DE2921298C2

DE2921298C2 - Pyroelektrischer Infrarot-Detektor

Info

Publication number: DE2921298C2
Application number: DE2921298A
Authority: DE
Inventors: Tetuaki Kon; Naohiro Iwaki Fukushima Murayama; Hiroshi Obara
Original assignee: Kureha Corp
Current assignee: Kureha Corp
Priority date: 1978-05-30
Filing date: 1979-05-25
Publication date: 1985-04-18
Also published as: FR2427590B1; GB2021864A; FR2427590A1; JPS54174384U; DE2921298A1; CA1124373A; US4258260A

Description

Die Erfindung betrifft einer, pyr «älektrischen Infrarot-Detektor mit einem Träger, auf dessen beiden Oberflächen aus Polymer-Material bestehende pyroelektrische Elemente angebracht sind, auf deren beiden Oberflächen Elektroden angeordnet sind, bei dem die Elektroden des einen pyroelektrischen Elements mit den Elektroden entgegengesetzter Polarität des anderen pyroelektrischen Elements verbunden sind und bei dem die Infrarotstrahlen auf nur eines der pyroelektrischerv Elemente gerichtet sind.

Bei einem pyroelektrischen Infrarotdetektor dieser Art (DE-OS 26 06 711) werden durch das gegenpolige Verschalten der pyroelektrischen Elemente Störeinflüsse durch Kompressionswellen in der Luft, wie beispielsweise Schallwellen, die zu einem piezoelektrischen Effekt führen können, unterdrückt, wie es aus Applied Physics Letters, Bd. 27, 1975, Nr. 12, S. 639-641 bekannt ist. Außerdem wird durch das gegenpolige Verschalten eine unerwünschte Beeinflussung durch Änderungen in der Umgebungstemperatur ausgeschlossen, da, wie in der genannten DE-OS dargelegt. Änderungen in der Umgebungstemperatur beide pyroelektrischen Elemente in gleicher Weise beeinflussen, während die zu messenden Infrarotstrahlen auf nur eines der pyroelektrischen Elemente gerichtet sind. Wenn jedoch der Träger und somit die pyroelektrischen Elemente dieses bekannten pyroelektrischen Infrarotdetektors Biegespannungen ausgesetzt sind, entstehen in den pyroelektrischen Elementen ebenfalls Störsignale aufgrund des piezoelektrischen Effekts, so daß das eigentliche Nutzsignal, das durch pyroelektrischen Effekt infolge der Bestrahlung erzeugt wird, sich hiervon nicht mehr genügend abheben kann.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen pyroelektrischen Infrarotdetektor der eingangs genannten Gattung derart weiterzubilden, daß selbst bei dem Einwirken von Biegespannungen auf den Träger die durch Piezoelektrizität erzeugten Störsignale im Vergleich zu den durch den pyroelektrischen Effekt hervorgerufenen Signale vernachlässigbar klein bleiben, so daß auch in schwingungsreicher Umgebung ein optimales Verhältnis von Nutzsignalen zu Störsignal erhalten bleibt.

Erfihdungsgemäß ist zur Lösung dieser Aufgabe bei einem pyroelektrischen Infrarotdetektor der eingangs

ίο genannten Gattung vorgesehen, daß die Dicke des Trägers größer ist als die Dicke der pyroelektrischen Elemente und daß das Produkt aus Elastizitätsmodul und Dicke des Trägers mindestens um den Faktor 5 größer ist als das Produkt aus Elastizitätsmodui und Dicke eines jeden pyroelektrischen Elements.

Vorteilhafterweise ist das Produkt aus Elastizitätsmodui und Dicke des Trägers um den Faktor 10, bevorzugt um den Faktor 20, größer als das Produkt aus Elastizitätsmodui und Dicke eines jeden pyroelektrischen EIements.

Be: dem erfindüngsgcrnäßen pyroelektrischen infrarot-Detektor ist vorteilhafterweise der Slöreinfluß durch Piezoelektrizität in schwingungsreicher Umgebung bzw. durch andere Biegebeanspruchungen stark herabgesetzt, da der Träger wesentlich steifer als die pyroelektrischen Elemente ausgebildet ist.

Als Materialien fü.'den Träger kommen Metall. Glas, keramische Wirkstoffe, Kunststoffe, Kautschuk oder Gummi in Frage. Die aus Polymermaterial bestehenden pyroelektrischen Elemente können in der Weise aufgebaut sein, daß ein Polymerfilm oder eine Polymermenibran aus einem Homopolymer, wie beispielsweise Polyvinylidenfluorid oder Polyvinylfluorid, einem Copolymer, welches Vinylidenfluorid oder Vinylfluorid als Hauptkomponente enthält, oder aus einer Polymermischung, die entweder das vorstehend erwähnte Homopolymer oder Copolymer als Hauptkomponentc enthält, orientiert und polarisiert ist- Das filmartige pyroelektrische Element ist dabei geeLpeterweise derart ausgebildet, daß es eine Dicke von 1 bis 100 Mikron, bevorzugt eine Dicke von 2 bis 50 Mikron, aufweist.

Materialien für die Elektroden auf beiden Oberflächen des pyroelektrischen Elements umfassen Gold, Silber, Nickelchromlegierungen, Aluminium oder Kohlcnstoff, und die Elektroden sind durch eine Dampfabscheidung dieser Materialien auf das pyroelektrische Element hergestellt oder durch die Befestigung eines Films aus diesen Materialien am pyroelektrischen Element. Die Elektroden können eine Dicke haben, die etwa gleich oder kleiner ist als die Dicke des pyroelektrischen Elements. Die Dicke der Elektroden kann im Bereich von 1 nm bis 200 nm und insbesondere von 5 nm bis 100 nm liegen, so daß die Wärme die durch die Infrarotbestrahlung erzeugt wird, in guter Weise auf das pyroelektrische Element übertragen wird. Die Elektrode, clic als Einfalloberfläche für die Infrarotbestrahlung verwendet wird, kann auch aus Materialien bestehen, welche Infrarotstrahlen durchlassen, beispielsweise aus einem transparenten Material, so daß die einfallenden Infrarotstrahlen direkt zu dem pyroelektrischen Element gelangen können.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt

b5 Fig. I eine perspektivische Ansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispicls eines crfindungsgemiißen pyroelcktrisehcn Infrarot-Detektors,

F i g. 2 eine Schnittansichl des in F i g. 1 dargestellten

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Detektors,

Fig.3 und 4 Schnittansichten, die die Betriebsweise des in Fig 1 dargestellten Detektors veranschaulichen,

Fig.5 eine Schnittansicht eines weiteren Aüsführungsbeispiels der Erfindung,

Fig.6 eine Schnittansichl eines Infrarot-Detektors, bei dem der in Fig. 1 dargestellte Detektor und ein Impedanzwandler in einem abgeschlossenen Gehäuse montiert sind, und

Fi g. 7 ein Schaltbild des Impedanzwandlers, der bei dem in Fig. 6 dargestellten Detektor verwendet wird.

Bei der Darstellung in den Fig. 1 und 2 trägt ein scheibenförmiger Träger 1 aus keramischen Werkstoffen auf seiner Oberfläche 2 ein pyroelektrisch« Element 5, welches dünne filmförmige Elektroden 3 und 4 aufweist. Das scheibenförmige pyroelektrische Element 5 wird beispielsweise so hergestellt, daß ein Film aus einem Polymermaterial, wie beispielsweise Polyvinylidenfluorid, orientiert und polarisiert wird, wodurch dieses Filmmaterial pyroelektrische Eigenschaften erhält. Das pyroelektrische Element 5 ist am Träger 1 im allgemeinen in der Weise befestigt, daß Klebstoffe zwischen der Elektrode 4 und dem Träger 1 aufgebracht %/erden, um die Elektrode 4 an dem Träger 1 zu befestigen, wobei die Elektroden 3 und 4 vorher auf beiden Oberflä- chcn des pyroelektrischen Elements 5 ausgebildet wurden, beispielsweise durch eine Dampfabscheidung von Gold oder Silber, oder dadurch, daß Klebstoffe zwischen dem pyroelektrischen Element 5 und der Elektrode 4 aufgetragen wurden, um das pyroelektrische EIe- ment 5 art der Elektrode 4 zu befestigen, wobei die Elektrode 4 vorher auf der Oberfläche 2 des Trägers 1 durch eine Dampfabscheidung von Gold oder Silber ausgebildet wurde.

Die einfallende Infrarotstrahlung wird im allgemeincn durch umlaufende Blenden oder Zerhacker intermittierend gemacht, da das pyroelektrische Element im allgemeinen eine Pyroelektrizität erzeugt, die den Unterschiedswerlen bezüglich der Temperaturänderungen entspricht.

Die Dicke C des Trägers 1 ist größer als die Dicke d des Elementes 5, und das Produkt aus Elastizitätsmodul und Dicke D des Trägers 1 ist größer als das Produkt des Elastizitätsmoduls und der Dicke ddes Elementes 5, und /war um den Faktor 5,10 oder 20. Ein pyroelektrischcs Element ist an der anderen Oberfläche 6 des Trägers 1 montiert. Das pyroelektrische Eiement 9 und die Elektroden 7 und 8 sind in der gleichen Weise ausgebildet wie das pyroelektrische Element 5 und die Elektroden 3 und 4 und für seine Dicke dund seinen Elastizitäts- so modul gelten die gleichen Beziehungen wie beim Element 5. Diis pyroelektrische Element 9 ist am Träger 1 derart montiert, daß es in der Richtung polarisiert ist, wie durch den Pfeil B veranschaulicht ist, während das Element 5 in Richtung des Pfeiles A polarisiert ist. Wenn die pyroelektrischen Elemente 5 und 9 in dieser Weise auf beiden Oberflächen des Trägers 1 montiert sind, wird die Elektrode 3 am Element 5 und die Elektrode 8 am anderen Element 9 über eine Leitung 10 verbunden, während die Elektrode 4 am Element 5 und die Elektrode 7 am anderen Element 9 mittels einer Leitung 11 miteinander verbunden werden. Dies bedeutet, daß die Elektrode 3 mit der Elektrode 8 von entgegengesetzter Polarität verbunden ist, und die Elektrode 4 mit der Elektrode 7 von entgegengesetzter Polarität, und zwar über die Leitungen 10 und 11. Wenn der Träger 1 und die pyroelcktrischen Elemente 5 und 9 so zusammengebiiul sind, entsteht dadurch'..in Infrarot-Detektor 13, der dann Infrarotstrahlen 12 ausgesetzt wird, beispielsweise auf der Seite des pyroelektrischen Elementes 5. Da die pyroelektrischen Elemente 5 und 9 von dsm Träger 1. getragen werden, werden, wenn Schwingungen oder Schaltwellen dem Detektor 13 zugeführt werden. Verbiegungen der pyroelektrischen Elemente 5iind 9 unterdrückt oder ausgeschaltet, und der Wert der Piezoelektrizität, der durch die Biegung erzeugt wird, ist vernachlässigbar, und keine wesentlichen elektrischen Ladungen werden in den Elektroden 3,4 und 7 und 8 induziert

Wenn Kompressiohswellen in der Luft, wie beispielsweise Schallwellen, dem Detektor 13 zugeführt werden, so werden Kompressionsspannungen, wie bei dem eingangsgenannten bekannten Detektor, in gleicher Weise über die Dicke eines jeden pyroelektrischen Elementes 5 und 9 erzeugt und dadurch werden positive elektrische Ladungen in den Elektroden 3 und 7 erzeugt und negative elektrische Ladungen in den Elektroden 4 und 8, wie es beispielsweise in F i g. 3 veranschaulicht ist Da die Elektroden 3 und 8 über die Leitung 10 verbunden sind, und die Elektroden 4 und 7 über die Leitung 11, heben sich die in diesen Elektroden imijzierten elektrischen Ladungen gegenseitig auf.

Wenn andererseits elektrische Ladungen in jeder der Elektroden induziert werden, und zwar durch den pyroelektrischen Effekt infolge von Änderungen in der Umgebungsttinperatur, wie es in F i g. 3 gezeigt ist werden die elektrischen Ladungen, wie bei dem eingangs genannten bekannten Detektor, in der gleichen Weise neutralisiert Demzufolge entstehen keine wesentlichen elektrischen Strösignale durch die Piezoelektrizität infolge von Biege- oder Kompressionsspannungen oder durch die Pyroelektrizität infolge Umgebungstemperaturänderungen, und diese Störsignale können nicht an den Anschlüssen 14 und 15 auftreten, die mit den Leitungen 10 und 11 verbunden sind.

Bei einer Bestrahlung mittels Infrarotstrahlen 12 wird lediglich das pyroelektrische Element 5 erwärmt und es entstehen positive und negative elektrische Ladungen durch die Pyroelektrizität in den Elektroden 3 und 4, wie es F i g. 4 zeigt. Demzufolge können elektrische Signale, die d-J^-Ch die Infrarotstrahlung erzeugt werden, zwischen den Anschlüssen 14 und 15 abgenommen werden.

Da die Infrarotstrahlung und die Wärmeleitung zum pyroelektrischen Element 9 im wesentlichen durch den Träger 1 unterbrochen sind, werden keine wesentlichen Ladungen in den Elektroden 7 und 8 bei einer Bestrahlung mittels Infrarotstrahlen 12 induziert. Elektrische Ladungen, die in den Elektroden 3 und 4 induziert werden, werden nicht abgeglichen, und es entstehen elektrische Signale zwischen den Anschlüssen 13 und 14. Da in dem Detektor 13 die Störsignale im wesentlichen vermindert oder ausgeschaltet werden können, und da andererseits elektrsiche Signale erhalten werden können, die durch die Infrarotstrahlung erzeugt werden, kann der Rauschabstand in den Nutzsignalen ganz wesentlich verbessert werden.

Bei dem im Vorstehenden dargelegten Ausführungsbeispiel sind die Elektroden 4 und 7 getrennt voneinander angeordnet und ausgebildet. Es kann aber auch eine Elektrodenschicht 51 ganz auf der äußeren Oberfläche des Trägers 1 ausgebildet werden und als Elektrode für beide Elemente 5 und 9 verwendet werden^ wie es beispielsweise in F i g. 5 gezeigt ist. Dadurch, daß man die Elektrode auf diese Weise ausbildet, kann die Leitungsverbindung fortfallen, und dadurch wird die Verarbeitbarkeit verbessert.

Bei diesem Ausführungsbeispiel muß die Elektroden-

Schicht 51 nicht für die gesamte äußere Oberfläche des Trägers 1 vorgesehen sein. Sie kann die gleiche Fläche aufweisen wie die pyroelektrischen Elemente 5 und 9, und zwar an den Stellen, wo sie diesen Elementen gegenüberliegt, und kann an anderen Stellen als Streifen ausgebildet sein. Eine elektrische Verbindung der Elektrodenschicht auf der Seite des pyroelektrischen Elementes 5 und auf der Seite des pyroelektrischen Elementes 9 durch einen Streifen kann die Verarbeitbarkeit verbessern, und gleichzeitig wird die Wärmeleitung von der Elektrodenschicht am pyroelektrischen Element 5 zur Elektrodenschicht am pyroelektrischen Element 9 verringert, wodurch Temperaturänderungen lediglich auf der Seite des pyroelektrischen Elementes 5 bei Infrarotbestrahlung erzeugt werden können.

Wie die F i g. 6 und 7 zeigen, kann der Detektor 13 zusammen mit einem Impedanzwandler 61 in einem abgeschlossenen Gehäuse verwendet werden. Der Impedanzwandler 61, der in den F i g. 6 und 7 dargestellt ist, weist einen n-Feldeffekttransistor 62 auf, einen Widerstand 64, dessen eines Ende mit dem Gate 63 des Transistors 62 verbunden ist, und einen Widerstand 66, dessen eines Ende mit der Source-Elektrode 65 des Transistors 62 verbunden ist. Die beiden anderen Enden der Widerstände 64 und 66 sind miteinander verbunden. Der Wandler 61 und der Detektor 13, der, wie im Vorstehenden beschrieben, ausgebildet ist, werden in der Weise verbunden, daß der Anschluß 14 mit dem Gate 63 verbunden wird, und der Anschluß 15 mit den Enden der Widerstände 64 und 66. wie es F i g. 7 zeigt. Der Detektor 13, der in dem Gehäuse 67 montiert ist, wird von einer Halterung 68 auf einer Platte 69 getragen, und der Wandler 61 ist auf der Platte 69 befestigt. Die Platte 69 trägt Anschlüsse 70, 71 und 72. Der Anschluß 70 ist mit der Drain-Elektrode 73 des Transistors 62 verbunden, und der Anschluß 71 ist mit der Source-Elektrode 65 des Transistors 62 verbunden, während der Anschluß 72 mit den verbundenen Enden der Widerstände 64 und 66 verbunden ist. Die Deckelseite des Gehäuses 67, die dem pyroelektrsichen Element 5 gegenüberliegt, weist ein Fenster 74 auf, in dem ein Material 75 angeordnet ist, welches aus Silizium, Germanium oder einem ähnlichen Stoff besteht, der Infrarotstrahlen durchläßt.

Dadurch, daß der Detektor 13 und der Impedanzwandler 61, der als Source-Folgeschaltung ausgebildet ist, im Gehäuse 67 angeordnet sind, können elektrische Signale am Anschluß 71 abgegeben werden, die durch die Infrarotstrahlung erzeugt werden und einen ausgezeichneten Rausch- oder Störabstand haben. Bei der Verwendung der in F i g. 6 dargestellten Vorrichtung ist eine Gleichspannungsquelle zwischen die Anschlüsse 70 und 72 eingeschaltet Das Gehäuse 67 ist vorzugsweise nicht nur so ausgebildet, um das Einfallen von Infrarotstrahlung auf das pyroelektrisch^ Element' 5 mit Ausnahme der Strahlung durch das Fenster 74 zu verhindem, sondern dieses Gehäuse vermindert auch gerichtete Schwingungen, wie beispielsweise Schailschwingungen. Es können jedoch einige kleine Öffnungen im Gehäuse vorgesehen sein.

Wenn das Gehäuse gegen die äußere Atmosphäre μ vollkommen abgeschlossen ist, wird bevorzugt ein Inertgas, wie beispielsweise Argon oder Stickstoff, in diesem Gehäuse eingeschlossen, um eine Oxidation der Elektroden u. dgl. auszuschließen.

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Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Pyroelektrischer Infrarpt-Detektor mit einem Träger, auf dessen beiden Oberflächen aus Polymer-Material bestehende pyroelektrische Elemente angebracht sind, auf deren beiden Oberflächen Elektroden angeordnet sind, bei dem die Elektroden des einen pyroelektrischen Elements mit den Elektroden entgegengesetzter Polarität des anderen pyroelektrischen Elements verbunden sind und bei dem die Infrarotstrahlen auf nur eines der pyroelektrischen Elemente gerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Trägers (1) größer ist als die Dicke der pyroelektrischen Elemente (5,9) und daß das Produkt aus Elastizitätsmodul und Dikke des Trägers (1) mindestens um den Faktor 5 grö-3er ist als das Produkt aus Elastizitätsmodui und Dicke eines jeden pyroelektrischen Elements (53).

2. Pyroejeitrischer Infrarot-Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt aus Elastizitätsmodul und Dicke des Trägers (1) um den Faktor 10 größer ist als das Produkt aus Elastizitätsmodul und Dicke eines jeden pyroelektrischen Elements (5,9).

3. Pyroelektrischer Infrarot-Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt aus Elastizitätsmodul und Dicke des Trägers (1) um den Faktor 20 größer ist als das Produkt aus Elastizitätsmodul und Dicke eines jeden pyroelektrischen Elements (5,'i).