DE1964190A1

DE1964190A1 - Infrarot-Strahlungsdetektor

Info

Publication number: DE1964190A1
Application number: DE19691964190
Authority: DE
Inventors: Eiso Yamaka
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1968-12-25
Filing date: 1969-12-22
Publication date: 1970-07-16
Also published as: FR2027100A1; NL6919390A; GB1267848A; DE1964190B2

Description

PATENTANWÄLTE Dr. D, Thomsen H. Tiedtke G. Bühling

DipL-Chem. Dipl.-fng. DipL-Chem.

¹ 8000 MÖNCHEN 2

TAL 33

TELEFON 0611/226894 TELEGRAMMADRESSE: THOPATENT

Mönchen22. Dezember 1969 case PG25-6922 / T 3«ι U2

Matsushita Electric^'Industrial Co,, Ltd. Osaka» Japan

Infrarot-Strahlungsdetektor

Die Erfindung bezieht sich auf einen Infrarot-Strahlungs-.-. detektor, der einen Halbleiter verwendet, welcher infolge Temperaturänderung um eine charakteristische Temperatur eine abrupte Widerstandsänderung zeigt, verursacht durch eine Änderung der Kristallstrukturj die Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein Infrarot-StrahlungsdetektQrinstrumet, das mit einer ntit Thermostat ausgerüsteten Schwarzkörperbezugsquelle der charakteristischen, Temperatur ausgerüstet ist.

Bekannte DeteJctorinstrumerate benutzen zwei Detektorelemente_ft die über einen relativ weiten Temperaturbereich int wesentliehen dieselben Temper£tur~ "Widerstandsfcennwerte oder -charakteristiken haben. Die beiden Elemente sitzen dicht si einer

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Unterlagsplatte in einem beträchtlichen Abstand voneinander., ' so daß sie sich unter denselben Umgebungsbedingungen befinden. Bei dieser Anordnung wird eines dieser Elemente der eintretenden Infrarotstrahlung ausgesetzt und das andere mit Hilfe einer geeigneten Abdeckplatte von der Strahlung abgeschirmt. Das abgeschirmte Element bleibt bei einer Raumtemperatur und dient · ^ als Temperaturbezugsquelle. Sofern gewöhnliche temperaturempfindliche Widerstände» die im Handel als Thermistoren bekannt sind, für derartige Elemente verwendet werden, wird das bestrahlte Element durch die Infrarotstrahlen mit der sich dabei· ergebenden Temperaturerhöhung erhitzt. Die Temperaturerhöhung " führt zu einer bestimmten Verringerung des Widerstands des Elements. Der Unterschied in den Widerstandswerten der beiden" Elemente wird durch eine geeignete Brückenschaltung ermittelt., und dient dazu, die Emissionsintensität der Infrarotstrahlen festzustellen. Trotz Verwendung des Bezugselements sind die Detektorinstrumente dieser Bauart in Hinsicht auf die Test- · empfindlichkeit unbefriedigend. Obwohl die Thermistoren eine über einen weiten Temperaturbereich gehende Widerstands-Tern- ^;' ρeraturabhängigkeit besitzen, ist die Änderungsrate im Widerstand infolge Temperaturänderung nicht groß genug, um eine ausreichende Empfindlichkeit zu gewährleisten» Selbst wenn das Detektorelement einer Infrarotstrahlung beträchtlicher Intensität ausgesetzt wird, reicht die Widerstandsänderung im ' Element für bestimmte Zwecke nicht aus «.Aus diesem Grunde sind ' die bekannten Instrumente in bezug auf die Anforderungen für » die Leiatungsgenauigkeit und Empfindlichkeit nieht

so daß deren Anwendungsbereich begrenzt ist. · ·

Die erfindungsgemäßen Detektorinstrumente verwenden Halbleiter j, die in einem begrenzten Bereich um eine charakteristische Temperatur eine wesentlich steilere Änderung im Wider-· stand als gewöhnliche Thermistoren zeigen. Derartige Halbleiter werden in einem Paar als Detektorelemente verwendet j und zwar · edn Halbleiter für das Ermitteln der eintreffenden Infrarotstrahlung und der andere Halbleiter für das Halten der Raumtemperatur auf dem charakteristischen Wert. Das erstere Element· wird wie im Falle' von Thermistoren der eintretenden Infrarotstrahlung ausgesetzt. Die Intensität der Strahlung wird" jedoch durch Messen der Widerstandsänderung des Halbleiters ohne die Verwendung einer Brückenschaltung ermittelt. Das letztere Element ist gegen die Infrarotstrahlen abgeschirmt, und mißt mit hoher Empfindlichkeit die Temperatur um die beiden Elemente herum. Ertastet das abgeschirmte Elemente den Unterschied.zwischen der gemessenen und der charakteristischeh Temperatur, kann diese Differenz nach dem Verstärken an einen' geeigneten Wärmeerzeuger gegeben werden > um die Umgebungstem-. peratur oder Raumtemperatur auf einer gewünschten Höhe zu halten. Die erfindungsgemäßen Detektoren können gemäß einer bevorzugten Ausführungsform außerdem mit einem elektrischen Ofen mit einem schwarzen Widerstandsfilm auf dessen Innen oberfläche versehen werden. In der Nähe dieses Films sitzen die beiden Detektorelemente unter im wesentlichen den gleichen ümgebungsbedingungen mit der Ausnahme, daß eines der beiden

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Elemente abgeschirmt ist. Bei dieser Anordnung wird in dem Widerstandsfilm eine genau gesteuerte Wärmemenge entwickelt, um das abgeschirmte Element auf seiner charakteristischen Temperatur zu halten. Auf diese Weise wird auch das andere Element zur Ermittlung der Infrarotstrahlung genau auf der charakteristischen Temperatur gehalten.

Andererseits befinden sich die beiden Elemente in un-

mittelbarer Nachbarschaft des Widerstandsfilms, so daß der thermische Widerstand zwischen den Elementen und dem Film zur Verringerung des Werts der Zeitkonstanten herabgesetzt werden kann. Somit wird die Temperatur der Elemente bei schnellem Ansprechen auf die in dem Widerstandsfilm entwickelte Wärme auf der gewünschten charakteristischen Höhe gehalten.

Der Widerstandsfilm besteht beispielsweise aus Kohlen-. stoff oder aus Metalloxyden, die auf dem Markt als "Glaze Resistors", . bekannt sind und als Schwarzkörperstrahlungsquelle der charakteristischen Temperatur dienen. Auf diese Weise kann auf eine zusätzliche Schwarzkörperbezugsquelle^ verzichtet werden. ·.'."-

Es ist somit Ziel» der Erfindung» einen verbesserten Infrarot-Strahlungsdetektor zu schaffen, der als Detektor- * elemente zwei Stücke eines hochempfindlichen Halbleiters verwendet und in Verbindung hiermit eine Schwarzkörperbezugs-

strahlungsquelle der charakteristischen Temperatur hat, ■ - · 009829/1020/ * -^.

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und dadurch eine vergrößerte Meßempfindlichkeit und Leistungsgenauigkeit bietet und für weite praktische Anwendungsgebiete geeignet ist*

Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematiseher Zeichnungen näher erläutert* ■

Fig. i ist eine graphische,Darstellung, die die Abhängigkeit von spezifischen Widerstand zur Temperatur bei Halbleitern zeigt, wie sie für die Detektorelemente der Erfindung verwendet werden} ■

Fig* 2 zeigt einen Schnitt durch einen infrarot-Strahlungsdetektor nach der Erfindung}

Fig* 3a ist eine Draufsicht auf die Unterlagsplatte zur . ' · Herstellung der Detektorelemente für die Verwen- ·: ,. dung bei dem Detektor nach Fig. 2}

Fig. 3b ist eine Schnittansicht längs der Linie Ι-Ϊ in Fig.3a} * .

Fig. *i ist eine Schnittansicht, die eine bevorzugte Anwendung des Detektors nach Fig. 2 zeigt*

In Fig. 1 ist die charakteristische Temperatur¹ eines bestimmten Halbleiters mit T bezeichnet» an der die Kristall-

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struktur des Halbleiters geändert wird und der spezifische Widerstand des Halbleiters abrupt abfällt* Der spezifische ■ Widerstand des Halbleiters, der der Temperatur T_Q entspricht, ist mit R_Q bezeichnet* Die bei dem erfindungsgemäßen Infrator-Strahlungsdetektör zu verwendenden Halbleiter können beispielsweise aus Vanadiumdioxyd VaOU, Divanadiumtrioxyd Va^O*, Titanmönoxyd TiO und Silbersülfid Ag₃S bestehen. Diese Halb- . leiter zeigen bekanntlich eine steile negative Temperäturabhängigkeit des spezifischen Widerstands in einem begrenzten Temperatürbereich um T . Insbesondere vdn Vanadiumdioxyd weiß man, daß es seinen spezifischen Widerstand um drei Stellen um die charakteristische Temperatur von 67°G ändert* Es ist daher sehr wichtig j die Temperatur des Detektor elements sehr« genau . S auf dem charakteristischen Wort zu halten* um die steile Tem« [ peraturabhängigkeit des Widerstands auszunutzen»

Gemäß Fig* 2 besitzt ein allgemein mit 16 bezeichneter W infrarot-Strahlungsdetektor ein Paä$ Detektor elemente 11 und 12, die aus den obengenannten Hälbleiterft bestehen*Die Detektorelemente Ii und 12 sitzen in einem beträchtlichen Abstand Voneinander nahe an einer Unterlagsplatte 13 aus einem Isolier« material wie Aluminiumoxyd oder Quarz* Das Detektorelement 12 ■ ist durch einen Äbdeckkörper Ik abgeschirmt» der* aus SineiÄ Material wie beispielsweise Metall Besteht_t das für Infrarotstrahlen undurchlässig ist. Ein Paar Endölektröden iS und i§ der Detektor element β %i und 12 sind Ühep ZuleitungsdrSiite 17 bzvi« 18 an sine Spannungsqualle (nicht gezeigt) angeschlossen*·

Die beiden' Detektorelemente 11 und 12 werden bei der Temperatur T gehalten, bei der sich der spezifische Widerstand des Elements auf dem Wert R befindet. Diese Temperatursteuerung Wird mit Hilfe des abgeschirmten Elements 12 bewirkt, das als Temperaturdetektor dient-. Weicht der Wert des spezifischen Widerstands des abgeschirmten Elements oder Temperaturdetektors X2: Von dem Bezugswert R ab, wird diese

Differenz verstärkt und zur Steuerung des Widerstands des Elements 12 zur Rückführung auf R verwendet, damit die Temperatur T wieder hergestellt wird. Auf diese Weise wird auch das Detektorelement 11 bei der Temperatur T gehalt en i.

Treffen Infrarotstrahlen in der Richtung des Pfeils IR in der Zeichnung auf das Element 11, wird dieses durch die Strahlung der Infrarotstrahlen erwärmt, und seine Temperatur mit der Emissionsrate der Infrarotstrahlung erhöht. Diese Temperaturerhöhung bewirkt, daß der spezifische Widerstand des Elements 11 plötzlich abfällt. Dieser Widerstandsabfall wird 'durch geeignete elektrische Schaltungsanordnung (nicht gezeigt) ermittelt und dann in Strahlungsintensität umgewandelt.

Die Fig. 3a und 3b zeigen ein Verfahren zur Herstellung , der Elemente 11 und 12 in Verbindung mit der Unterlagsplatte 13· Nach einem herkömmlichen Verfahren werden die bei der Erfin-. dung verwendeten Elemente Il und 12 durch "Vakuumaufdampfen"» . "Kat hodenverdampf en" oder durch, '"Aufdrucken" auf eine ebene ' Unterlagsplatte unter Verndting einer Maske gewünschter Form

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hergestellt. Ein derartiges Verfahren erfordert jedoch die Verwendung einer komplizierten Vorrichtung wie beispielsweise einer Vakuumpumpe und benötigt Feintechnik.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird auf der Unterlagsplatte 13 an vorbestimmten Stellen eine Anzahl von Löchern geeigneter Form hergestellt. Die Löcher werden mit einem geeigneten Füllmaterial für derartige Halbleiter gefüllt. Das in die Löcher gefüllte Material wird dann unter Bildung der Detektorelemente 11 und 12 getrocknet oder mit der Unterlagsplatte 13 gesintert. Dieses' Verfahren hat die folgenden Vorteile:

1. Das in den Löchern befindliche Material wird in diesen während des Sinterungsprozesses festgelegt. Die einzufüllende Materialmenge ist durch vorangehendes Berechnen des Aufnahmevermögens der Löcher genau bekannt, so daß eine Änderung in der Materialmenge leicht ausgeschlossen werden kann.

2. Da keine Masken aus Kohlenstoff oder dergleichen verwendet werden müssen, wird verhindert, daß das Material mit Verunreinigungen vermischt wird, so daß die Reinheit der Elemente.nicht verschlechtert wird. Dies

. . ist wichtig, um die Leistungsstabilität der Halbleiter zu bewahren.

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Das durch die Erfindung vorgeschlagene Verfahren ist insofern vorteilhaft, als es das Herstellen von dünnen und schmalen Elementen 11 und 12 mit stabilen Kennwerten mit der erwünschten Präzision und Reproduzierbarkeit erlaubt. Bei diesem' Verfahren können darüber hinaus iar .Bedarfsfall die Endelektroden 15 und 16 durch Aufdampfen auf entgegesetzte Enden · der Oberflächen der beiden Elemente 11 und 12 gebildet werden.

Die Fig. 4 zeigt ein bevorzugtes Beispiel eines Infrarot-Strahlungsdetektorinstruments, das die vorbeschriebenen Elemente verwendet. Das Detektorinstrument ist allgemein mit bezeichnet und besitzt, wie gewöhnlich, den in Fig. 2 gezeigten Detektor 10, einen hohlen Ofenkörper 21 mit einer Isolations-, hülle aus Aluminiumoxyd oder Quarz zum Beispiel. Der Ofenkörper 21 ist an einem Ende offen und am anderen geschlossen. Auf der Innenseite der Hülle des Ofenkörpers 21 ist ein schwarzer dünner Widerstandsfiim 22 vorgesehen,»der aus Kohlenstoff oder aus einem Metalloxyd besteht, wie es im Handel unter dem Warenzeichen "Glaze Resistors" bekannt ist. Auf dem oberen und unteren Ende der Umhüllung sitzt ein Paar Ringelektroden 23 und 24* Zwischen dem Widerstandsfilm 22 und dem Element 12 ist über den Zuleitungsdraht 18 ein Temperatur steuerungsverstärker 25 vorgesehen, der die-an den Film 22 angelegte Spannung reguliert» so daß der spezifische Wider stand des Elements 12 bei R₀ gehalten wird· Ober einen Zu» leitungedraht IZ igt *n da· El «»ent 11 ein Sijnalvcrstitekex»

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2 6 elektrisch angeschlossen, der die auf das Element 11 treffenden Infrarotstrahlen ermittelt. Das Detektorelement 10 entspricht demjenigen nach Fig. 2; jedoch können die Detektorelemente 11 und 12 auch durch solche Elemente ersetzt werden, wie sie nach dem Verfahren gemäß den Fig. 3a und 3b hergestellt werden.

. Der ganze Ofen 20 wird durch den Widerstandsfilm 22 im Voraus erhitzt und bei der charakteristischen Temperatur T_Q gehalten, wie dies zuvor erläutert wurde. Beim Einsatz gehen die von einem zu untersuchenden Gegenstand ausgesendeten Infrarotstrahlen IR durch eine an dem offenen Ende des Ofens 20 gebildete Öffnung 27 und treffen auf das Detektqrlement 21, Dann nijnmt infolge der Temperaturvergrößerung der spezifische Widerstand des Elements 11 plötzlich auf einen Punkt ab, der für die Ermittlung der Strahlungsintensität mit Hilfe · W des Signalverstärkers 26 geeignet ist.

Dieser Aufbau des Detektorinstruments nach der Erfindung liefert eine Reihe von Vorteilen. Da der Widerstandsfilm 22 auf der Innenoberfläche der Ofenhülle aufgebracht ist und da sich die Detektorelemente 11 und 12 in thermisch innigem Kon- ·, takt mit dem Film 22 befinden und -die zwiachenliegende Unterlagsplatte eine vernaohl&ssigbare Wärmekapazität hat, kann die thermische Zeitkonstante₉ die den Wärmestrom swisohen dem Widerstandsfilm und den Detektorelementen 11 und 12 bestimmt, auf ein vernachlttssigbares Ausmaft verringert werden· Damit kann

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der Ofen in seiner Ganzheit mit der erwünschten Genauigkeit auf einer konstanten Temperatur T_Q gehalten werden. Außerdem besteht der Widerstandsfilm 22 beispielsweise aus einem Kohlenstoff überzug, so daß er als Schwarzkörperbezugsstrahlungsquelle dient, womit eine zusätzliche Schwarzkörperbezugsquelle nicht nötig ist_e Da, was noch wichtiger ist, die Detektorelemente 11 und 12 eine große Temperaturabhängigkeit des .

spezifischen Widerstands besitzen» bieten die solche Detektorelemente verwendenden Detektorinstrumente eine hohe Empfind- · lichkeit für Infrarotstrahlung.

Die Detektorinstrumente nach der Erfindung, können.auf einem großen Anwendungsgebiet benutzt werden. Zum Beispiel können die Instrumente in vorteilhafter Weise für das Messen eines Gegenstands hoher Temperatur, beispielsweise eines elektrischen Ofens, verwendet werden. In diesem Fall wird von dem Gegenstand eine große Infrarotstrahlungsmenge emittiert, so daß die Temperaturmessung des Gegenstands mit grdßer Leichtigkeit durchgeführt werden kann. Im Bedarfsfall kann an dem offenen Ende der Ofenhülle eine kegelstumpfförmige Einrichtung angebracht werden, um die ankommende Infrarotstrahlungsmenge auf einen vernünftigen Wert zu dämpfen. Die erfindungsgemäßen Instrumente sind auch für das Abtasten eines Gegenstands relativ niedriger Temperatur geeignet, da die Detektorelemente auereichend empfindlich für Infrarotstrahlen sind. Diese An wendungsart ist besondere dann wichtig, wenn in einem menschliehen Körper eine rehler oder eine Fehl funkt ion ermittelt oder

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beobachtet werden soll oder wenn in einer integrierten Schaltung ein Fehler lokalisiert werden soll. Ein einen derartigen Fehler oder eine derartige Fehlfunktion aufweisender Teil wird gewöhnlich örtlich auf eine höhere Temperatur als die Umgebung erhitzt, so daß Infrarotstrahlen mit einer spürbaren höheren Intensität hiervon ausgestrahlt werden.

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Claims

Patentansprüche

(1.J Infrarotstrahlungsdetektor für das Ermitteln der Intensität eintreffender Infrarotstrahlung, gekennzeichnet >

durch ein Paar Detektorelemente ClI, 12), die in einem be- ι trächtlichen Abstand voneinander nahe auf einer Unterlagsplatte ι

ϊ (13) aus einem Isolator sitzen und aus einem Halbleiter" be- ' | stehen, der einen in einem begrenzten Temperaturbereich um ' ι eine charakteristische Temperatur sehr stark temperaturabhängigen spezifischen Widerstand besitzt, wobei eines der
Detektorelemente (12) mit Hilfe einer Abdeckplatte (14) aus ' : Metall von der Strahlung abgeschirmt is-έ, um die Umgebungs-

temperatur der Elemente auf der charakteristischen Temperatur
zu halten und wobei das andere Element (11) für die Ermittlung
der Strahlungsintensität der Strählung ausgesetzt ist.

2, Infrarotstrahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Halbleiter aus einem Material wie ^: Vanadiumdioxyd, Divanadiumtrioxyd, Titanmonoxyd und Silbersulfid besteht.

3« Infrarotstrahlungsdetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter in der Weise aus

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diesem Material hergestellt wird, bei der man auf der Unterlagsplatte (13).eine vorbestimmte Anzahl von Löchern an vorbestimmten Stellen bildet, in die dann das Material als Füllstoff eingefüllt und dann zur Bildung der Detektorelemente gesintert wird, .

k, Infrarotstrahlungsdetektor nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Ofenkörper C20) mit einer Hülle C21) aus Isoliermaterial,- einen auf der Innenfläche der Hülle ausgebildeten schwarzen Widerstandsfilm (22), ein · Paar Ring-_: elektroden (23,2H), die auf dem oberen und unteren Ende der Hülle sitzen, einen Temperatursteuerungsverstärker (25), der elektrisch zwischen dem Widerstandsfilm und dem abgeschirmten Elemente (12) für die Steuerung der an den Film angelegten Spannung eingeschaltet ist und durch einen Signalverstärker (26), der elektrisch mit dem der Strahlung ausgesetzten EIe- · ment (11) zur Ermittlung der Strahlungsintensität verbunden ist.

5. Infrarotstrahlungsdetektorinstrument nach Anspruch U, dadurch gekennzeichnet, daß der schwarze Widerstandfilm::; (22) aus Kohlenstoff besteht.

6. Infrarotstrahlungsdetektorinstrument nach Anspruch U, dadurch gekennzeichnet, daß der schwarze Widerstandfilm (22) aus einem Metalloxyd besteht, daa allgemein unter dem Waren«

zeichen "Glase Resistors" bekannt ist·

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