AT12380U1 - Detektor für die positionsdetektion einer lokalen erwärmung - Google Patents

Description

österreichisches Patentamt AT12 380U1 2012-04-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft einen Detektor für die Positionsdetektion einer lokalen Erwärmung, welche beispielsweise durch einen gebündelten Lichtstrahl hervorgerufen sein kann.

[0002] Die US 2007/0176165 A1 zeigt eine Bauweise für einen auf lichtempfindlichen organischen Halbleitern basierenden Positionsdetektor für einen auftreffenden Lichtpunkt. Der flächig aufgebaute Detektor besteht aus mehreren Schichten. Auf einem Substrat aus Glas oder einem biegsamen organischen Material ist eine erste, flächige Elektrode angeordnet, welche einen hohen ohmschen Widerstand aufweist. Auf diese folgt eine Schicht aus organischen photoaktiven Materialien innerhalb deren eine Donator- und eine Akzeptorschicht aneinander anliegen. Auf diese folgt wiederum eine flächige Elektrode, welche allerdings einen niedrigen ohmschen Widerstand aufweist. An ihrem Rand sind die photoaktiven Materialen sind mit zwei bis 8 punkt-oder linienartigen, voneinander beabstandeten Anschlusselektroden versehen. Trifft ein gebündelter Lichtstrahl mit passendem Wellenspektrum auf einen Punkt der Schicht aus photoaktiven Materialen so fließt ein Strom durch die einzelnen Anschlusselektroden. Aus der Größe des Stromes in den einzelnen Anschlusselektroden kann auf ihre Nähe zum Auftreffpunkt des Lichtstrahls geschlossen werden und damit der Auftreffpunkt des Lichtstrahles durch eine Art Triangulation errechnet werden. Erwärmungsdetektion ist dabei nicht angedacht. Als problematisch wird für manche Anwendungen die mangelnde Transparenz des Detektors empfunden. Es ist schwierig, die erforderlichen dünnen Halbleiterschichten in der gewünschten Qualität herzustellen.

[0003] In den Schriften DE 2216791 A1, DE 3633199 C2, DE 3633286 A1, DE 8626096 U1, EP 204473 A2, JP 2236129 A und US 3581092 A sind Sensoren für die Positionsdetektion einer lokalisierten Erwärmung, wie sie typischerweise durch einen gebündelten Lichtstrahl hervorgerufen wird, beschrieben. Dabei ist eine Schicht, welche geordnet pyroelektrische Kristalle enthält zumindest einseitig, zumeist aber beidseitig mit einem Raster von voneinander beabstandeten Elektroden versehen. Im Fall einer lokalen Erwärmung der die pyroelektrischen Kristalle enthaltenden Schicht, kommt es in den davon betroffenen pyroelektrischen Kristallen zu einer Ladungsverschiebung, wodurch an den angrenzenden Elektroden eine messbare elektrische Spannung hervorgerufen wird. Indem die Elektroden in einem feinen Raster angeordnet sind und nur jenen Elektroden, welche an die Stelle der lokalen Erwärmung angrenzen, zufolge Pyroelektrizität unter Spannung geraten, ist der Ort der lokalen Erwärmung bestimmbar. Die Ortsauflösung der Sensoren ist dabei gleich dem Rastermaß der Elektrodenanordnung. Großflächige, beispielsweise einige dm2 abdeckende Detektoren sind bei guter Ortsauflösung wegen der extrem großen Anzahl von Einzelelektroden - die auch eine große Anzahl von Anschlussleitungen und Signaleingängen einer nachgeordneten Steuerung bedingen - damit nur mit sehr hohem Aufwand realisierbar.

[0004] Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht darin, einen auch großflächig ausführbaren Positionsdetektor für den Auftreffpunkt eines Lichtstrahls bereit zu stellen. Gegenüber den besprochenen Ausführungsformen soll der zu schaffende Positionsdetektor einfacher aufgebaut und besser transparent sein können.

[0005] Zum Lösen der Aufgabe wird vorgeschlagen, den Detektor als flächigen, flachen Schichtaufbau aufzubauen, wobei eine Folie aus pyroelektrischem Kunststoff (z.B. polarisiertes PVDF) zwischen zwei elektrisch leitfähigen Schichten aus transparentem Material angeordnet ist, wobei beide elektrisch leitfähigen Schichten mit jeweils mehreren voneinander beabstandeten Anschlusselektroden für den Abgriff von Spannungen versehen sind und wobei der ohmsche Widerstand der elektrisch leitfähigen Schichten ausreichend hoch ist um bei der Spannungsmessung an den Anschlusselektroden einen deutlich messbaren Spannungsabfall zu verursachen.

[0006] Eine lokale Temperaturänderung erzeugt in der pyroelektrischen Schicht ein Spannungssignal zwischen deren beiden Seiten. Dieses Spannungssignal liegt an den beiden elektrisch leitfähigen Schichten an. Durch den erheblichen ohmschen Widerstand der elektrisch 1 /5 österreichisches Patentamt AT 12380 U1 2012-04-15 leitfähigen Schichten ist die Höhe der von den Anschlusselektroden abgreifbaren Spannung von der Nähe der Anschlusselektroden zum Ort der lokalen Erwärmung auf der Detektorfläche abhängig, nämlich mit der Entfernung abnehmend. Durch mathematische Auswertung, eine Art Triangulation, ist damit aus der Höhe der an den einzelnen Anschlusselektroden gemessenen Spannungen der Ort der lokalen Erwärmung errechenbar. Die damit erreichbare Ortsauflösung ist vielfach feiner als das Rastermaß der Elektrodenanordnung. Es kann also eine sehr viel höhere Anzahl von Positionen unterschieden werden, als sich aus der Summe oder dem Produkt der Anzahlen der Elektroden je leitender Fläche ergibt.

[0007] Die Erfindung wird an Hand einer Zeichnung näher erläutert: [0008] Fig. 1: zeigt in perspektivischer Darstellung einen beispielhaften erfindungsgemäßen

Detektor. Aus Sichtbarkeitsgründen sind die Schichtstärken gegenüber den normal dazu ausgerichteten Abmessungen stark vergrößert dargestellt.

[0009] Die mittlere Schicht 1 aus Fig. 1 ist pyroelektrisch. Sie kann durch eine 0,05 mm starke Folie polarisiertem PVDF (Polivinylidendifluorid) gebildet sein.

[0010] An ihrer Unterseite folgt eine Schicht 2.1 aus PEDOT:PSS. Diese Schicht ist ein transparentes, elektrisch leitfähiges Polymersystem. An diese Schicht 2.1 folgt eine Trägerschicht 2.1 aus PET. In die PET-Schicht eingebettet und mit der Schicht 2.1 elektrisch leitend verbunden sind zwei Anschlusselektroden 2.3.1, 2.3.2, welche aus Silber bestehen können und sich als schmaler Streifen entlang gegenüberliegenden Seitenkanten des Detektors erstrecken.

[0011] An der Oberseite der Schicht 1 ist ebenfalls ein dem Verbund der Schichten 2.1, 2.2 und Anschlusselektroden 2.3.1, 2.3.2 gleichartiger Verbund aus Schichten 3.1, 3.2 und Anschlusselektroden 3.3.1, 3.3.2 angeordnet. Die Anschlusselektroden 3.3.1, 3.3.2 des oberen Verbundes sind gegenüber den Anschlusselektroden 2.3.1, 2.3.2 des unteren Verbundes um 90° verdreht ausgerichtet, sodass sie sich entlang der verbleibenden, zueinander gegenüberliegenden beiden Rändern der rechteckigen Detektorfläche erstrecken. Alle erwähnten Schichten und Elektroden sind zu einem einzigen Schichtverbund laminiert, welcher flexibel ist, optisch sehr gut transparent sein kann und auch für sehr große Flächen gut und kostengünstig herstellbar ist. Der Detektor ist zudem gegen gleichmäßiges oder sich nur langsam änderndes Hintergrundlicht unempfindlich, da die Pyroelektrizität nur bei relativ raschen Temperaturänderungen ein messbares Signal verursacht.

[0012] Die pyroelektrische Schicht 1, zwischen derer Ober- und Unterseite bei Erwärmung eine elektrische Spannung generiert wird, ist beidseits über die an ihr anliegenden, elektrisch leitfähigen Schichten 2.1, 3.1 elektrisch kontaktiert. Über die Anschlusselektroden 2.3.1, 2.3.2, 3.3.1, 3.3.2 werden die leitfähigen Schichten 2.1, 3.1 mit einer äußeren Schaltung verbunden. Für die Detektion des Ortes einer lokalen Erwärmung auf der Detektorfläche werden die Spannungen jeder oberen Anschlusselektrode 3.3.1, 3.3.2 gegen jede untere Anschlusselektrode 2.3.1, 2.3.2 gemessen.

[0013] Der ohmsche Widerstand der leitfähigen Schichten 2.1, 3.1 sollte so hoch sein, dass er bei dem im Spannungsmesskreis zwecks Spannungsmessung erforderlichen Stromfluss einen gut messbaren Spannungsabfall verursacht. Typischerweise werden gute Ergebnisse erzielt, wenn der ohmsche Widerstand der Schichten 2.1, 2.3 gegen Stromfluss zwischen den beiden Anschlusselektroden der gleichen Schicht gleich hoch oder höher ist als der Innenwiderstand der für die besagten Spannungsmessungen verwendeten Messschaltung.

[0014] Auf Grund des ohmschen Widerstandes der leitfähigen Schichten 2.1, 3.1 ist die jeweils gemessene Spannung stark von der Nähe der lokalen Erwärmung in der pyroelektrischen Schicht 1 abhängig. Dadurch kann durch Messung der einzelnen Spannungen auf den genauen Ort der lokalen Erwärmung auf der Detektorfläche geschlossen werden. Die diesbezügliche Technik ist bekannt und braucht deswegen hier nicht detailliert beschrieben zu werden.

[0015] Es damit mit einfachen und kostengünstigen Mitteln schon im provisorischen Laborversuch möglich, einen einzelnes Positionsdetektor zu bilden, welcher eine quadratische Fläche mit 5 cm Kantenlänge und eine Auflösung für das eindeutige Erkennen von 16 verschiedenen 2/5 österreichisches Patentamt AT 12380 U1 2012-04-15

Trefferbereichen eines erwärmend wirkenden Lichtstrahles aufweist. Mit etwas Perfektionierung kann die Auflösung sicher noch deutlich verbessert werden. Wenn man bei gleich großer Detektorfläche mehr als zwei Abgreifelektroden je leitfähiger Schicht verwendet und damit den Abstand zwischen Abgreifelektroden verringert, kann die natürlich die Auflösung verbessert werden.

[0016] Indem je leitfähiger Schicht genau zwei Anschlusselektroden verwendet werden, welche sich jeweils entlang gegenüberliegenden Rändern einer leitfähigen Schicht erstrecken und wobei die Anschlusselektroden der einen leitfähigen Schicht gegenüber jenen der zweiten leitfähigen Schicht in der Schichtebene um 90° verdreht angeordnet sind, ergeben sich besonders einfache und klare Verhältnisse für die Auswertung der Spannungen um auf den Ort einer lokalen Erwärmung zurück zu schließen.

[0017] Es sind aber auch andere Anordnungen von Anschlusselektroden denkbar. Wichtig ist, dass die Fläche der Anschlusselektroden nur einen kleinen Bruchteil der gesamten Detektorfläche ausmacht und dass der ohmsche Widerstand der zu den Anschlusselektroden führenden leitfähigen Schichten 2.1, 3.1, welche großflächig mit der pyroelektrischen Schicht 1 verbunden sind, wie oben beschrieben ausreichend hoch ist, damit der Spannungsabfall so gut messbar ist, dass das Messergebnis in die Berechnung des Ortes einer lokalen Erwärmung einfließen kann.

[0018] An möglichen Abwandlungen zu dem beschriebenen Aufbau seien ergänzend beispielhaft erwähnt: [0019] Die leitfähigen Schichten 2.1, 3.1 können anstatt des erwähnten leitfähigen Kunststoffes auch aus anderen leitfähigen Kunststoffen oder aus dünnem (aufgedampftem) Material oder aus Metalloxid gebildet sein.

[0020] Eine oder mehrere Schichten des Detektors, am besten die pyroelektrische Schicht können bzw. kann Farbstoffe enthalten, um auftreffendes Licht zu absorbieren und in Wärme umzuwandeln, welche wie besprochen detektiert werden kann. Wenn die Farbe des Farbstoffs am Rand des sichtbaren Spektrums oder im IR-Bereich liegt, kann der Detektor dabei immer noch transparent sein. Durch die vermehrte Absorption wird die Empfindlichkeit für geringe Strahlungsintensitäten verbessert.

[0021] Anstatt die Spannung zwischen den Anschlusselektroden unterschiedlicher leitender Schichten zu messen, kann man natürlich auch den Strom, genauer gesagt den Stromimpuls zwischen diesen Anschlusselektroden messen und daraus auf den Ort einer lokalen Erwärmung auf dem Detektor rückschließen.

[0022] Der Detektor kann als aus der Entfernung bedienbares Eingabegerät für eine Datenverarbeitungsanlage oder eine Steuerung verwendet werden.

[0023] Dies kann unter Verwendung eines Lichtzeigers als Eingabegerät geschehen Durch Modulation des optischen Eingangssignals und Herausfiltern der Modulationsfrequenz aus den Messsignalen kann das Messergebnis von Hintergrund und Rauschen befreit werden. Damit kann der Detektor auch auf einer Bildschirmfläche oder eine Projektionsfläche angebracht sein.

[0024] Der Detektor kann auch dazu verwendet werden, andere Wärmequellen als Lichtstrahlen, typischerweise Berührung durch einen warmen Gegenstand wie einen Finger oder einen beheizten Griffel erkennen. Auch dieser Effekt kann gut angewendet werden, wenn der Detektor kann als zu berührendes Eingabegerät für eine Datenverarbeitungsanlage oder eine Steuerung verwendet wird.

[0025] Die Berührungsempfindlichkeit kann dadurch verbessert werden, dass auch der Effekt der Piezoelektrizität, welcher im Allgemeinen gemeinsam mit Pyroelektrizität auftritt mit gemessen wird.

[0026] Der erfindungsgemäße Detektor kann natürlich auch zur Positionsbestimmung in Geräten und Maschinen verwendet werden. 3/5

Claims (5)

1. österreichisches Patentamt AT 12380 U1 2012-04-15 Ansprüche 1. Detektor für die Positionsdetektion einer lokalen Erwärmung wobei der Detektor als flächiger Schichtaufbau ausgeführt ist, wobei eine Schicht (1) aus pyroelektrischem Kunststoff zwischen zwei elektrisch leitfähigen Schichten (2.1, 3.1) aus transparentem Material angeordnet ist, wobei die beiden elektrisch leitfähigen Schichten (2.1, 3.1) mit jeweils mehreren voneinander beabstandeten Anschlusselektroden (2.3.1, 2.3.2, 3.3.1, 3.3.2) für den Abgriff von Spannungen versehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine Spannungs- und/oder Strommesszweig zwischen mindestens zwei Gruppen von Anschlusselektroden (2.3.1, 2.3.2, 3.3.1, 3.3.2) geschaltet ist, wobei jede Gruppe jeweils eine Anschlusselektrode (2.3.1, 2.3.2) an die erste leitfähige Schicht (2.1) und eine Anschlusselektrode (3.3.1, 3.3.2) an die zweite leitfähige Schicht (3.1) aufweist, dass der ohmsche Widerstand der elektrisch leitfähigen Schichten (2.1, 3.1) ausreichend hoch ist um in den Spannungs- und/oder Strommesszweigen einen messbaren Spannungsabfall zu verursachen und/oder die Stromaufteilung in unterschiedlichen Messzweigen messbarzu beeinflussen, und dass eine Datenverarbeitungsanlage mit den Spannungs- bzw. Strommesszweigen in Verbindung ist, welche dazu in der Lage ist, aus den Unterschieden in den Messergebnissen in den verschiedenen Spannungs- bzw. Strommesszweigen den Ort der lokalen Erwärmung auf der Detektorfläche zu errechnen.
2. 2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass je leitfähiger Schicht (2.1, 3.1) genau zwei Anschlusselektroden (2.3.1, 2.3.2, 3.3.1, 3.3.2) vorliegen, welche sich jeweils entlang gegenüberliegenden Rändern der jeweiligen leitfähigen Schicht (2.1, 3.1) erstrecken und dass die Anschlusselektroden (2.3.1, 2.3.2) der einen leitfähigen Schicht (2.1) gegenüber denen der zweiten leitfähigen Schicht (3.1) in der Schichtebene um 90° verdreht angeordnet sind.
3. 3. Detektor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche der Anschlusselektroden an eine leitfähige Schicht (2.1, 3.1) nicht mehr als 10% der Fläche der leitfähigen Schicht beträgt.
4. 4. Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schicht des Detektors, bevorzugt die pyroelektrische Schicht (1) mit einem Farbstoff angereichert ist, durch welchen auftreffendes Licht absorbiert und in Wärme umgewandelt wird.
5. 5. Detektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Farbe des Farbstoffes im nicht-sichtbaren Wellenlängenbereich liegt. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 4/5