DE1964190C3 - Infrarotstrahlungsdetektor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Infrarotstrahlungsdetektor mit einem Meßfühler, der eine steile Kennlinie aufweist und dessen Temperaturarbeitspunkt auf dem Mittelwert des steilen Teils der Kennlinie gehalten ist.

Bekannte Detektorinstrumente benutzen zwei Detektorelemente, die über einen relativ weiten Temperaturbereich im wesentlichen dieselben Temperatur-Widerstandskennwerte oder -Charakteristiken haben. Die beiden Elemente sitzen dicht an einer 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 Ther- mistoren 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 Widerstandes des Elements. Der Unterschied in den Widerstandswerten der beiden Elemente wird durch eine geeignete Brükkenschaltung e. ₍nittelt und dient dazu, die Emissionsintensität der Infrarotstrahlen festzustellen. Troiz Verwendung des Bezugselements sind die Detektorinstru- mente dieser Bauart in Hinsicht auf die Tastempfindlichkeit unbefriedigend. Obwohl die 1 i;ermistoren eine über einen weiten Temperaturbereich gehende Widerstands-Temperaturabhängigkeit 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 fts Grunde sind die bekannten Instrumente in bezug auf die Anforderungen für die Leistungsgenauigkeit und Rmnfindlichkeit nicht ausreichend, so daß deren An

wendungsbereich begrenzt ist

Es sind bereits Strahlungsdetektoren bekannt bei denen Kompensationselemente verwendet werdenderen Widerstandswert zur Kompensierung des Einflusses der Umgebungstemperatur dient Dies ist bei siner bekannten Schaltung (USA-Patentschrift 29 66 646) ein in einer Brückenschaltung liegender Widerstand, an dem ein mit Hilfe einer zusätzlichen Spannungsquelle erzeugter Spannungsabfall eine Kompensationsspannung bildet. Diese Maßnahmen sind jedoch relativ aufwendig, da zusätzliche Spannungsquellen benötigt werden, und außerdem relativ ungenau. Bei einem anderen Temperaturdetektor (USA-Patentschrift 34 18 648) wird eine maximale Empfindlichkeit für den betreffenden zu messenden Temperaturbereich dadurch erreicht daß in Abhängigkeit davon, wo die Mitte dieses Temperaturbereichs in der Temperaturskala liegt, ein Thermoelement bzw. das Material eines solchen Thermoelements gewählt wird. Da jedoch für wechselnde zu messende Temperaturbereiche stets andere Thermofühler eingebaut werden müssen bzw. ausgewechselt werden müssen, ist ein solcher Temperaturdetektor kompliziert und schwierig in der Handhabung bzw. läßt jeweils nur einen ganz begrenzten Anwendungsbereich auf einen entsprechend schmalbandigen Temperaturbereich zu.

Schließlich ist noch ein Strahlungsmesser bekannt (deutsche Patentschrift 9 06 021), bei dem ein Vergleichswiderstand in dem gleichen Gehäuse wie ein Thermofühler sitzt; das gesamte Gehäuse wird mit Hilfe einer Heizwicklung auf den zu messenden Temperaturbereich derart erhitzt, daß der Widerstandswert des Thermofühlers gleich dem des Vergleichswiderstandes ist. Auch dies ist baulich aufwendig, erfordert zusätzliche Energiequellen und läßt nur eine relativ ungenaue Messung zu, da die genaue Einstellung der Heizung nicht ohne aufwendige Maßnahmen gewährleistet werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Infrarotstrahlungsdetektor der eingangs genannten Art zu schaffen, der mit einfachen Mitteln eine hohe Genauigkeit der Arbeitspunkteinstellung ermöglicht.

Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, daß der zur Einstellung des genannten Arbeitspunktes dienende Fühler die gleiche Kennlinie hat wie der Meßfühler und daß beid«? Fühler aus dem gleichen Halbleitermaterial wie Vanadiumdioxid, Divanadiumtrioxid, Titanmonoxid und Silbersulfid bestehen.

Bei dem erfindungsgemäßen Infrarotstrahlungsdetektor wird die Umgebung der beiden Meßfühler auf eine Tempo-atur aufgeheizt, bei der die Widerstands/Temperatur-Kennlinie der Meßfühler am steilsten ist. Damit wird die mit den jeweils verwendeten Meßfühlern überhaupt maximal mögliche Ansprechempfindlichkeit erreicht. Die Umgebungstemperatur der Meßfühler wird dabei in einem Regelkreis geregelt, in dem der Bezugsmeßfühler den Istwertgeber bildet. Der Bezugsmeßfühler liefert dem Regelkreis die herrschende Umgebungstemperatur. Bei einem Abfall dieser Temperatur unter den Wert, bei dem die maximale Temperaturabhängigkeit der Meßfühler vorliegt, wird mit dem Regelkreis über eine Heizeinrichtung eine Aufheizung vorgenommen und damit eine Einstellung der Temperatur auf den vorbestimmten Wert vorgenommen.

Da Meßströme durch die Meßfühler derart klein gehalten werden können, daß sie keinen Einfluß auf die Temperatur der Meßfühler haben, ist eine genaue Ein-

stellung des optimalen Arbeitspunktes beider Meßfühler in genau der gleichen Weise gewährleistet, wodurch einerseits die maximal mögliche Ansprechempfindlichkeit des erfindungsgemäßen Infrarotstrahlungsdetektor erreicht wird und andererseits Meßverfälschungen auf Grund unterschiedlicher Größe der Umgebungstemperatur bei den beiden Meßfühlern vermieden werden.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Infrarotstrahlungsdetektors besteht darin, daß beide Fühler in thermischem Kontakt zueinander angeordnet sind und daß der zur Arbeitspunkteinstellung dienende Fühler gegen die Meßstrahlung abgeschirmt ist. Vorzugsweise sind beide Fühler in einer gemeinsamen Grundplatte in nebeneinanderliegenden Vertiefungen eingesintert.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen näher erläutert

F i g. 1 ist eine graphische Darstellung, die die Abhängigkeit von spezifischem Widerstand zur Temperatur bei Halbleitern zeigt, wie sie für die Detektorelemente der Erfindung verwendet werden;

F i g. 2 zeigt einen Schnitt durch einen Infrarotstrahlungsdetektor nach der Erfindung;

F i g. 3a ist eine Draufsicht auf die Unterlagsplatte zur Herstellung der Detektorelemente für die Verwendung bei dem Detektor nach F i g. 2;

F i g. 3b ist eine Schnittansicht längs der Linie Il in F ig. 3a;

F i g. 4 ist eine Schnittansicht, die eine bevorzugte Anwendung des Detektors nach F i g. 2 zeigt.

In F i g. 1 ist die charakteristische Temperatur eines bestimmten Halbleiters mit To bezeichnet, an der die Kristallstruktur des Halbleiters geändert wird und der spezifische Widcstand des Halbleiters abrupt abfällt. Der spezifische Widerstand des Halbleiters, der der Temperatur To entspricht, ist mit Ro bezeichnet. Die bei dem erfindungsgemäßen Infrarotstrahlungsdetektor zu verwendenden Halbleiter können beispielsweise aus Vanadiumdioxid VaOz, Divanadiumtnoxid Va2Oi, Titanmonoxid TiO und Silbersulfid Ag2S bestehen. Diese Halbleiter zeigen bekanntlich eine steile negative Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstandes in einem begrenzten Temperaturbereich um 7\ Insbesondere von Vanadiumdioxid weiß man, daß es seinen spezifischen Widerstand um drei Stellen um die charakteristische Temperatur von 67°C ändert. Es ist daher sehr wichtig, die Temperatur des Detektorelements sehr genau auf dem charakteristischen Wert zu halten, um die steile Temperaturabhängigkeit des Wioerstandes auszunutzen. >o

Gemäß F i g. 2 besitzt ein allgemein mit 10 bezeichneter Infrarotstrahlungsdetektor ein Paar Detektorelemente ti und 12, die aus den obengenannten Halbleitern bestehen. Die Detektorelemente 11 und 12 sitzen in einem beträchtlichen Abstand voneinander nahe an einer Unterlagsplatte 13 aus einem Isoliermaterial wie Aluminiumoxyd oder Quarz. Das Detektorelement 12 ist durch einen Abdeckkörper 14 abgeschirmt, der aus einem Material wie beispielsweise Metall besteht, das für Infrarotstrahlen undurchlässig ist. F.in Paar End- <»> elektroden 15 und 16 der Detektorelemente 11 und 12 sincl über Zuleitungsdrähte 17 bzw. 18 an eine .Spannungsquelle (nicht gezeigt) angeschlossen.

Die beiden Detektorelemente 11 und 12 werden bei der Temperatur TO gehalten, bei der sich der spezifische fts Widerstand des Elements auf dem Wert Ro befindet. Diese Temperatursteuerung wird mit Hilfe des abge- «rhirmten Elements 12 bewirkt, das als Temperaturdetektor dient. Weicht der Wert des spezifischen Widerstandes des abgeschirmten Elements oder Temperaturdetektors 12 von dem Bezugswert Ro ab, wird diese Differenz verstärkt und zur Steuerung des Widerstandes des Elements 12 zur Rückführung auf Ro verwendet, damit die Temperatur To wiederhergestellt wird. Auf diese Weise wird auch das Detektorelement 11 bei der Temperatur To gehalten.

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 F i g. 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 Erfindung verwendeten Elemente 11 und 12 durch »Vakuumaufdampfen«, »Kathodenverdampfen« oder durch »Aufdrucken« auf eine ebene Unterlagsplatte unter Verwendung einer Maske gewünschter Form hergestellt. Ein derartiges Verfahren erfordert jedoch die Verwendung einer komplizierten Vorrichtung, wie beispielsweise einer Vakuumpumpe, und benötigt Feintechnik.

Nach einem vorteilhaften 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 od. dgl. 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 /u bewahren.

Dieses Verfahren isi 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 im Bedarfsfall die Endelektroden 15 und 16 durch Aufdampfen auf entgegengesetzte Enden der Oberflächen der beiden Elemente 11 und 12 gebildet werden.

Die F i g. 4 zeigt ein bevorzugtes Beispiel eines Infrarotstrahlungsdetektorinstruments, das die vorbeschriebenen Elemente verwendet. Das Detektorinstrument ist allgemein mit 20 bezeichnet und besitz.t, wie gewöhnlich, den in F i g. 2 gezeigten Detektor 10, einen hohlen Ofenkörper 21 mit einer Isolationshülle aus Aluminiumoxyd oder Quarz zum Beispiel. Der Ofenkörper 21 ist an einem FnJe offen und am anderen geschlossen. Auf der Innenweite der Hülle des Ofenkörpers 21

ist ein schwarzer dünner Widerstandsfilm 22 vorgesehen, der aus Kohlenstoff oder aus einem Metalloxyd besteht. 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 Temperatursteuerungsverstärker 25 vorgesehen, der die an den Film 22 angelegte Spannung reguliert, so daß der spezifische Widerstand des Elements 12 bei Ro gehalten wird. Über einen Zuleitungsdraht 17 ist an das Element U ein Signalverstärker 26 elektrisch angeschlossen, der die auf das Element 11 treffenden Infrarotstrahlen ermittelt. Das Detektorelement 10 entspricht demjenigen nach F i g. 2; jedoch können die Detektorelemente U und 12 auch durch solche Elemente ersetzt werden, wie sie nach dem Verfahren gemäß den F i g. 3a und 3b hergestellt werden.

Der ganze Ofen 20 wird durch den Widerstandsfilm 22 im voraus erhitzt und bei der charakteristischen Temperatur To 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 Detektorelement U. Dann nimmt infolge der Temperaturvergrößerung der spezifische Widerstand des Elements 11 plötzlich auf einen Punkt ab, der für die Ermittlung der Strahlungsintensität mit Hilfe des Signalverstärkers 26 geeignet ist.

Dieser Aufbau des Detektorinstruments 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 Kontakt mit dem Film 22 befinden und die zwischenliegende Unterlagsplatte eine vernachlässigbare Wärmekapazität hat, kann die thermische Zeit- konstante, die den Wärmestrom zwischen dem Widerstandsfilm und den Detektorelementen 11 und 12 bestimmt, auf ein vernachlässigbares Ausmaß verringert 'werden. Damit kann der Ofen in seiner Ganzheit mit der erwünschten Genauigkeit auf einer konstanten Temperatur To gehalten werden. Außerdem besieht der Widerstandsfilm 22 beispielsweise aus einem Kohlenstoffüberzug, so daß er als Schwarzkörperbezugsstrahlungsquelle dient, womit eine zusätzliche Schwarzkörperbezugsquelle nicht nötig ist. Da, was noch wichtiger ist, die Detektorelemente 11 und 12 eine große Temperaturabhängigkeit des spezifischen Widerstandes besitzen, bieten die solche Detektorelemente verwendenden Detektorinstrumente eine hohe Empfindlichkeit 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 Gegenstandes hoher Temperatur, beispielsweise eines elektrischen Ofens, verwendet werden. In diesem Fall wird von dem Gegenstand eine große Infrarotstrahlungsmenge emittiert, so daß die Temperaturmessung des Gegenstandes mit großer 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 Gegenstandes relativ niedriger Temperatur geeignet, da die Detektorelemente ausreichend empfindlich für Infrarotstrahlen sind. Diese Anwendungsart ist besonders dann wichtig, wenn in einem menschlichen Körper ein Fehler oder eine Fehlfunktion ermittelt oder 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Infrarotstrahlungsdetektor mit einem Meßfühler, der eine steile Kennlinie aufweist und dessen Temperaturarbeitspunkt auf dem Mittelwert des steilen Teils der Kennlinie gehalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Einstellung des genannten Arbeitspunktes dienende Fühler die gleiche Kennlinie hat wie der Meßfühler und daß beide Fühler aus dem gleichen Halbleitermaterial wie Vanadiumdioxid, Divanadiumtrioxid, Titanmonoxid und Silbersulfid bestehen.

2. Infrarotstrahlungsdetektor nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß beide Fühler in ther- · mischem Kontakt zueinander angeordnet sind und daß der zur Arbeitspunkteinstellung dienende Fühler gegen die Meßstrahlung abgeschirmt ist

3. Infrarotstrahlungsdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Fühler in einer gemeinsamen Grundplatte in nebeneinanderliegenden Vertiefungen eingesintert sind.