistorbolometer haben als Strahlungsempfänger im infraroten Gebiet weitgehend praktische Anwendung gefunden, da sie sowohl im nahen als auch im fernen infraroten Bereich verwendet werden können, was bei anderen Empfängertypen nicht möglich ist. Im folgenden wird der Ausdruck Thermistor in seinem allgemein gebräuchlichen Sinn als Empfänger verwendet, dessen Widerstand sich mit der Temperatur ändert. Die Erfindung soll nicht auf Bolometer eingeschränkt werden, in welchen der Empfänger-Thermistor ein Halbleiter ist, welcher aus Oxyden, z. B. von Mangan und Nickel, besteht. Diese eingeschränkte Bedeutung wird manchmal dem Ausdruck Thermistor beigemessen, aber in vorliegendem Fall wird der Ausdruck in weiter Bedeutung verwendet und schliesst andere Widerstände ein, welche hohe Temperaturkoeffizienten haben, beispielsweise dünne Filme aus Germanium oder Silizium.
Die besten Bolometer erfordern schnelle Aufheizung und Kühlung des Thermistors entweder durch Zerhacken der empfangenen Strahlung oderldurch schnelle Betrachtung oder Abtastung. Wenn Thermistoren schnell aufgeheizt und abgekühlt werden müssen, so ist es notwendig, eine Wärmesenke vorzusehen. Diese kann irgendein Materialstück mit guter Wärmeleitung sein und insbesondere bei Bolometern mit maximaler Empfindlichkeit Linsen aus Materialien mit guter Wärmeleitfähigkeit, auf welchen der Thermistor immergiert ist. Die Erfindung schliesst zwar jeden Typ eines Bolometers ein, aber da ihre grössten Vorteile bei der Anwendung in Immersionsbolometern liegen, werden die Vorteile der Erfindung allgemein in Verbindung mit dieser bevorzugten Ausgestaltung beschrieben.
Thermistoren und insbesondere Thermistoren, welche auf Linsen immergiert sind, sind sehr klein. In der Tat ist es einer von den Vorteilen von Immersionsbolometern, dass die Grösse der Thermistoren sehr stark verringert werden kann. iDaraus entstehen bei Immersionsbolometern zwei Probleme und ein Problem bei nicht immergierten Bolometern mit gewöhnlichen Wärmesenkenblocks.
Das erste Problem, welches zwar primär jedoch nicht ausschliesslich bei Immersionsbolometern auftritt, ist ein thermisches. Ein Thermistorblättchen ist immer mit Elektroden versehen, und d, der zwischen den Elektroden gelegene Teil des Thermistorblätt- chens legt den wirksamen Bereich fest. Der unter den Elektroden gelegene Teil ist durch dieselben kurzgeschlossen und trägt zur Empfindlichkeit und Anzeige des Thermistors nicht bei. Der durch die Elektroden bedeckte Teil des Thermistors ruft jedoch ein thermisches Problem hervor. Jede Erwärmung dieses Teils des Thermistors erhöht seine Temperatur und ruft eine seitliche Wärmeleitung zum aktiven Teil des Thermistorblättchens hervor.
Dadurch wird die Thermistoranzeige verschwommen und die Empfindlichkeit vermindert, da im Idealfall der Thermistor nur von der augenblicklich auf den aktiven Teil derselben einfallenden infraroten Strahlung erwärmt werden sollte. Nachfolgend wird die Abmessung des aktiven Teils des Blättchens oder, wenn sie nicht einheitlich ist, die längere Abmessung als L bezeichnet. Bei sehr dünnen Thermistoren kann L sehr gross sein im Vergleich zur Dicke des Thermistor, s und dadurch die Wärmeleitung von nicht der Strahlung ausgesetzten Teilen des Thermistors unter solchen Umständen ziemlich klein sein. Im Fall von Immersionsbolometern ist jedoch das ganze Ziel der Immersion, die Empfindlichkeit dadurch zu steigern, dass der aktive Bereich des Thermistors viel kleiner gemacht wird, als er gewöhnlich sein würde.
Gleichzeitig kann die Dicke des Thermistors nicht beträchtlich vermindert werden, da sie immer ziemlich dünn gemacht wird und hier sind natürlich praktische Grenzen gesetzt, unter welchen die Blättchen mechanisch und elektrisch nicht zufriedenstellend ausfallen. Bei den Oxyd-Thermistoren, welche hauptsächlich in der Vergangenheit benutzt wurden, war die Dicke einige Mikron, beispielsweise 10 ! oder mehr. Neuerdings ist ein anderer Typ von Thermistoren entwickelt worden, nämlich dünne Schichten aus Germanium oder Silizium. Dies ist näher beschrieben in der US-Patentschrift 2 994 053. Diese Thermistoren können ziemlich dünn gemacht werden und der oben beschriebene thermische Effekt fällt daher nicht so stark ins Gewicht wie bei den dickeren Oxyd-Thermistoren.
Ein zweiter Effekt ist optischer Natur, tritt bei immergierten und nicht immergierten Bolometern auf und beruht auf Ider Tatsache, dass Strahlen, welche normalerweise nicht auf den aktiven Bereich des Thermistorblättchens treffen würden, so abgelenkt werden können, dass sie dessen Ränder oder Teile unterhalb der Elektroden treffen. Sie vermindern dadurch die Schärfe des Bildes auf dem Empfänger und machen es verschwommen und vermindern die Empfindlichkeit.
Bei einem Immersionsbolometer wirken diese Strahlen, wie wenn der Thermistor einen grösseren Bereich haben würde. Bei nicht immergierten Bolometern ist der Effekt in erster Linie ein Randeffekt.
In jedem Fall ist er unerwünscht. Bei Immersionsbolometern steigt die Empfindlichkeit im allgemeinen umgekehrt proportional zur Quadratwurzel aus der Fläche des aktiven Bereichs des Thermistorblättchens. Bei quadratischen Blättchen oder Blättchen, die nahezu quadratisch sind, kann die Empfindlichkeit daher als ungefähr umgekehrt proportional zur Grösse von L angesehen werden. Der Mechanismus, infolgedessen die unerwünschten Strahlen auf das Thermistorblättchen treffen, wird unten an Hand der Figurenbeschreibung näher erläutert. An dieser Stelle sei nur erwähnt, dass der Effekt unerwünscht ist, und dass das Problem durch die Erfindung gelöst wird.
Das erfindungsgemässe Thermistorbolometer mit mindestens einem Thermistorblättchen, welches einen aktiven Bereich aufweist, und mit einer Wärmesenke, zeichnet sich dadurch aus, dass ein strahlungsundurchlässiger Schirm den aktiven Bereich des Blättchens umgibt und so angeordnet ist, dass er Strahlung abfängt, welche auch sonst nicht auf die Oberfläche des aktiven Bereiches des Thermistors treffen würde. Die Erfindung verhindert, dass Strahlen optisch auf die Ränder oder nicht aktive Teile des Thermistorblättchens gerichtet werden. Dadurch werden diese Teile nicht durch die Strahlen erwärmt, und die oben erläuterten nachteiligen Effekte werden vollständig beseitigt. Es ergibt sich ein Bolometer mit hohem Auflösungsvermögen und grösserer Empfindlichkeit der Anzeige.
Die Erfindung befasst sich nicht in erster Linie mit den Vorgängen, durch welche der für Infrarot undurchlässige Schirm mit dem Fenster gegenüber dem aktiven Bereich des Thermistorblättchens hergestellt wird. Ein besonders wirksamer derartiger Vorgang ist jedoch in der Erfindung eingeschlossen. Die meisten Metalle sind im Gegensatz zu Halbleiterelementen, wie Germanium, Silizium und dergleichen, ziemlich undurchlässig für Infrarotstrahlung und daher schirmt eine dünne Schicht aus diesen Metallen derartige Strahlung wirksam ab. Die geringe Dicke dieser Schicht, welche sogar ein Mikron oder weniger sein kann, ermöglicht die Herstellung einer genau dimensionierten Abschirmschicht durch Metallniederschlagung im Vakuum. Es muss lediglich ein genauer Bereich vorgesehen werden, auf welchem das Metall nicht haftet und welcher mit dem gewünschten Fenster übereinstimmt.
Die als Wärmesenke wirkende Linse wird dann durch eine Vakuumbeschichtung mit einem Metall überzogen und der Fensterbereich bleibt unbedeckt. Die Art des verwendeten Metalls ist nicht kritisch und es können verschiedene Metalle, wie Aluminium, Gold und dergleichen unter Anwendung einer gewöhnlichen Vakuumniederschlagstechnik zur Erzeugung von Spiegeln benützt werden. Wegen seiner Billigkeit und der Leichtigkeit, mit der es im Vakuum niedergeschlagen werden kann, bietet Aluminium Vorteile, aber die Erfindung ist in keiner Weise auf diese besondere zur Strahlungsabschirmung verwendete Schicht beschränkt.
Bei einem als Immersionsbolometer ausgebildeten Bolometer bildet die Metallauflage auf der Linse einen ausgezeichneten Infrarotspiegel, so dass Strahlen, welche den Thermistor unter den Elektroden treffen würden oder optisch in den Thermistor gelenkt würden, einfach reflektiert werden. Bei nichtimmergierten Bolometern muss der Schutzschirm nicht notwendigerweise ein Spiegel sein.
Tatsächlich ist es manchmal vorteilhaft, einen geschwärzten Schirm zu verwenden. Das optische Problem liegt hier etwas anders, da beim Immersionsbolometer eine spiegelnde Auflage die unerwünschten Strahlen zurückwirft, welche durch die Linse nach aussen zurückreflektiert werden, wogegen beim nicht immergierten Bolometer etwas unerwünschte Oberflächenreflexion auftreten kann. Wesentlich ist in beiden Fällen, dass ein Auftreffen von unerwünschten Strahlen auf die Teile des Thermistors verhindert wird, welche nicht aktiv sind, oder im Fall von Immersionsbolometern sogar manchmal von Strahlen, welche so abgelenkt werden, dass sie den aktiven Teil des Thermistors treffen, aber das Bildfeld nur verwaschen oder entstellen würden.
An Hand der Figuren wird ein Ausführungsbei spiel des Erfindungsgegenstandes näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 einen Schnitt durch ein bekanntes Immer sionsbolometer in der Längserstreckung des Thermistors,
Fig. 2 einen ähnlichen Schnitt unter rechtem Winkel dazu durch die kurze Abmessung des Thermistors,
Fig. 3 eine graphische Darstellung, welche die Verzerrung der Feldwinkel zeigt,
Fig. 4 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Bolometers in der gleichen Richtung wie Fig. 1,
Fig. 5 einen Schnitt unter rechtem Winkel dazu,
Fig. 6 den Grundriss einer Linse, welche mit einer Metallauflage versehen ist, bevor der Thermistor angebracht wurde, und Fig. 7 einen Schnitt durch ein nichtimmergiertes Bolometer.
Fig. 1 zeigt ein bekanntes Immersionsbolometer mit einer Germaniumlinse 1. Der Thermistor 2 ist mit Elektroden 3 dargestellt und in der gebräuchlichen Isolationsschicht 4 aus Selen befestigt. Die Dicken von Thermistor und Isolationsschicht sind zwecks Klarheit stark übertrieben. Es ist offensichtlich, dass einige Strahlen der einfallenden Strahlung den aktiven Teil des Blättchens treffen, welcher durch den Abstand L dargestellt wird, wobei der auf den aktiven Teil des Thermistors auftreffende Strahl durch 5 bezeichnet ist.
Der seitliche, mit 6 bezeichnete Strahl trifft einen unter der Goldelektrode 3 liegenden Teil des Thermistors und heizt daher diesen Teil des Thermistors auf, was eine seitliche Wärmeübertra gung in den aktiven Teil ! des Thermistors hinein be- wirkt und die oben beschriebene unerwünschte Verwaschung und Erweiterung des Feldwinkels hervorruft.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt unter rechtem Winkel zur Fig. 1, wobei gleiche Elemente gleiche Bezugszeichen tragen. Dieser Schnitt ist quer zum Thermistor 2 geführt und dieser bekannte Thermistor weist, wie dargestellt, einen quadratischen aktiven Bereich auf.
Auch hier trifft der Strahl 5 den aktiven Bereich des Thermistors, während andere Strahlen 6 abgelenkt werden, indem sie aus der Germaniumlinse 1 mit dem Brechungsindex in die Schicht 4 aus Selen oder arsenmodifiziertem Selen mit einem Brechungsindex von ungefährt 2,5 eintreten. Wie in Fig. 1 sind die Dicken des Thermistors und der Selenschichten wie auch der Ablenkungsgrad der Strahlen übertrieben.
Bei einem sehr dünnen Thermistor und einer dünnen Selenschicht würden weniger Strahlen von der Seite her auf den Thermistor treffen.
Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung der Änderung des Feldwinkels, welche auf den oben beschriebenen thermischen und optischen Erscheinungen beruht. Die Abmessung L ist in der Figur eingezeichnet, wobei der thermische Effekt in gestrichelten Linien und der optische Effekt in einer ausgezogenen Linie dargestellt ist. Es ist offensichtlich, dass der Feldwinkel beträchtlich verändert wird und, dass dadurch eine Verwaschung oder ein Verlust an Auflösungsvermögen auf Grund der oben erläuterten thermischen und optischen Effekte auftritt. Fig. 3 zeigt zwar die typische Kurvenform, ist jedoch nicht massstäblich. Um den Effekt klarer darzustellen, ist die gestrichelte Linie für den thermischen Effekt übertrieben. Unter den beschriebenen Umständen ist der optische Effekt wesentlich grösser als der thermische Effekt.
Die IForm, der Kurven ändert sich mit der Veränderung der Abmessungen und der Brechungsindices der Materialien von Linse und Isolationsschicht entsprechend.
Die Fig. 4 und 5, welche Schnitte in den gleichen Richtungen wie die Fig. 1 und 2 darstellen, zeigen ein Immersionsbolometer mit einer für Infrarotstrahlung undurchlässigen Schicht, beispielsweise einer Schicht 7 aus Aluminium oder Gold. Diese bedeckt alles ausser dem aktiven Teil des Thermistorblättchens. Auch hier sind d die Dicken des Thermistors und der Selen- schicht etwas übertrieben, aber die Metallabdeckschicht und die Dicke des Selens und des Thermistors stehen in etwas näherer Beziehung zueinander. Aus den Fig. 4 und 5 ist ersichtlich, dass die unerwünschten Strahlen durch die Linse nach aussen zurückreflektiert werden und dadurch weder auf die aktiven Teile noch auf Teile des Therndstors treffen, welche von den Goldelektroden bedeckt sind.
Fig. 6 zeigt die flache Oberfläche der Germanium umlinse in einem Augenblick der Herstellung des Bolometers. Sie ist als mit einer dünnen Aluminiumschicht 7 bedeckt dargestellt, in welcher ein Fenster 11 freigelassen ist, welches mit dem aktiven Bereich des Thermistors übereinstimmt. Nach Niederschlagung der Schicht wird die Isolationsschicht aus Selen oder arsenmodifiziertem Seien angebracht und darin der Thermistor mit seinem aktiven Bereich über dem Fenster 11 immergiert. Die Goldelektroden können sodann niedergeschlagen werden oder sie können zuerst vor der Immersion auf dem Thermistorblättchen niedergeschlagen sein. Dieser letzte Teil des Herstellungsvorganges unterscheidet sich nicht von der bekannten Praxis bei Immersionsbolometern.
Fig. 7 zeigt ein nichtimmergiertes Bolometer, wobei gleiche Elemente gleiche Bezugszeichen tragen. Dieses Bolometer ist jedoch eines mit einer gesteuerten Zeitkonstante. Die Wärmesenke ist bei 8 dargestellt und kann aus irgendeinem Material mit hoher Leitfähigkeit bestehen, beispielsweise einem Stück aus Kupfer, geschmolzenem Aluminiumoxyd, geschmolzenem Berylliumoxyd und dergleichen. Darauf ist dann ein genau dimensionierter Film mit niederer Leitfähigkeit niedergeschlagen, beispielsweise ein Film aus Polyglykolterephthalat (gewöhnlich unter dem Namen MYLAR im im Handel erhältlich).
Der Thermistor 2 ist auf diesem Film befestigt und ein Film aus gleichem oder verschiedenem Material umgibt den Thermistor. Dieser Film ist bei 9 dargestellt und berührt nicht ganz die Ränder des Thermistors, wenn es nicht ein Isolator ist. Zuoberst ist ein aluminisierter Film 10 angeordnet, welcher in ähnlicher Weise wie der Film auf den Immersionsbolometern überzogen ist, aber nicht eine spiegelnde Abschlussfläche aufweisen muss. Er sollte den Thermistor nicht berühren und der Spalt ist übertrieben dargestellt. Da seitliche Reflexionen möglicherweise ein Auftreffen von Strahlen auf den Thermistor verursachen könnten, kann der Schirm geschwärzt werden, oder die Vakuumaufdampfung, durch welche der Film hergestellt wird, kann unter Bedingungen ausgeführt werden, welche einen schwarzen Film anstatt eines spiegelnden Films erzeugen.
Der Nutzeffekt besteht in der Verhinderung, dass Strahlen auf die Ränder des Thermistorblättchens treffen, wodurch der oben erläuterte optische Effekt ausgeschaltet wird.