Die Detektion von elektromagnetischer Strahlung im infraroten Spektralbereich ist ein technisches
Problem von großem Interesse. Die Wärmestrahlung eines Körpers fällt je nach Temperatur
hauptsächlich in den infraroten Spektralbereich der Wellenlängen von etwa λ = 2 bis 10 µm
(Planck'sches Strahlungsgesetz). Daher ist z. B. zur Auffindung, Verfolgung oder Kontrolle einer
Wärmequelle eine Sensorik nötig, die die auftretende Infrarotstrahlung der entsprechenden Wellen
länge empfindlich nachweisen kann. Grundsätzlich unterscheidet man zwei verschiedene Prinzi
pien, die heutzutage zur Detektion von Infrarotstrahlung ausgenutzt werden (siehe Literaturhin
weise [1] und [2]). Das erste Prinzip beruht auf der direkten Wechselwirkung der Photonen mit
Elektronen in einem Material. Zu dieser Kategorie gehören alle Halbleiterdetektoren. Das zweite
Prinzip beruht darauf, daß durch die Absorption der Infrarotstrahlung eine Erwärmung auftritt. Zu
dieser Kategorie gehören Thermosäulen, Bolometer, pyroelektrische Detektoren und Golayzellen
[1, 2]. Handelsübliche Halbleiterdetektoren sind in der Regel wesentlich empfindlicher als die
Detektoren der zweiten Kategorie, erfordern hierfür aber eine Kühlung auf sehr niedrige
Temperaturen, oft mit Flüssiggasen. Außerdem sind sie normalerweise deutlich teurer.The detection of electromagnetic radiation in the infrared spectral range is a technical one
Problem of great interest. The heat radiation of a body falls depending on the temperature
mainly in the infrared spectral range of the wavelengths of about λ = 2 to 10 µm
(Planck's law of radiation). Therefore z. B. to find, track or control a
Heat source requires a sensor system, the infrared radiation of the corresponding waves
length sensitive. There are basically two different princes
pien, which are used today for the detection of infrared radiation (see literature
wise [1] and [2]). The first principle is based on the direct interaction of the photons with
Electrons in a material. All semiconductor detectors belong to this category. The second
The principle is based on the fact that heating occurs due to the absorption of infrared radiation. To
This category includes thermopiles, bolometers, pyroelectric detectors and Golay cells
[1, 2]. Commercial semiconductor detectors are usually much more sensitive than that
Detectors of the second category, however, require cooling to very low levels
Temperatures, often with liquid gases. In addition, they are usually significantly more expensive.
Die konventionellen Detektoren der zweiten Kategorie enthalten im allgemeinen einen
wellenlängenunabhängigen Absorber (sog. Schwarzkörper, meist eine geschwärzte Metallplatte),
der durch die einfallende Infrarotstrahlung erwärmt wird. Die Erwärmung dieses
Schwarzkörperabsorbers ist ein Maß für die einfallende Infrarotleistung und wird mit Hilfe eines an
diesem Absorber angebrachten Temperaturmeßfühler gemessen, also in ein elektrisches Signal
umgesetzt. Diese Temperaturmessung erfolgt entweder durch Messung der Kontaktspannung
zwischen zwei Metallen (Thermoelement), durch Messung eines temperaturabhängigen
elektrischen Widerstands (Thermistor, Bolometer), durch Messung des Volumens einer Gassäule
(Golayzelle) oder durch Ausnutzung des pyroelektrischen Effekts [1, 2].The conventional detectors of the second category generally contain one
wavelength-independent absorber (so-called black body, usually a blackened metal plate),
which is heated by the incident infrared radiation. Warming this up
Blackbody absorber is a measure of the incident infrared power and is measured with the help of an
temperature sensor attached to this absorber measured, i.e. in an electrical signal
implemented. This temperature measurement is carried out either by measuring the contact voltage
between two metals (thermocouple), by measuring a temperature dependent
electrical resistance (thermistor, bolometer), by measuring the volume of a gas column
(Golay cell) or by using the pyroelectric effect [1, 2].
Der in den Patentansprüchen angegebenen Erfindung liegt die Problematik zugrunde, einen
ungekühlten, kompakten und robusten Infrarotdetektor zu bauen, der beispielsweise Wärmequellen
in seiner Umgebung detektieren kann. Er soll eine möglichst hohe Empfindlichkeit für bestimmte
Wellenlängen aufweisen und darin herkömmlichen Infrarotdetektoren überlegen ist. Eine
Anordnung mit den in den Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen löst dieses Problem. Die
beschriebene Anordnung fällt prinzipiell in die zweite Kategorie der Detektoren. Der Detektor
besteht jedoch nicht wie die herkömmlichen Ausführungen aus einem Schwarzkörper mit
nachgeschaltetem Temperaturmeßfühler, sondern aus einem speziell ausgewählten Absorber, der
auf den interessierenden Spektralbereich abgestimmt ist, und einem mechanischen Meßfühler.
Dieser Mechanosensor ist so am Absorbermaterial angebracht, daß er die Volumenänderung
aufgrund der Erwärmung in ein elektrisches Signal umsetzt, d. h. es handelt sich hier um ein
photomechanisches Prinzip. Bei bestimmten Anordnungen kann es vorteilhaft sein, statt der
Volumenänderung eine Druckänderung mit einem Drucksensor/Druckaufnehmer zu messen (gemäß
Patentanspruch 2). Das Absorbermaterial soll so ausgelegt sein, daß es im interessierenden
Wellenlängenbereich gut absorbiert, im restlichen Spektralbereich jedoch wenig oder gar nicht.
Diese spektrale Selektivität, also Einengung des empfindlichen Wellenlängenbereichs, hat den
Vorteil, daß Hintergrundstrahlung anderer Wellenlänge den Meßvorgang weniger beeinflußt oder
stört, was effektiv eine Erhöhung der Nachweisempfindlichkeit für den ausgewählten
Spektralbereich gegenüber herkömmlichen vergleichbaren Detektoren bedeutet. In der
Ausführungsform gemäß Patentanspruch 3 kann durch Vergleich der Meßsignale mit offenem bzw.
geschlossenem Verschluß, also mit bzw. ohne einfallender Infrarotstrahlung, eine weitere
Empfindlichkeitssteigerung erreicht werden, insbesondere durch einen phasenempfindlichen
Nachweis (Lock-In-Technik). Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist, daß sie in einer äußerst
kompakten Bauweise zu realisieren ist, da der infrarotempfindliche Fühler selbst nur Bruchteile von
Millimetern groß sein kann, insbesondere bei Verwendung moderner Mikromechanosensoren. Eine
Anordnung in einer zweidimensionalen Matrix für eine Bildgebung (gemäß Patentanspruch 4) ist
dadurch besonders vorteilhaft realisierbar.The invention specified in the claims is based on the problem, one
to build uncooled, compact and robust infrared detector, for example heat sources
can detect in its environment. It should have the highest possible sensitivity for certain
Have wavelengths and is superior to conventional infrared detectors. A
Arrangement with the features listed in claim 1 solves this problem. The
The arrangement described falls in principle in the second category of detectors. The detector
but does not consist of a black body like the conventional designs
downstream temperature sensor, but from a specially selected absorber, the
is matched to the spectral range of interest, and a mechanical sensor.
This mechanosensor is attached to the absorber material in such a way that it detects the change in volume
converts to an electrical signal due to heating, d. H. it is a
photomechanical principle. In certain arrangements, it may be advantageous instead of
Volume change to measure a pressure change with a pressure sensor / pressure sensor (according to
Claim 2). The absorber material should be designed so that it is of interest
Wavelength range well absorbed, but little or no in the rest of the spectral range.
This spectral selectivity, i.e. narrowing the sensitive wavelength range, has the
Advantage that background radiation of a different wavelength influences the measuring process less or
interferes with what is effectively an increase in detection sensitivity for the selected
Spectral range compared to conventional comparable detectors means. In the
Embodiment according to claim 3 can be compared by comparing the measurement signals with open or
closed shutter, i.e. with or without incident infrared radiation, another
Sensitivity increase can be achieved, especially by a phase sensitive
Proof (lock-in technique). A particular advantage of the invention is that it is extremely
compact design can be realized because the infrared sensitive sensor itself only a fraction of
Can be millimeters in size, especially when using modern micromechanical sensors. A
Arrangement in a two-dimensional matrix for imaging (according to claim 4)
can thus be implemented particularly advantageously.
Ein einfaches Ausführungsbeispiel ist in Abb. 1 dargestellt. Es ist für die Detektion von Strahlung
des Wellenlängenbereichs um λ = 3 µm ausgelegt; dies entspricht dem Emissionsmaximum der
Wärmestrahlung von Körpern mit einer Temperatur von etwa 1000 Kelvin. Der Absorber, hier eine
Hohlkugel aus Teflon (PTFE), Durchmesser = 1 mm, ist unter einem Schutzglas aus
Magnesiumfluorid befestigt. Auf dem Äquator der Absorberkugel befindet ein handelsüblicher
Dehnungsmeßstreifen. Magnesiumfluorid ist in einem Wellenlängenfenster vom Sichtbaren bis
etwa λ = 7 µm durchlässig. Teflon absorbiert in diesem spektralen Fenster wegen der darin
vorkommenden C-H-Bindungen besonders gut im Wellenlängenbereich um λ = 3 µm. Nach
Exposition wird auftreffende Infrarotstrahlung dieser Wellenlänge von der Teflonkugel absorbiert
und in Wärme umgewandelt. Die Erwärmung führt zu einer Ausdehnung der Kugel, also einer
Vergrößerung des Durchmessers. Diese Vergrößerung wird von dem Dehnungsmeßstreifen in ein
elektrisches Signal umgesetzt. Zu Kalibrationszwecken sollte die Infrarotstrahlung regelmäßig
durch einen Verschluß unterbrochen werden, um eine Rückkehr zum thermischen Gleichgewicht zu
ermöglichen.A simple embodiment is shown in Fig. 1. It is designed for the detection of radiation in the wavelength range around λ = 3 µm; this corresponds to the maximum emission of heat from bodies with a temperature of around 1000 Kelvin. The absorber, here a hollow ball made of Teflon (PTFE), diameter = 1 mm, is attached under a protective glass made of magnesium fluoride. A commercially available strain gauge is located on the equator of the absorber ball. Magnesium fluoride is transparent in a wavelength window from the visible to about λ = 7 µm. In this spectral window, Teflon absorbs particularly well in the wavelength range around λ = 3 µm because of the CH bonds it contains. After exposure, infrared radiation of this wavelength is absorbed by the Teflon ball and converted into heat. The heating leads to an expansion of the sphere, that is, an increase in the diameter. This magnification is converted into an electrical signal by the strain gauge. For calibration purposes, the infrared radiation should be regularly interrupted by a shutter to allow a return to thermal equilibrium.
Empfindlichkeit und Schnelligkeit des Sensors wird von der Form, der Größe, der spezifischen
Wärmekapazität und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Absorbers bestimmt.
Außerdem spielt die thermische Leitfähigkeit der Aufhängung, also der Verbindung mit der sog.
Wärmesenke, eine Rolle. Diese Parameter müssen für jede Anwendung optimiert werden.Sensitivity and speed of the sensor depends on the shape, size, specific
Heat capacity and the thermal expansion coefficient of the absorber is determined.
The thermal conductivity of the suspension, i.e. the connection with the so-called.
Heat sink, a role. These parameters must be optimized for every application.
LiteraturhinweiseReferences
[1] R.J. Keyes (ed.)
Optical and infrared detectors
Springer-Verlag, 1977
[2] E.L. Dereniak, G. Boreman
Infrared detectors and systems
John Wiley & Sons, 1996 [1] RJ Keyes (ed.) Optical and infrared detectors Springer-Verlag, 1977
[2] EL Dereniak, G. Boreman Infrared detectors and systems John Wiley & Sons, 1996
Abb. 1 Schema eines einfachen Ausführungsbeispiels für einen photomechanischen
Infrarotdetektor für den 3 µm-Spektralbereich. Die Zeichnung zeigt einen Schnitt durch die
Anordnung. Fig. 1 Scheme of a simple embodiment for a photomechanical infrared detector for the 3 µm spectral range. The drawing shows a section through the arrangement.