DE1074757B - Anordnung mit einem elektrischen Kondensator, dessen Dielektrikum aus einem Werkstoff mit pyroelektrischen Eigenschaften besteht - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Es sind Dielektrika bekannt, deren Ladung sich bei Änderung ihrer Temperatur ändert; diese Erscheinung wird pyroelektrischer Effekt genannt. Ferroelektrische Stoffe fallen auch unter diese Stoffgruppe. Außer dem Betrag der Temperaturänderung hat die Geschwindigkeit dieser Änderung starken Einfluß auf die Größe des entstehenden pyroelektrischen Stromes, so daß schon mit kleinen, aber raschen Temperaturänderungen merkliche Effekte erzielbar sind, z. B. durch die Bestrahlung des Dielektrikums mit Licht.

Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung mit einem elektrischen Kondensator, dessen Dielektrikum pyroelektrische Eigenschaften hat. Sie ist gekennzeichnet durch eine mit der einen Elektrode verbundene Einrichtung zur Zufuhr eines diese Elektrode erwärmenden Signals und eine an die zweite Elektrode angeschlossene Vorrichtung zum Feststellen des im Dielektrikum entstehenden pyroelektrischen Stromes.

Ein Ausführungs- und ein Anwendungsbeispiel werden in der folgenden Beschreibung näher erläutert unter Benutzung von Zeichnungen, die in

Fig. 1 die Hysteresekurve eines Bariumtitanatkristalls, in

Fig. 2 die Temperaturabhängigkeit der Ladung dieses Materials, in

Fig. 3 die Geschwindigkeit der Temperaturänderung über der zugeführten Wärmemenge, in

Fig. 4 eine Schaltung mit dem erfindungsgemäßen Kondensator als Speicherelement, in

Fig. 5 einen »ausschließlichen ODER«-Kreis mit einem solchen Kondensator und in

Fig. 6 eine Ausführungsform des Kondensators der Fig. 4 und 5 zeigen.

In der Schaltung der Fig. 4 trägt ein ferroelektrisches, mit pyroelektrischen Eigenschaften behaftetes Dielektrikum 10, z. B. Bariumtitanat, auf entgegengesetzten Seiten zwei längliche, gekreuzte Elektroden 12 und 14. Der dadurch gebildete Kondensator ist in der Zeichnung mit 15 bezeichnet. Die ferroelektrischen Eigenschaften des Dielektrikums 10 werden durch die Hystereseschleife (Polarisation P über der elektrischen Feldstärke B) der Fig. 1 wiedergegeben, deren stabile Zustände bildende Punkte» und b zur Darstellung der binären Information 1 bzw. 0 dienen können und in dem Dielektrikum 10 der Feldrichtung 16 bzw. 18 entsprechen. Dieser Zustand läßt sich in der Schaltung der Fig. 4 durch kurzzeitiges Umlegen des Schalters 20 auf den Kontakt 22 herstellen; die Batterie 26 bringt dabei den Kondensator 15 zum Punkte der Schleife (Fig. 1), nach Rückkehr des Schalters zur Erdklemme 28 nimmt das Dielektrikum den Zustand α ein. Ebenso ist der Zustand d und b durch die umgekehrt gepolte Batterie 27 über Schalterklemme 30 darzustellen.

Anordnung

mit einem elektrischen Kondensator,
dessen Dielektrikum aus einem Werkstoff mit pyroelektrischen Eigenschaften besteht

Anmelder:

IBM Deutschland
Internationale Büro-Maschinen

Gesellschaft m.b.H.,
Sindelfingen (Württ.), Tübinger Allee 49

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 22. Mai 1956

Donald Reeder Young, Poughkeepsie, N. Y. (V. St. A.), ist als Erfinder genannt worden

Wenn die Stromquelle 32 über die Leitung 34 einen Impuls, z. B. von der angezeichneten Polarität liefert, so durchläuft dieser die Elektrode 12 bis zum anderen über Leitung 42 geerdeten Ende. Eine I²R proportionale, in der Elektrode entstehende Wärmemenge überträgt sich teilweise auf das Dielektrikum und erzeugt darin einen pyroelektrischen Strom.

Die Abhängigkeit der Polarisation P eines Bariumtitanatkristalls von seiner Temperatur T gibt die Fig. 2 wieder, deren Punkt« demjenigen der Fig. 1 entspricht. Von der Raumtemperatur Tl bis zur Curietemperatur, wo die ferroelektrische Eigenschaft verschwindet, ist die Abhängigkeit praktisch durch eine Gerade darstellbar.

Die Größe des pyroelektrischen Stromes folgt der Gleichung

dP

dT

dT

wo A die Elektrodenfläche bedeutet. Da der Temperatureinfluß im betrachteten Bereich konstant ist (Fig. 2), spielt die Geschwindigkeit der Temperaturänderung die Hauptrolle. Die Fig. 3 zeigt für Bariumtitanat die Abhängigkeit der Kristalltemperatur T von der zugeführten Wärmemenge Q. Die Kurve steigt zunächst steil an. Da nicht der Absolutwert der

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Temperaturänderung, sondern deren Geschwindigkeit für die Größe des pyroelektrischen Stromes wesentlich ist, genügt schon eine geringe Temperaturerhöhung.

Diese wird durch die Joulesche Wärme des von der Quelle 32 (Fig. 4) gelieferten Impulses erzeugt. Die Richtung des pyroelektrischen Stromes in Leitung 40 hängt nur von der Polarisationsrichtung des Dielektrikums ab. Er ist so gerichtet, daß er die Polarisation vermindert. Hat diese (Fig. 4) z. B. die Richtung des Pfeiles 16, dann hat der Strom die des Pfeiles 36 (ebenso 18 bzw. 38). An der Klemme 44 teilt sich der pyroelektrische Strom; er fließt über Widerstand 24 teilweise zur Erde ab und ist über den Kondensator 46 an Klemme 48 abnehmbar.

In der Fig. 5 wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, daß die Richtung des pyroelektrischen Stromes von der Richtung des wärmeerzeugenden Stromimpulses unabhängig ist, An die Elektrode 12 sind hier zwei Impulsquellen angeschlossen, dargestellt durch die Schalter 50, 52 mit den Kontakten 54, 56, 58 und 60 sowie die gleichgepolten Batterien 62 und 64. Werden die Schalter 50 oder 52 einzeln betätigt, so entspricht die Fig. 5 genau der Fig. 4. Bei koinzidenter Betätigung der Schalter kommt kein Strom durch die Elektrode 12 zustande, es tritt kein pyroelektrischer Strom auf. Die Anordnung wirkt als »ausschließlicher ODER«-Kreis, ein Ausgangssignal kommt nur zur Anzeige, wenn eine der Impulsquellen allein in Tätigkeit tritt. Die Schaltung kann aber auch als Speicherelement mit nichtlöschender Abfühlung und logischem Eingang aufgefaßt werden, da der Speicherinhalt (Polarisationsrichtung des Dielektrikums) nur bei nichtkoinzidenier Abfrage ein Ausgangssignal entsprechender Polarität liefert.

Die Impulse von der Quelle 32 oder den Batterien 62, 64 verursachen im Dielektrikum des Kondensators ein elektrisches Feld, das dessen Polarisation erhöht oder vermindert. Auch dieses Feld bringt eine Ladungsänderung und einen Strom zu oder von der Elektrode 14 zustande. Durch zweckmäßige Ausbildung der Elektrode 12 läßt sich die Spannung des Heizimpulses wesentlich kleiner halten als die zur Umpolung nötige Koerzitivspannung Bc (Fig. 1); sie hält sich etwa in der GrößeEZ, die in dieser Figur eingetragen ist. Der von ihr (in Widerstand 24) hervorgerufene Signalstrom läßt sich wegen seines geringen Betrages ohne Schwierigkeiten von dem pyroelektrischen Strom unterscheiden.

Die Fig. 6 gibt eine günstige Form für die Elektrode 12 wieder: Die Einschnürung bei 12a konzentriert die Wärmeentwicklung auf eine kleinere Fläche, so daß mit kleineren Wärmemengen und kleineren Spannungen gearbeitet werden kann.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Anordnung mit einem elektrischen Kondensator, dessen Dielektrikum aus einem Werkstoff mit pyroelektrischen Eigenschaften besteht, gekennzeichnet durch eine mit der einen Elektrode verbundene Einrichtung zur Zufuhr eines diese Elektrode erwärmenden Signals und eine an die zweite Elektrode angeschlossene Vorrichtung zum Feststellen des im Dielektrikum entstehenden pyroelektrischen Stromes.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung der einen Elektrode durch Stromzufuhr zu ihr hervorgerufen wird.

3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das pyroelektrische Material ferroelektrische Eigenschaften aufweist und der Polarisationszustand des Materials aus der Richtung des pyroelektrischen Stromes bestimmt wird.

4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzufuhr zu der einen Elektrode mit einer Spannung erfolgt, deren Betrag den Polarisationszustand des Dielektrikums nicht zu ändern imstande ist.

5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Stromzufuhr zur Erwärmung der einen Elektrode zwei Stromquellen vorgesehen sind, die jede für sich die gewünschte Wirkung hervorbringen, bei gleichzeitiger Wirksamkeit jedoch keine Erwärmung verursachen.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Stromquellen an entgegengesetzte Enden der einen Elektrode einspeisen.

7. Anwendung einer Anordnung nach den Ansprüchen 5 und 6 als Impulsspeicher.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Proceedings of the I. R. E. vom Dezember 1955, S. 1738 bis 1793.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 909 72S/427 1.60