CS200684B1 - Pyroelectrical sensing element - Google Patents

Description

(54) Pyroelektrická Sídlo

Vynález ee týká pyroelektrickáho Sídle, urSenáho zejména pro epektroeetrlcká aplikace v infračerveném oboru.

Probleaatlka detekce infračerveného zářeni malých výkonů je v eouSaená době řeSena bud kvantový·i detektory ee selektivní detekci, jejichž podstatnou nevýhodou je, že v obleetl ned 3 ^um vlnová dálky zářeni je žádoucí jejich Sídle přieSřenS chladit, nebo neeeloktlvnlMi detektory tepelný·! , jejichž nevýhodou je nenSl rychlost elektrická odezvy ve srovnáni e detektory kvantovými. Nejlepši eouSaený tepelný detektor je Goleyove cele, Saeto používaná při nejnárošnSjšich spektrometrlckých měřeních. Oejlmi specifickými nevýhodami Jsou relativně vysoká pořizovací náklady, omezená životnost a pro speciální aplikace poměrnS znaSný příkon.

Uvedená nevýhody nemají, nebo principiálně nemusí mlt detektory pyroelektrická, jež při zachováni vysoká citlivosti e za pokojové teploty máji rychlejší odezvu o několik řádů. Technologie přípravy Sídel pro tyto detektory nebyla však doposud ne taková úrovni, aby pyroelektrická detektory byly schopná konkurence.

Základní představa o uspořádáni pyroelektrickáho Sídle je tato: vleetnl Sídlo jo tvořeno deetlSkou z pyroelektrickáho materiálu e homogenní polarizaci, opatřenou elektrodami kolmými na vektor polarizace. Při zmšnš teploty doetlSky Sídla o aT vzniká na jejich elektrodách spontánní náboj aQ. jehož velikost je dána

200 004

Ρ* Δ* .

kde ρ Je pyroelektrlcký koeficient užitého pyroelektrlke e A je plocha elektrod.

Proud (zkratovaných) elektrod čidle je

I, Δϋ/ Δ*· kde δ* 3® δ··ονγ interval, ve které· ee realizuje zaéna náboje z\Q· Miao tento signálový proud X* čidlo vykazuje iuaový proud I_n, ktorý opoluurčujo prahovou hodnotu P_R doteková tolného zářivého výkonu nazývanou NEP (Nolee Equvlvalent Power). Mlniaallzovat P_n zneaoná •exlaellzovet poaěr l_g/X_n za podainky, že dopadající zářivý výkon na vlastni čidlo zůstává konstantní. Znamená to aaxlaallzovat koeficient abeorpee čidle, alnlaalizovat jeho tlouitku i aktivní ploohu, tepelnou vodivost aezl čidle· a jeho okolla a zvolit aateriál e vhodnýal aaterlálovýai kenetantaai. Z uvedených požadavků je největší· probláaea zajistit neaelektlvnl e zároveň vysokou absorpci v celáa infračervená· oboru a minimalizovat tepelnou výačnu mezi čidlem a okolla, již je úměrná teplotní komponenta šuaováho proudu X_n daného jako

I_n - < *0 ♦ *TZ ♦ *TV * 4» )^V2 · ^w·

1₃ je tepelný (Oohnaonův) iuaový proud a 1_τζ, ίγγ, l_Tp jsou teplotní Sualvá proudy odpovídající výměně teple aezl čidle· e okolla, e to zářeni·, voděním, resp. proudinla.

Velikost komponenty i-j je závislá ne zalnčnýeh materiálových konstantách; i_TZ je koaponente omezující z principu Ideální detektor.

V doposud známých uspořádáních pyroelektriekých čidel jo destičko vlastního čidla upevněna buá na nosná podložce nebo prstenci, člaž je určena velikost tepelná výměny aezl čidlem a okolla, aejlel přlaou eouvleloet e velikosti ěuaové koaponenty ijy ve eayalu předchozího odstavce.

Mlniaallzovat iuaový proud X_R minimalizaci koaponenty ijy α 1γ_ρ je vlaetnla účele· vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že pyroelektrlcká destička vlastního čidla Je upevněna ve volném prostoru hermeticky utěsněného pouzdře poaoel přívodních vodičů tvořících nosný eyetáa pyroelektrlcká destičky, přičemž tyto přívodní vodiče jsou v úrovni pyroelektrlcká destičky vůči eebě alaoběžně zkříženy o jejich konec jsou vodivě připojeny k průchozím vodičům. Pouzdro čidla může být heraetlcky utěsněno a k vnitřní ploěe pouzdra čidla aúžo být připevněno euěldle v pevná· skupenství. Spektrální propustná okénka mohou být tvořena pružnou membránou. Pyroelektrlcká deatlčka aůže být vytvořena z fělle pyroelek trickáho polyaeru.

Přiklad provedeni pyroelektrlekáho čidla podle vynálezu je znázorněn na přiložená· výkrese, kde obr. 1 předetavuje osový řez pyroelektrlekýa čidle· e na obr. 2 je pyreelektrická čidlo znázorněno v rovině řezu A-A z obr. 1.

Pyroelektrlcká destička £ je opatřena vodlvýal abeorpčnlal vrstvami 2, 3, z nlehž

200 004 každá je kapičkou vodivého tmelu 6, 7 elektrovodlvá upevněna k příslušnému vodiči 4» 5.

Vodiče 4, 5 jsou vytvořeny tak. že tepelná vodivost každého z nich je menši než

1,3 . 10“² YK¹ a“l S^_1 a jejich prOřez Je v rozmezí 0,1 ^/um² až 8 yum². Vodiče 4, 5 jsou elmoběžně zkříženy a jejich konce jsou přivařeny e mechanicky zafixovány kaplčkael vodivého tmelu 101. 102. 103. 104. k jim příslušným průchodlclm vodičům 81. 82, 83. 84. prflchodek 91. 92, 93, 94 základová destičky 11 pouzdře čidla. Základová destička 11 pouzdra čidle, opatřená spektrálně propustný· okénkem 14 hermeticky přltaelenýa ve epojl 163. je kryta vlčkem 12 hermeticky přltmeleným ve Spoji 162. Vičko 12 je opatřeno spektrálně propustným okénkem 13 hermeticky přltaelenýa ve spoji 161. Na základová destičce 11 je přitmelen materiál 151. 152. 153. 154 a vlastnostmi sorbce vlhkosti.

Modulovaná zářeni ve spektrálním oboru propustnosti okénka 13 dopadající na vodivou absorpční vrstvu 2 vyvolává teplotní modulaci pyroelektrická destičky 1 a tím odpovídající střídavý signál na vodivých absorpčních vrstvách 2, 3, která vykonávají funkci elektrod. Tento signál je prčchodlcíal vodiči 81, 82, 83, 84 přiveden na neznázorněná vyhodnocovací obvody, která mohou být s výhodou umístěny v Integrovaná formě přímo v pouzdru čidla složeného ze základová destičky 11 a vlčka 12. V některých aplikačních případech může být výhodné použit vlče pyroelektrických destiček JL ualetěných v řadě vedle eebe, přičemž jeden noený vodič je epolečný věem destičkám a druhý vodič každá destičky je vyveden Individuálně.

V případě použiti pyroelektrlckáho čidla podle vynálezu jako kalibračního radlometru umleti se k okénku 14 kalibrovaný zdroj zářeni, jehož zářeni je modulováno stejnou frekvenci jako zářeni detekovaná, ale e opačnou fázi.

Pyroelektrická čidlo podle vynálezu je možno použit i pro vysoce náročná použiti ve spektrometrii, kde kromě požadavku vysoká prahová citlivosti je 1 požadavek neselektivnoetl odezvy v širokém rozsahu do dalekého infračerveného oboru. Problém spektrálně nezávislá absorpce vlastního čidla bývá řečen absorpci materiálu vlastního čidle a v případě jsjl nedostatečnosti bývá použita pomocná abeorpčnl vrstva v tepelném kontaktu e vlastním čidlem. Ke spektrosetrlckým účelům v šlrokóm Infračerveném oboru lze použít pouze abeorpčnl vrstvy kovová, jež poskytuji i v dalekém infračerveném oboru neeelektlvnl absorpci se zanedbatelnou tepelnou setrvačnosti. Naneseni optimální tloušřky táto vrstvy je individuálně závislá na druhu kovu, nebo elitlny vlče kovů a je spojeno ee značnými optimalizačními technologickými obtížemi. Relativní nevýhodou kovová absorpční vrstvy je její vysoká odrazivoet e negativními důsledky ne velikost signálového proudu l_e. Tento nedostatek js možno odstranit použitím speciálních čornl se zanedbatelnou odrazivoetl. Tyto černě však nejsou použitelná v dalekém Infračerveném oboru. Ooeud není známo uspořádáni čidla, která při zachováni špičková hodnoty P_n řádově 1θ“^^/Ηζ ^² Je použitelná i v dalekém infračerveném oboru.

Obě výše uvedená vleetnoeti naopak má pyroelektrická čidlo v uspořádáni podle vynálezu, kde například pyroelektrická destička 1 vyříznutá z krystalu trlglycinsulfátu ve směru kolmém na jeho polární osu a vybroušená do tloušřky cca 10 /um Je opatřena vodivými

200 804 absorpčními vrstvami o složeni například 80 % NI a 20 % Cr a o tlouifca oea 10“² /m.

Zatímco dosud známé pyroelektrlcké čidla jsou vhodné pro datakci zářeni v blízkém a středním Infračerveném oboru, přičemž jejich špičkový, laboratorně dosažený NEP jo udáván P_R 10”^^/Hz^² , Jo takto připravená pyroelektrlcké čidlo výhodná pro detekci i v dalekém infračerveném oboru, navíc při řádová stejném NEPu. Zároveň splňuje předpoklady snadnější dostupnosti, naž by tomu bylo u výrobků zahraničních.

Další možná použiti pyroolektriokáho čidla podle vynálezu je detekce hmotového vlněni prostředí, ktorá jo obklopuje, zejména v aubaktuatlekám oboru, a to v tom připadá, jestliže okénko 13, popřípadě okénko 14, jsou vytvořena z pružná přepážky, např, fólie.

Pyroelektrlcké čidlo podle vynálezu jo možno o výhodou použit v infračervená spektrometrii, zejména v dalekém infračerveném oboru, jako kalibračního radioaotru, v Infračerveném radaru v součinnosti a laserem např. COg apod.

Claims (4)

1. P fi E D Μ £ T VYNALEZU

   1. Pyroelektrlcké čidlo obsahující pyroelektrickou destičku opatřenou vodivými abaorpčnlal vrstvami vodivá spojenými a přívodními vodiči a uloženou v pouzdře opatřeném alespoň jedním transparentním okénkem umístěným proti pyroelektrická destičce, vyznačená tlm, že pyroelektrlcké destička /1/ vlastního čidla ja upevněna va volném prostoru pouzdra sestaveného ze základové destičky /11/ a vlčka /12/ pomoci přívodních vodičů /4,5/ tvořících nosný ayatém pyroelektrioké destičky /1/, přičemž přívodní vodiče /4,5/ jsou v úrovni pyroelektrické destičky /1/ vůči sobě mimobéžně zkříženy a Jejich konoo jsou vodivě připojeny k průchozím vodičům /81,82,83,84/.
2. 2. Pyroelektrlcké čidlo podle bodu 1, vyznačené tlm, že pouzdro čidla je haroatleky utěsněno a k vnitřní ploše pouzdra čidla je připevněno ouěldlo /6/ v pevném skupenství.
3. 3. Pyroelektrlcké čidlo podle bodu 1, vyznačené tlm, že spektrální propustné okénka /13,14/ jsou tvořena pružnou membránou.
4. 4. Pyroelektrlcké čidlo podle bodu 1, vyznačené tlm, že pyroelektrioké destička /1/ ja vytvořena z fólie pyroelektrlekého polymeru.