DE19718732C2

DE19718732C2 - Infrared radiation detector

Info

Publication number: DE19718732C2
Application number: DE1997118732
Authority: DE
Inventors: Horst Bleckmann; Manfred Muertz; Helmut Schmitz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-05-02
Filing date: 1997-05-02
Publication date: 2000-05-11
Anticipated expiration: 2017-05-03
Also published as: DE19718732A1

Description

Die Detektion von elektromagnetischer Strahlung im infraroten Spektralbereich ist ein tech nisches Problem von großem Interesse. Die Wärmestrahlung eines Körpers fällt je nach Tempe ratur hauptsächlich in den infraroten Spektralbereich der Wellenlängen von etwa λ = 2 bis 10 µm (Planck'sches Strahlungsgesetz). Daher ist z. B. zur Auffindung, Verfolgung oder Kon trolle einer Wärmequelle eine Sensorik nötig, die die auftretende Infrarotstrahlung der ent sprechenden Wellenlänge empfindlich nachweisen kann. Grundsätzlich unterscheidet man zwei verschiedene Prinzipien, die heutzutage zur Detektion von Infrarotstrahlung ausgenutzt werden (siehe Literaturhinweise [1] und [2]). Das erste Prinzip beruht auf der direkten Wechselwirkung der Photonen mit Elektronen in einem Material. Zu dieser Kategorie gehören alle Halbleiterde tektoren. Das zweite Prinzip beruht darauf, daß durch die Absorption der Infrarotstrahlung eine Erwärmung auftritt. Zu dieser Kategorie gehören Thermosäulen, Bolometer, pyroelektrische Detektoren und Golayzellen [1, 2]. Davon zu unterscheiden sind reine Temperaturfühler ("Ther mometer"), die im Regelfall nicht durch Infrarotstrahlung, sondern durch Wärmeleitung und/oder Konvektion erwärmt werden (vergl. Literaturhinweis [3]).The detection of electromagnetic radiation in the infrared spectral range is a tech African problem of great interest. The heat radiation of a body falls depending on the temperature rature mainly in the infrared spectral range of wavelengths from about λ = 2 to 10 µm (Planck's law of radiation). Therefore z. B. for detection, tracking or Kon If a heat source is required, a sensor system is required that detects the infrared radiation of the ent sensitive wavelength. There are basically two different types different principles that are used today for the detection of infrared radiation (see references [1] and [2]). The first principle is based on the direct interaction of photons with electrons in a material. All semiconductor earths belong to this category detectors. The second principle is based on the fact that through the absorption of infrared radiation Warming occurs. This category includes thermopiles, bolometers, pyroelectric Detectors and Golay cells [1, 2]. A distinction must be made between pure temperature sensors ("Ther mometer "), which are usually not caused by infrared radiation, but by heat conduction and / or Be heated by convection (see literature reference [3]).

Handelsübliche Halbleiterstrahlungsdetektoren sind in der Regel wesentlich empfindlicher als die Detektoren der zweiten Kategorie, erfordern hierfür aber eine Kühlung auf sehr niedrige Tempe raturen, oft mit Flüssiggasen. Außerdem sind sie normalerweise deutlich teurer. Die konventionellen Detektoren der zweiten Kategorie enthalten im allgemeinen einen wellenlän genunabhängigen Absorber (sog. Schwarzkörper, meist eine geschwärzte Metallplatte), der durch die einfallende Infrarotstrahlung erwärmt wird. Die Erwärmung dieses Schwarzkörperabsorbers ist ein Maß für die einfallende Infrarotleistung und wird mit Hilfe eines an diesem Absorber angebrachten Temperaturmeßfühler gemessen, also in ein elektrisches Signal umgesetzt. Diese Temperaturmessung kann auf vielfältige Weise erfolgen; Beispiele hierfür sind in den Litera turhinweisen [4] bis [7] genannt. Oftmals werden werden mehrere IR-Detektoren zu einer Matrix kombiniert, um so eine Bildgebung zu erreichen (vergl. Literaturhinweis [8]).Commercial semiconductor radiation detectors are usually much more sensitive than that Detectors of the second category, however, require cooling to very low temperatures fittings, often with liquid gases. In addition, they are usually significantly more expensive. The conventional detectors of the second category generally contain a wavelength gene-independent absorber (so-called black body, usually a blackened metal plate) that through the incident infrared radiation is heated. The heating of this black body absorber is a measure of the incident infrared power and is measured with the help of an absorber attached temperature sensor measured, so converted into an electrical signal. This Temperature measurement can be done in a variety of ways; Examples of this are in the litera tur hints [4] to [7]. Often several IR detectors become a matrix combined to achieve imaging (see literature reference [8]).

Der in den Patentansprüchen angegebenen Erfindung liegt die Problematik zugrunde, einen ungekühlten, kompakten und robusten Infrarotdetektor zu bauen, der beispielsweise Wärmequel len in seiner Umgebung detektieren kann. Er soll eine möglichst hohe Empfindlichkeit für bestimmte Wellenlängen aufweisen und darin herkömmlichen Infrarotdetektoren überlegen ist. Eine Anordnung mit den in den Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen löst dieses Problem. Die beschriebene Anordnung fällt prinzipiell in die zweite Kategorie der Detektoren. Der Detektor besteht jedoch nicht wie die herkömmlichen Ausführungen aus einem Schwarzkörper mit nachgeschaltetem Temperaturmeßfühler, sondern aus einem speziell ausgewählten Absorber, der auf den interessierenden Spektralbereich abgestimmt ist, und einem mechanischen Meßfühler. Dieser Mechanosensor ist so am Absorbermaterial angebracht, daß er die Volumenänderung aufgrund der Erwärmung in ein elektrisches Signal umsetzt, d. h. es handelt sich hier um ein photomechanisches Prinzip. Bei bestimmten Anordungen kann es vorteilhaft sein, statt der Volumenänderung eine Druckänderung mit einem Drucksensor/Druckaufnehmer zu messen (gemäß Patentanspruch 2). Das Absorbermaterial soll so ausgelegt sein, daß es im interessieren den Wellenlängenbereich gut absorbiert, im restlichen Spektralbereich jedoch wenig oder gar nicht. Diese spektrale Selektivität, also Einengung des empfindlichen Wellenlängenbereichs, hat den Vorteil, daß Hintergrundstrahlung anderer Wellenlänge den Meßvorgang weniger beeinflußt oder stört, was effektiv eine Erhöhung der Nachweisempfindlichkeit für den ausgewählten Spektralbereich gegenüber herkömmlichen vergleichbaren Detektoren bedeutet. In der Aus führungsform gemäß Patentanspruch 3 kann durch Vergleich der Meßsignale mit offenem bzw. geschlossenem Verschluß, also mit bzw. ohne einfallender Infrarotstrahlung, eine weitere Empfindlichkeitssteigerung erreicht werden, insbesondere durch einen phasenempfindlichen Nachweis (Lock-In-Technik). Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist, daß sie in einer äußerst kompakten Bauweise zu realisieren ist, da der infrarotempfindliche Fühler selbst nur Bruchteile von Millimetern groß sein kann, insbesondere bei Verwendung moderner Mikromechanosenso ren. Eine Anordnung in einer zweidimensionalen Matrix für eine Bildgebung (gemäß Patent anspruch 4) ist dadurch besonders vorteilhaft realisierbar.The invention specified in the claims is based on the problem, one to build uncooled, compact and robust infrared detector, for example heat source len can detect in its environment. It should have the highest possible sensitivity for have certain wavelengths and is superior to conventional infrared detectors. An arrangement with the features listed in claim 1 solves this problem. The arrangement described basically falls into the second category of detectors. The However, the detector does not consist of a black body like the conventional designs with a downstream temperature sensor, but from a specially selected absorber, which is tuned to the spectral range of interest, and a mechanical sensor. This mechanosensor is attached to the absorber material in such a way that it detects the change in volume converts to an electrical signal due to heating, d. H. it is a photomechanical principle. With certain arrangements it may be advantageous instead of Volume change to measure a pressure change with a pressure sensor / pressure sensor (according to claim 2). The absorber material should be designed so that it is of interest absorbs the wavelength range well, but little or nothing in the rest of the spectral range Not. This has spectral selectivity, i.e. narrowing of the sensitive wavelength range the advantage that background radiation of a different wavelength affects the measuring process less or bothers what effectively increases the detection sensitivity for the selected one Spectral range compared to conventional comparable detectors means. In the out leadership form according to claim 3 can by comparing the measurement signals with open or closed shutter, i.e. with or without incident infrared radiation, another Sensitivity increase can be achieved, especially by a phase sensitive Proof (lock-in technique). A particular advantage of the invention is that it is extremely compact design can be realized because the infrared-sensitive sensor itself is only a fraction of millimeters can be large, especially when using modern micromechanics ren. An arrangement in a two-dimensional matrix for imaging (according to patent Claim 4) can be realized particularly advantageously.

Ein einfaches Ausführungsbeispiel ist in Abb. 1 dargestellt. Es ist für die Detektion von Strah lung des Wellenlängenbereichs um λ = 3 µm ausgelegt; dies entspricht dem Emissionsmaximum der Wärmestrahlung von Körpern mit einer Temperatur von etwa 1000 Kelvin. Der Absorber, hier eine Hohlkugel aus Teflon (PTFE), Durchmesser = 1 mm, ist unter einem Schutzglas aus Magnesiumfluorid befestigt. Auf dem Äquator der Absorberkugel befindet ein handelsüblicher Dehnungsmeßstreifen. Magnesiumfluorid ist in einem Wellenlängenfenster vom Sichtbaren bis etwa λ = 7 µm durchlässig. Teflon absorbiert in diesem spektralen Fenster wegen der darin vorkommenden C-H-Bindungen besonders gut im Wellenlängenbereich um λ = 3 µm. Nach Exposition wird auftreffende Infrarotstrahlung dieser Wellenlänge von der Teflonkugel absorbiert und in Wärme umgewandelt. Die Erwärmung führt zu einer Ausdehnung der Kugel, also einer Vergrößerung des Durchmessers. Diese Vergrößerung wird von dem Dehnungsmeßstreifen in ein elektrisches Signal umgesetzt. Zu Kalibrationszwecken sollte die Infrarotstrahlung regelmäßig durch einen Verschluß unterbrochen werden, um eine Rückkehr zum thermischen Gleichgewicht zu ermöglichen.A simple embodiment is shown in Fig. 1. It is designed for the detection of radiation of the wavelength range around λ = 3 µm; this corresponds to the maximum emission of heat from bodies with a temperature of around 1000 Kelvin. The absorber, here a hollow ball made of Teflon (PTFE), diameter = 1 mm, is attached under a protective glass made of magnesium fluoride. A commercially available strain gauge is located on the equator of the absorber ball. Magnesium fluoride is transparent in a wavelength window from the visible to about λ = 7 µm. In this spectral window, Teflon absorbs particularly well in the wavelength range around λ = 3 µm because of the CH bonds it contains. After exposure, infrared radiation of this wavelength is absorbed by the Teflon ball and converted into heat. The heating leads to an expansion of the sphere, that is to say an increase in the diameter. This magnification is converted into an electrical signal by the strain gauge. For calibration purposes, the infrared radiation should be regularly interrupted by a shutter to allow a return to thermal equilibrium.

Empfindlichkeit und Schnelligkeit des Sensors wird von der Form, der Größe, der spezifischen Wärmekapazität und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Absorbers bestimmt. Außerdem spielt die thermische Leitfähigkeit der Aufhängung, also der Verbindung mit der sog. Wärmesenke, eine Rolle. Diese Parameter müssen für jede Anwendung optimiert werden.Sensitivity and speed of the sensor depends on the shape, size, specific Heat capacity and the thermal expansion coefficient of the absorber is determined. The thermal conductivity of the suspension, i.e. the connection with the so-called. Heat sink, a role. These parameters must be optimized for every application.

LiteraturhinweiseReferences

[1] R. J. Keyes (ed.) Optical and infrared detectors Springer-Verlag, 1977
[2] E. L. Dereniak, G. Boreman Infrared detectors and systems John Wiley & Sons, 1996
[3] SU 796-667 in Instrumentation, Measuring and Testing, S. 42, Week D 44, 1981
[4] US 3 457 412
[5] US 2 435 519
[6] US 2 844 728
[7] US 2 989 638
[8] EP 0 010 324 A1[1] RJ Keyes (ed.) Optical and infrared detectors Springer-Verlag, 1977
[2] EL Dereniak, G. Boreman Infrared detectors and systems John Wiley & Sons, 1996
[3] SU 796-667 in Instrumentation, Measuring and Testing, p. 42, Week D 44, 1981
[4] US 3,457,412
[5] US 2,435,519
[6] US 2,844,728
[7] US 2,989,638
[8] EP 0 010 324 A1

Claims

1. Detektor für Infrarotstrahlung umfassend
ein aus einem Festkörper oder einer Flüssigkeit bestehendes Absorbermaterial, das Infrarot strahlung mit einer vorgewählten Wellenlänge absorbiert und Strahlung anderer Wellenlänge nicht oder kaum absorbiert und das eine Volumenänderung durch die Absorption der Infrarot strahlung erfährt,
einen Mechanosensor, der am Absorbermaterial angebracht ist und die Volumenänderung des Absorbermaterials mechanisch registriert,
und ein Schutzfenster, das durchlässig für Infrarotstrahlung ist und vor dem Absorbermaterial und dem Mechanosensor angeordnet ist, um eine Wärmeübertragung durch Konvektion zu verhindern.1. Comprehensive detector for infrared radiation
an absorber material consisting of a solid or a liquid which absorbs infrared radiation with a preselected wavelength and does not or hardly absorb radiation of another wavelength and which undergoes a volume change due to the absorption of the infrared radiation,
a mechanosensor, which is attached to the absorber material and mechanically registers the change in volume of the absorber material,
and a protective window that is transparent to infrared radiation and is arranged in front of the absorber material and the mechanosensor in order to prevent heat transfer by convection.

2. Detektor für Infrarotstrahlung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß statt des Mechanosensors ein Drucksensor/Druckaufnehmer am Absorbermaterial an gebracht ist.2. Detector for infrared radiation according to claim 1 characterized, that instead of the mechanosensor a pressure sensor / pressure transducer on the absorber material brought.

3. Detektor für Infrarotstrahlung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Absorbermaterial ein Verschluß angebracht ist, der die auf das Absorbermaterial fallende Infrarotstrahlung zeitweise unterbrechen kann.3. Detector for infrared radiation according to claim 1 characterized, that a closure is attached in front of the absorber material, which on the absorber material temporarily interrupting falling infrared radiation.

4. Detektor für Infrarotstrahlung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Detektoren nach Anspruch 1 und/oder Anspruch 2 und/oder Anspruch 3 kombi niert werden, um eine Bildgebung und/oder eine Erhöhung der Empfindlichkeit zu erreichen.4. Detector for infrared radiation according to one of claims 1 to 3 characterized, that several detectors according to claim 1 and / or claim 2 and / or claim 3 combi be niert to achieve imaging and / or an increase in sensitivity.