CS205385B1

CS205385B1 - Sensing element of pyroelectric detector for thermal autostabilisation regime and method of its manufacture

Info

Publication number: CS205385B1
Application number: CS257678A
Authority: CS
Inventors: Antonin Glanc
Original assignee: Antonin Glanc
Priority date: 1978-04-21
Filing date: 1978-04-21
Publication date: 1981-05-29

Description

(54) Čidlo pyroelektrického detektoru pro režim teplotní autostabilizace a způsob jeho výroby .(54) Pyroelectric detector sensor for thermal autostabilization mode and method of manufacture.

Vynález se; týká čidla pyroelektrického d etektoru pro režim teplotní autostabilizace a způsobu jeho výroby.The invention; relates to a pyroelectric detector sensor for a temperature autostabilization mode and to a method for its manufacture.

Konstrukce pyroelektrických detektorů jsou založeny na využití pyroelektrického jevu tak, že pyroelektrický materiál generuje náboj úměrný teplotní změně, vyvolané změnou dopadajícího zářivého výkonu. Tento náboj je obvykle snímán pomocí elektrod umístěných kolmo na směr pyroelektrické osy krystalu. Pro použití v detektorech je vždy nutné, aby pyroelektrická látka byla elektrický polarizována v celém objemu mezi elektrodami. Je-li jako pyroelektrika použito feroelektrické látky pak je nutné, aby látka měla celkový elektrický moment nenulový tj. aby domény byly polarizovány převážně v jednom směru.Pyroelectric detector designs are based on the use of a pyroelectric effect such that the pyroelectric material generates a charge proportional to the temperature change caused by the variation of incident radiation power. This charge is typically sensed by electrodes placed perpendicular to the direction of the pyroelectric axis of the crystal. For use in detectors, it is always necessary that the pyroelectric material be electrically polarized throughout the volume between the electrodes. If ferroelectric is used as pyroelectric then it is necessary for the substance to have a total electric moment of non-zero, ie the domains are polarized predominantly in one direction.

Dosud používaná čidla pyroelektrických detektorů jsou řešena buď jako adiabaticky ' uložený a vůči vnějším vlivům izolovaný element nebo element umístěný na podložce, která může být vyhřívána na teplotu blízkou teplotě fázového přechodu materiálu čidla, pro dosažení vysoké hodnoty pyroelektrického koeficientu. .The pyroelectric detector sensors used hitherto are designed either as an adiabatically embedded and externally insulated element or an element placed on a substrate that can be heated to a temperature close to the phase transition temperature of the sensor material to achieve a high pyroelectric coefficient value. .

Uvedené konstrukce čideL mají řadu nevýhod. Tak např. adiabaticky uložený element čidla je teplotně nestabilní vzhledem k tomu, že jeho střední teplota se může mě2 niť dopadem tepelného záření. Obvykle se' používají pro čidlo takové materiály, které mají teplqtu fázového přechodu co nejvíce vzdálenou od provozní teploty okolí. Toto řešení vylučuje však možnost využít vysokých hodnot pyroelektrického koeficientu, jehož maximum leží u těchto materiálů v teplotní oblasti fázového přechodu.Said sensor designs have a number of disadvantages. For example, an adiabatically mounted sensor element is thermally unstable due to the fact that its mean temperature can be varied by the impact of thermal radiation. Typically, materials that have a phase transition temperature as far as possible from the ambient operating temperature are used for the sensor. However, this solution eliminates the possibility of using high pyroelectric coefficients, the maximum of which is in the phase transition temperature range of these materials.

Konstrukce čidla, které je umístěno na vyhřívané podložce sice odstraňuje nevýhody adiabaticky uloženého čidla, ale technologie výroby je značně Složitá. Homogenní ohřev čidla je závislý na tepelném kontaktu a vlastní teplotní vodivosti materiálu, který spojuje vyhřívanou podložku s čidlem, přičemž je pro některé aplikace detektoru nutné, aby bylo vlastní čidlo od vyhřívací podložky elektricky odděleno.The design of the sensor, which is located on the heated substrate, eliminates the disadvantages of an adiabatically mounted sensor, but the manufacturing technology is complex. Homogeneous sensor heating is dependent on thermal contact and intrinsic thermal conductivity of the material that connects the heated pad to the sensor, and for some detector applications it is necessary that the sensor itself is electrically separated from the heating pad.

Mnohé z těchto nevýhod odstraňuje čidlo pyroelektrického detektoru pro režim teplotní autostabilizace a způsob jeho výroby podle předloženého vynálezu.Many of these disadvantages are overcome by the pyroelectric detector sensor for the thermal autostabilization mode and the method for its manufacture according to the present invention.

Podstata čidla pyroelektrického detektoru z feroelektrické nebo pyroelektrické látky s klesající závislostí náhradní reálné vodivosti ha teplotě charakterizující dietektrické ztráty s alespoň dvěma funkčními dvojicemi elektrod na protilehlých plochách čidla kolmých na osu detekce podle vynálezu spočívá v tom, že v části jetío plochy je vy205385The principle of a pyroelectric detector made of a ferroelectric or pyroelectric substance with a decreasing dependence of the substitute real conductivity and temperature characterizing the di-electric losses with at least two functional electrode pairs on opposite surfaces of the sensor perpendicular to the detection axis of the invention is

20538β tvořena v celé tlouštce permanentní vnitřní elektrické pole, na této části je umístěna alespoň jedna z funkčních dvojic elektrod, a alespoň na jedné straně čidla je mezi elektrodou upevněnou na části bez vnitrního elektrického pole a vnějším obvodem části s permanentním vnitřním elektrickým polem upravena elektricky nevodivá mezera. Alespoň pro jednu elektrodu z funkční dvojice elektrod umístěných na části s permanentním vnitřním elektrickým polem se může použít transparentní materiál, .rovněž tak pro alespoň jednu takovou elektrodu se může použít materiál s maximální absorpcí pro uvažovaný druh detekce a to v rozsahu ód tvrdého rtg záření spojitě do oblasti decimetrových vln, například vakuově naparovaný uhlík, a alespoň jedna taková elektroda je opatřena napařenou vodivou nebo polovodivou absorpční vrstvou.20538β consists of a permanent internal electric field throughout its thickness, at least one of the functional electrode pairs is located on this part, and electrically nonconductive is arranged between the electrode mounted on the part without the internal electric field and the outer circumference of the permanent internal electric field part gap. For at least one electrode of a functional pair of electrodes located on the permanent internal electric field portion, a transparent material may be used, as well as for at least one such electrode a material with maximum absorption for the type of detection contemplated may be used. to a region of decimeter waves, for example vacuum-vapor carbon, and at least one such electrode is provided with a vapor-conductive or semiconductive absorbent layer.

Podstata způsobu výroby spočívá, v tom, že na destičce feroelektrické nebo pyroelektrické látky s klesající závislostí náhradní reálné vodivosti na teplotě, charakterizující dielektrické ztráty, se kolimátorem vymezí plocha určená k ozáření materiálu v celé jeho tloušťce a tato plocha se ozáří ionisačním zářením. Do pole ionisačního záření se umístí elektrody, připojí se na vnější elektrické pole a teprve potom se materiál ozáří. Elektrody umístěné v neozařované části destičky se mohou připojit na zdroj vyhřívacího napětí a materiál destičky se vyhřeje nad fázový přechod použitého materiálu.The essence of the production method consists in that on the plate of ferroelectric or pyroelectric substance with decreasing dependence of equivalent real conductivity on temperature, characterizing dielectric losses, the collimator delimits the area intended to irradiate the material in its whole thickness and this area is irradiated by ionizing radiation. Electrodes are placed in the ionizing radiation field, connected to an external electric field before the material is irradiated. The electrodes located in the non-irradiated portion of the plate can be connected to a heating voltage source and the plate material is heated above the phase transition of the material used.

Výhodou této konstrukce je to, že umožňuje vytvořit na jedné destičce feroelektrické látky nezávislou oblast charakterizovanou celkovým nenulovým elektrickým momentem a nízkými dielektriďkými ztrátami, která je elektricky oddělena od zbývající části destičky, charakterizované vyššími dielektrickými ztrátami, které jsou využity k vyhřívání destičky režimem teplotní autostabilizace na teplotu blízkou teplotě fázového přechodu použitého materiálu.The advantage of this design is that it makes it possible to create an independent region on a single plate of ferroelectric material characterized by total non-zero electric torque and low dielectric losses, which is electrically separated from the rest of the plate, characterized by higher dielectric losses which are used to heat the plate by a temperature close to the phase transition temperature of the material used.

Je známo, že feroelektrícká látka, např. triglycinsulfát, ozářená ionizačním zářením, neztrácí vnitřní elektrické pole ani nad teplotami fázového přechodu. Její dielektrické ztráty jsou nižší a má vyšší specifický odpor. Další výhodné vlastnosti, kterých může dosáhnout čidlo vyrobené podle vynálezu, jsou např.: vysoká hodnota pyroelektrického proudu, maximální hodnota prahové citlivosti Np, vysoká normalisovaná detektivita. Dosažení a využití těchto vlastností je. však podmíněno tím, že látku musíme zahřát do okolí jejího fázového přechodu a na této teplotě ji s vysokou stabilitou udržovat.It is known that a ferroelectric substance, such as triglycine sulfate, irradiated with ionizing radiation, does not lose the internal electric field even above the phase transition temperatures. Its dielectric losses are lower and have a higher specific resistance. Other advantageous properties which can be achieved by a sensor made according to the invention are, for example: high pyroelectric current, maximum Np threshold, high normalized detectivity. Achieving and exploiting these properties is. however, it is conditioned by the fact that the substance must be heated around its phase transition and maintained at this temperature with high stability.

Udržování této pracovní teploty však. dosud bylo jedním z největších problémů, které bránily dosažení maximálního využití těchto druhů čidel.Maintaining this working temperature however. so far it has been one of the biggest problems that has prevented the maximum use of these types of sensors.

Podstata vynálezu bude v dalším vysvětlena na příkladu pomocí připojených výkresů. Obr. 1 představuje axonometrický náčrtek principiálního uspořádání pro výrobu čidla pyroelektrického detektoru infračerveného záření pro režim teplotní áútostabilizace podle vynálezu. Obr. 2 představuje čidlo pyroelektrického detektoru infračerveného záření pro režim teplotní autostabilizace v příčném řezu. Na obr. 3 je znázorněna hysteresní smyčka závislosti polarizace na střídavém elektrickém poli, která je symetrická vůči vertikální ose polarizace a na obr. 4 j_;e tatáž hysteresní smyčka, avšak její střed je posunut vůči ose polarizace.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The invention will now be described, by way of example, with reference to the accompanying drawings. Giant. 1 is an axonometric sketch of a principal arrangement for manufacturing a pyroelectric infrared detector sensor for the temperature auto-stabilization mode of the invention. Giant. 2 is a cross-sectional view of a pyroelectric infrared detector sensor for thermal autostabilization mode. Fig. 3 shows a hysteresis loop of polarization versus alternating electric field that is symmetrical to the vertical polarization axis; and Fig. 4j _; The same hysteresis loop, but its center is shifted relative to the polarization axis.

Na obr. 1 je čidlo detektoru tvořeno kruhovou destičkou í z feroelektrického materiálu, např. triglycinsulfátu, která je opatřena na spodní ploše společnou elektrodou 5 kruhového tvaru, opatřenou přívodem 9, na horní ploše elektrodou 6 tvaru mezikružl na obvodu kruhové destičky, opatřenou přívodem IQ a snímací elektrodou 3 čidla, která je opatřena přívodem 8 a je od vnější elektrody 6 elektricky oddělena nepokoveným mezikružím 7. Nad snímací elektrodou čidla je umístěn kolimátor 2 tak, aby byla správně vymezena plocha určená k ozáření ionisačním zářením ze zářiče 4 tzn., aby ionisační záření nezasáhlo plochu elektrodyIn Fig. 1, the detector sensor consists of a circular plate 6 of ferroelectric material, e.g. triglycine sulfate, provided with a common electrode 5 of a circular shape provided with a lead 9 on its lower surface and an annular shape 6 of annular ring on the upper surface. and a sensor electrode 3 having an inlet 8 and electrically separated from the external electrode 6 by an unplated annulus 7. A collimator 2 is positioned above the sensor electrode 2 so as to correctly define the area to be irradiated by ionizing radiation from the emitter 4, i.e. the ionizing radiation did not reach the electrode surface

6. Na obr. 2 je na kruhové feroelektrické destičce 1 vyznačena s permanentním vnitřním elektrickým polem část 16 a část 15 bez vnitřního elektrického pole. Na obr. 3 a jsou znázorněny polarizační osy P a osa střídavého elektrického pole E, přičemž hysteresní smyčka na obr. 3 odpovídá části 15 bez vnitřního elektrického pole feroelektrické kruhové destičky 1 a na obr. 4 části 18 s permanentním vnitřním elektrickým polem s' posunutím středu hysteresní smyčky o vzdálenosti Éb vůči vertikální ose polarizace P.6. In Fig. 2, a portion 16 and a portion 15 without an internal electric field are marked on the circular ferroelectric plate 1 with a permanent internal electric field. Fig. 3a shows the polarization axes P and the axis of the alternating electric field E, wherein the hysteresis loop in Fig. 3 corresponds to the part 15 without the internal electric field of the ferroelectric circular plate 1 and Fig. 4 to the permanent internal electric field with displacement center of the hysteresis loop with distance Éb relative to the vertical axis of polarization P.

Tvar feroelektrické kruhové destičky 1, počet a tvar snímacích elektrod může být ovšem rozmanitý podle funkčních podmínek. Rovněž tak společná elektroda 5 může být rozdělena ná více částí podle toho kolik čidel se chce tímto způsobem na jedné destičce vytvořit.However, the shape of the ferroelectric plate 1, the number and shape of the sensing electrodes may vary according to the functional conditions. Likewise, the common electrode 5 can be divided into a plurality of parts depending on how many sensors are to be formed in this way on one plate.

Kolimátor 2 je výroben z materiálu nepropouštějícího ionizační záření daného typu zářiče 4, který je umístěn nad kolimátorem 2. Vzdálenost zářiče 4 od ozařovaného materiálu se určuje dozimetricky podle požadované hodnoty vnitřního elektrického pole. Pro některé materiály je výhodné provádět ozařování ve stejnosměrném elektrickém poli. V takovém případě se na vnější zdroj připojí elektrody 3 a 5 pomocí přívodů 8 a 9 jak je znázorněno na obr. 1.The collimator 2 is made of an ion-radiation-proof material of a given type of emitter 4, which is located above the collimator 2. The distance of the emitter 4 from the irradiated material is determined dosimetrically according to the desired value of the internal electric field. For some materials, it is advantageous to perform irradiation in a direct electric field. In this case, electrodes 3 and 5 are connected to the external source via leads 8 and 9 as shown in FIG. 1.

Polarizovatelnost některých féroelektrik ionizačním zářením může být účinnější, ohřejé-li se ozařovaný materiál do oblasti fázového přechodu. Způsob výroby podle vynálezu umožňuje vyhřátí destičky buď ex205385 terním tepelným zdrojem nebo pomocí přímého dielektríckého hřevu, jak je znázorněno na obr. 2. Pro snadnější pochopení funkce je stejné tělesné vytvoření kruhové destičky podle obr. 1 uvedeno na obr. 2 v řezu. Z obrázku je patrné, že dielektrického ohřevu může být. dosaženo připojením zdroje vyhřívacího napětí na elektrody 6 a 5 pomocí přívodů 10 a 9. Vlivem dielektrických ztrát materiálu se ohřeje objem části 15 bez vnitřního elektrického pole obvodového mézikruží mezi elektrodami 6 a 5, přičemž objem části 16 s permanentním vnitřním elektrickým polem mezi elektrodami 3 a 5 je vyhříván teplotní vodivostí ipateriálu z objemu části 15 bez vnitřního elektrického pole do objemu části 16 s permanentním elektrickým polem. Během externího i dielektrického ohřevu může být připojeno vnější elektrické pole na elektrody 3 a 5 pomocí přívodů 8 a 9.The polarizability of some ferroelectrics by ionizing radiation may be more effective if the irradiated material is heated to the phase transition region. The manufacturing method of the invention allows the plate to be heated either by an ex205385 with a terrestrial heat source or by direct dielectric heating as shown in Fig. 2. To facilitate understanding of the function, the same embodiment of the circular plate of Fig. 1 is shown in Fig. 2. The figure shows that the dielectric heating can be. is achieved by connecting a source of heating voltage to the electrodes 6 and 5 via leads 10 and 9. Due to dielectric losses of material, the volume of the portion 15 without the internal electric field of the circumferential ring is heated between the electrodes 6 and 5. 5 is heated by the thermal conductivity of the ipaterial from the volume of the portion 15 without the internal electric field to the volume of the portion 16 with the permanent electric field. During both external and dielectric heating, an external electric field can be connected to the electrodes 3 and 5 via leads 8 and 9.

Způsob výroby podle vynálezu předpokládá, že ionizačním zářením bude polarizován pouze objem materiálu v celé jeho tloušťce pod snímací elektrodou, vyráběného čidla. Pro správnou funkci čidla jako detektoru infračerveného záření je pro režim teplotní autostabilizace nezbytné zachování původní hodnoty náhradní reálné vodivosti na teplotě, charakterizující dielektrické ztráty, v objemu mezi elektrodami obvodového mezikruží, tj. ve znázorněném případě mezi elektrodami'6 a 5. Tyto vlastností mohou být při výrobě podle vynálezu jednoduše kontrolovány snímáním tzv. hysteresní smyčky, tj. závislosti polarizace P na střídavém elektrickém poli E. Na obr. 3 a 4 jsou znázorněny rozdílné polohy středu hysteresní smyčky vůči vertikální ose polarizace P. Obr. 3 odpovídá části 15 bez vnitřního elektrického pole feroelektrické kruhové destičky 1. Obr. 4 ukazuje vznik vnitřního elektrického pole vlivem ozáření, který je charakterizován posunem středu hysteresní smyčky vůči vertikální ose P, jehož velikost je označena Eb.The production method according to the invention assumes that only the volume of the material in its entire thickness under the sensing electrode of the sensor to be produced will be polarized by ionizing radiation. In order for the sensor to function properly as an infrared detector, it is necessary for the temperature autostabilization mode to maintain the original value of the equivalent real conductivity at the temperature characterizing the dielectric losses in the volume between the electrodes of the peripheral annulus, i.e. In the production according to the invention, they are simply controlled by sensing the so-called hysteresis loop, i.e., the dependence of polarization P on the alternating electric field E. Figures 3 and 4 show different positions of the center of the hysteresis loop relative to the vertical axis of polarization P. 3 corresponds to part 15 without the internal electric field of ferroelectric circular plate 1. FIG. 4 shows the formation of an internal electric field due to irradiation, which is characterized by the displacement of the center of the hysteresis loop relative to the vertical axis P, the size of which is denoted Eb.

Vykazuje-li pyroelektrický materiál vlast6 ní absorpci infračerveného záření, může se pro alespoň jednu ž elektrod použít transparentní materiál, čímž pak není třeba zajišťovat jakýmkoliv způsobem potřebnou absorpční vrstvu. Nevykázuje-li pyroelektrický materiál vlastní absorpci infračerveného záření, může se pro alespoň jednu z elektrod použít materiál s maximální absorpcí pro uvažovaný obor vlnových délek infračerveného záření, je-li požadovaná absorpčO ní vrstva ? 15 A, může být tato vrstva pro alespoň jednu ze snímacích elektrod vyrobena vypařováním vodivých nebo polovodivých elektrod, např. .uhlíku nebo platiny, a jejich kondenzací ve vakuu.If the pyroelectric material exhibits intrinsic absorption of the infrared radiation, a transparent material can be used for at least one of the electrodes, so that there is no need to provide the absorbent layer needed in any way. If the pyroelectric material does not exhibit intrinsic infrared absorption, at least one of the electrodes can be a material with maximum absorption for the infrared wavelength range considered, if an absorption layer is desired? 15A, for at least one of the sensing electrodes, this layer can be made by evaporating conductive or semiconductive electrodes, such as carbon or platinum, and condensing them in vacuo.

Princip pracovního režimu čidla podle vynálezu spočívá v tom, že elektricky oddělená část ionizačním zářením polarizovaného feroelektrika je teplotně stabilizována teplotní vodivostí materiálu neozářené části feroelektrika, která je vyhřívána vlastními dielektrickými ztrátami střídavým napětím vhodného kmitočtu a amplitudy. Rovnovážný stav se ustaví zla podmínek rovnováhy mezi elektrickým vyhřívacím příkonem ze zdroje a výkonem odvedeným z feroel^ktrika do okolí. Pracovní teplota se ustaví v oblasti, kde v závislosti na rostoucí teplotě klesá náhradní reálná vodivost feroelektrika, charakterizující dielektrické ztráty a stabilizuje se zde vůči změnám teploty okolí a vyhřívácího napětí. Protože klesající teplotní závislost náhradní reálné vodivosti je značné strmá, je teplotně-stabilizační funkce velmi výrazná. To má za následek, že i tepplota elektricky oddělené vyhřívané části ionizačním zářením polarizovaného pyroelektrického čidla se mění při změnách teploty okolí, nebo vyhřívacího napětí, jen v malých mezích.The principle of the operating mode of the sensor according to the invention is that the electrically separated part by ionizing radiation polarized ferroelectric is thermally stabilized by the thermal conductivity of the material of the non-irradiated ferroelectric part, which is heated by its own dielectric losses by alternating voltage of appropriate frequency and amplitude. The equilibrium state is established by the conditions of equilibrium between the electric heating power from the source and the power discharged from the ferroelectric to the environment. The operating temperature is established in an area where, depending on the rising temperature, the equivalent real conductivity of ferroelectrics, which characterizes the dielectric losses, decreases and stabilizes here against changes in the ambient temperature and the heating voltage. Since the decreasing temperature dependence of the substitute real conductivity is very steep, the temperature-stabilizing function is very pronounced. As a result, the temperature of the electrically separated heated portion by the ionizing radiation polarized pyroelectric sensor also changes only within small limits when the ambient temperature or the heating voltage changes.

Čidla a způsobu jeho výroby podle vynálezu je možno s výhodou použít všude tam, kde je třeba použít teplotně-stabilizované čidlo pyroelektrického detektoru s vysokou funkční přesností a relativně nízkou pořizovací cenou.The sensors and the process according to the invention can advantageously be used wherever a temperature-stabilized pyroelectric detector sensor with a high functional accuracy and a relatively low purchase price needs to be used.

Claims

Introduction 1. A pyroelectric detector sensor for a temperature autostabilization mode of ferroelectric or pyroelectric material, with decreasing dependence of real equivalent conductivity on temperature characterizing dielectric losses with at least two functional electrode pairs on opposite faces of the sensor perpendicular to the axis of detection, characterized in that a permanent internal electric field is formed in the portion (16) of its surface, at least one of the functional pairs of electrodes (3,5) is disposed on this portion (16) and at least on one side of the sensor is fixed between the electrode (6) an electrically nonconductive gap (7) is provided on the portion (15) without an internal electric field and the outer periphery of the portion (16), with a permanent internal electric field.

2. The sensor of claim 1, wherein the at least one electrode of the functional pair of electrodes (3,5) disposed on the permanent internal electric field portion (16) is of transparent material.

3. The sensor of claim 1, wherein the at least one electrode of the functional pair of electrodes (3.5) disposed on the permanent internal electric field portion (16) is made of a material having the maximum absorption for the type of detection contemplated, to the extent. from hard X-rays continuously to the region of the invention of decimeter waves, for example vacuum-vapor carbon.

4. The sensor of claim 1, wherein the at least one electrode of the functional pair of electrodes (3.5) disposed on the permanent internal electric field portion (16) is provided with a vapor-conductive or semiconductive absorbent layer.

5. A method for producing a pyroelectric detector sensor for the thermal autostabilization mode of claim 1, wherein the collimator delimits an area intended to irradiate the material throughout its thickness on the plate of ferroelectric or pyroelectric material with decreasing dependence of equivalent real conductivity on temperature, characterizing dielectric losses. . and this area is irradiated with ionizing radiation.

6. A method according to claim 5, characterized in that electrodes are placed in the ionizing radiation field, connected to an external electric field, and then the material is irradiated.

Method according to claim 5, characterized in that the electrodes (6,5) located in the non-irradiated part (15) of the plate (1) are connected to a heating voltage source and the plate material (1) is heated above the phase transition of the material used.