DE1905197A1 - Pyroelektrischer Detektor - Google Patents

Description

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DR. I. MAAS

DR. W. PFEIFFER DR. F. VOITHENLEITNER

8 MÜNCHEN 23 VN0ERERSTR. 25-TEL. 39 02 36

Barnes Engineering Company, Stamford, Connecticut, V^Sto

Pyroelektriaoher Detektor

Die Erfindung betrifft pyroelektrisch^ Detektoren und inebesondere den Aufbau von polykristallinen pyroelektrisohen Detetttoren<>

Bis Eutn Curie-Punkt nimmt die Änderung der spontanen Polarisation mit der Temperatur und der Diele*triaitatekonetanten eines pyroelektrieohen Materials zu. Dieser Bffekt reicht in bestimmten pyroelektriachen Stoffen, wie a.B. Triglyoinsulfat (weiterhin abgekürzt als TGS) für eine Teeperaturanseige aus und er hat ,besondere Bedeutung, d,a kein VormagnetieierungsBtrom oder keine Yormagnetieierungaapan» nung außer einer einmaligen Anwendung einer Gleichspannung von 10 kV/oK Krisitalldicke erforderlich ist. TGS wurde bereits in Einkristallen hergestellt, die schwierig bu füohten waren und deren praktisch herstellbare Größe stark be-

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INSPECTED

schränkt isto Für einige Zwecke sind pyroelektrische toren ziemlicher Größe, z.B. von einem oder mehreren timetern Seitenlänge erwünscht, jedoch hat ea sich als schwierig herausgestellt, solche Kristalle in homogener form ssu erzeugen. In gleicher Welse sind Detektoren aus Einkristallen, kleiner als 0,5 x 0,5 mm schwierig herzustellen, da ihre Dicke verringert werden muß, un eine Kapasität ron nur 10 Picofarad zu erhalten,, wie sie als Verstärker-Eingangekapazität notwendig isto Pyroelektrisch Detektoren aus Einkristallen haben ausschließlich nicht tr ans*» parante Metallelektroden, von denen eine geschwärzt ist, um die Absorption der Strahlungsenergie au vergrößern.

Sin weiteres Herstellungeproblem besteht darin, daß der Sinkrietall genau geschnitten werden muß, so daß die Ebenen der Elektrodenflachen senkrecht au der ferroelektrieohea lebse des Kristalls verlaufene

Die Erfindung besteht in der Verwendung von mikrokristallinen TuS als Material flir pyroelektrische Detektoren« Hochempfindliche pyroelektrische Betektoren in verschiedenen Grüßen werden auf einfache Weise aue aikrokristalline* Material mit Kristallgrööen von 3 fix bis 100 ßx Durchmesser hergestellte Die Empfindlichkeit hängt von der Genauigkeit der Ausfluchtung der fBioelektrischen Achsen der. Mikrokristallt senkreoht au derSbene dee Detektors duroh ain*a~ llgee Anlegen einer polarisierenden Gleiohspannung at. Sin pyroelektrieoher Detektor ist ia allgemeinen duroh da· Veretärkerrausoben und den Verluatxinkel des kristallineo JIaterials beeohränlcto

Die. winsigen Hlkrokri stalle sind natürlich aus meohanlaohtn Gründen nioht als Pulver brauchbar. Die dUnn· T9S-8ohioht

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In den Detektoren nach äer Erfindung bettet die Mikrokristalle gleichförmig in einem sehr dünnen Bindemittel ein. Die Beschaffenheit des Bindemittels ist in keiner Weise kritisch₉ was ein praktischer Betriebsvorteil ist» Verschiedene Bindemittels wie SoB₀ Filme aus Zelluloseeeter, filme aus verschiedenen Arten von Alkydharsen, thermoplastische oder duroplastische Bindemittel U₀dgl,, sind brauchbar«, Me Erfindung ist deshalb nicht auf irgendeine besondere Art von Bindemittel für die Hikrokristalle besohränkt.

Ba wird hervorgehoben, daß die TGS-Mikrokristallschicht In einem Film sehr dünn sein kann, z.Bc 10 μ bis 250 μ u&d in vielen Fällen ist sie nicht sehr fest» Vorzugsweise v/irä daher der Film, in dem die TGS-Hlkrokristalle eingebettet sind, auf eine stärkere Unterlage, sSoB» einen dünnen Film aus Polyglykolterephthalat aufgebracht_s das unter dem Handelsnamen "Mylar" erhältlich ist· Vorssugsweise wird deshalb der PiIiE aus den iGS-Mikrokristallen auf einem dünnen; starken Kunststoff-film aufgebracht oder aufgeformt, der typischerweise 4 ja dick «sad s4-t einpa e©hr dünnen Elektrodenmaterial, ZoBo aus ausgeäarapftem UoId₉ überzogen ist» 33ie Erfindung ist; jedoch nicht unbedingt auf die Verwendung eines Hilfsfilms aus Kunststoff beschränkt, da bei größerer Dioke und für bestimmte Vex-wendungsawecke das Bindemittol mit üen eingebetteten TÖS-Mikrokristallen für praktische Anviend?ing8zvfeoke hinreichend fest isto In d«n meisten Fällen jedoch und insbesondere₉ wenn sehr dünne Kunststoffilrae mit den, eingebetteten TGS-Mikr©kristallen verwendet worden, wird die Verwendung einer zusätzlichen, ,iedoch dünnen Kunstetoffhilfsfolie bevorzugt« Dies stellt deshalb die bevorzugte Aueführungsform nach der Erfindung

Das Verfahre^ nach dem die Mikrokristalle hergestellt wer-

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den, ist nicht kritisch und augenscheinlich wird die Qualität der entstehenden pyroelektrischen Detektoren praktisch durch das für die Herstellung der TGS-Mikrokristalle verwendete Verfahren nicht beeinflußt» Eine Möglichkeit tjesteht darin, Einkristalle, ζ ₀B, kleine Einkristalle oder Abfall von größeren Einkristallen, feucht zu mahlen, z.Bo in Aceton mit einer kleinen Menge einer lösung- oder film« bildenden Substanz? wie ZoB₀ ein Zellulosealkanoat«, Es ist auoh möglich, die Mikrokristalle direkt durch schnelles Abkühlen einer gesättigten wäßrigen lösung dee TGS herzustellen, so daß die Kristalle von Anfang an oebr klein aind« Xn einem solchen Fall können die Mikrokristalle natürlich gemahlen und in dem Kunststoffilia dispergiert werden, wobei sie im Bedarfsfall feucht in einem Lösungsmittel für das filmbildende Material gemahlen werden«

Sie einmalige Anwendung einer polarisierenden elektromotoriechan Kraft auf das polykristalline Detektorsyetem dient lediglich dazu,, die elektrischen Dipole parallel zu den ferroelektrischen Achsen der Detektorkristalle auszurichten» Ss wurde gefunden«, daß eine Polarieationsspannung, die größer als für das Einkristalle-Material, z.B. fünmal größer ist» notwendig ist«, FUr polykristalline TGS-Scniqh·» ten sind daher 60 kY/em über eine Dauer von 2 Me 3 Minuten bei Umgebungstemperatur richtige Wenn die Curie-Temperatur von 47° bis 49⁰C einmal überschritten wurde₈ muß daß Polariaieren unterhalb des öurie~Punkts ssweeks Ausfluohtung der Dipole wiederholt werden«,

Ein typischer mikrokristalliner TOS-Detektor soll ©ine Kapasität von 100 bis 500 Picofarad naoh dar Polarisation haben. Die Empfindlichkeit liegt innerhalb eines Faktors von 3 der erwarteten Empfindlichkeit für einen Einkristall« Detektor mit gleicher Fläche und gleicher Kapazität„ Da

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letztlich dünnere Schichten aus mikrokristallinem Material als mit Einkristallen hergestellt werden können« ist die Binpfindliohkeit der mikrokristallinen Schichten gleich oder sogar größer als die .von Einkristall-Detektoreno

Der VerluBtwiderstand der mikrokristallinen Schicht nach dem Polarisieren beträgt typisoherweise 10 Ohm, wae im Vergleich au einkristallinem Material sehr gUnatlg ist«

Bei Wellenlängen von 2 /u bis au wenigstens 35 /u ist die Absorption der TGS-Kristalle ziemlich hoch, so daß eine transparente Metallelektrode ohne weitere, eine Vergrößerung der Strahlungsabsorption bewirkende Schwärzung verwendet werden kann₀ Geeignete transparente Metallelektrode^ wie SoBo aus Nickelchrom, müssen eine solche ,Stärke haben« daß der Widerstand des Hechteckquerschnitts im Bereich von 500 bis 5000 Ohm liegt« Z₀B. absorbiert ein Nickelohrom-PiIm mit 1000 Ohm/inch² selbst etwa 20 # der einfallenden Energie^ läßt 70 ⁰A durch, die von der TGS-Schieht absorbiert werden und reflektiert etwa 10 ^. Nur die reflektierte Energie kann verlorengehen» Diese transparente Elektrode auf dem TGS, gleichgültig« ob dieser ein Einkristall oder ein polykristalline β Material ist, dient dazu, eine gleichförmige spektrale Empfindlichkeit von 2 /u bis wenigstens 35 /i zu erhalten· Bei Wellenlängen, bei denen die Transparenz des TGS größer ist, KoBo unterhalb 2 /U, ist ein Schwärzen der der Strahlung ausgesetzten Elektrode notwendig. In jedem Fall kann jedoch eine geschwärzte Elektrode verwendet werden, selbst wenn ein Wellenlängenbereich in Frage kommt, indem die TGS-Mikrokristalle gut absorbieren» Im langwelligen Infraroten» wo eine gewöhnliche Schwärzung nicht hinreichend absorbiert, kann eine Schwärzung aus einer Dispersion von Siliciumcarbid verwendet werden*,

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Besonders eignet eich hierfür Siliciumcarbid, dae bis eine durohachnittliche Teilchengröße von 5 μ bis 25 μ gemahlen ist und das gleichförmig schwarze$ genügend dünne Schichten erzeugt _a Diese bevorzugten Schwärzungen werden erhalten, indem Suspensionen von größeren Siliciumoarbid-Pigmentteilchen, ζοBo mit einer durchschnittlichen Teilchengröße bis zu 50 /U,in einer Dispersion eines Harzes, ZoBa eines thermoplastischen Alkydharzea, in einem geeigneten Lösungsmittel naß gemahlen werden» Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung irgendeines besonderen Schwärzungsmltteis beschränkt und es ist ein Vorteils daß jede bekannte Art von Schwärzungsmittel, die für die Strahlenabsorption geeignet ist, verwendet werden kann, wenn eine Schwärzung als wünschenswert erachtet wird_o

Wenn ein spektral selektiv empfindlicher Detektor erforderlich ists kann ein selektiver Absorber, z.Bo Teflon, das bei 9»2 μ absorbiert, auf die Oberseite einer stark reflektierenden Goldelektrode aufgesprüht werden»

Die gleichförmige Dispersion der TGS-Mikrokristalle in einer Lösung einer filmbildenden Substanz kann in einer Viskosität, die sich für das Sprühen eignet, erhalten werden« Dies macht es möglich, durch eine sehr dünne Maske su sprühen, um ein Haster von winzigen Bereichen zu bilden, so daß eine große Detektorflache erzeugt wird, die für eine Infrarot-Vidicon-Köhre geeignet iet₀ Eine Entladung durch den üblichen Elektronen-=Abtast strahl kann ein Videosignal in üblicher Weise erzeugen«. Da der pyroelaktrieche Detektor bis in den fernen infraroten Bereich empfindlich ist, 1st es das erste Hai möglich« eine in der Praxis verwendbare Infrarot-Vidicon-Röhre herzustellen, und dies 1st ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet der Erfindung» Dieses Anwendungsgebiet war praktisch mit anderen thermischen

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Infrarot-Detektoren nicht zu erschließen

Der enorme Vorteil dieser Erfindung₉ die die Herstellung von pyroelektriachen Detektoren irgendeiner gewünschten Größe und ebenfalls von Mosaik-Detektoren ermöglicht$, wirä nur durch einen sehr kleinen Empfindlichkeitsverluet im Vergleich zu Detektoren mit TGS-Einkristallen erreicht ₉ die praktiBch für große Detektorenflächen oder für Dotektoren-Raster nicht verwendbar oindo

TGS ist das bevorzugte Matarial für die Verwendung bei Umgebungstemperaturen von 10 bie 45⁰Cc Andere pyroelektri-BOhe Stoffe können verwendet werden und sind in einigen Fällen nötig, jsoBo weil der Curie-Punkt von TGS zwischen 47 und 49 liegt* Wenn ein Betrieb bei einer höheren Temperatur erwünscht ist, kann ein Zusatasala, wie ZcB«, Fluoberyllat verwendet werden«, Für niedrigere Temperaturen kann ein Selenat verwendet werden«. Im allgemeinen ist die Empfindlichkeit bei oder etwas unterhalb des Curie«*Punktee am größten»

Gemäß der Erfindung wird eine Suspension bus polykristallinen TGS-Mikrokristallen mit einer Durchaohnlttsgröße von 3 ja bis 100 μ durch Zermahlen größerer Einkristalle» in Aceton unö einer kleinen Menge Zellulosealkanoat erzeugte Das Kahlen kann in Stufen erfolgen, wobei das feinste Material jeweils entfernt wirdoDie Suspension wird dann auf einen mit Gold überzogenen Mylar-Film mit einer Dioka von O_sOO65 mm (1/4 mil) oder weniger aufgesprühte Die Goldelektrod©_? die sehr dünn ist, wird im Vakuum aufgedampft« Dia gleichförmige Suspension läßt man dann sich setzen, um eine Matrix au bilden, in der die TGS-Mikrokristalle gehalten werden» Eine zweite Elektrode wird dann im Vakuum auf die

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Matrix niedergeschlagen. Zwei Detektoren verschiedener Größe werden hergestellte Einer hat etwa 4 χ 10 cm und etwa 30 /u Dicke und der andere 1,25 cm² und etwa 160 μ Dicke«, Die «weite Elektrode wird mit einem dünnen Überzug aus einer Suspension aus Siliciumcarbidteilchen mit einem , Durchmesser ron 5 /U bis 25 /u in einer Lösung eines thermoplastischen Alkyd-Harzes überzogen» Der größere Detektor wird mit 600 Volt polarisiert und zeigt einea Gleiohstrom-Verlustwiderstand ron 6,5 χ 10¹¹ Ohm,und eine Gleichstrom-» empfindlichkeit von 113 V/W wurde gemessen. Die kleinere Probe hatte einen Verlustwiderstand von 1 χ 10 Ohm, wenn sie mit 300 Volt Gleichstrom polarisiert wurde«

Der kleinere Detektor wurde mit einer Infrarot-Strahlung aus einem schwarzen Strahler von 1000° K vermessen, dessen Spitzanstrahlung gerade unterhalb 3 /i lag« Die Empfindlichkeit bei awei verschiedenen Frequenzen zusammen mit der Detektivität und dem Rauschen wurde gemessen und in der £©lg©s den Tabelle werden diese Ergebnisse dargestellt:

) Empfindlichkeit Detektivität Bauschen pro 1 Hz Band-

15 Hz 113 V/W 1,5x10⁷cm Hz¹Z²W'¹ 1.26

90 Hz 16 V/W 1,5XiO⁷CmHs¹Z²W"¹ 0*20

Ss kann ersehen werden, daß zwar die Empfindlichkeit sich ändert, die D«tektirität oa jedoch nioht tut und die Rauschäaderung praktiooh proportional ist* Die Kapazität dee py~ roelektrieohen Detektors wurde mit 11 Picofarad gemessene

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Claims (1)

1. - 9 -Patentansprüche

   /1 ο Pyroelektrischer Detektor mit dünnen Elektroden und einer Matrix aua Kunststoff, in der Mikrokristalle aus einem Triglycinadditionsaalz mit einer Teilchengröße von 3 yu bis 100 ja gleichmäßig verteilt sind.

   2« Fyroelektrischer Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dafi die Elektroden im Vakuum niedergeschlagene dünne Goldschichten sind.

   3· Pyroelektriecher Detektor nach Anspruch 2, dadurch gekennaeiohnet, daß eine der Elektroden mit einen dünnen PiIm aus Kunststoff überzogen 1st, in den gleichförmig Siliciumcarbid-Pigtaentteilohen von 5 /u bis 25 /U eingebettet eindo

   4· Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daS das SaIs Triglycinsulfat

   Pyroelektriecher Detektor nach einem der vorhergehenden AnsprUohe, dadurch gekennzeichnet« daß die Matrix« die die Triglyoinßalee-Mikrokriatalle enthält, auf einer mit Elektroden beschichteten Schicht aus Polyglykolterephthalat

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