DE4109399A1 - Quartz oscillator-based radiation sensor - consists of receiver face arranged directly on thermal detector useful as IR detectors - Google Patents
Quartz oscillator-based radiation sensor - consists of receiver face arranged directly on thermal detector useful as IR detectorsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Strahlungssensor zum Nachweis von strahlungsinduzierter Dissipation. Das Anwendungsgebiet erstreckt sich auf alle Gebiete von Wissenschaft und Technik, in denen es um die Bewertung von Strahlung durch einen qualitativen oder quantitativen Nachweis von strahlungsinduzierter Wärmeentwicklung bzw. Temperaturänderung und/oder Folgeprozessen von Wärmeentwicklung bzw. Temperaturänderungen geht. Der erfindungsgemäße Strahlungssensor kann insbesondere auf den Gebieten Optik, Optoelektronik, Lasertechnik und Gerätebau zum Nachweis oder zur Bewertung von Strahlung eingesetzt werden. Der erfindungsgemäße Strahlungssensor eignet sich besonders für Anwendungen im infraroten Spektralbereich und/oder zum Nachweis bzw. zur Bewertung von intensiver Laserstrahlung.The invention relates to a radiation sensor for the detection of radiation-induced dissipation. The field of application extends focus on all areas of science and technology, in which are about the evaluation of radiation by a qualitative or quantitative detection of radiation-induced heat development or temperature change and / or subsequent processes of heat development or temperature changes. The invention Radiation sensor can be particularly in the fields Optics, optoelectronics, laser technology and device construction for verification or used to assess radiation. The invention Radiation sensor is particularly suitable for applications in the infrared spectral range and / or for detection or for the evaluation of intense laser radiation.
Energiewandlungsprozesse sind mit Dissipation verbunden. Dabei gibt ein dynamisches System mit wenigen Freiheitsgraden Energie an ein dissipatives System mit vielen Freiheitsgraden (Wärmebad) ab. Die dissipierte, d. h. in Wärme umgewandelte Energie verändert die thermische Zustandsgröße Temperatur des dissipativen Systems, die eine Funktion der Energie des Systems und seiner Wechselwirkung mit der Umgebung ist. Somit sind auch strahlungsinduzierte dissipative Prozesse mittels Temperaturmessung nachweisbar.Energy conversion processes are associated with dissipation. Here gives a dynamic system with few degrees of freedom energy to a dissipative system with many degrees of freedom (thermal bath) from. The dissipated, i.e. H. energy converted into heat changes the thermal state variable temperature of the dissipative System which is a function of the energy of the system and its interaction with the environment. Thus, too radiation-induced dissipative processes using temperature measurement detectable.
Um zu quantifizierten Aussagen über die Temperatur zu kommen, kann man sich einer beliebigen, leicht meßbaren physikalischen Eigenschaft einer Substanz bedienen, die eine eindeutige Funktion der Temperatur ist, wobei jedoch für eine allgemeingültige Temperaturskala eine substanzunabhängige Eigenschaft zu wählen ist.In order to come to quantified statements about the temperature, can be any, easily measurable physical Use property of a substance that has a unique function the temperature is, however, for a general Temperature scale to choose a substance-independent property is.
Nichtselektive (thermische) Detektoren für elektromagnetische Strahlung sind im wesentlichen Thermometer, die sich im unmittelbaren Kontakt mit einer Empfängerfläche befinden, in der die einfallende Strahlung über Absorptionsprozesse dissipiert. Die dabei registrierte Temperaturänderung repräsentiert im Gleichgewicht ein Maß für den einfallenden Strahlungsfluß.Non-selective (thermal) detectors for electromagnetic Radiation are essentially thermometers that are in the immediate vicinity Are in contact with a receiver surface in which the incident radiation dissipates via absorption processes. The registered temperature change represents in equilibrium a measure of the incident radiation flow.
Strahlungsthermometer (Pyrometer) können nach den verwendeten Thermometertypen klassifiziert werden. Die gegenwärtig hauptsächlich eingesetzten thermischen Detektortypen sind: Bolometer, Thermopaare und Golay-Zellen, die auf den Thermometertypen: Widerstandsthermometer, Thermopaar-Thermometer und Gasthermometer beruhen. Diese und weitere Temperaturmeßverfahren zum Nachweis von Strahlung sind in einem in umfangreichen Maße vorhandenen Standard- und Orignalschrifttum detailliert ausgeführt [z. B. H. Neumann und K. Stecker, Temperaturmessung, Akademie-Verlag Berlin, 1983; F. Lieneweg, Handbuch der technischen Temperaturmessung, Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig, 1976; A. Vasko, Infra-red Radiation, Iliffe Books Ltd., London, 1968]. Verschiedene Ausführungsformen von Strahlungsdetektoren sind z. B. in den Schriften DE 37 09 201, GB 82 11 219, EP 02 85 961 beschrieben.Radiation thermometers (pyrometers) can be used according to the Thermometer types can be classified. The currently mainly thermal detector types used are: bolometer, Thermocouples and Golay cells based on the thermometer types: Resistance thermometers, thermocouple thermometers and gas thermometers are based. This and other temperature measurement processes for the detection of radiation are to a large extent existing standard and original literature detailed [e.g. B. H. Neumann and K. Stecker, temperature measurement, Akademie-Verlag Berlin, 1983; F. Lieneweg, manual of technical Temperature measurement, friedr. Vieweg & Sohn publishing company mbH, Braunschweig, 1976; A. Vasko, Infra-red Radiation, Iliffe Books Ltd., London, 1968]. Different embodiments of Radiation detectors are e.g. B. in the documents DE 37 09 201, GB 82 11 219, EP 02 85 961.
Die Strahlungsflüsse, die mit derartigen Detektoren zu messen sind, können sehr klein sein (bis < 10-9 W), so daß eine maximale Empfindlichkeit gefordert ist. Weitere Forderungen betreffen einen möglichst schnellen Response, der insbesondere durch die dynamische Bürde Wärmekapazität des Meßsystems begrenzt wird. Durch die in bekannten thermischen Detektoren übliche Verwendung von thermoelektrischen Wandlern kommt das mit dem Wiedemann-Franz'schen Gesetz verbundene Problem hinzu, daß gute elektrische Leiter auch gute Wärmeleiter sind. Somit ist die thermische Leitfähigkeit der thermoelektrischen Wandler einschließlich Zuleitungen eine weitere statische und dynamische Bürde.The radiation fluxes to be measured with such detectors can be very small (up to <10 -9 W), so that maximum sensitivity is required. Further requirements relate to the fastest possible response, which is limited in particular by the dynamic burden of the heat capacity of the measuring system. Due to the usual use of thermoelectric converters in known thermal detectors, there is the additional problem associated with Wiedemann-Franz law that good electrical conductors are also good heat conductors. The thermal conductivity of the thermoelectric converters, including the supply lines, is therefore a further static and dynamic burden.
Ein sehr genaues und elegantes digitales Temperaturmeßverfahren beruht auf der Eigenschaft eines Quarzkristalls, seine auf dem piezoelektrischen Effekt beruhende Schwingungsfrequenz in Abhängigkeit von der Temperatur zu verändern [D. L. Hammond, A. Bernjaminson, Linear Quartz Thermometer, Instruments & Control Systems, Vol. 38 No. 10 (1965) 115-119; P. Schöltzel, Temperaturmessung mit Quarzsensoren, VDI-Z 112 (1970) 14-18; H. Ziegler, Temperaturmessung mit Schwingquarzen, Technische Messen 54 (1987) 124-129 bzw. Sonderheft Sensoren '88, (1988) 119-124]. Anwendungen dieses Temperaturmeßverfahrens in Strahlungssensoren sind jedoch bislang nicht bekannt geworden.A very precise and elegant digital temperature measurement process is based on the property of a quartz crystal, its on the oscillation frequency based on piezoelectric effect to change from temperature [D. L. Hammond, A. Bernjaminson, Linear Quartz Thermometer, Instruments & Control Systems, Vol. 38 No. 10 (1965) 115-119; P. Schöltzel, temperature measurement with quartz sensors, VDI-Z 112 (1970) 14-18; H. Ziegler, Temperature measurement with quartz crystals, technical fairs 54 (1987) 124-129 or special edition sensors '88, (1988) 119-124]. Applications of this temperature measurement method in radiation sensors have so far not become known.
Schwingquarze sind dünne, mit Elektroden versehene Plättchen aus trigonalem kristallinem α-Quarz, die durch Anlegen einer elektrischen Spannung infolge des piezoelektrischen Effektes in eine Dicken-Schwingung versetzt werden können. Durch elektronische Rückkopplung entsteht ein elektromechanischer Oszillator mit einer temperaturabhängigen Frequenz, wobei die Temperaturabhängigkeit vom Schnittwinkel des Quarzes abhängig ist.Quartz crystals are thin plates with electrodes made of trigonal crystalline α quartz, which can be obtained by electrical voltage due to the piezoelectric effect in a thickness vibration can be offset. Through electronic Feedback creates an electromechanical oscillator with a temperature dependent frequency, the temperature dependence depends on the cutting angle of the quartz.
Der Temperaturgang des linearen Temperaturkoeffizienten α hat in Abhängigkeit vom Schnittwinkel R beim sogenannten AT-Schnitt eine Nullstelle, so daß die Frequenz des Quarzes f(T) = f₀(1+αT) praktisch nicht mehr von der Temperatur abhängt [R. Bechmann, A. D. Ballato, T. J. Lukaszek, Higher-order temperature coefficients of the elastic stiffness and compliances of alpha quartz, Proc. IRE 50 (1962 1812-1822]. Dieser Schnittwinkel wird deshalb heute bei fast allen technischen Schwingquarzanwendungen eingesetzt, wie z. B. bei der hochgenauen digitalen Zeitmessung oder der Schwingquarzmonitorierung von Schichtdicken in Beschichtungsprozessoren. Für Temperaturmeßquarze ist dagegen der HT-Schnitt vorteilhaft, da er einen maximalen linearen Temperaturkoeffizienten α von rund +90 · 10-6K-1 liefert, was eine Frequenzänderung von 0,001% pro Kelvin im Anwendungsintervall von 10 . . . 770 K entspricht. Dies ist zwar ein kleiner Meßeffekt, der aber wegen der hohen Stabilität und Präzision der Schwingquarze mit rein digitalen Methoden problemlos auswertbar ist. Eine exakte Analyse der Temperaturabhängigkeit der Resonanzfrequenz ergibt schwache, systematische Terme höherer Ordnung gemäß f(T) = f₀(1+αT+βT²+ΓT³). Mit den für den HT-Schnitt typischen Temperaturkoeffizienten α = 90 · 10-6K-1, β = 60 · 10-9K-1, Γ = 30 · 10-12K-1 ist die Nichtlinearität β/α kleiner 10-3; sie kann z. B. mit Mikroprozessorsystemen problemlos korrigiert werden. Damit ist ein Schwingquarz mit HT-Schnitt, dessen Resonanzfrequenz fast nur noch linear von der Temperatur abhängt, als Temperatursensor vorzüglich geeignet. Bei kalibrierten Sensoren kann man mit einem Fehler von 0,002 K rechnen; relative Temperaturmessungen sind noch genauer ausführbar. The temperature response of the linear temperature coefficient α has a zero depending on the cutting angle R in the so-called AT cut, so that the frequency of the quartz f (T) = f₀ (1 + αT) practically no longer depends on the temperature [R. Bechmann, AD Ballato, TJ Lukaszek, Higher-order temperature coefficients of the elastic stiffness and compliances of alpha quartz, Proc. IRE 50 (1962 1812-1822) .This cutting angle is therefore used today in almost all technical quartz crystal applications, such as high-precision digital time measurement or quartz crystal monitoring of layer thicknesses in coating processors it delivers a maximum linear temperature coefficient α of around +90 · 10 -6 K -1 , which corresponds to a frequency change of 0.001% per Kelvin in the application interval of 10 ... 770 K. This is a small measurement effect, but due to the high The stability and precision of the quartz crystals can be easily evaluated using purely digital methods An exact analysis of the temperature dependence of the resonance frequency reveals weak, systematic terms of higher order according to f (T) = f₀ (1 + αT + βT² + ΓT³). Average temperature coefficient α = 90 · 10 -6 K -1 , β = 60 · 10 -9 K -1 , Γ = 30 · 10 -12 K -1 is the nonlinear earity β / α less than 10 -3 ; it can e.g. B. can be easily corrected with microprocessor systems. This makes a quartz crystal with an HT cut, whose resonance frequency depends almost only linearly on temperature, ideally suited as a temperature sensor. An error of 0.002 K can be expected for calibrated sensors; relative temperature measurements can be carried out even more precisely.
Über die o. g. Anwendungen hinaus sind durch die Schrift US 31 64 004 Anordnungen mit Schwingquarzen bekannt geworden, bei denen die chemische Wechselwirkung von Schwingquarzen mit Umgebungsmedien zum selektiven Nachweis von chemischen Prozessen genutzt wurde. Weiterhin wurde ein Schwingquarz mit integriertem Heizelement zur Messung elektrischer Größen bekannt (US 35 31 663).About the above Applications are further through the script US 31 64 004 arrangements with quartz crystals have become known, where the chemical interaction of quartz crystals with Ambient media for the selective detection of chemical processes was used. Furthermore, a quartz crystal with integrated Heating element for measuring electrical quantities known (US 35 31 663).
Der Anwendbarkeit von Schwingquarz-Temperatursensoren für den Nachweis von Strahlung stehen jedoch die bisher bekannten Ausführungsformen entgegen, die im o. g. Schrifttum hermetisch gekapselte Sensorelemente sind, wobei zur Wärmeleitung von der Kapsel zum Schwingquarz Schutzgase (z. B. Helium) verwendet werden. Dadurch sind bekannte Schwingquarz-Temperatursensoren ausschließlich Berührungssensoren, deren dynamische Bürde sich aus der Wärmekapazität des eigentlichen Sensors und des Gehäuses ergibt, d. h. bei jeder Temperaturänderung muß dieses Teil mit erwärmt bzw. abgekühlt werden. Die Applikationsmöglichkeiten sind durch die erforderliche Immersion des Schwingquarz-Thermosensors in das zu messende Medium eingeschränkt.The applicability of quartz crystal temperature sensors for the However, the previously known embodiments are available for detection of radiation contrary to that in the above Literature hermetically encapsulated Sensor elements are, whereby for heat conduction from the Capsule for quartz protective gases (e.g. helium) can be used. Known quartz crystal temperature sensors are therefore exclusive Touch sensors, the dynamic burden of which the thermal capacity of the actual sensor and the housing results in d. H. with every change in temperature this part must be warmed or cooled. The application options are due to the required immersion of the quartz crystal thermal sensor limited in the medium to be measured.
Ziel der Erfindung ist ein empfindlicher und schneller Strahlungssensor zum Nachweis von strahlungsinduzierter Dissipation, wobei insbesondere die Universalität und Flexibilität erhöht werden soll. Der Strahlungssensor soll einfach aufgebaut sein und Meßwerte, frei von störenden und verfälschenden Einflüssen, liefern.The aim of the invention is a sensitive and fast radiation sensor for the detection of radiation-induced dissipation, in particular increasing the universality and flexibility shall be. The radiation sensor should have a simple structure and measured values, free from disturbing and falsifying influences, deliver.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Strahlungssensor zum Nachweis von strahlungsinduzierter Dissipation zu entwickeln, der durch Vermeidung von thermoelektrischen Wandlern und eine reduzierte Wärmekapazität eine verringerte statische und dynamische Bürde aufweist. Durch sofortige Gewinnung von digitalen Signalen soll die Weiterleitung und Verarbeitung der Meßwerte frei von störenden bzw. verfälschenden Einflüssen gestaltbar sein. The invention has for its object a radiation sensor to develop for the detection of radiation-induced dissipation, by avoiding thermoelectric converters and a reduced heat capacity a reduced static and has a dynamic burden. By instantly extracting digital signals are intended to forward and process the Measured values can be designed free of disturbing or falsifying influences be.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Strahlunssensor zum Nachweis von strahlungsinduzierter Dissipation bestehend aus Empfängerfläche und thermischem Detektor dadurch gelöst, daß der thermische Detektor ein Schwingquarz-Sensorelement ist, welches eine temperaturabhängige Frequenz aufweist und daß die Empfängerfläche unmittelbar auf diesem angeordnet ist.This object is achieved with a radiation sensor for the detection of radiation-induced dissipation detached from the receiver surface and thermal detector, that the thermal detector is a quartz sensor element, which has a temperature-dependent frequency and that the Receiver area is arranged directly on this.
Anordnung und Konfiguration der Empfängerfläche unterliegen im allgemeinen keinen Einschränkungen. Ebenfalls ist es von untergeordneter Bedeutung, ob es sich bei dem Schwingquarz-Sensorelement um sogenannte Dickenschwinger oder Biegeschwinger handelt. Wesentlich ist nur eine maximale Abhängigkeit der Schwingquarzfrequenz von der Temperatur, die beispielsweise bei Schwingquarzen mit dem sogenannten HT-Schnitt erreicht werden kann.The arrangement and configuration of the receiver area are subject to general no restrictions. It is also of minor importance Meaning whether it is the quartz crystal sensor element are so-called thickness transducers or bending transducers. What is essential is only a maximum dependency of the Quartz crystal frequency from the temperature, for example at Quartz crystals can be achieved with the so-called HT cut can.
Kommt es durch Bestrahlung der Empfängerfläche zu dissipativen Prozessen, so wird die Temperaturänderung der Empfängerfläche infolge des Kontaktes mit dem Schwingquarz-Sensorelement auf den Schwingquarz übertragen und dann als Frequenzänderung nachgewiesen. Damit ist sowohl ein qualitativer Nachweis der strahlungsinduzierten Dissipation und/oder eine Quantifizierung der Wärme- oder Temperaturänderung möglich, wozu in Abhängigkeit von der konkreten Aufgabe Relativmessungen ggf. auch zu einem Vergleichsschwingquarz-Sensorelement oder Kalibrierungen eingesetzt werden können. Prinzipiell unterliegt die Art der Strahlung keinerlei Einschränkungen. Besonders zweckmäßig ist der erfindungsgemäße Strahlungssensor jedoch für den Nachweis elektromagnetischer Strahlung.Irradiation of the receiving surface leads to dissipative Processes, so is the temperature change of the receiver surface due to contact with the quartz sensor element transmit the quartz crystal and then detected as a frequency change. This is both a qualitative proof of radiation-induced Dissipation and / or quantification of the Heat or temperature change possible, depending on the from the specific task of relative measurements to one if necessary Comparative quartz sensor element or calibrations used can be. In principle, the type of radiation is subject no restrictions. The is particularly useful However, radiation sensor according to the invention for the detection of electromagnetic Radiation.
Sowohl für Gesamtstrahlungssensoren als auch für selektive Sensoren ist es von Vorteil, wenn die Empfängerfläche eine Absorberschicht ist, die in einem breiten Spektralbereich ein hohes Absorptionsvermögen besitzt. Diese Absorberschicht kann auf einer Elektrode und/oder dem Schwingquarz des Schwingquarz-Sensorelementes angeordnet sein.Both for total radiation sensors and for selective sensors it is advantageous if the receiver surface has an absorber layer is a high in a wide spectral range Has absorbency. This absorber layer can be on an electrode and / or the quartz crystal of the quartz sensor element be arranged.
Effektiv wirkende Absorberschichten lassen sich auf an sich bekannte Art und Weise aus Kohlenstoff und/oder Metalloxiden und/oder Metallen herstellen. Besonders günstig ist die Verwendung von sogenannten Metallschwämmen (z. B. Platinschwamm) aus hochdispersen Metallen. Effective absorber layers can be per se known manner from carbon and / or metal oxides and / or manufacture metals. The use is particularly favorable from so-called metal sponges (e.g. platinum sponge) highly disperse metals.
Selektiv wirkende Strahlungssensoren lassen sich auf einfache Art und Weise realisieren, wenn der Absorberschicht weitere Schichten bzw. Schichtsysteme vor- und/oder nachgelagert sind. Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Absorberschicht ein Bestandteil eines Interferenzschichtsystems ist, das in besonders günstigen Ausführungsformen ein Resonanzsystem ist.Selective radiation sensors can be easily Realize way if the absorber layer further Layers or layer systems are upstream and / or downstream. It is useful if the absorber layer is a component of an interference layer system, which in particular favorable embodiments is a resonance system.
Mit dem erfindungsgemäßen Strahlungssensor gelingt ein empfindlicher und schneller Nachweis von Strahlung, wobei Universalität und Flexibilität der Applikation erweitert wurden. Der Strahlungssensor ist einfach aufgebaut und gestattet die sofortige Gewinnung von digitalen Signalen, die frei von störenden bzw. verfälschenden Einflüssen weitergeleitet und verarbeitet werden können. Durch Vermeidung von thermoelektrischen Wandlern und eine reduzierte Wärmekapazität wird die statische und dynamische Bürde erheblich verringert. Die Reduzierung der Wärmekapazität gelingt, indem die strahlungsinduzierte Dissipation in oder an einer massearmen schichtförmigen Empfängerfläche auf dem Schwingquarz-Temperatursensor erfolgt. Es ist prinzipiell denkbar, daß auch Folgeprozesse von strahlungsinduzierter Dissipation (z. B. Änderung der thermoelastischen Eigenschaften) oder Strahlung (z. B. Swelling) zum Nachweis und/oder zur Bewertung der Strahlung herangezogen werden können.A sensitive sensor can be achieved with the radiation sensor according to the invention and rapid detection of radiation, being universal and flexibility of the application have been expanded. The Radiation sensor is simple and allows immediate Obtaining digital signals that are free from interfering or distorting influences forwarded and processed can be. By avoiding thermoelectric converters and a reduced heat capacity becomes the static and dynamic Burden significantly reduced. The reduction in heat capacity succeeds by the radiation-induced dissipation in or on a low-mass layered receiver surface the quartz crystal temperature sensor. It is in principle conceivable that subsequent processes of radiation-induced dissipation (e.g. change in thermoelastic properties) or radiation (e.g. swelling) for detection and / or evaluation the radiation can be used.
Die Erfindung soll anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Es zeigt:The invention is based on that shown in the drawing Embodiment are explained in more detail. It shows:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Vorder- (a) und Seitenansicht (b) des erfindungsgemäßen Strahlungssensors auf der Grundlage des Nachweises von strahlungsinduzierter Dissipation mittels Schwingquarz-Sensorelement in Form eines Dickenschwingers vorzugsweise zur Bewertung von CO₂-Laserstrahlung. Fig. 1 is a schematic representation of the front (a) and side view (b) of the radiation sensor according to the invention on the basis of the detection of radiation-induced dissipation by means of quartz sensor element in the form of a thickness transducer, preferably for evaluating CO₂ laser radiation.
Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Strahlungssensors umfaßt ein dickenschwingungsfähiges Quarzkristallplättchen 1 mit auf gegenüberliegenden Seiten des Quarzkristallplättchen 1 befindlichen Elektroden 2, die die in Fig. 1 dargestellte, auch bei herkömmlichen Schwingquarz-Sensorelementen übliche Konfiguration aufweisen. Erfindungsgemäß ist auf einer Seite des Quarzkristallplättchens 1 auf einer Elektrode 2 die Empfängerfläche 3 angeordnet, die in einem speziellen Ausführungsbeispiel eine Absorberschicht beispielsweise aus Gold- oder Platinschwamm ist. Die Einfallrichtung des Laserstrahls ist in Fig. 1 durch die Pfeilrichtung angegeben. In einer speziellen Ausführungsform wird die Strahlung eines CO₂-Lasers mit der Wellenlänge 10,6 µm verwendet, die hinsichtlich der Energie- bzw. Leistungsflächendichte bewertet werden soll. Das Quarzkristallplättchen 1 wird aus synthetischem α-Quarz hergestellt und mit nicht dargestellten Elementen, die gleichzeitig elektrische Zuführungen sein können, gehaltert. Die Realisierung des Schwingquarz-Sensorelementes unterliegt im allgemeinen keinen Einschränkungen. Für die Empfindlichkeit des Strahlungssensors ist jedoch wesentlich, daß der lineare Temperaturkoeffizient der Resonanzfrequenz des Schwingquarzes maximiert ist, was z. B. durch den sogenannten HT-Schnitt realisiert werden kann.The embodiment of the radiation sensor according to the invention shown in FIG. 1 comprises a quartz crystal plate 1 capable of vibrating in thickness with electrodes 2 located on opposite sides of the quartz crystal plate 1, which electrodes have the configuration shown in FIG. 1, which is also customary in conventional quartz sensor elements. According to the invention, the receiver surface 3 is arranged on one side of the quartz crystal plate 1 on an electrode 2 , which in a special exemplary embodiment is an absorber layer made of gold or platinum sponge, for example. The direction of incidence of the laser beam is indicated in FIG. 1 by the direction of the arrow. In a special embodiment, the radiation of a CO₂ laser with a wavelength of 10.6 µm is used, which is to be assessed with regard to the energy or power area density. The quartz crystal plate 1 is made of synthetic α-quartz and held with elements, not shown, which can be electrical leads at the same time. The realization of the quartz sensor element is generally not subject to any restrictions. For the sensitivity of the radiation sensor, however, it is essential that the linear temperature coefficient of the resonance frequency of the quartz crystal is maximized. B. can be realized by the so-called HT cut.
Sollen jedoch in prinzipiell denkbaren Strahlungssensoren Folgeprozesse von Strahlung oder strahlungsinduzierter Dissipation zum Nachweis und/oder zur Bewertung der Strahlung herangezogen werden, so können auch eine temperaturunabhängige Frequenz aufweisende Schwingquarze verwendet werden, die z. B. den sogenannten AT-Schnitt besitzen.However, follow-up processes should be possible in radiation sensors that are conceivable in principle of radiation or radiation-induced dissipation used to detect and / or evaluate the radiation can also have a temperature-independent frequency Quartz crystals are used, the z. B. the so-called Own AT cut.
Als Elektroden 2 dienen aufgedampfte und/oder eingebrannte Metallbeläge aus Silber, Gold oder anderen Edelmetallen. Diese Elektroden 2 sind über nicht dargestellte elektrische Verbindungselemente mit ebenfalls nicht dargestellten elektronischen Einheiten verbunden, die der Versorgung mit einer Anregungsspannung, der Meßsignalgewinnung sowie der Kompensation von systematischen Fehlern dienen. Die Empfängerfläche 3 kann als Absorberschicht mit Hilfe von bekannten Beschichtungsverfahren, wie z. B. Aufdampfen oder Sputtern unter Einhaltung der für die jeweilige schichtbildende Substanz bzw. für die Absorptionseigenschaften erforderlichen Depositionsbedingungen hergestellt werden. Dabei ist es besonders zweckmäßig, wenn durch an sich bekannte Variation der Depositionsbedingungen eine der Elektroden 2 und die Empfängerfläche 3 in einem einzigen Verfahrensgang beispielsweise durch Übergang von Gold in Goldschwamm hergestellt werden. Haftvermittler zwischen der Goldelektrode und dem Quarzkristallplättchen können zweckmäßig sein.Evaporated and / or baked metal coatings made of silver, gold or other noble metals serve as electrodes 2 . These electrodes 2 are connected via electrical connecting elements, not shown, to electronic units, also not shown, which are used to supply an excitation voltage, to obtain the measurement signal and to compensate for systematic errors. The receiver surface 3 can be used as an absorber layer using known coating methods, such as. B. vapor deposition or sputtering in compliance with the deposition conditions required for the respective layer-forming substance or for the absorption properties. It is particularly expedient if one of the electrodes 2 and the receiver surface 3 are produced in a single process step, for example by changing from gold to gold sponge, by variation of the deposition conditions known per se. Adhesion promoter between the gold electrode and the quartz crystal plate can be expedient.
Durch die in Fig. 1 dargestellte Elektrodenanordnung wird beim Anlegen oszillierender Spannungen mit Richtwerten von einigen Volt erreicht, daß das Quarzkristallplättchen 1 aufgrund des piezoelektrischen Effektes in eine Dicken-Scherschwingung versetzt wird. Der Temperaturgang dieser Frequenz hat bei dem sogenannten HT-Schnitt ein Maximum. Die Frequenz des Quarzes f(T) = f₀(1+αT) ändert sich dabei im Anwendungsintervall von 10 . . . 770 K mit dem für den HT-Schnitt charakteristischen linearen Temperaturkoeffizienten α von rund +90 · 10-6K-1 um ca. 0,001% pro Kelvin.As a result of the electrode arrangement shown in FIG. 1, when oscillating voltages with guide values of a few volts are applied, the quartz crystal plate 1 is set into a thickness-shear oscillation due to the piezoelectric effect. The temperature response of this frequency has a maximum in the so-called HT cut. The frequency of the quartz f (T) = f₀ (1 + αT) changes in the application interval of 10. . . 770 K with the linear temperature coefficient α characteristic of the HT cut of around +90 · 10 -6 K -1 by approx. 0.001% per Kelvin.
Kommt es nun aufgrund von Bestrahlung der Empfängerfläche 3 beispielsweise durch intensive CO₂-Laserstrahlung (Dauerstrich oder Impuls) infolge von Absorptionsprozessen zu einer Temperaturänderung δT′ der Empfängerfläche 3, so kommt es auch im Quarzkristallplättchen 1 durch Wärmetransfer zu einer Temperaturänderung δT, die mit einer hohen Präzision und Stabilität durch elektronische Einheiten als Frequenzänderung δf = f₀(1+αδT) nachgewiesen werden kann. Bei entsprechender Kalibrierung des Schwingquarz-Sensorelementes beispielsweise mit amtlich geeichten Platinwiderständen, können auch die entsprechenden Temperaturen mit einer hohen Genauigkeit festgestellt werden. Mit den so gewonnenen Meßgrößen können Eigenschaften der Strahlung, beispielsweise die Energie- und Leistungsflächendichte ermittelt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Strahlungssensor gelingt es auf eine experimentell und methodisch einfache Art und Weise, Strahlung qualitativ und quantitativ schnell, empfindlich und stabil nachzuweisen, wobei die Realisierung von Gesamtstrahlungssensoren oder selektiven Strahlungssensoren auf einfache Art und Weise mit leichter Signalinterpretation möglich ist. Da die Art der Strahlung im allgemeinen keinerlei Einschränkungen unterliegt, ist eine hohe Universalität und Flexibilität der Applikation gegeben. Durch die sofortige Gewinnung von digitalen Signalen können die gewonnenen Meßwerte frei von störenden bzw. verfälschenden Einflüssen verarbeitet und weitergeleitet werden. Die statischen und dynamischen Eigenschaften des Strahlungssensors werden insbesondere durch Vermeidung von thermoelektrischen Wandlern und durch Reduzierung der Wärmekapazität des Sensors verbessert. Der erfindungsgemäße Strahlungssensor ist insbesondere für den infraroten Spektralbereich als IR-Detektor, Laserkalorimeter u. dgl. einsetzbar.If there is now due to irradiation of the receiving surface 3, for example by intense CO₂ laser radiation (continuous wave or pulse) as a result of absorption processes in a temperature change delta T 'of the receiving surface 3, it is also in the quartz crystal wafer 1 by heat transfer to a temperature change delta T, which with a high Precision and stability can be demonstrated by electronic units as a frequency change δf = f₀ (1 + αδT). With appropriate calibration of the quartz sensor element, for example with officially calibrated platinum resistors, the corresponding temperatures can also be determined with a high degree of accuracy. With the measurement variables obtained in this way, properties of the radiation, for example the energy and power surface density, can be determined. With the radiation sensor according to the invention, it is possible in an experimentally and methodologically simple way to detect radiation qualitatively and quantitatively quickly, sensitively and stably, the implementation of total radiation sensors or selective radiation sensors being possible in a simple manner with easy signal interpretation. Since the type of radiation is generally not subject to any restrictions, the application is highly universal and flexible. Due to the immediate acquisition of digital signals, the measured values obtained can be processed and forwarded free of disturbing or distorting influences. The static and dynamic properties of the radiation sensor are improved in particular by avoiding thermoelectric converters and by reducing the thermal capacity of the sensor. The radiation sensor according to the invention is particularly for the infrared spectral range as an IR detector, laser calorimeter and. Like. Can be used.
Claims (4)
daß der thermische Detektor ein Schwingungsquarz-Sensorelement ist, welches eine temperaturabhängige Frequenz aufweist
und daß die Empfängerfläche unmittelbar auf diesem angeordnet ist.1. radiation sensor for the detection of radiation-induced dissipation consisting of receiver surface and thermal detector, characterized in that
that the thermal detector is a vibration quartz sensor element which has a temperature-dependent frequency
and that the receiver surface is arranged directly on this.
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