DE2017067C3 - Pyroelektrischer Detektor - Google Patents
Pyroelektrischer DetektorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen pyroelektrischen Infrarotdetektor für die Wahrnehmung von lnfrarotcnergic
in einem Gesichtsfeld.
Der pyroelektrische, im infraroten Strahlungsbereich empfindliche Detektor ist ein thermischer Detektor.
Er bietet eine Anzahl von Vorteilen gegenüber anderen Typen von Infrarot-Detektoren, weil er keine
Vorspannung benötigt, eine gleichmäßige Empfindlichkeit über einen weiten Bereich im infraroten
Spektrum hat, keiner Kühlung bedarf und das Signal-Rauschverhältnis
über einen Frequenzbereich von Obis 1000 Hertz nahezu konstant ist, Pa der Detektor
nicht vorgespannt wird, wird kein 1/f (Niederfrequenz) Rauschen in dem Detektor erzeugt und diese
Eigenschaft macht den Detektor besonders für Abtastsysteme geeignet, in denen 1/f Rauschen mit dem
Signal beä niederen Frequenzen interferieren würden. Eine Ausführungsforra der Konstruktion eiiies pyroelektrischen
Infrarot-Detektors ist in der älteren deutschen Patentanmeldung P 1814376.5 (nachveröffentlichte
DE-OS 1814376) beschrieben. Bei dieser Ausführungsform sind in einem evakuierten Hohlraum
ein pyroelektrischer Kristall mit den dazugehörigen Elektroden zusammen mit der ersten, aus einem
Feldtransistor bestehenden Verstärkerstufe, und einem Lastwiderstand für den Feldtransistor angeordnet,
der der Anpassung der hohen Ausgangsimpedanz des pyroelektrischen Detektors an die des Feldtransistors
dient, so daß die Vorrichtung mit üblichen Verstärkern, Meßgeräten und anderen Auswertungsschaltungen verwendet werden kann.
Es besteht ein großes Interesse an Detektorreihen und Detektorrasterschaltungen für thermische BiIddarstellungen.
Das Fehlen von Niederfrequenzrauschen, das von dem Detektor erzeugt wird, macht den
pyroelektrischen Detektor für diese Zwecke besonders geeignet. Die in der obengenannten deutschen
Patentanmeldung beschriebene Konstruktion kann zwar für solche Bilddarstellungssysteme verwendet
werden, eine Anordnung von physikalisch getrennten pyroelektrischen Detektoren ist jedoch schwierig herzustellen.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird
J5 darin gesehen, eine Reihenanordnung von pyroelektrischen
Infrarot-Detektoren für die Wahrnehmung von Infrarotenergie in einem Gesichtsfeld zu schaffen,
welche sich leichter und einfacher herstellen läßt, hinsichtlich ihrer Größe, Form uc-4 Orientierung des
Schaltungsrasters eine vielseitigere Verwendung als bekannte Anordnungen ermöglicht, und die im übrigen
in der Lage ist, in einem vorgegebenen Raum eine maximale Anzahl von einzelnen Detektoren unterzubringen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Schicht aus pyroelektrischem Material, eine gemeinsame
Elektrode auf einer Seite dieser Schicht aus dem pyroelektrischen Material, die für die infrarote
Strahlung, welche auf sie auffällt, transparent ist und die dieser einfallenden Strahlung zugekehrt ist, eine
Vielzahl von einzelnen Feldbegrenzungselektroden, die auf der Schicht aus dem pyroelektrischen Material
und zwar auf der der gemeinsamen Elektrode angewandten Seite dieser Schicht angeordnet sind und
Ausgangsleitungen, die mit der gemeinsamen Elektrode und der Vielzahl von einzelnen Feldbegrenzungselektroden
verbunden sind.
Der erinnerungsgemäße pyroelektrische Infrarot-Detektor ist einfacher und zuverlässiger als eine Reihe
von getrennten Detektoren, außerdem ist sie leichter herzustellen, da sich die Leitungen auf der Schicht aus
pyroelektrischem Material im Vakuum abscheiden lassen. Dies verringert die Anzahl von gesonderten
elektrischen Verbindungen für die Elektroden, da auch diese Verbindungen als Schaltungsmuster auf die
Schicht aufgebracht werden können.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung ist im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher
erläutert,
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der pyroelektrischen Detektoren-Ordnung
nach der Erfindung;
Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht der pyroelektrischen
Detektoranordnung nach Fig. 1, wobei die Art der Elektrodenkonstruktion, die gemäß
dieser Erfindung Verwendung findet, veranschaulicht wird.
In den Fig. I und 2 und insbesondere in Fig. 2 ist die pyroelektrische Detektoranordnung nach der Erfindung
mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Wie am besten aus Fig. 2 ersehen werden kann, besteht
die pyroelektrische Anordnung aus einer sehr dünnen Platte aus pyroelektrischem kristallinem Material 12,
die zwischen einer gemeinsamen Elektrode 14 und einer Vielzahl von Feldelektroden 15 angeordnet ist.
Das pyroelektrische, kristalline Material ist eine Form von Ferroelektrikum, das elektrisch polarisiert werden
kann. Solche Materialien zeigen temperaturabhängige Ladungseffekte und weisen temperaturabhängige
Dielektrizitätskonstanten auf. Da gemäß der Erfindung eine Reihe oder ein Raster auf das pyroelektrische
Material aufgebracht wird, wird zusätzlich gefordert, daß das pyroelektrische Material ein niederes
Wärmediffusionsvermögen hat. Triglycinsulfat (TGS) ist eines der pyroelektrischen Materialien, die
für diesen Zweck geeignet sind.
Die gemeinsame transparente Elektrode 14 ist eine einheitliche Elektrode, die auf der der einfallenden
Strahlung zugekehrten Seite der Anordnung vorgesehen ist. Die Elektrode 14 kann aus einer Nickelchromschicht
mit einem Widerstand von 1000 bis 10000 Ohm/cm2 bestehen. Die Elektrode 14 kann
auf das pyroelektrische Material 12 im Vakuum abgeschieden werden und die Elektrodenstärke kann innerhalb
bestimmter Grenzen eingestellt werden, so daß ein ausreichender Leiter mit einem minimalen
Reflexionsvermögen und einem minimalen Absorptionsvermögen der einfallenden Strahlenenergie
durch die Elektrode erhalten wird. Die Verwendung der transparenten Elektrode 14 beseitigt die Notwendigkeit
eines Schwärzungsmittels, was die Konstruktion vereinfacht und die thermisch wirksame Masse
des Detektors verringert. Dies erlaubt auch eine Anordnung, bei der die Feldelektroden 15 auf der Rürkseite
des pyroelektrischen Materials elektrisch leicht angeschlossen werden können, wie noch später ausgeführt
werden wird. Die Tatsache, daß die gemeinsame Elektroc'e 14 transparent ist, gestattet, daß die Energie
direkt in dem kristallinen Material 12 absorbiert wird. Das pyroelektrische Material, wie z. B. TGS absorbiert
stark im infraroten Bereich von 2 bis 35 μ Wellenlänge.
Auf der der transparenten Schicht abgewandten Seite der gemeinsamen Elektrode 14 ist eine Reihe
aus getrennten Feldelektroden 15 abgeschieden. Die Formgröße oder Orientierung der Raster aus den
Feldelektfoden werden dem Verwendungszweck in beliebiger Weise angepaßt. Die Elektroden 15 werden
verwendet, um den empfindlichen Bereich jedes Delektorelements in der Reihe zu definieren und sie bilden
die anderen Elektroden der kondensatoren. Der Detektorbereich und der Abstand werden von diesen
einzelnen Feldelektrpd.en 15 bestimmt und diese können
genau mittels Vakuumabscheidung durch öff
ι ο
nungen in Masken hergestellt werden, die in einem Fotoätzverfahren erzeugt werden, Es kann deshalb
eine weite Variation von Konfigurationen leicht vorgesehen werden. Natürlich hängt der Reihenabstand
vom Verwendungszweck und der Modulation der einfallenden Strahlung ab. Es wurde gefunden, daß gemäß
der Erfindung das thermische Diffusionsvermögen von TGS eine thermische Nebenstromdämpfung
vor weniger als 1% für eine Modulation von zwei Zyklen oder mehr mit Elektroden von 6 mm2, die 0,6
mm weit entfernt sind, erzeugt.
Dieser eben beschriebene Aufbau ist das Herz der Erfindung und bietet viele Vorteile im Gebrauch der
Vorrichtung und außerdem wird die Konstruktion hierdurch vereinfacht.
Fig. 1 zeigt ein brauchbares Konstruktionsbeispiel. Da die Detektoren Kondensatoren sind, ist die elektrische
Impedanz bei niederen Frequenzen extrem hoch und um den pyroelektrischen Detektor voll auszunützen,
muß der elektrische Ausgang an einen Verstärker mit extrem hoher Imp^ianz gelegt werden.
Zu diesem Zweck sind Feldeffekttransistoren oder kurz Feldtransistoren äußerst brauchbar, da sie eine
sehr hohe Eingangsimpedanz haben und eine vollkommene Impedanztransformationseinrichtung für
den pyroelektrischen Detektor darstellen. Die einzige Forderung an den Feldtransistor ist, daß er einen sehr
großen Eingangswiderstand hat, der den Detektor belastet. Dieses Konzept wurde bereits in der obenerwähnten
deutschen Patentanmeldung erörtert. Seine Wichtigkeit im Hinblick auf diese Erfindung hängt mit
der Konstruktion der Reihenanordnung und mit der Variierbarkeit, mit der diese Prinzipien gemäß dieser
Erfindung durchgeführt werden, zusammen.
Die Anordnung 10 iFt auf einem Mylarstreifen 18
(Wz für Polyglycoltherephthalat) über einer in einer Unterlage 20 befindlichen Vertiefung 22 angeordnet.
Ein Leitungsraster 24 ist auf dem Mylar-Streifen 18 und auf der Unterlage 20 abgeschieden, so -daß eine
Leitung für jede Feldelektrode 15 vorgesehen ist. Jede Feldelektrode hat ihre eigene schmale Leitung 16, die
mit dem Leitungsraster 24 leitend verbunden ist, so daß dadurch die Außenanschlüsse an jede Feldelektrode
15 gegeben sind. Ein Lastwiderstandsraster 26 ist zwischen dem Leitungsraster 24 vorgesehen.
Durch Verwendung von Leitungs- und Lastwiderstandsrastern und durch Anwendung des Konzepts
der Kriechströme verschiedener Materialien kann deshalb ein Widerstand von beliebigem Wert vorgesehen
werden, indem nur die Geometrie des Schalt- oder Verbindungsrasters variiert wird. Der wichtigste Parameter
ist der Materialspalt zwischen zwei Elektroden auf derselben Fläche. Unter Berücksichtigung
diener Tatsache wird ein Widerstand in der Größenordnung
von 10'' Ohm zu einem integralen Teil des Schaltrasters gemacht, um einen Lastwiderstand für
jedes kapazitive Detektorelement in der Reihenanordnung zu erhalten. Die Feldtransistorpakete 28 und
30 sind mit dem Leitungsrasler 24 unter Verwendung eines leitfähigen Epoxiharzes verbunden, ebenso die
Verbindungsleitung 16 von jeder Feldelektrode 15 zu dem Leitungsraster 24.
Bei Verwendung der dargestellten Vorrichtung muß die Detektoranordnung in einem Vakuum angeordnet
werden, v'e das bei dem Gegenstand nach der
obengenannten deutschen Patentanmeldung der Fall ist, da der spezifisrhe Oberflächenwiderstand der
Lastwiderstände feuchtigkeitsempfindlich ist und mit
der Feuchtigkeit sich ändert. Hei dem dargestellten
Anwendungsbeispiel kann die Unterlage 20 aus Glas oder einem anderen geeigneten Material bestehen,
das den entsprechenden Kriechwiderstand hat, um den hohen Widerstanclswert des Lastwiderstandes zu
erzeugen, in Fällen, wo dies nicht erforderlich ist,
können verschiedene Materialien oder Unterlagen verwendet werden. z.B. kann eine vollständige Mylar-Unterlage
angewandt werden, wenn dies gewunscht wird.
Verschiedene optische Hinrichtungen, die die
Strahlung auf die transparente Elektrode 14 bündeln und abbilden, können <. ei wendet werden. Außerdem
kann die Detektoranordnung im Vakuum angeordnet sein, wenn der jeweilige Verwendungszweck dies erfordert.
Die Verwendung der transparenten Elektrode mit den Feldhejürenzungselektroden oder kurz
Fcldclcktni'dcn auf der Milderen Seite, die von der einfallenden
Strahlung abgelegen ist. bietet eine Anzahl \on Konstruktionsvorleileii. Die pyroelektrische Anordnung
IO kann durch Läppen eines großen Kristallstucks bis herunter /u einer Duke in tier Größenordnung
von Eintausendstel mm hergestellt werden Dann erfolgt die Vakuumabscheidung der transparenten
Elektrode auf einer Seite des kristallinen Materials 12 sowie die Vakuumabscheidung der Feld·
elektroden 15 und deren Verbindungen 16 auf dei anderen Seite. Die Leitungs- und Widerstandsrastei
werden im Vakuum auf der Unterlage 20 abgeschieden und der Streifen 18 sowie die Feldelektrodcn werden
über Leitungen 16 mit dem im Vakuum abgeschiedenen l.citungsraster unter Verwendung vor
leitfähigen Hpoxiharzen verbunden. In derselbe!' Weise werden die Feldtransistorpakete 28 und 3(1 angeschlossen.
Die einzigen äußeren Leitungen, die er forderlieh sind, sind die Erdleitungen 32. die die gemeinsame
transparente Elektrode mit der Elrck verbinden. Die Anordnung nach der Erfindung isi
leichter zusammenzusetzen als v*"j ik;:lisch vonein
linder getrennte Detektoren. Die Schaltuni! der Anordnung
nach der Erfindung ermöglicht das Einbringen von ck'Wischcn Komponenten in das Leitungsra
ster. so daß die gesamte Detektoranordnung auch au diese Weis·· eine integrierte Schaltung bildet.
Hierzu I Blatt Ze
Claims (5)
1. Pyroelektrischer Infrarotdetektor für die
Wahrnehmung von Infrarotenergie in einem Gesichtsfeld,
gekennzeichnet durch
a) eine Schicht (12) aus pyroelektrischem Material,
b) eine gemeinsame Elektrode (14) auf einer Seite dieser Schicht (12) aus dem pyroelektrischen
Material, die für die infrarote Strahlung, welche auf sie auffällt, transparent ist
und die dieser einfallenden Strahlung zugekehrt ist,
eine Vielzahl von einzelnen Feldbegrenzungselektroden (15), die auf der Schicht
(12) aus dem pyroelektrischen Material und zwar auf der der gemeinsamen Elektrode abgewandten
Seite dieser Schicht (12) ungeordnet sind und
Ausgangsleitungen (16, 24, 32), die mit der gemeinsamen Elektrode (14) und der Vielzahl
von einzelnen Feldbegrenzungselektroden (15) verbunden sind.
2. Detektor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Unterlage (20) aus isolierendem Material,
auf die ein Leitungsraster (24) abgeschieden ist, wobei die Detektoranordnung (10) auf dieser
Unterlage so befestigt ist, daß die Ausgangsleitungen (16) mit dem Leitungsraster (24) in leitender
Verbindung stehen.
3. Detektor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Unterlage (20) aus isolierendem Material
mit einer Vertiefung (22). einer isolierenden Schicht (18), die diese Vertiefung überdeckt, einem
Leitungsraster (16) auf der Unterlage und einem Leitungsraster (24) auf der isolierenden
Schicht, wobei die Anordnung, die auf der isolierenden Schicht vorgesehen ist, mit ihren Ausgangsleitungen
(16) in leitfähiger Verbindung mit dem Leitungsraster (24) steht.
4. Detektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitungsraster (24) einen elektrischen
Widerstand für jede Feldbegrenzungsclektrode (15) und einen Feldeffekttransistor (28)
aufweist, der mit jedem Widerstandselement verbunden ist.
5. Detektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (12) aus pyroelektrischem
Material und die damit verbundenen Elektroden in der Mitte auf der Unterlage (18)
angeordnet sind, und daß sich das Leitungsraster (16, 18) zu beiden Seiten derselben erstreckt.
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