DD281104A7

DD281104A7 - MULTISPEKTRAL SENSOR

Info

Publication number: DD281104A7
Application number: DD31052487A
Authority: DD
Inventors: Volkmar Norkus; Joerg Schieferdecker; Helmut Budzier
Original assignee: Univ Dresden Tech
Priority date: 1987-12-16
Filing date: 1987-12-16
Publication date: 1990-08-01

Abstract

Die Erfindung betrifft einen multispektralen Sensor mit mehreren in einem Strahlengang hintereinander angeordneten strahlungsempfindlichen Elementen, darunter mindestens einem, im Strahlengang zuerst angeordneten, pyroelektrischen Chip, z. B. fuer die Mehrkanalpyrometrie. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dasz wenigstens das erste, dem Strahlungseinfall am naechsten liegende Chip beidseitig mit gitterfoermigen Elektroden (2, 3) und wenigstens die Elektrode (2) auf der Einfallseite hochreflektierend ist sowie die gitterfoermigen Elektrodenstrukturen (bei den ueblichen Chopperfrequenzen bis 100 Hz) ein Rastermasz unter 50 mm aufweisen und deckungsgleich uebereinander liegen. Mit einer solchen Loesung ist es moeglich, einem ersten pyroelektrischen Chip mit selektiver spekraler Empfindlichkeit wenigstens ein weiteres oder ein anderes strahlungsempfindliches Element, z. B. eine Fotodiode, mit einer vom ersten verschiedenen spektralen Empfindlichkeit nachzuschalten. Fig. 1{Sensor; infrarot; multispektral; Chip; pyroelektrisch; Mehrkanalpyrometrie; selektiv; Elektrode; gitterfoermig; Chopperfrequenz; Fotodiode}The invention relates to a multispectral sensor having a plurality of radiation-sensitive elements arranged one behind the other in a beam path, including at least one pyroelectric chip, for example a pyroelectric chip arranged first in the beam path. B. for multi-channel pyrometry. The invention is characterized in that at least the first chip next to the radiation incidence is highly reflective on both sides with lattice-shaped electrodes (2, 3) and at least the electrode (2) on the incident side, and the lattice-shaped electrode structures (at the usual chopper frequencies up to 100 Hz ) have a grid mesh below 50 mm and are congruent to each other. With such a solution, it is possible, a first pyroelectric chip with selective spectral sensitivity at least one other or another radiation-sensitive element, for. As a photodiode, followed by a different spectral sensitivity of the first. Fig. 1 {sensor; infrared; multispectral; Chip; pyroelectric; Mehrkanalpyrometrie; selectively; Electrode; gitterfoermig; Chopper frequency; Photodiode}

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungenFor this 1 page drawings

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft einen multispektralen Sensor mit mehreren in einem Strahlengang hintereinander angeordneten strahlungsempfindlichen Elementen, darunter mindestens einem, im Strahlengang zuerst angeordneten, pyroelektrischen Chip, z. B. für die Mehrkanalpyrometrie.The invention relates to a multispectral sensor having a plurality of radiation-sensitive elements arranged one behind the other in a beam path, including at least one pyroelectric chip, for example a pyroelectric chip arranged first in the beam path. B. for multi-channel pyrometry.

Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art

In einer Reihe von Anwendungen ist es notwendig, Meßobjekte in verschiedenen Spektralbereichen auszumessen. Von besonderer Bedeutung ist das in der Mehrkanalpyrometrie. Hierbei werden unterschiedliche Wege gegangen: Die erste Möglichkeit ist die Nutzung diskreter Filter im zu messenden Strahlengang, die nacheinander eingeschwenkt werden und den auf den pyroelektrischen Strahlungssensor einfallenden Strahlungsfluß spektral begrenzen. Dabei besitzt der Sensor . häufig ein breitbandiges infrarotdurchlässiges Fenster. Der Nachteil dieser Methode ist die notwendige Mechanik und dor zum Teil erhebliche Platzbedarf.In a number of applications, it is necessary to measure DUTs in different spectral ranges. This is of particular importance in multichannel pyrometry. The first possibility is the use of discrete filters in the beam path to be measured, which are pivoted one after the other and spectrally limit the incident on the pyroelectric radiation sensor radiation flux. The sensor has. often a broadband infrared transparent window. The disadvantage of this method is the necessary mechanics and dor partly considerable space requirements.

Eine weitere Methode ist die Nutzung der Beugung bzw. Brechung der Strahlung für ihre räumliche Zerlogung und ihre lokale Abbildung auf einem oder mehreren empfindlichen Elementen eines Strahlungssensors. Nachteilig sind die zusätzlich notwendige Mechanik bzw. die hohen Kosten bei der Verwendung von Infrarot-Mehrelementsensoren.Another method is to use the diffraction or refraction of the radiation for its spatial separation and local imaging on one or more sensitive elements of a radiation sensor. Disadvantages are the additional necessary mechanics or the high costs of using infrared multi-element sensors.

Es ist von anderen Lösungen her bereits bekannt, die strahlungsempfindlichen Elemente im Strahlengang hintereinander zu schalten.It is already known from other solutions to switch the radiation-sensitive elements in the beam path one behind the other.

So werden nach DD-WP 0152695 zwei Halbleitermaterialien, ζ. B. CdHgTe und PbSnTe, zu einem Mehrfachphotonendetektor angeordnet. Die Übertragung dieses Prinzips auf die Hintereinanderschaltung von pyroelektrischen Chips oder die Nachschaltung eines im optischen Wellenlängenbereich empfindlichen Elements, z.B. einer Fotodiode, hinter ein pyroeleketrisches Chip ist bisher nicht möglich.Thus, according to DD-WP 0152695, two semiconductor materials, ζ. CdHgTe and PbSnTe, to a multiple photon detector. The transfer of this principle to the series connection of pyroelectric chips or the downstream of an element sensitive in the optical wavelength range, e.g. a photodiode, behind a pyroeleketrisches chip is not possible.

Die übliche Beschichtung des pyroelektrischen Materials der Chips mit Elektroden und deren bewußte strahlungsabcorbierende Ausführung macht die pyroelektrischen Chips im Einstrahlungsbereich weitgehend strahlungsundurchlässig. Auch die Verwendung „transparenter" Elektroden zur Beschichtung des pyroelektrischen Materials ist in qualitativer Hinsicht noch kein Ausweg. Wenn eine minimal erforderliche Leitfähigkeit der Elektroden gewährleistet werden muß, so sind die Elektrodenschichten bereits wieder so stark, daß eine solche Lösung den normalen Ansprüchen an die Meßqualität nicht mehr genügt.The usual coating of the pyroelectric material of the chips with electrodes and their conscious strahlungsabcorbierende execution makes the pyroelectric chips in the irradiation largely radiopaque. The use of "transparent" electrodes for coating the pyroelectric material is also no way out in qualitative terms.When a minimum required conductivity of the electrodes must be ensured, the electrode layers are already so strong that such a solution meets the normal demands on the quality of measurement not enough anymore.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist ein einfacher multispektraler Sensor mit mindestens einem pyroelektrischen Chip.The aim of the invention is a simple multispectral sensor with at least one pyroelectric chip.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es, die pyroelektrischen Chips bei Gewährleistung ihrer Meßfunktion gut strahlungsdurchlässig für einen bestimmten Wellenlängenbereich auszubilden.The object of the invention is to form the pyroelectric chips while ensuring their measurement function good radiation permeable for a particular wavelength range.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß wenigstens das arste, dem Strahlungseinfall am nächsten liegende Chip beidseitig mit gitterförmigen Elektroden beschichtet und wenigstens die Elektroden auf der Einfallsseite hoc'ireflektierend ist sowie die gitterförmigen Elektrodenstrukturen (bei den üblichen Chopperfrequenzen bis 100Hz) ein RastermaO unter lOOpm aufweisen und deckungsgleich übereinander liegen.According to the invention, the object is achieved in that at least the hardest, the incidence of radiation closest chip coated on both sides with lattice-shaped electrodes and at least the electrodes on the incidence side is hoc'ireflektierend and the lattice-shaped electrode structures (at the usual chopper frequencies up to 100Hz) a RastermaO below lOOpm have and be congruent to each other.

Die einfallende Strahlung trifft auf den beschichtungsfreien Flächen der gitterförmigen Elektrodenstruktur auf das pyroelektrische Material und erwärmt es dort. Diese Wärme wird in die benachbarten, beschichteten Flächenteile geleitet und er/bjqt dort eine von den Elektroden abnehmbare Signalspannung. Die Wellenlängenabhängigkeit der Signalspannung wird im wesenti.^!cher> durch die spektrale Eigenabsorption des pyroelektrischen Materials des Chips allein, d.h., unabhängig von den ElektroQun, bestimmt, da diese hochreflektierend (ζ. Β. Silber, Aluminium) gestaltet sind.The incident radiation impinges on the coating-free surfaces of the grid-shaped electrode structure on the pyroelectric material and heats it there. This heat is conducted into the adjacent, coated surface portions and there creates a signal voltage which can be removed from the electrodes. The wavelength dependence of the signal voltage is wesenti. ^! It is determined by the spectral intrinsic absorption of the pyroelectric material of the chip alone, ie, independently of the ElectroQun, since these are highly reflective (ζ, Silber, silver, aluminum).

Damit wird vom ersten pyroelektrischen Chip im wesentlkhen nur der spektrale Bereich der einfallenden Strahlung absorbiert, für den das pyroelektrisch Material eine Eigenabsorptior besitzt. Der Teil der Strahlung, der aufgrund der Transmissionseigenschaften des Pvroelektrikums durch (iie elektrodenfreien Bereiche des ersten Chips hindurch geht, kann im nächsten empfindlichen Element zu Meßzwecken genutzt werden.Thus, only the spectral region of the incident radiation is absorbed by the first pyroelectric chip substantially, for which the pyroelectric material has a Eigenabsorptior. The portion of the radiation that passes through the electrode-free regions of the first chip due to the transmission properties of the piezoelectric can be used in the next sensitive element for measurement purposes.

Darauf aufbauend sind verschiedene Kombinationen eines multispektralen Sensors möglich. Einige davon sind in den Ansprüchen und im Ausführungsbeispiel genannt.Based on this, various combinations of a multispectral sensor are possible. Some of them are mentioned in the claims and in the embodiment.

Ausfuhrungsbelsplel

Für oas Ausführungsbeispiel wurde ein multispektraler pyroelektrischer Sensor auf der Basis von Lithiumniobat gewählt. In der Zeichnung zeigen:For the exemplary embodiment, a multispectral pyroelectric sensor based on lithium niobate was chosen. In the drawing show:

1 shows a cross section through the two in the beam path successively arranged pyroelectric chips, Fig. 2: a qualitative course of the signal voltages U _s as a function of the wavelength of the incident radiation.

In einem optischen Strahlengang befinden sich hintereinander angeordnet zwei Lithiumniobatchips 1 mit dem Chipabstand d. Das erste, dem senkrechten Strahlungseinfall am nächsten liegende Chip ist mit einer Frontelektrode 2 und mit einer Rückelektrode 3 beschichtet, wobei beide Elektroden streifenförmig strukturiert sind, deckungsgleich übereinander liegen und aus einer hochreflektierenden Silberschicht bestehen.In an optical beam path are arranged one behind the other two lithium niobatchips 1 with the chip spacing d. The first, the vertical incident radiation closest chip is coated with a front electrode 2 and a back electrode 3, wherein both electrodes are structured in stripes, congruent superimposed and consist of a highly reflective silver layer.

Die Strukturierung erfolgt fotolithografisch. Die Breite des elektrodenfreien Bereiches A beträgt etwa 30 pm und ist im Ausführungsbeispiel gleich der Breite des Elektrodenbereiches B.The structuring is done photolithographically. The width of the electrode-free region A is about 30 pm and in the exemplary embodiment is equal to the width of the electrode region B.

Der auf das erste pyroelektrische Chip einfallende Wechselstrahlungsfluß 4 wird von der Frontelektrode 2 im Elektrodenbereich B fast vollständig reflektiert und führt zu einer vernachlässigbaren Signalspannung. Der auf den elektrodenfreien Bereich A auftreffende Teil des Wechselstrahlungsflusses 4 wird entsprechend der optischon Eigenschaften des Lithiumniobatmaterials in Abhängigkeit von der Wellenlänge teilweise reflektiert, absorbiert (Strahlungsanteil 5) oder er durchdringt das Chip (Strahlungsanteil 6). Durch die gewählten lateralen Abmessungen der Elektrodenstruktur und die Wärmeleitung im Material kommt es zur Signalspannung U_Si, deren qualitativer Verlauf in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ des einfallenden Wechselstrahlungsflusses 4 entsprechend dem Absorptionsverhalten eines etwa 20pm dicken Lithiumniobatchips in Fig. 2 gezeigt wird.The incident on the first pyroelectric chip Wechselstrahlungsfluß 4 is almost completely reflected by the front electrode 2 in the electrode region B and leads to a negligible signal voltage. The part of the alternating radiation flux 4 impinging on the electrode-free region A is partially reflected, absorbed (radiation component 5) or penetrates the chip (radiation component 6) in accordance with the optical properties of the lithium niobate material as a function of the wavelength. The selected lateral dimensions of the electrode structure and the heat conduction in the material result in the signal voltage U _S i, the qualitative course of which is shown as a function of the wavelength λ of the incident alternating radiation flux 4 in accordance with the absorption behavior of an approximately 20 μm thick lithium niobatch chip in FIG.

Der das erste Lithiumniobatchip 1 durchdringende Anteil 6 des Strahlungsflusses trifft auf eine Absorptionsschwarzschicht 7 des zweiten Lithiumniobatchips, wird absorbiert und führt zur Signalspannung U_Sj, die von der Frontelektrode 8 und der Rückelektrode 9 abgegriffen wird. Der qualitative Verlauf der Signalspannung U₃₂ in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ des einfallenden Wechselstrahi'ungsflusses 4 wird in Fig. 2 angegeben und wird durch die Transmissionseigenschaften des ersten Lithiumniobatchips 1 bestirr.mt.The portion 6 of the radiation flux penetrating the first lithium niobatchip 1 strikes an absorption black layer 7 of the second lithium niobatch chip, is absorbed and leads to the signal voltage U _S j tapped off from the front electrode 8 and the return electrode 9. The qualitative profile of the signal voltage U ₃₂ as a function of the wavelength λ of the incident alternating radiation flux 4 is indicated in FIG. 2 and is determined by the transmission properties of the first lithium niobatch chip 1.

Claims

1. Multispectral Sonsor with several in a beam path successively arranged radiation-sensitive elements, including at least one upstream pyroelectric chip, characterized in that at least the first, the radiation incidence closest chip on both sides lattice electrodes (2,3), at least the electrode (2 ) is highly reflective on the incident side and the grid-shaped electrode structures lie congruently one above the other.

2. Sensor according to claim 1, characterized in that the grid-shaped electrode structures (at the usual chopper frequency up to 100Hz) have a pitch below 50μηι.