DE19625461C2 - Verfahren zur Umwandlung von Infrarotstrahlung in elektrische Signale mit hochwirksamen Verstärkerprinzip - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen neuartigen pyroelektrischen Detektor mit hochwirksamem Verstärkerprinzip zur berührungslosen Temperaturmessung. Es handelt sich um einen nichtlinearen Serienschwingkreis, bestehend aus einer linearen Induktivität L und einem nichtlinearen Kondensator C_NL, der als Dielektrikum ein Ferroelektrikum enthält. Der Schwingkreis wird durch eine äußere Wechselspannung so angeregt, daß er nahe einer Periodenverdopplungs- oder Symmetriebrechungsbifurkation betrieben wird.

Ausgangspunkt für die zur Erfindung führenden Gedanken war die bekannte Anwendung von Pyrodetektoren, die zur berührungslosen Temperaturmessung genutzt werden. In pyroelektrischen Materialien rufen relativ kleine Temperaturänderungen hohe elektrische Felder hervor. Somit soll eine Verkoppelung von Temperaturschwankungen mit einem nichtlinearen Schwingkreis erfolgen.

Bei den seit vielen Jahren zur berührungslosen Temperaturmessung benutzten pyroelektrischen Detektoren bedient man sich im allgemeinen ferroelektrischer Detektormaterialien. Vorausset­ zung für die Nutzung des pyroelektrischen Effekts dieser Materialien ist, daß sie eindomänig sind bzw. zumindest eine Vorzugsrichtung der Polarisation besteht. (M. E. Lines and A. M. Glass, Principles and Applications of Ferroelectrics and Related Materials, Oxford 1979). Die besten Ergebnisse werden mit Detektoren auf der Basis von modifiziertem Triglycinsulfat (TGS) erzielt. Die Modifizierungen sind Dotierungen zur Stabilisierung der Eindomänigkeit und häufig eine Deuterierung zur Erhöhung der Phasenumwandlungstemperatur (N. Neumann, Ferroelectrics 142 (1993) 83; R. B. Lal, A. K. Batra, Ferroelectrics 142 (1993) 51).

Es ist bekannt, daß in einem Serienschwingkreis mit ferroelektrischem TGS-Kondensator gemäß der Theorie nichtlinearer dynamischer Systeme verschiedene Bifurkationen (Symmetriebre­ chungsbifurkationen, Periodenverdoppelungsbifurkationen) auftreten. Die Bifurkationen treten bei geeigneter Veränderung äußerer Parameter des Schwingkreises (z. B. der Amplitude oder der Frequenz der Anregungsspannung oder der Temperatur des Ferroelektrikums) auf, wenn die Amplitude der Anregungsspannung in der Größenordnung der Koerzitivfeldstärke des Ferroelek­ trikums liegt. (M. Diestelhorst: Nichtlineares Verhalten im ferroelektrischen TGS, 15. Frühjahrs­ schule Ferroelektrizität in Fincken 1987, Martin-Luther-Universität WB 1987/67 (O24), 68).

Nach Wiesenfeld und McNamara (Small-Signal Amplification in Bifurcating Dynamical Systems, Phys. Rev. A33 (1986), 629) ist bekannt, daß nichtlineare dynamische Systeme in der Nähe von derartigen Bifurkationen sehr empfindlich auf periodische Störungen des Systems reagieren. Wenn diese Störungen geeignete Frequenzen und Amplituden haben, kann es zur Verstärkung der Störungen kommen. Welche Frequenzen verstärkt werden, hängt von der Art der Bifurkation ab. Dieser Effekt soll im folgenden als Kleinsignalverstärkung bezeichnet werden.

Der Effekt der Kleinsignalverstärkung ist experimentell an einem Serienschwingkreis mit ferroelektrischem TGS-Kondensator nachvollziehbar, indem eine Verstärkung einer periodischen Amplitudenmodulation in der Nähe von Perioden- und Symmetriebrechungsbifurkationen rea­ lisiert wird.

Das Periodenverdopplungsverhalten läßt sich durch Variation äußerer Parameter hervorrufen. Aus Untersuchungen ist bekannt, daß diese Form der Bifurkation beobachtet werden kann, wenn die Amplitude der Anregungsspannung schrittweise erhöht wird oder die Frequenz bei genügend großer Amplitude der Spannung variiert wird oder wenn bei geeigneten Werten von Anregungs­ spannung und Frequenz die Temperatur des ferroelektrischen Kondensators in Richtung der Phasenumwandlungstemperatur T_c variiert wird. Diese Parameter sind von außen sehr fein variierbar. Damit läßt sich der Abstand des Systems von der Periodenverdopplung beeinflussen. In diesem Falle wird eine Störung verstärkt, wenn ihre Frequenz ω in der Nähe der halben Anregungsfrequenz Ω liegt. Die Größe der Verstärkung s hängt vom Abstand ε des Systems von der Periodenverdopplung sowie der Frequenzdifferenz ΔΩ = ω - Ω/2 in der folgenden Form ab.

Die Größe ε ist der Betrag des Realteils des Floquet-Exponenten, der bei der Periodenverdopp­ lung die imaginäre Achse bei Ω/2 in Richtung positiver Realteile durchstößt.

Diese Größe kann durch die äußeren Parameter Anregungsspannung, Anregungsfrequenz und Temperatur des TGS-Kondensators beeinflußt werden und ist bei der Bifurkation gleich null. (M. Diestelhorst and H. Beige, Ferroelectrics 141 (1993) 153).

Zum Stande der Technik ist als wesentlich herauszustellen, daß nichtlineare dynamische Systeme bei Annäherung an eine Bifurkation periodische Störsignale verstärken.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, den Effekt der Kleinsignalverstärkung in Verbindung mit den pyroelektrischen Eigenschaften des ferroelektrischen Kondensators zum Nachweis von Infrarotstrahlung zu nutzen, die mit periodisch modulierter Intensität auf das ferroelektrische Detektorelement (den ferroelektrischen Kondensator im Schwingkreis) einfällt. Die dabei entstehenden elektrischen Signale Annäherung des Schwingkreises an die Periodenverdopplungs- oder Symmetriebrechungsbifurkation so verstärkt werden, daß ein pyroelektrischer Detektor mit hochwirksamem Verstärkerprinzip geschaffen wird, der sich in bezug auf seine Wirksamkeit wesentlich von bekannten Verstärkerprinzipien unter­ scheidet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe wie folgt gelöst, wobei hinsichtlich der grundlegenden erfinderischen Gedanken auf den Patentanspruch 1 verwiesen wird. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus den Patentansprüchen 2 bis 3. Zur Darlegung der Erfindung soll weiterhin ausgeführt werden:

Erfindungsgemäß war über den pyroelektrischen Effekt des ferroelektrischen TGS eine periodi­ sche Temperaturschwankung in das System einzukoppeln und zu verstärken. Der pyroelektrische Effekt liefert in ferroelektrischen Materialien eine Änderung der Polarisation gemäß der Bezie­ hung

wobei p der Pyrokoeffizient, P die Polarisation und T die Temperatur des Ferroelektrikums sind. Im Falle der Ferroelektrika ist dP/dT etwa gleich dD/dT. Es sollte also durch eine periodische Temperaturschwankung auch eine periodische Schwankung der dielektrischen Verschiebung D hervorgerufen werden können.

Zur Erzielung des gewünschten Effektes wird das System durch Variation äußerer Parameter bis dicht an eine dynamische Instabilität herangesteuert. Die einfallende Infrarotstrahlung muß je nach Art der Instablität mit einer bestimmten Frequenz moduliert sein. In dem Falle, daß es sich um eine Periodenverdopplungsbifurkation handelt, ist als Modulationsfrequenz der Infrarot­ strahlung exakt die halbe Anregungsfrequenz (ω = Ω/2) oder ein ungradzahliges Vielfaches davon zu wählen. Anzumerken ist, daß sich der gewünschte Effekt bis hierher nicht einstellt. Nur sporadisch sind Andeutungen der erwarteten Signale erkennbar.

Das Problem kann erst mit Hilfe phasenstarr verkoppelter Signale von Anregungsspannung und Modulation der Beleuchtung und eindeutiger Festlegung des Phasenwinkels zwischen diesen beiden Signalen gelöst werden. Bei der Variation des Phasenwinkels zeigt sich ein Winkelbereich, in dem merkliche Signale bei der Modulationsfrequenz auftreten. Bei dieser Frequenz (ΔΩ/2π = 0 Hz) tritt ein Peak auf, der eindeutig durch die Infrarot-Bestrahlung verursacht wird. Über den pyroelektrischen Effekt wandelt sich die Temperaturschwankung in ein elektrisches Signal um, das über das neuartige Prinzip der Kleinsignalverstärkung detektiert wird.

Somit läßt sich zusammenfassen: Durch Variation der Temperatur des TGS-Kristalls, der Frequenz und der Amplitude der Anre­ gungsspannung des Schwingkreises wird das System in die Nähe einer Bifurkation gesteuert. Anschließend wird es mit Infrarotstrahlung beleuchtet, deren Intensität mit geeigneter Frequenz und bezüglich der Anregungsspannung geeigneter Phasenlage periodisch moduliert ist. Dadurch entstehen im Spektrum des Antwortsignals des Schwingkreises zusätzlich Peaks, die zum Nach­ weis der Infrarotstrahlung genutzt werden können.

Die zur Realisierung des Verfahrens erforderliche Einrichtung kann wie folgt beschrieben wer­ den:

Es wird ein pyroelektrisches TGS-Detektorelement als nichtlinearer Kondensator in einem Serienschwingkreis verwendet. Der TGS-Kristall dient einerseits als Träger der dielektrischen Nichtlinearitäten, andererseits als Einkoppelungsglied für die Infrarotstrahlung. Zum nichtlinea­ ren Serienschwingkreis gehört weiterhin eine lineare Induktivität und ein linearer Kondensator.

Die erreichten Vorteile sind folgende:

• - Mit der Erfindung werden wesentlich größere elektrische Nachweissignale der einfallenden Infrarotstrahlung hervorgerufen, als mit traditionellen Infrarot-Hochdetektivitätssensoren auf der Basis des empfindlichsten Pyrodetektormaterials (modifiziertes TGS).
• - Durch die hohe Empfindlichkeit bei relativ hohen Frequenzen der einfallenden Infrarot­ strahlung lassen sich schnellablaufende Vorgänge besser detektieren, als mit herkömmlichen pyroelektrischen Infrarot-Hochdetektivitätssensoren.
• - Für den Effekt ist es nicht mehr erforderlich, eine Vorzugsrichtung der Polisarisation im Detektormaterial zu stabilisieren.

Die Erfindung soll nunmehr an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 Prinzipieller Aufbau des Detektors

Fig. 2 Detektorsignal bei einer Infrarotstrahlung mit einer Rechteckfrequenz von 5,5 kHz

Fig. 3 Lage der Anregungsspannung bezüglich der Infrarotspannung mit einer Phasenver­ schiebung von -150°

Fig. 4. Lage des Signals über dem Kondensator bezüglich der Infrarotstrahlung

Fig. 5 Vergleichssignal eines traditionellen pyroelektrischen Detektors bei der gleichen Infrarotbestrahlung wie in Fig. 2

Als Ausführung dient die Detektion eines periodischen Infrarotsignals in der Nähe einer Periodenverdopplungsbifurkation des Schwingkreises, der als ferroelektrisches Detektormaterial TGS enthält. Das periodische Infrarotsignal wurde mit Hilfe einer Infrarotdiode erzeugt.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Detektors. Der TGS-Kristall C_NL dient als nichtlinearer Kondensator im Schwingkreis. Über dem nachgeschalteten linearen Kondensator C wird das zur Messung verwendete Signal abgegriffen und kann mit jedem frequenzselektiven Spannungsmeßverfahren nachgewiesen werden.

Fig. 2 zeigt das mit diesem Detektor gemessene Signal einer einfallenden periodischen Infrarot­ strahlung. Der Serienschwingkreis wurde dazu so eingestellt, daß er sich in der Nähe einer Periodenverdopplungsbifurkation befand. Die Anregungsfrequenz des Serienschwingkreises lag bei etwa 5,5 kHz. Die Frequenz des einfallenden Infrarotsignals lag exakt bei der halben Anregungsfrequenz. Es wurde eine phasenstarre Kopplung zwischen Anregungsspannung und Beleuchtungsspannung verwendet. Die Signale wurden soweit gegeneinander verschoben, daß im Detektor ein maximales Signal entstand.

Fig. 3 zeigt die Lage der Anregungsspannung bezüglich der einfallenden Infrarotstrahlung im Falle des maximalen Detektorsignals.

In Fig. 4 ist die gegenseitige Lage der Infrarotstrahlung und des Signals über dem linearen Kondensator C in der Schaltung nach Fig. 1, das der Polarisation des Detektorelementes proportional ist, dargestellt. Sie ergibt sich infolge der eingestellten Phasenlage zwischen Anre­ gungsspannung und Beleuchtungssignal.

Fig. 5 zeigt das Signal, welches dieselbe Infrarotstrahlung in einem herkömmlichen pyroelek­ trischen Infrarot-Hochdetektivitätssensor mit modifiziertem TGS-Detektorelement hervorruft. Der Vergleich zwischen Fig. 2 und Fig. 5 zeigt, daß das Signal des neuartigen Detektors etwa das 60-fache des mit dem herkömmlichen Infrarot-Hochdetektivitätssensor erzielten Signals bei sonst gleichen Bedingungen beträgt.

Claims (3)

1. Verfahren zur hochsensitiven Detektion von Infrarotstrahlung, wobei ein nichtlinearer, einen ferroelektrischen Triglycinsulfat- d. h. TGS-Kristall (C_NL), eine Induktivität und eine Wechselspannungsquelle beinhaltender Reihenschwingkreis durch Variation der Amplitude oder der Frequenz der Wechselspannung oder der Temperatur des TGS-Kristalls in den Bereich einer Periodenverdopplungs- oder Symmetriebrechungsbifurkation, d. h. einer dynamischen Systeminstabilität gesteuert wird, wobei auf den ferroelektrischen TGS-Kristall (C_NL) einfallende periodisch modulierte Infrarotstrahlung phasenstarr an die Frequenz der Wechselspannung gekoppelt ist und wobei das resultierende Spannungs­ signal frequenzselektiv ausgewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reihenschwingkreis zusätzlich eine lineare Kapazität enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsfrequenz der einfallenden Infrarotstrahlung der Art der Bifurkation angepaßt ist.