CH646262A5

CH646262A5 - Pyroelektrischer detektor.

Info

Publication number: CH646262A5
Application number: CH951379A
Authority: CH
Inventors: David Appleby
Original assignee: Plessey Overseas
Priority date: 1978-10-24
Filing date: 1979-10-23
Publication date: 1984-11-15
Also published as: DE2942242C2; FR2440039B3; FR2440039A1; NL7907759A; US4284888A; DE2942242A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen pyroelektrischen Detektor.

Infrarotdetektoren mit einem einzelnen konkaven Spiegel oder einem konkaven Mehrfacettenspiegel sind bekannt. Eine Weiterentwicklung davon mit einem konkaven Spiegel ist ebenfalls beschrieben worden, wobei ein zweibereichspyro-elektrischer Detektor verwendet wird. Dieser Detektor weist entweder zwei separate Elemente auf, welche mit je einem Bereich, auf einen Differentialverstärker geführt sind oder aber ein Doppel-Element mit zwei Bereichen, auf einer einzelnen Scheibe pyroelektrischen Materials aufgebaut. Im letzteren Fall werden die Bereiche durch Elektroden definiert, wobei mindestens die eine, mit Bezug auf die zu detektie-rende Strahlung durchscheinend ist.

Beide genannten Ansätze weisen wesentliche Nachteile in ihrer praktischen Verwendung auf, wie beispielsweise für Einbruchalarme. Die Verwendung eines Detektors mit Einzelbe-reichs-Element ergibt eine Einrichtung, die nicht nur auf einfallende modulierte Infrarotstrahlung sensibel ist, wie sie beispielsweise durch einen Eindringling erzeugt wird, wenn er durch die, mittels des Detektors überwachte Zone schreitet, sondern auch auf direkte thermische Effekte, wie sie beispielsweise durch Luftzug am Detektor, adiabatische Temperaturänderungen bei Luftdruckschwankungen und bei Heizeffekten durch Schwankungen des Umgebungslichtes hervorgerufen werden. Mit der Verwendung eines Detektors mit Zweibereichs-Element, wie bereits erwähnt, kann der Einfluss allfällig vorliegender Fehlerquellen minimalisiert und damit das Auslösen falscher Alarme weitgehend vermieden werden. Bei der diesbezüglichen Verwendung der in der Praxis zur Verfügung stehenden pyroelektrischen Materialien, wie beispielsweise pyroelektrischer Keramiken, oder von Lithium-Tantalat, ist es jedoch schwierig, eine genügend hohe Sensibilität zu erreichen, wenn durchscheinende Elektroden verwendet werden, um den Effekt der Elimination von Störeffekten aus der Umwelt möglichst auszunützen.

Es muss darauf hingewiesen werden, dass die Sensibilität eines einzelnen Bereiches eines solchen Zweibereichs-Ele-mentes mindestens um den Faktor j/2 kleiner sein wird als diejenigen eines Einbereichs-Elementes gleicher Grösse und gleichen Aufbaus. Im weiteren ist es anzustreben, dass beide Bereiche eines Zweibereichs-Elementes auf eintreffende Infrarotstrahlung aktiv sind, da dadurch der überwachte Bereich effektiv verdoppelt werden kann, verglichen mit dem Überwachungsbereich eines Detektors mit einem Einzelbe-reichs-Element. Es werden dadurch auch Auswirkungen sich ändernder Infrarotstrahlung von einer nicht lokalisierbaren Quelle innerhalb des Überwachungsbereiches einer derartigen Installation weitgehend eliminiert, obwohl dieser Effekt von zweitrangiger Bedeutung ist. Der im Vordergrund stehende Nachteil eines Doppelbereichs-Elementes, wobei beide Bereiche auf Infrarotstrahlung reagieren, ist, dass auf kurze Distanz ein Eindringling den Überwachungsbereich beider Bereiche gleichzeitig abdecken kann, so dass dadurch praktisch ein Null-Ausgangssignal resultiert. Dabei bleibt der Eindringling undetektiert.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen pyroelektrischen Detektor vorzuschlagen, welcher sich für die passive Alarmauslösung bei Detektion eines Eindringlings aufgrund von Infrarotstrahlung eignet, und welcher einerseits Umgebungseinflüsse am Detektor praktisch vollständig unterdrückt, jedoch für die Detektion von Infrarotstrahlung teilweise unsymmetriert wird und eine genügende Sensibilität aufweist, als Resultat einer geeignet ausgelegten Infrarot-Absorption.

Zu diesem Zweck zeichnet sich der Detektor dadurch aus, dass mindestens drei Bereiche pyroelektrischen Materials vorgesehen sind, wobei mindestens der eine mit Bezug auf die

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anderen auf Infrarotstrahlung relativ inaktiv ist.

Vorzugsweise umfasst der Detektor ein Element aus pyro-elektrischem Material, worauf mindestens zwei der Bereiche angeordnet sind, wobei von den darauf angeordneten Bereichen der eine auf Infrarotstrahlung weniger aktiv ist als der andere. Vorzugsweise sind zwei der Bereiche parallelgeschaltet und der eine davon mit Bezug auf den anderen auf Infrarotstrahlung relativ aktiv, wobei der dritte Bereich zu den beiden anderen Bereichen seriegeschaltet ist, auf Infrarotstrahlung relativ aktiv ist und mit Bezug auf die anderen Bereiche umgekehrt polarisiert ist.

Dabei ist die Fläche des dritten Bereichs vorzugsweise mindestens nahezu gleich den kombinierten Flächen der ersten beiden Bereiche.

Die auf Infrarotstrahlung relativ aktiven Bereiche sind dabei vorzugsweise mit einer Infrarot absorbierenden Schicht versehen.

Diese Schicht umfasst vorzugsweise Platinschwarz und kann elektrochemisch aufgebracht sein.

Die Bereiche des Detektors weisen vorzugsweise je eine wenigstens nahezu konstante Dicke auf und sind weiter bevorzugterweise alle gleich dick. Der auf Infrarotstrahlung relativ nicht-aktive Bereich ist vorzugsweise mit einer wenigstens nahezu nicht durchscheinenden Elektrode versehen, welche auf Infrarotstrahlung hochgradig reflektierend wirkt. Diese Elektrode umfasst vorzugsweise Nichrom und Gold, welche vorzugsweise als Schicht und vorzugsweise darauf aufgedampft sind.

Das pyroelektrische Material des Elementes ist dabei vorzugsweise ein keramisches Material. Bevorzugterweise umfasst dieses keramische Material Blei-Zirkonat-Eisen-Nio-bat oder es ist durch einen Einkristall gebildet, welcher vorzugsweise Lithium-Tantalat umfasst.

Die Bereiche sind mit Bezug auf eine Detektorgehäuse, vorzugsweise mit wenigstens ähnlicher thermischer Isolation angeordnet und vorzugsweise sind die Flächen der auf Infrarotstrahlung relativ aktiven Bereiche zueinander wenigstens etwa im Verhältnis 3:2 ausgelegt. Vorzugsweise wird ein derartiger Detektor mit einem konkaven Spiegel oder einem Mehrfacetten-Konkavspiegel versehen, um seinen Überwachungsbereich zu vergrössern.

Die Erfindung wird anschliessend beispielsweise anhand von Figuren erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Aufsicht auf einen erfindungsgemässen pyroelektrischen Detektor, geeignet für die passive Infrarotdetek-tion eines Eindringlings und zur entsprechenden Alarmauslösung,

Fig. 2 einen Querschnitt gemäss Linie 2-2 durch den Detektor gemäss Fig. 1,

Fig. 3 eine vergrösserte Aufsicht auf ein Element pyroelektrischen Materials, wie im Detektor gemäss Fig. 1 verwendet,

Fig. 4 ein elektrisches Ersatzschaltbild des Detektors.

Gemäss Fig. 1 umfasst ein pyroelektrisches Element 13 drei definierte aktive Bereiche Al, A2 und B und besteht aus einer Scheibe pyroelektrischen Materials. Die Scheibe ist auf einem isolierenden Substrat 14 angeordnet, welches so ausgelegt ist, dass es das Element 13 sowie noch zu beschreibende Anschlüsse mechanisch trägt und weiter eine maximale, insbesondere wenigstens ähnliche thermische Isolation der Bereiche Al, A2 und B von einem Detektorgehäuse 15 sicherstellt, worin das Substrat 14 und damit das Element 13 angeordnet sind. Die Bereiche AI und B sind, verglichen mit dem Bereich A2, infrarotaktiv, was mit Hilfe je einer Infrarot absorbierenden Schicht 16 erreicht wird, welche in Fig. 3 schräg schaffiert dargestellt ist.

Wie erwähnt, ist der Bereich A2 durch Fehlen einer entsprechenden Infrarot absorbierenden Schicht relativ inaktiv, wobei darauf einfallende Infrarotstrahlung von der Oberfläche einer obenliegenden Elektrode 21 reflektiert wird.

Ein Sperrschicht-Feldeffekt-Transistor-Chip 17 ist mit Hilfe eines Epoxyharzes auf einer Verbindungsfläche 25 angeordnet, welch letztere, mit einer Verbindung 23 die Schicht 16 am Bereich AI, und mit einer Verbindung 26 die Elektrode 21 kontaktiert. Die Fläche 25 ist selbstverständlich elektrisch leitend. Das Gate 20 des Feldeffekt-Transistors ist mit der Verbindungsfläche 25 verbunden. Der FET-Chip wirkt als Impedanzwandler, wobei seine Source- und Drainanschlüsse über Leitungen 28 und 29 entsprechend auf Gehäuseanschlüsse 18 und 22 geführt sind. Ein Widerstand 19 mit hohem Widerstandswert wirkt als Ableitwiderstand auf das Detektorgehäuse 15, vorzugsweise auf ein Bezugspotential, wie Erde gelegt, um das Gate 20 des Feldeffekt-Transistors vorzuspannen.

Eine weitere elektrische leitende Elektrode 12 auf der Rückseite des Elementes 13 und damit in Fig. 3 gestrichelt eingetragen, verbindet die Bereiche AI und A2 mit dem Bereich B. Eine Elektrode 11 auf der Oberfläche des Elementes 13 weist eine Verbindung 24 zur Schicht 16 auf dem Bereich B auf und ist über Leitung 27 auf das Bezugspotential des Detektorgehäuses 15 gelegt. Im übrigen entspricht das Detektorgehäuse 15 den üblicherweise verwendeten Norm-transistor-Gehäusen.

Die beschriebene Anordnung ist hermetisch im Gehäuse eingeschlossen, welches (nicht dargestellt) ein Infrarotstrahlung transmittierendes Fenster aufweist.

In Fig. 4 sind die Bereiche Al, A2, B der Widerstand 19, dort auch als Rg bezeichnet, der Feldeffekttransistor auf dem Chip 17 und die entsprechenden elektrischen Verbindungen der Elektroden dargestellt.

In der Praxis umfasst das Elektrodenmaterial der Elektroden 11,12 und 21 Nichrom und Gold, wobei diese Materialien, vorzugsweise auf die Elektroden als Schicht, vorzugsweise aufgedampft sind. Die Infrarot absorbierende Schicht 16 umfasst vorzugsweise Platinschwarz und ist vorzugsweise elektrochemisch aufgebracht. Das Substrat 14 besteht grundsätzlich aus Material geringer thermischer Leitfähigkeit, so beispielsweise aus Plastik oder Glas. Das Material des pyroelektrischen Elementes 13 ist vorzugsweise ein keramisches Material, wie vorzugsweise Blei-Zirkonat-Eisen-Niobat oder umfasst ein Einkristall, der vorzugsweise Lithium-Tantalat zumindest umfasst. Ein pyroelektrisches Material mit intrin-sic vorgebbarem, hohem spezifischen Widerstand, wie leitende Blei-Zirkonat-Eisen-Niobat pyroelektrische Keramik, wie in der GB-PS 1 514 472 beschrieben, kann ebenfalls verwendet werden. In diesem Fall kann der separat vorgesehene Ableitwiderstand 19 wegfallen. Die Polarisation der Bereiche des Elementes 13, wie sie durch die Pfeilrichtungen in Fig. 4 dargestellt ist, kann vorzugsweise leicht durch die Verwendung einer vorpolarisierten Scheibe pyroelektrischen Materials für die Herstellung des Elementes 13 realisiert werden.

Die in Fig. 1 dargestellten Elektrodenflächen ermöglichen die Verwendung des beschriebenen Detektors für die passive Infrarot-Detektion von Eindringlingen und entsprechender Alarmauslösung, in Wirkverbindung mit einem einzelnen Konkavspiegel mit einer Brennweite von in etwa 40 mm oder mit einem Mehrfacettenspiegel, beispielsweise mit 9 Zonen mit einer Brennweite von in etwa 30 mm und unter etwa 11,5° zueinander angeordnet. Die aktiven Bereiche des Detektors in einem derartigen Mehrzonensystem werden jede Spiegelzone in etwa gleich aufteilen, so dass zwei Unterzonen entstehen, womit ein Winkel von gesamthaft etwa 100° abgedeckt wird.

Es ist wesentlich, dass die drei aktiven Bereiche Al, A2 und B eines solchen Detektors so angeordnet und ausgelegt sind, dass sie zumindest ähnliche Amplituden- und Phasen5

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antworten auf niederfrequente thermische Änderungen abgeben, welche durch das Detektorgehäuse und das Substrat 14 geleitet werden, um nach Möglichkeiten umweltbedingte Änderungen am Detektor zu eliminieren. In der Praxis wird die Auslegung des Substrates 14 und des Elementes 13 diesbezüglich optimiert.

Der Unsymmetriegrad zwischen den Bereichen AI und B des Elementes bezüglich seiner Infrarotstrahlungs-Antwort sollte so sein, dass eine zufriedenstellende. Sensibilität erhalten wird, um Infrarotquellen auf weite Distanz zu detektieren, ebenso wird aber sichergestellt, dass relativ grosse Differenzsignale generiert werden, auf Infrarotquellen hin in kürzerer Entfernung.

Die Flächen der Bereiche B und AI werden vorzugsweise wenigstens nahezu im Verhältnis 3:2 gewählt, wodurch die erwähnten Forderungen erfüllt werden. Der Bereich B weist vorzugsweise eine Fläche von wenigstens nahezu 3 mm2, der Bereich AI von wenigstens nahezu 2 mm2 auf, wobei diese 5 Flächen in etwa 3 mm voneinander entfernt angeordnet sind.

Die relativen Flächen der entsprechenden Bereiche des Elementes sind in ihrer Wahl nicht so wichtig, wie die Parameter des pyroelektrischen Materials und die Dicke dieses Materials.

0 Es ist wichtig, dass die Material-Parameter und die Dicke der Scheibe aus pyroelektrischem Material über alle drei Bereiche relativ konstant sind, so dass die durch die drei Bereiche entwickelte Spannung weitgehend gleich ist.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1-8, dadurch gekennzeichnet, dass derauf Infrarotstrahlung relativ inaktive Bereich (A2) mit einer wenigstens nahezu nicht durchscheinenden Elektrode (21) versehen ist, welche vorzugsweise auf Infrarotstrahlung hochgradig reflektierend wirkt.

1. Pyroelektrischer Detektor, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei Bereiche (Al, A2, B) pyroelektrischen Materials vorgesehen sind, wobei mindestens der eine (A2), mit Bezug auf die anderen (Al, B) auf Infrarotstrahlung relativ inaktiv ist.

2-10, dadurch gekennzeichnet, dass das pyroelektrische Material des Elementes (13) ein keramisches Material ist, vorzugsweise Blei-Zirkonat-Eisen-Niobat enthält, oder ein Einkristall ist, welcher vorzugsweise Lithium-Tantalat enthält.

2. Pyroelektrischer Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der Bereiche (Al, A2) auf einem gemeinsamen Element (13) pyroelektrischen Materials vorgesehen sind, vorzugsweise darunter der eine, relativ inaktive (A2).

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PATENTANSPRÜCHE

3. Pyroelektrischer Detektor nach einem oder beiden der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei der Bereiche (Al, A2) parallelgeschaltet sind, wobei der eine (AI) mit Bezug auf den.anderen (A2) auf Infrarotstrahlung relativ aktiv ist, und dass der dritte Bereich (B) zu den beiden ersten Bereichen (Al, A2) seriegeschaltet und auf Infrarotstrahlung ebenfalls relativ aktiv ist, und mit Bezug auf die anderen Bereiche (Al, A2) umgekehrt polarisiert ist.

4. Pyroelektrischer Detektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche des dritten Bereiches (B) mindestens nahezu gleich den kombinierten Flächen der ersten beiden Bereiche (Al, A2) ist.

5. Pyroelektrischer Detektor nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer (Al, B), der auf Infrarotstrahlung relativ aktiven Bereichen mit einer absorbierenden Schicht (16) versehen ist, vorzugsweise mit einer Infrarotstrahlung absorbierenden Schicht.

6. Pyroelektrischer Detektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (16) Platinschwarz umfasst, vorzugsweise elektrochemisch aufgebracht.

7. Pyroelektrischer Detektor nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche (Al, A2, B) eine wenigstens nahezu konstante Dicke aufweisen.

8. Pyroelektrischer Detektor nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche (Al, A2, B) wenigstens nahezu gleiche Dicke aufweisen.

9. Pyroelektrischer Detektor nach einem der Ansprüche.

10. Pyroelektrischer Detektor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (21) Nichrom und Gold umfasst, welche vorzugsweise als Schicht und dabei vorzugsweise darauf aufgedampft sind.

11. Pyroelektrischer Detektor nach einem der Ansprüche

12. Pyroelektrischer Detektor nach einem der-Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche (Al, A2, B) mit Bezug auf ein Gehäuse (15) mit wenigstens ähnlicher thermischer Isolation angeordnet sind.

13. Pyroelektrischer Detektor nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächen der relativ auf Infrarotstrahlung aktiven Bereiche (Al, B) sich zueinander wenigstens nahezu wie 3:2 verhalten.

14. Pyroelektrischer Detektor nach einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Konkavspiegel oder ein Mehrfacetten-Konkavspiegel vorgesehen ist, um den überwachten Raumwinkel zu vergrössern.