DE68914707T2

DE68914707T2 - Pyroelektrische Infrarot-Detektoren und deren Herstellungsverfahren.

Info

Publication number: DE68914707T2
Application number: DE68914707T
Authority: DE
Inventors: Geoffrey C O Philips Com Baker; Roger C O Philips Compo Pearce; Paul Lewis C O Phil Williamson
Original assignee: Marconi Co Ltd
Current assignee: BAE Systems Electronics Ltd
Priority date: 1988-03-02
Filing date: 1989-02-24
Publication date: 1994-08-04
Anticipated expiration: 2009-02-25
Also published as: GB2215513A; EP0331252A2; DE68914707D1; JPH01270624A; CN1018580B; GB8804959D0; EP0331252B1; GB2215513B; JP2701921B2; EP0331252A3; US4956554A; CN1035892A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf einen Pyroelektrischen infrarotdetektor mit einem im wesentlichen ebenen pyroelektrischen Element, auf welches nachzuweisende Infrarotstrahlung gerichtet wird, und welches in einer beabstandeten und im wesentlichen parallelen Beziehung über der Oberfläche eines Körpers gestützt wird, der als eine Wärmesenke wirkt, wobei das Element und der Körper thermisch gekoppelt sind. Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Methode, solch einen Detektor herzustellen.
Pyroelektrische Detektoren werden für eine Vielfalt verschiedener Zwecke verwendet, beispielsweise bei Fernschaltung und bei Bewegungswahrnehmungssystemen wie beispielsweise Einbruchsalarmsystemen. Das Richten von nachzuweisender Infrarotstrahlung auf das pyroelektrische Element verursacht eine Änderung in der Temperatur des Elements. Diese Temperaturänderung erzeugt elektrische Ladungen an den gegenüberliegenden Elektroden, wobei diese Ladungen dazu gebracht werden können, als ein Strom durch eine vergleichsweise niedrige externe Impedanz zu fließen oder eine Spannung über dem Element zu erzeugen, falls die externe Impedanz vergleichsweise hoch ist. Falls das pyroelektrische Element als ein Kondensator in einem vertärkenden Schaltkreis angeordnet ist, kann der resultierende Strom oder die entwickelte Spannung nachgewiesen werden. Da die Pyroelektrische Ladung nur erzeugt wird, während sich die Temperatur des Elements ändert, ist es notwendig, daß die Temperatur kontinuierlich variiert wird, um ein kontinuierliches elektrisches Signal zu erhalten. Dies kann durchgeführt werden, indem die einfallende Strahlung bei einer gleichförmigen Frequenz zerhackt wird, wobei das Element Strahlung bei einer Referenztemperatur ausgesetzt ist, während die Strahlung von Interesse abgeschnitten ist.
Es wird in EP-A-0 175 418 ein pyroelektrischer Detektor geeignet für eine Verwendung als ein Bewegungssensor beschrieben, in welchem ein pyroelektrisches Element, welches ein PLZT-Material umfaßt, beabstandet von der Oberfläche einer darunterliegenden Basis durch zwei Stützen gehalten wird die auf der Basis angebracht sind. Die Stützen stehen mit dem pyroelektrischen Element nur über einen sehr geringen Teil seines Oberflächenbereichs in Kontakt, und die Höhe der Stützen ist derart, daß eine signifikante Lücke zwischen dem Element und der Basis vorliegt, wobei die Lücke evakuiert oder mit einem Edelgas gefüllt sein kann.
Eine Anwendung von pyroelektrischen Detektoren liegt in der Infrarotspektrometrie. Für solche Zwecke umfaßt das pyroelektrische Element des Detektors üblicherweise Triglycinsulphat (TGS) als das pyroelektrische Material aufgrund seiner geeigneten Empfindlichkeit. Solche pyroelektrischen Detektoren werden anderen Arten von thermischen Detektoren vorgezogen angesichts ihrer überlegenen Leistung im 10Hz bis 5kHz Frequenzbereich, bei welchem IR-Spektrometer betrieben werden, und ihrer Fähigkeit, auf einen breiten Bereich von Wellenlängen ohne die Notwendigkeit für ein verstärktes Kühlen anzusprechen. Das pyroelektrische Element, welches für eine optimale Leistung sehr dünn sein muß, ist in einer hermetisch abgedichteten Umhüllung angebracht, die mit einem Fenster versehen ist, das über dem Element liegt und durch welches Strahlung des Wellenlängenbereiches von Interesse auf das Element gerichtet wird.
IR-Spektrometer können vom dispersiven Typ oder vom Fourier-Transformations-Typ sein. Diese zwei Typen unterscheiden sich dadurch, daß im letzteren Typ der gesamte Wellenlängenbereich der einfallenden Infrarotstrahlungsquelle auf den Detektor gerichtet wird, wohingegen lediglich schmale Wellenlängenintervalle im ersterwähnten Typ verwendet werden. Infolgedessen könnte in einem Fourier-Transformations-Spektrometer die durch den Detektor aufgenommene Energie, die soviel wie 100mW oder mehr betragen kann, über einen Zeitraum die Temperatur des pyroelektrischen Elements veranlassen, allmählich anzusteigen, die Dünne des Elements dabei weiterhin berücksichtigend. Dies wiederum kann zu einer Änderung im Ausgang führen, da das Ansprechvermögen des pyroelektrischen Elements und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, eines TGS-Elements nicht von der Betriebstemperatur unabhängig ist. Das pyroelektrische Element thermisch an einen Körper zu koppeln, der als eine Wärmesenke wirkt, ist dafür gedacht, dieses Problem zu minimieren. Die Kombination aus Element und Körper besitzt eine kürzere thermische Zeitkonstante als das Element allein. Die hermetisch abgedichtete Umhüllung, in welcher das Element angebracht ist, enthält typischerweise ein Gas wie beispielsweise trockenen Stickstoff, so daß ein relativ hoher thermischer Widerstand zwischen dem Element und der umgebenden Atmosphäre vorliegt. Der Wärmesenke-Körper, der dem Element zugeordnet ist, besitzt eine vergleichsweise hohe thermische Masse und infolgedessen eine hohe thermische Trägheit, und ist konstruiert, um als ein Temperaturregler zu wirken und die Temperatur des pyroelektrischen Elements bei näherungsweise seinem optimalen Betriebspunkt zu stabilisieren. Die Funktion des Wärmesenke-Körpers ist somit, die Temperatur des pyroelektrischen Elements in Betrieb des Detektors im wesentlichen konstant aufrechtzuerhalten, so daß das Ansprechvermögen über einen Zeitraum annähernd dasselbe bleibt, sogar obwohl die aufgenommene Strahlung von hoher Energie sein kann.
In einem bekannten IR-Detektor, der ein dünnes ebenes TGS- Element einsetzt, ist das Element mit einer Seite des Wärmesenke-Körpers in einer beabstandeten Beziehung mittels eines zentral angeordneten Tropfens eines thermisch leitfähigen Verbindungsmaterials verbunden, wie beispielsweise leitfähiges Epoxy oder Lötmittel. Ein Tropfen des Verbindungsmaterials wird auf der Seite des Wärmesenke-Körpers plaziert, und das Element wird dann über dem Körper plaziert und auf den Körper zu gestoßen, um das Verbindungsmaterial zu komprimieren, bis die gegenüberliegenden Element- und Körperseiten einen vorbestimmten Abstand entfernt sind. In seinem komprimierten Zustand nimmt das Verbindungsmaterial nur einen sehr kleinen Anteil des Bereichs der Oberfläche des Elements ein, wobei der verbleibende Oberflächenbereich physikalisch von der gegenüberliegenden Körperseite beabstandet ist, wodurch eine Lücke zwischen dem Element und dem Körper gebildet wird, die sich um das Verbindungsmaterial herum erstreckt. Diese Lucke wird schließlich durch das Einkapselgas, zum Beispiel Stickstoff, gefüllt, welches einen Grad von thermischer Kopplung zwischen dein Element und dem Körper schafft. Ein wenig thermische Kopplung zwischen diesen Teilen wird auch durch das Verbindungsmaterial geschaffen.
Der Bereich, der durch das Verbindungsmaterial eingenommen wird, wird minimiert, um Probleme zu reduzieren, die von den physikalischen Eigenschaften des Elements herrühren. Einige pyroelektrische Materialien wie beispielsweise TGS besitzen anisotrope thermische Ausdehnungscharakteristiken, und falls Elemente dieser Materialien mit einem Substrat zu verbinden wären mittels eines Verbindungsmaterials, das über einen zu großen Anteil seines Oberflächenbereichs aufgebracht wird, wobei dies typischerweise etwa 7 Quadratmillimeter für ein TGS-Detektorelement sind, würden sie dazu neigen, rissig zu werden, wenn sie einer thermischen Wechselbeanspruchung ausgesetzt werden.
Um die gewünschte enge thermische Kopplung zu erzielen, muß der Abstand zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen des Elements und des Wärmesenke-Körpers, der durch den Tropfen aus Verbindungsmaterial in seinem komprimierten Zustand bestimmt wird, sehr klein sein und würde normalerweise weniger als 5 Mikrometer für eine akzeptable Leistung des Detektors betragen, wenn Stickstoffgas verwendet wird.
Während sich herausgestellt hat, daß solche Detektoren ziemlich gut arbeiten, werden Erfahrungen mit Problemen bei sowohl der Herstellung als auch der Benutzung gemacht. Da sich das Verbindungsmaterial lediglich an einem relativ kleinen zentralen Bereich des Elements befindet, ist es schwierig, einen annehmbaren Parallelverlauf zwischen dem pyroelektrischen Element und der Seite des Wärmesenke-Körpers zu erzielen. Dies kann bei Benutzung Anlaß zu Temperaturveränderungen des Elements über seine Fläche geben, zum Beispiel an gegenüberliegenden Rändern, die zu einem nicht-gleichförmigen Ansprechverhalten führen. Auch kann der sehr kleine Abstand, der zwischen dem Element und dem Körper notwendig ist, zu einer hohen Verlustrate bei der Herstellung führen, da irgendwelche Staubpartikel oder dergleichen, die in der Lücke vorhanden sind, das Element veranlassen können, rissig zu werden, wenn Druck auf das Element angewendet wird, während es mit dem Körper verbunden wird.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten pyroelektrischen Infrarotdetektor zu schaffen.
Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist ein pyroelektrischer Infrarotdetektor der im Anfangsabsatz beschriebenen Art dadurch gekennzeichnet, daß ein nicht-härtendes, thermisch leitfähiges, nicht-gasförmiges Medium zwischen den gegenüberliegenden Seiten des pyroelektrischen Elements und des Körpers vorhanden ist.
Eine thermische Kopplung zwischen dem pyroelektrischen Element und dem Körper wird dann durch das nicht-gasförmige Medium erzielt. Solch eine thermische Kopplung ist beträchtlich vergrößert, verglichen mit derjenigen der bekannten Anordnung, welche sich prinzipiell auf ein gasförmiges Medium wie beispielsweise Stickstoff verläßt, um einen thermischen Pfad zwischen dem Element und dem Körper zu schaffen.
Vorzugsweise füllt das Medium im wesentlichen den Raum zwischen dem Element und dem Körper und erstreckt sich über wenigstens das meiste des zur Verfügung stehenden Überlappungsbereiches zwischen dem Körper und wenigstens dem Gebiet des pyroelektrischen Elements, welches ankommende Strahlung aufzunehmen hat. Eine Verbesserung bei der thermischen Kopplung wird sich herausstellen, falls das Medium lediglich mit einer der gegenüberliegenden Seiten des Elements und des Körpers in Kontakt steht, da die Lücke, die dann zwischen der anderen Seite und des Mediums vorliegt, relativ klein sein wird und zum Beispiel kleiner in der Dicke als die Lücke, die in der bekannten Anordnung vorhanden ist, und zwar unter der Annahme, daß vergleichbare Abstände zwischen den Element- und Körperseiten mit einbezogen sind. Jedoch werden optimale Resultate erzielt, wenn das Medium im wesentlichen den Raum füllt und sich mit beiden Seiten in Kontakt befindet. Auf ähnliche Weise ward eine nützliche Verbesserung in der thermischen Kopplung erhalten, wenn das Medium über gerade etwas des zur Verfügung stehenden Uberlappungsbereiches zwischen den gegenüberliegenden Seiten des Elements und des Körpers vorhanden ist, wobei dieser Bereich vorzugsweise wenigstens das aktive Gebiet des Elements einschließt, das heißt, das Gebiet, welches die ankommende IR-Strahlung aufnimmt und auf diese anspricht, und zwar in dem Fall, wo lediglich ein Teil des im Detektor vorgesehenen Elements tatsächlich für Strahlungswahrnehmungszwecke verwendet wird, jedoch werden wieder optimale Resultate erzielt, wenn wenigstens das meiste dieses zur Verfügung stehenden Überlappungsbereichs durch das Medium bedeckt ist.
Das Medium kann ein viskoses Fluid mit einer gel-ähnlichen Konsistenz sein. Solch ein Material bietet die Vorteile, daß es eine Nicht-Fließ-Charakteristik aufweist, daß es eine Dämpfung schafft, um das Element gegen die Wirkungen mechanischer Stöße zu schützen, und daß es leicht eine Ausdehnung und Kontraktion des Elements als ein Ergebnis von Temperaturänderungen gestattet, während es den thermischen Pfad zwischen dem Element und dem Körper aufrechterhält. Besonders gute Resultate sind durch Verwenden eines sogenannten dielektrischen Silikon-Gels erhalten worden, wie beispielsweise demjenigen, das von Dow Corning Corporation unter deren Bezugsziffer 527 erhältlich ist. Dieses federnde gel-ähnliche Material zeigt vorteilhafte Dämpfungs- und Selbst-Ausheilungs-Eigenschaften ähnlich denjenigen einer Flüssigkeit, weist jedoch die Abmessungsstabilitäts- und Nicht-Fließ-Charakteristiken auf, die mehr festen Elastomeren zugeordnet werden. Wenn seine Komponenten zuerst gemischt werden, weist das Material eine viskose flüssige Form aul, aber über einen Zeitraum von Stunden trocknet bzw. verhärtet es in situ zu einer gel-ähnlichen Konsistenz.
Die Verbesserung in der thermischen Kopplung, die durch die Erfindung geschaffen wird, ist derart, daß eine Leistung, die derjenigen der bekannten Form eines Detektors überlegen ist, leicht erzielt werden kann. Doch wichtiger ist, daß festgestellt worden ist, daß eine vergleichbare Leistung leicht mit einem Detektor gemäß der Erfindung erhaltbar ist, in welchem der Abstand, der zwischen dem Element und dem Körper vorgesehen ist, erheblich größer ist als derjenige, der für eine optimale Leistung der bekannten Form eines Detektors benötigt wird. Demgemäß kann das Problem von Herstellungsverlusten aufgrund der Kleinheit des Abstands, der in dem bekannten Detektor notwendig ist, in großem Maße vermieden werden, indem größere Abstände verwendet werden, ohne daß unter einer Verschlechterung in den Betriebscharakteristiken geleidet werden muß. Zum Beispiel hat sich herausgestellt, daß eine Ausführungsform der Erfindung, die ein dielektrisches Silikon-Gel als das thermisch leitende Medium und einen Abstand zwischen dem Element und dem Körper von etwa 20 bis 30 Mikrometern verwendet, eine Leistung zeigt, die zumindest äquivalent zu derjenigen ist, die von der bekannten Form eines Detektors mit einem Abstand von weniger als 5 Mikrometern zwischen dem Element und dem Körper erhalten wird.
Darüber hinaus ist herausgefunden worden, daß die Effekte, die dadurch verursacht werden, daß das Element nicht genau parallel zu der gegenüberliegenden Seite des Körpers verläuft, weniger signifikant werden, was Ansprechgleichförmig keit durch das Element betrifft, wenn größere Abstände verwendet werden, so daß kleine Abweichungen von einem Parallelverlauf toleriert werden können.
Ein zusätzlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß aufgrund der verbesserten thermischen Kopplung, die zwischen dem Element und dem Wärmesenke-Körper erhalten wird, der Detektor in der Lage ist, viel höhere Leistungsniveaus ankommender Strahlung zu handhaben als der bekannte Detektor.
Der Betrag der erhaltenen thermischen Kopplung kann leicht gesteuert und angepaßt werden, um die Anforderungen individueller Detektoren durch die Auswahl des Abstands zwischen dem Element und dem Körper zu erfüllen.
Der Wärmesenke-Körper umfaßt vorzugsweise Aluminiumoxid, obwohl andere geeignete Materialien wie beispielsweise Silizium statt dessen verwendet werden können,
In einer Ausführungsform der Erfindung wird das pyroelektrische Element mit dem Körper verbunden und von diesem beabstandet aufrechterhalten mittels eines festen Verbindungsmaterials, das zwischen den gegenüberliegenden Seiten des Elements und des Körpers angeordnet ist und einen relativ kleinen Bereich der Elementseite einnimmt, und zwar auf eine Weise ähnlich zu derjenigen, die in der bekannten Anordnung verwendet wird. Das Verbindungsmaterial kann Epoxy oder Lötmittel sein. In diesem Fall ist das thermisch leitfähige Medium in dem verbleibenden zur Verfügung stehenden Überlappungsbereich zwischen dem Element und dem Körper vorhanden, und das Element wird in einer vorbestimmten räumlichen Beziehung mit dem Körper primär durch das Verbindungsmaterial aufrechterhalten
In einer weiteren Ausführungsform wird das pyroelektrische Element mit dem Körper verbunden und mit diesem in einer vorbestimmten räumlichen Beziehung gestützt mittels des thermisch leitfähigen Mediums selbst. Somit wird ein separates Verbindungsmaterial nicht verwendet, und statt dessen wird das Vertrauen auf eine Stutze des Elements und die Verbindung und den Abstand zwischen dem Element und dem Körper in die physikalischen Eigenschaften des Mediums gesetzt. Diese Anordnung bietet Aufbaueinfachheit. Darüber hinaus wird durch ihre Vermeidung einer festen Verbindung ein größerer Dämpfungsgrad für das Element erhalten.
Während die Erfindung besonders nützlich ist für Detektoren, die pyroelektrische Elemente vom TGS-Typ einsetzen, ist sie auch anwendbar auf Detektoren, die andere Arten pyroelektrischer Elemente verwenden, zum Beispiel Lithium-Tantalat, Strontium-Barium-Niobat und auf PZT basierende Elemente.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines pyroelektrischen Infrarotdetektors geschaffen gemäß dem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung, welches den Schritt einschließt, daß das pyroelektrische Element über dem Wärmesenke-Körper in einer vorbestimmten beabstandeten Beziehung positioniert wird, und welches dadurch gekennzeichnet ist, daß das thermisch leitfähige Medium danach in den Raum zwischen dem Element und dem Körper durch Kapillarwirkung eingeführt wird. Indem eine Kapillarwirkung auf diese Weise verwendet wird, wird eine Herstellung des Detektors beträchtlich vereinfacht, wobei es notwendig ist, einfach das Medium dem Rand der Lücke zwischen dem Element und dem Körper zuzuführen.
Ausführungsformen pyroelektrischer Infrarotdetektoren und Verfahren für ihre Herstellung gemäß der Erfindung werden nun beispielhaft anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:
Figur 1 eine teilweise schematische Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines pyroelektrischen Infrarotdetektors gemäß der Erfindung ist, und
Figur 2 eine ähnliche teilweise schematische Querschnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines pyroelektrischen Infrarotdetektors gemäß der Erfindung ist.
Zur Klarheit sind die Figuren nicht maßstabsgerecht gezeichnet.
Die in Figur 1 gezeigte Ausführungsform eines pyroelektrischen Infrarotdetektors umfaßt ein pyroelektrisches Element 10, das von einem Körper aus einem pyroelektrischen kristallinen Material vom TGS-(Triglycinsulphat)Typ gebildet wird. Insbesondere umfaßt das pyroelektrische Material deuteriertes L-Alanin-dotiertes Triglycinsulphat (DLATGS), wie zum Beispiel in der britischen Patentbeschreibung GB 1 297 198 beschrieben. Das Element 10 umfaßt eine ebene kreisförmige Scheibe aus diesem Material von etwa 3mm in Durchmesser und 15 bis 20 Mikrometer in der Dicke. Das Element 10 ist mit Elektroden auf seinen Hauptoberflächen versehen, die aufgedampfte metallische Schichten umfassen. Die obere Elektrode 12, auf welche nachzuweisende Infrarotstrahlung gerichtet wird, kann eine NiCr-Schicht umfassen, über welcher eine Gold-Schwarz-Schicht abgelagert ist, um die Strahlungsabsorptionscharakteristiken zu verbessern. Die untere Elektrode 14 umfaßt eine Goldschicht. Die Elektroden 12 bzw. 14 können lediglich einen Teil der oberen bzw. unteren Oberflächen des pyroelektrischen Materials bedecken, wodurch sie somit ein effektives aktives Gebiet des Elements definieren, auf welches nachzuweisende Strahlung eingeschränkt wird. Jedoch bedecken, wie in Figur 1 gezeigt und ebenso in der Ausführungsform der Figur 2, die Elektroden 12 und 14 in dieser Ausführungsform vollständig die Fläche des pyroelektrischen Materials und nachzuweisende Strahlung wird über die ganze Fläche gerichtet, so daß die gesamte Fläche des Elements aktiv ist. Wie für Fachleute ersichtlich ist, können andere geeignete Elektrodenmaterialien verwendet werden.
Das pyroelektrische Element wird mit einem vergleichsweise großen thermisch leitfähigen Körper 16 verbunden und durch diesen gestützt. Die Körper 16 ist zylindrisch mit einer ebenen oberen Oberfläche, und das Element 10 ist im wesentlichen parallel zu und koaxial mit diesem Körper in einer beabstandeten Beziehung angeordnet. Der Abstand zwischen den gegenüberliegenden ebenen Seiten des Elements 10 und des Körpers 16 ist vorbestimmt und fixiert durch einen kleinen Tropfen festen Verbindungsmaterials 18, das zentral angeordnet ist und einen relativ kleinen Teil des Überlappungsbereichs zwischen dem Element 10 und dem Körper 16 einnimmt. Das Verbindungsmaterial umfaßt ein elektrisch und thermisch leitfähiges Material wie beispielsweise Lötmittel oder ein geeignetes Epoxy.
Der Körper 16 umfaßt Aluminiumoxid und schließt eine auf seiner oberen Oberfläche ausgebildete elektrisch leitfähige Bahn 20 ein, die sich radial von benachbart ihres Randbereiches zu einem vergrößerten Ende zentral des Körpers und unter dem Verbindungsmaterial 18 liegend erstreckt, so daß eine elektrische Verbindung zwischen der Bahn 20 und der unteren Elektrode 14 des pyroelektrischen Elements über das Verbindungsmaterial 18 errichtet wird.
Das pyroelektrische Element 10 und der Körper 16 sind in einer hermetisch abgedichteten Umhüllung 25 enthalten, die zum Beispiel einen im allgemeinen herkömmlichen T05-Umriß aufweisen kann. Die Umhüllung 25 umfaßt ein zylindrisches metallisches Gehäuse 26, das an dem Rand einer metallischen Basis 27 befestigt ist, die mit elektrischen Durchführungsstiften 28 versehen ist. Das Gehäuse 26 weist eine zentral angeordnete kreisförmige Öffnung in seiner oberen Wand auf, über welcher ein Fenster aus einem Material befestigt ist, das dafür geeignet ist, dem Infrarotwellenlängenbereich von Interesse zu erlauben, dort hindurchzugelangen und auf die obere Elektrode 12 des Elements 10 zu fallen. Beispielsweise kann der Detektor erforderlich sein, um Strahlung von Wellenlängen nachzuweisen, die in einem Bereich von näherungsweise 2 bis 50 Mikrometern oder höher liegen, und in diesem Fall umfaßt das Fenster Caesium-Iodid. Für längere Wellenlängen kann Polythen für das Fenster verwendet werden. Die Umhüllung 25 kann evakuiert oder mit einem Gas wie beispielsweise trockenem Stickstoff gefüllt werden, welches relativ inert bezüglich innerer Komponententeile ist.
Der Körper 16 wird in einer beabstandeten, im wesentlichen parallelen Beziehung mit der Basis 27 gehalten durch eine Vielzahl von Stützen 30, von denen zwei in Figur 1 gezeigt sind, die zum Beispiel aus Metall oder Aluminiumoxid ausgebildet sind. Die Enden der Stützen 30 sind an der Unterseite des Körpers 16 bzw. der Basis 27 durch ein Haftmittel befestigt. Außer daß das Element 10 näher zum Fenster 29 positioniert und eine thermische Kopplung zwischen dem Körper 16 und der Basis 27 geschaffen wird dienen die Stützen auch dazu, einen Raum unterhalb des Körpers 16 zu definieren, in welchem sich ein Detektorschaltkreis befindet. Dieser Schaltkreis ist schematisch bei 31 angedeutet und folgt einer herkömmlichen Form wie beispielsweise einem FET und einem Widerstand mit einem hohen Wert und/oder einem nicht-linearen Element einer Art von Schaltung, wie es den Fachleuten bekannt ist. Eine elektrische Verbindung von der oberen Elektrode 12 und der leitfähigen Bahn 20 zum Schaltkreis 31 ist durch Drähte auf eine übliche Weise errichtet.
Der Körper 16 weist eine hohe thermische Trägheit auf und ist dazu gedacht, als eine Wärmesenke zu wirken, um die thermische Zeitkonstante der Kombination aus dem pyroelektrischen Element 10 und dem Korper 16 zu verkürzen und das Element auf einer im wesentlichen konstanten Temperatur während eines normalen Betriebs des Detektors zu halten, wodurch das Ansprechvermögen stabilisiert wird. Zu diesem Zweck ist das pyroelektrische Element 10 thermisch an den Körper 16 gekoppelt. Etwas thermische Kopplung wird durch das Verbindungs material 18 geschaffen. Weitere thermische Kopplung wird jedoch erhalten, indem gemäß der Erfindung ein thermisch leitfähiges nicht-härtendes und nicht-gasförmiges Medium, gezeigt bei 22 in Figur 1, innerhalb des Raums zwischen den gegenüberliegenden Seiten des Elements 10 und des Körpers 16 geschaffen wird. In dieser Ausführungsform umfaßt das Medium 22 ein dielektrisches Silikon-Gel wie beispielsweise dasjenige, das als eine Zweikomponentenmischung von Dow Corning Corporation unter deren Bezugsziffer 527 erhältlich ist und wie in Figur 1 gezeigt im wesentlichen vollständig die zur Verfügung stehende Lücke zwischen dem Element 10 und dem Körper 16 um das Verbindungsmaterial 18 herum ausfüllt. Falls lediglich ein Teil des Elements 10 Strahlung aufzunehmen hat, wobei die Elektroden konfiguriert sind, um dieses aktive Gebiet demgemäß zu definieren, braucht dann das Medium lediglich den zur Verfügung stehenden Teil des Überlappungsbereiches zwischen diesem aktiven Gebiet und dem Körper 16 zu bedecken. Der Abstand zwischen den gegenüberliegenden Seiten des Elements 10 und des Körpers 16 liegt zwischen näherungsweise 20 bis 30 Mikrometern.
Durch das Vorsehen des Mediums 22 und der dadurch erhaltenen thermischen Kopplung wird der Abstand zwischen den gegenüberliegenden Seiten des Elements 10 und des Körpers 16 somit signifikant vergrößert, verglichen mit der Größe einer Lücke, die benötigt wird, um eine ausreichende thermische Kopplung in der zuvor erwahnten bekannten Detektoranordnung zu schaffen, bei der der Raum zwischen dem Element und dem Körper freigelassen und mit einem gasförmigen Medium wie beispielsweise Stickstoff gefüllt ist. In dieser Hinsicht ist demonstriert worden, daß die Leistung, die durch den Detektor mit einem Abstand zwischen dem Element und dem Körper von etwa 20 Mikrometern, der mit einem dielektrischen Silikon-Gel gefüllt ist, zumindest äquivalent zu derjenigen ist, die von der bekannten Form eines Detektors erhaltbar ist, der einen Abstand von weniger als 5 Mikrometern verwendet und trockenes Stickstoffgas enthält. Der vergrößerte Abstand, der durch die Erfindung gestattet wird, vereinfacht eine Herstellung und führt zu höheren Ertragen, da das Risiko des Rissigwerdens des Elements 10, wenn es auf dem Körper 11 angebracht wird, aufgrund von Staubpartikeln, die im dazwischenliegenden Raum eingefangen sind, beseitigt ist. Darüber hinaus wird die Notwendigkeit für einen Parallelverlauf zwischen den Element- und Körperseiten, um eine Ansprechgleichförmigkeit zu gewährleisten, weniger kritisch, wenn sich der Abstand vergrößert.
Bei der Herstellung der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform werden das Element 10 und der Körper 16 zusammengebaut, indem eine kleine Menge des Verbindungsmaterials 18 in der Form einer Kugel aus Lötmittel auf dem Körper 16 angeordnet wird und dann das Element 10 über diesem Material plaziert wird. Druck wird auf das Element 10 angewendet, wodurch es auf den Körper 16 zu gedrangt und dabei im wesentlichen parallel gehalten wird, und das Verbindungsmaterial zu einer im allgemeinen scheibenförmigen Form zerquetscht wird- um eine Druckverbindung und den erforderlichen Abstand zwischen dem Element 10 und dem Korper 16 zu erzielen. In dieser endgültigen, zerquetschten Form besitzt das Verbindungsmaterial einen durchschnittlichen Durchmesser von typischerweise etwa 300 Mikrometern und nimmt so lediglich einen kleinen Teil des Oberflächenbereichs des Elements ein. Alternativ kann ein Tropfen eines leitfähigen Epoxys als das Verbindungsmaterial verwendet werden. Dieser wird wieder zu einer ähnlichen Größe zerquetscht, indem Druck auf das Element angewendet wird, und ihm wird dann erlaubt, sich zu setzen, wodurch somit der Abstand fixiert wird.
Danach wird das Silikongel-Medium 22 in die Lücke zwischen dem Element 10 und dem Körper 16 eingeführt, die das Verbindungsmaterial 18 umgibt. Dies wird auf eine bequeme und einfache Weise erzielt, indem das Medium in seinem anfänglichen viskosen flüssigen Zustand, welcher dem Mischen seiner Komponententeile gemäß den Herstelleranweisungen folgt, auf den Rand der Lücke angewendet und dem Medium gestattet wird, in die Lücke hinein unter Kapillarwirkung gezogen zu werden und diese zu füllen. Der Aufbau wird dann liegengelassen, um dem Medium zu erlauben, zu einer gel-ähnlichen Konsistenz zu trocknen, was normalerweise ein paar Stunden dauert. Das getrocknete Medium 22 besitzt Dämpfungs-, Selbst-Ausheilungs- und Federungseigenschaften ähnlich denjenigen einer Flüssigkeit, während es auch Abmessungsstabilitäts- und Nicht-Fließ-Charakteristiken ähnlich denjenigen eines festen Elastomers zeigt. Aufgrund seiner Eigenschaften hilft das Medium 22 auch beim Verbinden des Elements 10 mit dem Körper 16.
Nach nunmehr Figur 2 ist die gezeigte Ausführungsform eines Detektors identisch in vielerlei Hinsicht zu derjenigen, die zuvor beschrieben wurde, wobei entsprechende Komponenten demgemäß mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der vorigen Ausführungsform dadurch, daß das Verbindungsmaterial 18 fehlt und das pyroelektrische Element 10 über dem Körper 16 gestützt wird und auf diesem gehalten wird, indem das Medium 22 als das einzige verbindende und stützende Mittel verwendet wird. Der Abstand zwischen den gegenüberliegenden Seiten des Elements 10 und des Körpers 18 ist in diesem Fall durch das Medium 22 allein bestimmt. Das Medium 22 dient daher dazu, das Element 10 zu dämpfen in dem Fall, daß der Detektor mechanischen Stößen und dergleichen ausgesetzt ist, und schafft das einzige Mittel einer thermischen Kopplung zwischen dem Element 10 und dem Körper 16. Etwas Halt für das Element 10 kann außerdem durch den Verbindungsdraht geleistet werden, der an der oberen Elektrode 12 angebracht ist, obwohl dies im allgemeinen unerheblich sein wird.
Dielektrisches Silikon-Gel wird wieder für das Medium 22 verwendet, wobei dieses Material die Art von Eigenschaften bietet, die benötigt werden, um das Element in einer im wesentlichen vorbestimmten räumlichen Beziehung mit dem Körper 16 zu stützen und das Element mit dem Körper zu verbinden.
Da leitfähiges Überbrückungsmaterial zwischen dem Element und dem Körper nicht verwendet wird, muß eine elektrische Verbindung mit der unteren Elektrode 14 auf eine unterschiedliche Weise geschaffen werden. Dies kann durchgeführt werden, indem die Bahn 20 weggelassen und ein Draht direkt zwischen der unteren Elektrode 14 und dem Schaltkreis 31 oder alternativ mit einer leitfähigen Fläche verbunden wird, die auf dem Körper 16 ausgebildet ist und ihrerseits mit dem Schaltkreis 31 durch einen weiteren Draht wie zuvor beschrieben verbunden ist.
Es wird einzusehen sein, daß das Verhalten und die Leistung des Detektors im allgemeinen sehr ähnlich zu demjenigen ist, was zuvor beschrieben wurde.
Eine Herstellung dieser Ausführungsform eines Detektors unterscheidet sich leicht dadurch, daß das pyroelektrische Element 10 und der Körper 16 zusammengebaut werden, indem das Element 10 über dem Körper 16 im wesentlichen parallel dazu und bei dem erforderlichen Abstand von etwa beispielsweise 20 bis 30 Mikrometern gehalten wird, wobei irgendeine geeignete vorübergehende Stütze verwendet wird. Das Medium 22 wird dann in seiner viskosen flüssigen Form, die auf ein anfängliches Mischen seiner Bestandteile hin erhalten wird, auf den Rand der Lücke zwischen dem Element 10 und dem Körper 16 angewendet und in die Lücke hinein unter Kapillarwirkung gezogen, um die Lücke zu füllen. Dem Medium wird erlaubt, zu seiner gel-ahnlichen Konsistenz zu trocknen, und dann wird die vorübergehende Stütze für das Element entfernt, wodurch das Element am Körper 16 über das Medium 22 angebracht zurückgelassen wird.
Die Eigenschaften des Silikon-Gels sind derart, daß es leicht das Element in seiner vorbestimmten räumlichen Beziehung mit dem Körper 16 stutzt. Das Silikon-Gel zeigt außerdem eine semi-permanente und eine neuformbare Haftverbindungscharakteristik auf ein Trocknen hin, wodurch gewährleistet ist, daß das Element mit dem Körper 16 verbunden bleibt.
Während in den obigen Ausführungsformen besonders die Verwendung eines dielektrischen Silikon-Gels als das Medium 22 beschrieben worden ist, wird in Betracht gezogen, daß andere thermisch leitfähige, nicht-härtende und nicht-gasförmige Medien mit den gewünschten Eigenschaften statt dessen eingesetzt werden können.
Darüber hinaus wird einzusehen sein, daß die Erfindung anwendbar ist auf Detektoren, die Elemente aus einem anderen pyroelektrischen Material als TGS verwenden.

Claims

1. Ein pyroelektrischer Infrarotdetektor mit einem Körper (16), der als eine Wärmesenke wirkt, einem im wesentlichen ebenen pyroelektrischen Element (10) , auf welches nachzuweisende Infrarotstrahlung gerichtet wird und welches in einer beabstandeten und im wesentlichen parallelen Beziehung über der Oberfläche des Körpers gestützt wird, wobei das Element und der Körper thermisch gekoppelt sind,

dadurch gekennzeichnet,

daß ein nicht-härtendes, thermisch leitfähiges, nicht-gasförmiges Medium (22) zwischen den gegenüberliegenden Seiten des pyroelektrischen Elements und des Körpers vorhanden ist.

2. Ein pyroelektrischer Infrarotdetektor nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet

daß das Medium (22) im wesentlichen den Raum zwischen dem Element (10) und dem Körper (16) füllt und sich über wenigstens das meiste des zur Verfügung stehenden Überlappungsbereiches zwischen dem Körper und wenigstens dem Gebiet des Elements erstreckt, welches ankommende Strahlung aufzunehmen hat.

3. Ein pyroelektrischer Infrarotdetektor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet,

daß das Medium ein viskoses Fluid mit einer gel-ähnlichen Konsistenz umfaßt.

4. Ein pyroelektrischer Infrarotdetektor nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet

daß das Medium ein dielektrisches Silikon-Gel umfaßt.

5. Ein pyroelektrischer Infrarotdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet

daß der Körper Aluminiumoxid umfaßt.

6. Ein pyroelektrischer Infrarotdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet

daß das pyroelektrische Element (10) mit dem Körper (16) verbunden und von diesem beabstandet gehalten wird mittels eines festen Verbindungsmaterials (18) , das zwischen den gegenüberliegenden Seiten des Elements und des Körpers angeordnet ist und einen relativ kleinen Bereich der Seite des Elements einnimmt.

7. Ein pyroelektrischer Infrarotdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet,

daß das pyroelektrische Element mit dem Körper verbunden ist und mit dem Körper in einer vorbestimmten räumlichen Beziehung gestützt wird mittels des thermisch leitfähigen Mediums.

8. Ein pyroelektrischer Infrarotdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Abstand zwischen dem Element und dem Körper zwischen näherungsweise 20 und 30 Mikrometern liegt.

9. Ein Verfahren zur Herstellung eines pyroelektrischen Infrarotdetektors nach einem der Ansprüche 1 bis 8, das den Schritt einschließt, daß das pyroelektrische Element (10) über dem Körper (16) in einer vorbestimmten beabstandeten Beziehung positioniert wird,

dadurch gekennzeichnet,

daß das thermisch leitfähige Medium (22) danach in den Raum zwischen dem Element und dem Körper durch Kapillarwirkung eingeführt wird.