DE2213060A1 - Infrarotintensitatsdetektor, der Pyro elektrizität nutzt - Google Patents
Infrarotintensitatsdetektor, der Pyro elektrizität nutztInfo
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Description
Din Erfindung bezieht sich auf Infrarotintensitätsdetektoron
und insbesondere einen Tnfrarotintensitätdetektor, der Pyroelektrizität nutzt.
Ein auf Infrarotstrahlen empfindlicher Infrarotintenfiitntsjflntektor
ist nützlich zur ^rmittluncr relativ niedriger
Tornporai-.iir odor Tempernturvorteilunn einer Materinlfli'che. von
einer von diener Haterialflache fern liegenden Stellung, da .
din oberfläche fic«, Materials mit relativ niedriger temperatur
TnfTrnrotstrnhlen ausstrahlt, die in einem SpeXtruin. liegen, in
dem sich ein Spitzenwert boi einer Wellenlänge von etwa Io
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BAD ORIGINAL
Mikron befindet.
Es wurden bereits zahlreiche gegenüber Infrarotstrahlen
empfindliche Infrarotcfetektoren entwickelt, von denen eiher
ein Photöleiterdetektor, beispielsweise ein Hermaniuin-Infrarotdetektor,
ist. Diese Art Detektor hat eine ausgezeichnete Empfindlichkeit
und eine hohe Ansprcchfähiakeit, obwohl diese Art
Detektor darin nachteilig ist, daß der Detektor nur in einen begrenzten V.'ellenlängenberoich arbeiten kann und nitr bei niedriger
Umgebungstemperatur betrieben v/erden kann. Ein anderer Infrarotdetektor
ist ein Thernistorboloneter (Thermoumforner) . l,Tenn das
Thermistorbolometer zwar in einen1 v/eiten V'ellenlMngpnbereich
arbeiten kann und bei einer hohen Umgebungstemperatur betrieben werden kann, nuß an es beim Betrieb eine Vorspannung - loo bis
3oo V angelegt v/erden. Ein weiterer Infrarotdetektor ist ein pyroelektrischer Detektor, der pyroelektrische Kristolle benutzt,
die in Abhängigkeit von Temperaturänderungen des Kristalls, die durch die darauf gestrahlten Infrarotstrahlen verursacht werden,
spontan polarisiert werden. Der pyroelektrische Infrnrotintensitätsdetektor
kann in einem weiten rrellenlänaenbereich arbeiter,
und kann ohne jede Vorspannung entweder in einen niedrigen oder
einem hohen Temperaturbereich betrieben werden. Es ist bekannt,
daß der pyroelektrische Effekt in den folgenden Kristallen stattfindet: Bariumtitanat, Lithiumsulfat, Rochellesalz (KNaC14H11O6),
Dleititanatzirkonat Triglyzinsulfat (TGS), Lithiumniobat
(LiHbO ), SKL (Sr.KLiHb. O) und SBN (f-r Ba _Jlh O ) . Bisher
wurden TCS, LiNbO und SBN für die Infrarotdetektoren häufig benutzt.
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Dabei ist zu bemerken, daß ein für einen Infrarotintensitätsdetektor
zu verwendendes pyroelektrisches Kristall nach folgenden Gesichtspunkten diskutiert v/erden soll:
1) Petektorfähigkeit (D*)
Die Detektorfähigkeit D eines nvroelektrisehen Kristalls
wird durch einen ^ezipronwert einer solchen Intensität
von auf den Kristall fallenden Infrarotstrahlen repräsentiert,
daß ein pvroelektrisches Signal nit einer Intensität hervorgerufen wird, die gleich der Intensität des in den Kristall erzeugten
und in diesem auftretenden Rauschens ist.Die Dimension
der Detektorfähiqkeit wird mit cm /Uz/n ausgedrückt»
2) Formbarkeit
Dir· TOrnf ähigkeit eines pyroelektrisch en Kristalls beherrscht
allgemein seine Eignung zur Massenproduktion und seine Produktionskosten. Hs wird gewünscht, daß der für den Infrarotdetektor
zu verwendende Kristall durch Schneid— und Polierbearbeituncr
leicht zu einer kleinen Platte von etwa 1 χ 1 χ o,o2 ipn3
Volumen gebildet wird. TSs wird ferner qew"nr;cht, daß Elektroden
zur Aufnahme dos pyroelektrinchen Effektes leicht auf der Oberfläche
des Kristalls anneheftet werden können»
3} Curie-Temperatur (Tc)
Da :lio snontano Polsrisiorung in der pyroelektrischen
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Kristall nur unterhalb der Curie-Temneratur möglich sein rag,
sollte der pyroelektische Detektor unterhalb der Curie-Temperatur verwendet v/erden. Daher ist es erwünscht, daß ein für einen
Infrarotintensitätsdetektor zu verwendender pyroelektrischer Kristall eine hohe Curie-Temperatur hat.
4) Temperaturkoeffizient der spontanen Pnlarisierung
(dPs/dT)
Der Temperaturkoeffizient der spontanen T>olarisierung
eines pyroelektrischen Kristalls beherrscht die Empfindlichkeit der das Kristall enthaltenden Vorrichtung.
Itr folgenden werden TGS-, LiMbO3- und SBN-Kristille
nach den obigen Gesichtspunkten diskutiert:
1) ^riglyzinsulfat (TCR)
Da Triglv;'.insulfatkristall spröde ist, kann es schwierig
sein, den Kristall in einer gewünschten Torr zu bilden. Da ferner Triglyzinsulfatkrista]1 in Vnsser löslich ist, ist der
Kristall gegenüber feuchtigkeit in der Atiror.nhrire empfindlich.
Daher sollten die Kristalle bei der Ilnrstel lung von dem Einfluß
der Feuchtigkeit in der Pmaebungsluft aoschützt werden, und die
Vorrichtunc sollte mit einem Abschimgehmisc zur Aufnahme des
Kristalls versehen sein.
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Da der Gly;iinsulfatkristall eine derart niedrige Curie-Temperatur,
wie 5o C hat, kann der den Kristall verwendende Detektor nur von 3o° bis 4o°C arbeiten..
2) Lithiumniobat (LiMbO3)
Uenn zwar Lithiunniobatkriställ eine vorteilhafte Formbarkeit
und eine hohe Curie-Temperatur hat, besitzt der Kristall eine geringe Detektorfähigkeit D , selbst wenn der Kristall
ein Einkristall ist.
3) 3BN
Es ist schwierig, einen Einkristall von SBN mit hoher
Qualität zu erhalten. V7enri der SBN-Kristall zwar eine vorteilet
hafte Detektorfähigkeit D hat, besitzt er eine niedrige Curie-Temperatur.
Perner ist es schwierig, den SBN-Kristalll in einer Richtung zu polarisieren.
Aus den vorhergehenden Ausführungen ergibt sich, daß die konventionellen pyroelektrischen Infrarotdetektoren, die die zuvor
erwähnten Kristalle verwenden, nicht voll akzeptabel sind.
Mit der Erfindung wird ein Infrarotintensitätsdetektor geschaffen, der ein polarisierter, keramisches Substrat aufweist,
das PbTiO3, 0,8 bis 1,2 MoIJt MnO2,bezogen auf PbTiO3,und l,o bis
2,o Mol* La3O3,bezogen auf PbTiO3 enthält, und zumindest ein Paar
Elektroden, die mit dem Keramiksubstrat verbunden sind.und in
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einer Richtung der Polarisation des Kerämiksubstrats ausgerichtet
sind.
Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert:
Fig. 1 und. 2 zeigen Schnittansichten von vorzugsweise gewählten AusfUhrungsformen des erfindungsgemässen
Detektors.
Entsprechende Bezugsziffern bezeichnen in den Darstellungen gleiche Elemente.
Ein erfindungscremäRer Infrarotintensitätsdotektor verwendet ein polarisiertes Keramiksubstrat,das aus PbTiO3, o,2 Μοίϊ
MnO2, bezogen auf PbTiO3, und l,o bis 2,ο MoIJi La3O3, bezogen auf
PbTiO, besteht. Aua der folgenden Tabelle ist ersichtlich, daß daa pyroelektrieche Material nach der Erfindung eine Eigenschaft
hat, die den Eigenschaften der konventionellen pyroelektrischen Materialien überlegen ist.
| Material | f oeratur 0C |
(cm | .ßz/V) | dT | roui cm, | Fornbarkeit |
| TGS | 52 | C χ | lo8 | 3,5 | ( CaI } | v;enig lös lich in vrasser |
| Li'Tbn3 | 119o | 2 χ | lo3 | -,-8 χ Io |
||
| SBlI | 13o | 2,5 | . η χ Io |
f. X | χ ίο"» | |
| ΠηΟ_, Laon Keramik |
«0 | 9,5 | χ lo8 | C κ | 0 lo"' |
ausgezeichnet |
| in"3 |
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In Figur 1 ißt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Infrarotintensitätsdetektors veranschaulicht, der ein infrarotempfindliches Element Io aufweist, das ein pyroelektrisches polarisiertes Keramiksubstrat 12 enthält, das aus PbTiO5, 0,8· bis
1,2 MoI-J MnO2, bezogen auf PbTiO,, und l,o bis 2,ο Mol-$ La3O,,
besogen auf PbTiO,, besteht. Das Substrat 12 ist in einer durch Pfeile A gezeigten Richtung polarisiert. Auf beiden Hauptflächen
dee Substrate 12 sind durch ein geeignetes Verfahren, beispielsweise Vakuumverdampfung, ein Paar Elektroden H» und IV, beispielsweise aus Gold, Nichrom oder Aluminium, gebildet.
Dabei ist es notwendig, din Elektroden 14 und 14' in der Polarisierungsrichtung
des Substrats 12 auszurichten. Mit den Elektroden 14 bzw. 14* sind ein Paar Leiterdrähte 16 und 16' zur Aufnahme
dor PolarisierungsPnderunn als elektrisches Signal verbunden.
Pas infraroteropfindliehe Element Io ist beispielsweise über
die ΓIeI'trotle 14' auf einen Trägerorgan 18 angeordnet, clan .
seinerseits an einer Tnnon'-'and eines Gehäuses (nicht gezeigt)
des Detektors befestigt ist, danit die. T7ärre.ül-ortragung von der.
infrarotenpfindlichen rlenent Io auf das Gehäuse gesperrt wird.
!•'orden bein Hetrioi·» Infrarotstrahlen au Γ die oberfläche
des Substrats 12 gestrahlt, vrio dies pit einen nfeil R gezeigt
ist, wird die Polarisicrung dos Substrats 12 in Abhängigkeit von der Intensität der aufgestrahlten Infrarotstrahlen geändert.
Die Änderung der Polarisation vT.ird über die. Elektroden 14 und
14' und die Leitungsdrahte 1Π und 1Γ-' als ele1;trisehes Signal
aufgenonnien, das beisniels'-'oiso nittels eines Spannungsn.esscrs
2098AA/102/.
gemessen wird. Ist die Elektrode 14 derart df inn ausgebildet,
daß sie das Hindurchdringen von Infrarotstrahlen ermöglicht, kann das infrarotennfindliche Element Io auf die Elektrode
14 gemäß narsteilung durch einen Pfeil C einfallende Infrarpt-3trahlen
ermitteln.
In Figur 2 ist eine andere Ausführungsforir des erfindungsgemnßon
Infrarotintensitätsdetektors veranschaulicht, der identisch der Ausführungsforn nach Figur 1 mit der Ausnahme konstruiert
ist-, daß das Substrat 12 auf den Trägerorgan 13 angeordnet
ist. Dieser Detektor ist gegenüber Infrarotstrahlen empfindlich,
die auf das Substrat in der durch den 1^f eil D gezeigten
Weise einfallen.
Ks wird nun ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung
des Substrats 12 erläutert.
Es wird zuerst ein Gemisch aus PbO und zu PbO äquimoleku-
larem TiO2 bereitet. Das Gemisch wird dann mittels eines Naßmischverfahrens
mit o,8 bis 1,2 MoI-Jt MnOp, bezogen auf PbTiO,, und l,o
bis 2,0 MoI-U La2O5, bezogen auf PbTiO,, gemischt. Danach wird das
rteultierende Gemisch bei etwa 8500C gebrannt.Das so gebrannte
Gemisch wird dann in ein feines ^ulver nulverisiert. Has feine Pulver
wird in eine I^igel- oder .Icheibenform gebracht und bei einer
Temperatur von 124o ° bis 128o°C in Luft für etwa 1 Stunde gesintert.
Die resultierenden Keramikteile werden in ein Silikonölbad von 2qo C eingetaucht, wo ein elektrisches Feld von etwa
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βο KV/cm herrscht, so daß die Keramikteile polarisiert werden.
Die polarisierten Keramikteile werden in eine gewünschte Gestalt geformt.
Aus den vorhergehenden Ausführungen ergibt sich, daß der erfindungsgemäße Infrarotdetektor mit seiner hohen Detektorfähigkeit
D und Curie-Temperatur vorteilhaft ist. Ausserdem hat der Infrarotdetektor eine ausgezeichnete Formbarkeit.
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Claims (3)
1. Infrarotxntensxtätsdetektor, gekennzeichnet durch ein polarisiertes Keramiksubstrat (12), das PbTiO_, o,8 bis
1,2 Mol-* MnO2, bezogen auf PbTiO5, l,o bis 2,ο MoI-J La3O5,
bezogen auf PbTiO,, enthält, und durch zumindest ein Paar Elektroden (14, I1I1)* die mit dem Keramiksubstrat (12) verbunden
sind und in einer Richtung der Polarisation des Keramiksubstrats (12) ausgerichtet sind.
2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Elektroden (14, I1I1) Infrarotstrahlen
hindurchlassen kann.
3. Detektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (I1I, 14 ') aus Gold, Nichrom
oder Aluminium bestehen.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
| E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
| EF | Willingness to grant licences |