DE19727447A1 - Infrarotstrahlungsempfindliche Vorrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine infrarotstrahlungsempfindliche Vorrichtung, insbesondere eine infrarotstrahlungsempfindliche Vorrichtung mit einer pyroelektri­ schen Einheit, einer Lichtempfangsfläche auf der pyroelektrischen Einheit zum Empfang von Infrarotstrahlung, die von einem zu detektierenden Objekt abgestrahlt wird, und einem Paar externer Elektroden auf entgegengesetzten Oberflächen der pyroelektrischen Einheit.

Eine bekannte pyroelektrische Infrarotsensorvorrichtung 1 ist in Fig. 7A dargestellt. Diese Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik weist einen rechteckförmigen, plattenförmigen, pyroelektrischen Körper 1a mit oberen und unteren Flächen auf, auf denen jeweils Elektroden 2a, 3a ausgebildet sind, wobei die Polarisationsbehand­ lung zwischen den Elektroden 2a, 3a erfolgt bzw. durchgeführt wird, wie durch Pfeile dargestellt. Eine weitere pyroelektrische Infrarotsensorvorrichtung 1 gemäß dem Stand der Technik ist in Fig. 7B dargestellt, welche einen pyroelektrischen Körper 1b aufweist, bei dem auf beiden Seitenflächen Elektroden 2b, 3b ausgebildet sind, wo­ bei die Polarisationsbehandlung zwischen diesen Elektroden 2b, 3b erfolgt, wie durch Pfeile dargestellt. Bei diesen pyroelektrischen Infrarotsensorvorrichtungen sind die Elektroden 2a, 3a bzw. 2b, 3b jeweils senkrecht zu der Polarisationsrichtung, welche jeweils durch Pfeile dargestellt ist, ausgebildet.

Wenn bei diesen pyroelektrischen Infrarotsensorvorrichtungen 1 gemäß dem Stand der Technik Infrarotstrahlen 4, welche von einem zu detektierenden Objekt abge­ strahlt werden, auf der Lichtempfangsfläche jeder pyroelektrischen Infrarotsensor­ vorrichtung 1 auftreffen, kann eine kleine Temperaturänderung in dem pyroelektri­ schen Körper 1a, 1b erfolgen. Eine derartige Temperaturänderung würde dazu füh­ ren, daß eine Anzahl von Oberflächenladungsträgern des pyroelektrischen Körpers 1a, 1b, welche sich bislang im Gleichgewichtszustand befanden, zu einer Bewegung angeregt bzw. gezwungen werden, was zum Auftreten einer Spannung führt. Diese Spannung kann zum Detektieren oder Nachweis des nachzuweisenden Objekts da­ durch ausgenutzt werden, daß die Spannung mittels einer zugeordneten Impe­ danzwandlerschaltung, welche Feldeffekttransistoren (FETs) verwendet, verstärkt wird und dann in ein entsprechendes elektrisches Signal umgewandelt wird.

Um bei derartigen pyroelektrischen Infrarotsensorvorrichtungen 1 gemäß dem Stand der Technik die relative Nachweisrate oder "Detektivität", welche ein Maß für die Ei­ genschaften der pyroelektrischen Vorrichtung darstellt, zu verbessern, mußte bislang die thermische Isolierung durch Verringerung der Dicke des pyroelektrischen Körpers an sich erreicht werden, wobei gleichzeitig der Lichtempfangsbereich, welcher das auftreffende Infrarotlicht empfangen soll, hohlförmig ausgebildet ist. Hierdurch kann die Wärmekapazität vermindert werden, wobei die thermische Zeitkonstante auf den niedrigstmöglichen Wert vermindert werden kann, wodurch die relative Detektivität verbessert werden kann.

Leider weisen derartige pyroelektrische Infrarotsensorvorrichtungen gemäß dem Stand der Technik die im folgenden erläuterten Nachteile auf. Da es hier notwendig ist, eine thermische Isolierung bei gleichzeitiger Verringerung der Dicke des pyro­ elektrischen Körpers zu erzielen, kann die mechanische Festigkeit eines derartigen pyroelektrischen Körpers geschwächt sein. Ferner kann die Beständigkeit gegen das Einwirken von Wärmestößen ebenfalls geschwächt sein, was insgesamt dazu führt, daß die Handhabung derartiger pyroelektrischer Infrarotsensorvorrichtungen er­ schwert ist. Mit anderen Worten, können, wenn die Dicke des pyroelektrischen Kör­ pers vermindert wird, bestimmte Risiken auftreten: Mechanische Schäden ein­ schließlich Mikrorisse können in der pyroelektrischen Infrarotsensoreinrichtung auf­ grund beträchtlicher thermischer Variationen bei Einwirkung von äußeren Erschütte­ rungen bzw. Vibrationen sowie bei Einstrahlen starker Infrarotstrahlung auftreten wobei die Leistungsfähigkeit aufgrund einer Verschlechterung des Wärmeflußgleich­ gewichts vermindert werden kann. Da ferner der pyroelektrische Körper als solcher brüchig bzw. spröde wird, ist es schwer, den pyroelektrischen Körper in zuverlässiger Weise mittels Klebung auf einem Substrat zu befestigen, was zu einer Erschwerung der Befestigung und einer genauen Positionierung bzw. Ausrichtung führt. Aufgrund der oben genannten Schwierigkeiten kann die sich ergebende Leistungsfähigkeit in ungewünschtem Maße vermindert sein.

Eine weitere Schwierigkeit gemäß dem Stand der Technik liegt darin, daß die Pro­ duktionsrate sehr gering ist, da in den meisten Fällen die Dicke des pyroelektrischen Körpers als solcher derart gewählt ist, daß sie in einen Bereich von 70 bis 100 (µm) fällt, wodurch die Herstellung von pyroelektrischen Infrarotsensorvorrichtungen ex­ trem erschwert ist. Hierdurch sind die Herstellungskosten von pyroelektrischen Infra­ rotsensorvorrichtungen 1 gemäß dem Stand der Technik ungewollt hoch.

Aus dem Stand der Technik ist ein Ansatz zur Vermeidung der oben genannten Schwierigkeiten bekannt, bei dem versucht wird, die Elektroden einer pyroelektri­ schen Infrarotsensorvorrichtung derart anzuordnen, daß die Polarisierung des pyro­ elektrischen Körpers ausschließlich in der Nähe einer Lichtauftreffläche bzw. Licht­ empfangsfläche der Vorrichtung erfolgt. Eine hierfür beispielhafte pyroelektrische Infrarotsensorvorrichtung ist in Fig. 8 mit Bezugsziffer 5 bezeichnet. Dieser Aufbau bzw. diese Struktur berücksichtigt, daß der Beitrag der oberen Fläche bzw. Oberflä­ che der Lichtempfangsfläche den Großteil eines Ausgabesignals von pyroelektri­ schen Infrarotsensorvorrichtungen verursacht.

Insbesondere umfaßt die in Fig. 8 dargestellte pyroelektrische Infrarotsensorvorrich­ tung 5 beispielsweise einen rechteckigen, plattenförmigen pyroelektrischen Körper 6 mit einer oberen Fläche, auf der zwei einander gegenüberliegende Elektroden 7, 8 ausgebildet sind, wobei zwischen diesen ein bestimmter Zwischenraum D definiert ist. Eine Polarisationsbehandlung wurde durch Anlegen einer Gleichspannung (DC) zwischen diesen beiden Elektroden 7, 8 bewirkt. In diesem Fall erfolgt die Polarisati­ on im wesentlichen in einem nahe an der Lichtauftreffebene der Infrarotstrahlung 9 liegenden Bereich, wobei die Polarisationsrichtung parallel zur Lichtauftreffebene der Infrarotstrahlen 9 ist; mit anderen Worten entspricht die Polarisationsrichtung der in Fig. 8 eingezeichneten x-Achse.

Dementsprechend ist die pyroelektrische Infrarotsensorvorrichtung 5 gegen über denjenigen der Fig. 7a und 7b dadurch überlegen, daß die Polarisierung des py­ roelektrischen Körpers 6 zwangsweise ausschließlich in oder in der Nähe der Licht­ einfallebene bzw. Lichtempfangsebene der pyroelektrischen Infrarotsensoreinrich­ tung 6 erfolgt, wodurch die relative Detektivität verbessert ist.

Der oben beschriebene Vorteil der pyroelektrischen Infrarotsensorvorrichtung 5 ge­ mäß dem Stand der Technik weist jedoch auch einen Nachteil auf, nämlich eine Verminderung der Steuerbarkeit der relativen Detektivität. Insbesondere muß bei dieser Vorrichtung zur Änderung der relativen Detektivitätsrate der pyroelektrische Körper 6 zum Empfang von Infrarotstrahlung bezüglich seines Lichtempfangsbe­ reichs verändert werden, was zu einer größeren Komplexität und einem größeren Zeitaufwand führt. Aus diesem Grunde ist diese Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik für eine Verwendung in stabiler bzw. regelmäßiger Massenproduktion nicht adaptierbar, wobei es gleichzeitig schwierig ist, sie mit niedrigen Kosten herzustel­ len.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine pyroelektrische Infrarot­ sensorvorrichtung zur Verfügung zu stellen, bei der die relative Nachweisrate erhöht werden und in einfacher Weise verändert werden kann, wobei gleichzeitig die Mas­ senherstellung vereinfacht und verbilligt ist.

Eine Ausführungsform bzw. ein Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt eine oben beschriebene pyroelektrische Infrarotsensorvorrichtung zur Verfügung, wobei eine pyroelektrische Einheit eine Anzahl pyroelektrischer Schichten aufweist, wobei inter­ ne Elektroden jeweils zwischen benachbarten pyroelektrischen Schichten angeord­ net sind, die Kanten der internen Elektroden abwechselnd auf jeder der einander entgegengesetzten Oberflächen der pyroelektrischen Einheit frei liegen und mit den externen Elektroden verbunden sind, die pyroelektrische Einheit zwischen den inter­ nen Elektroden polarisierbar ist, und die Seitenkanten der internen Elektroden auf der Lichtempfangsfläche freiliegen.

Bei dieser pyroelektrischen Infrarotsensorvorrichtung sind, während die internen Elektroden abwechselnd in der pyroelektrischen Einheit angeordnet und laminiert sind, die jeweiligen pyroelektrischen Schichten in ihrer Dicke vermindert, wodurch eine Laminierung einer derartigen Anzahl von Schichten zur Erhöhung der Elektro­ denfläche der einander gegenüberliegenden internen Elektroden innerhalb der py­ roelektrischen Einheit möglich ist. Dementsprechend kann jede gewünschte elektri­ sche Kapazität (elektrostatische Kapazität) zum Erhalt einer pyroelektrischen Span­ nung erzielt bzw. eingestellt werden.

Mit anderen Worten: Da die Erfindung eine Laminierungsstruktur der pyroelektri­ schen Schichten und der internen Elektroden verwendet, ist es möglich, die Größe der elektrischen Kapazität veränderbar bzw. variabel zu gestalten, ohne die Licht­ empfangsfläche beispielsweise durch Erhöhung oder Verminderung der Laminie­ rungsanzahl der internen Elektroden oder alternativ hierzu durch Veränderung der Flächen der einander gegenüberliegenden internen Elektroden verändern zu müs­ sen. Hierdurch wird die relative Nachweisrate bzw. Detektivtität der pyroelektrischen Infrarotsensorvorrichtung variabel.

Bei der obigen pyroelektrischen Infrarotsensorvorrichtung kann die relative Nach­ weisrate durch Veränderung der Flächen der internen Elektroden variabel sein.

Mit einer derartigen Anordnung kann die Fläche der internen Elektroden insbesonde­ re durch Veränderung der Dicke der pyroelektrischen Einheit variiert werden. In die­ sem Fall ist lediglich die interne Elektrodenfläche variabel, wobei die Fläche der Lichtempfangsebene der pyroelektrischen Einheit nicht verändert werden muß. Hier­ durch wird die elektrische Kapazität zwischen den einander gegenüberliegenden internen Elektroden innerhalb der pyroelektrischen Einheit variiert, wodurch die rela­ tive Detektivität der pyroelektrischen Infrarotsensors variabel ist.

Bei der obigen pyroelektrischen Infrarotsensorvorrichtung kann eine relative Nach­ weiswahrscheinlichkeit durch Veränderung der Anzahl der internen Elektroden va­ riabel gestaltet werden.

In diesem Fall ist lediglich die Anzahl der internen Elektroden variabel, wobei die Flächengröße der Lichtempfangsfläche der pyroelektrischen Einheit nicht verändert werden muß.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer pyroelektrischen Infrarotstrahlungssenorvorrichtung mit folgenden Schritten:

• 1. Herstellung einer Anzahl pyroelektrischer Lagen aus pyroelektrischem Material,
• 2. Bildung einer pyroelektrischen Einheit, bei der interne Elektroden auf ent­ gegengesetzten Oberflächen abwechselnd freiliegen, durch abwechseln­ des Laminieren der pyroelektrischen Lagen und der internen Elektroden,
• 3. Brennen der pyroelektrischen Einheit,
• 4. Bildung externer Elektroden auf jeder der entgegengesetzten Oberflächen der pyroelektrischen Einheit derart, daß die externen Elektroden mit den internen Elektroden auf jeder der entgegengesetzten Oberflächen der py­ roelektrischen Einheit verbunden sind,
• 5. elektrische Polarisierung der pyroelektrischen Einheit zwischen den inter­ nen Elektroden über die externen Elektroden, und
• 6. Schneiden der pyroelektrischen Einheit und der externen Elektroden in einer Richtung senkrecht zu den internen Elektroden derart, daß die inter­ nen Elektroden mit jeweiligen Endbereichen auf der Schneidefläche frei­ liegen, wobei die Schneidefläche als Lichtempfangsebene zum Empfang von Infrarotstrahlung, welche von einem zu detektierenden Gegenstand abgestrahlt wird, dient.

Mit einem derartigen Verfahren wird die laminierte pyroelektrische Einheit durch ab­ wechselnde Anordnung der Anzahl von pyroelektrischen Schichten bzw. Lagen und internen Elektroden aufgebaut. Ferner sind die Enden der internen Elektroden, wel­ che nach außen hin an beiden Endflächen der pyroelektrischen Einheit ausgesetzt bzw. freiliegend sind, mit den externen Elektroden verbunden. Die pyroelektrische Einheit ist zwischen den bzw. bezüglich der externen Elektroden polarisiert. Ferner ist die pyroelektrische Einheit in einer Richtung senkrecht zu den internen Elektrode­ nebenen zwischen den externen Elektroden geschnitten bzw. abgeschnitten. Zu die­ sem Zeitpunkt sind die Kanten der internen Elektroden auf den Abschneidflächen freiliegend. Die Abschneidflächen, auf denen diese internen Elektroden freiliegend sind, werden als Lichtempfangsebene ausgebildet, auf welche die Infrarotstrahlung auftrifft, wodurch die pyroelektrische Infrarotsensorvorrichtung erhalten wird.

Bei der oben beschriebenen Herstellungsmethode kann der Schritt des Schneidens der pyroelektrischen Einheit ferner einen Schritt umfassen, bei dem durch Verände­ rung der Dicke der zu schneidenden pyroelektrischen Einheit die Fläche der internen Elektroden variabel gestaltet wird.

Vorteilhafterweise wird beim Schritt des Schneidens der pyroelektrischen Einheit die Fläche der internen Elektroden durch Veränderung der Schneidedicke variabel ge­ staltet. Hierdurch kann die elektrische Kapazität (elektrostatische Kapazität) der ein­ ander gegenüberliegender interner Elektroden variiert werden, wodurch eine geeig­ nete Variation der Größe der relativen Nachweisrate der pyroelektrischen Infrarot­ sensorvorrichtung erzielt werden kann.

In Übereinstimmung mit den Prinzipien bzw. Grundlagen der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine pyroelektrische Infrarotsensorvorrichtung zu schaffen, bei der die relative Detektivität verbessert ist und in einfacher Weise variierbar ist, wobei die Vorrichtung in stabiler Weise bei niedrigen Kosten herstellbar ist, ohne Abstriche bei den elektrischen Eigenschaften in Kauf nehmen zu müssen.

Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nun an­ hand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2A bis 2F in perspektivischer Ansicht einige der wesentlichen Schritte zur Herstellung der in Fig. 1 dargestellten pyro­ elektrischen Infrarotsensorvorrichtung,

Fig. 3 eine explodierte perspektivische Ansicht eines beispielhaf­ ten Sensoraufbaus, der die pyroelektrische Infrarotsen­ sorvorrichtung gemäß Fig. 1 und 2 verwendet,

Fig. 4 ein elektrisches Ersatzschaltbild der in Fig. 3 dargestellten pyroelektrischen Infrarotsensorvorrichtung,

Fig. 5 ein Schaltbild eines weiteren Beispiels eines pyroelektri­ schen Infrarotsensors, der die pyroelektrische Infrarotsen­ sorvorrichtung der Fig. 1 und 2 verwendet,

Fig. 6 eine explodierte perspektivische Ansicht eines weiteren beispielhaften Sensoraufbaus, der die pyroelektrische In­ frarotsensorvorrichtung der Fig. 1 und 2 verwendet,

Fig. 7A bis 7B perspektivische Ansichten von pyroelektrischen Infrarot­ sensorvorrichtungen gemäß dem Stand der Technik, und

Fig. 8 eine perspektivische Ansicht eines weiteren pyroelektri­ schen Infrarotsensors gemäß dem Stand der Technik.

In Fig. 1 weist eine pyroelektrische Infrarotsensorvorrichtung 10 eine pyroelektri­ sche Einheit 12 mit planarer rechteckiger Form und definierter Dicke t auf. Die pyro­ elektrische Einheit 12 weist eine Anzahl von pyroelektrischen Schichten 14 auf, wo­ bei rechteckige, plattenartige interne Elektroden 16 beispielhaft zwischen den pyro­ elektrischen Schichten 14 ausgebildet sind. Mit anderen Worten sind die internen Elektroden 16 derart innerhalb der pyroelektrischen Einheit 12 angeordnet, daß die­ se in Richtung der Breite der pyroelektrischen Einheit 12 bestimmte Abstände auf­ weisen.

In diesem Fall umfassen die internen Elektroden 16 solche, die sich von einer Seite der pyroelektrischen Einheit zu der anderen Seite senkrecht zu der Längsrichtung der pyroelektrischen Einheit erstrecken, wobei die übrigen Elektroden 16 sich von der anderen Seite zu der einen bzw. ersten Seite derart erstrecken, daß die jeweili­ gen Elektroden abwechselnd ausgebildet sind. Diese internen Elektroden 16 sind derart ausgebildet, daß bestimmte Kanten abwechselnd an beiden Endflächen frei­ liegen, d. h. bei der einen Endfläche und der anderen Endfläche, dies senkrecht zur Längserstreckung der pyroelektrischen Einheit 12.

Ferner sind externe Elektroden 18, 18 jeweils an der einen und der anderen Endflä­ che der pyroelektrischen Einheit 12 senkrecht zu ihrer Längsrichtung ausgebildet und mit den internen Elektroden 16 verbunden. Zusätzlich sind die Seitenkanten der internen Elektroden 16 auf den oberen und unteren Flächen der pyroelektrischen Einheit 12 in der dargestellten Weise ausgesetzt bzw. freiliegend. Insbesondere ist die pyroelektrische Einheit 12 derart aufgebaut, daß bestimmte Seitenkanten der internen Elektroden 16 senkrecht zur Erstreckung in Richtung der Dicke auf der obe­ ren Fläche der pyroelektrischen Einheit 12 freiliegen, während die entgegengesetz­ ten Seitenkanten der internen Elektroden 16 senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Dicke auf der unteren Fläche freiliegen.

Bei der pyroelektrischen Infrarotsensorvorrichtung 10 gemäß der dargestellten Aus­ führungsform ist die obere Fläche der pyroelektrischen Einheit 12, auf der die be­ stimmten Seitenkanten der internen Elektroden freiliegend sind, als sogenannte In­ frarotlicht-Empfangsebene zum Empfang von Infrarotstrahlung ausgebildet. In dieser pyroelektrischen Infrarotsensorvorrichtung 10 wird die Polarisationsbehandlung zwi­ schen den internen Elektroden 16 durch Anlegen einer Gleichspannung an die ein­ ander gegenüberliegenden äußeren Elektroden 18 durchgeführt. Mit anderen Wor­ ten wird bei dieser pyroelektrischen Infrarotsensorvorrichtung 10 die Polarisations­ behandlung bezüglich der Infrarotlicht-Empfangsebene in horizontaler Richtung aus­ geführt.

Im folgenden wird nun beispielhaft ein Herstellungsverfahren der pyroelektrischen Infrarotsensorvorrichtung 10 der Fig. 1 unter Bezugnahme auf Fig. 2A bis 2F erläu­ tert.

Zur Herstellung der in Fig. 1 dargestellten pyroelektrischen Infrarotsensorvorrichtung 10 wird zunächst eine pyroelektrische Keramik mit einer Dicke von beispielsweise 50 mm bis 100 mm hergestellt, welche zur Bereitstellung einer bestimmten Form ei­ ner Läppbehandlung unterzogen wird. Wenn dies erfolgt ist, wie in Fig. 2A darge­ stellt, wird eine Lage 14a aus pyroelektrischer Keramik, welche eine pyroelektrische Schicht 14 darstellt, mit einer rechteckigen Form und in vorbestimmter Größe her­ gestellt. In gleicher Weise wird eine Anzahl von Lagen 14a aus pyroelektrischer Ke­ ramik hergestellt. Tetragonalsystem-Bleititan Keramikmaterialien können hierbei vor­ zugsweise als Materialien verwendet werden.

Dann wird ein leitendes Muster 16a aus Elektrodenmaterial, welches als interne Elektrode 16 dient, mittels Drucktechniken wie etwa dem Siebdruckverfahren, auf den jeweiligen Lagen 14a aus pyroelektrischem Keramikmaterial gebildet. In dieser Ausführungsform, wie in Fig. 2B gezeigt, sind die Elektrodenmuster 16a als zwi­ schenliegende Schichten jeweils auf den Lagen 14a aus pyroelektrischem Keramik­ material ausgebildet, wobei die Elektrodenmuster auf den oberen und unteren pyro­ elektrischen Schichten nicht ausgebildet sind. Diese Elektrodenmuster 16a werden in der Weise gebildet, daß ihre Kanten abwechselnd auf beiden Endkanten der py­ roelektrischen Keramiklagen 14a senkrecht zu deren Längsrichtung frei liegen bzw. ausgesetzt sind. Typischerweise werden Gold (Au) Silber (Ag), Aluminium (Al) oder ähnliche Materialien vorzugsweise als Elektrodenmaterial für die internen Elektroden 16 verwendet; es können jedoch alternativ hierzu Legierungen aus Nickel (Ni), Chrom (Cr) o. ä. verwendet werden.

Anschließend werden diese pyroelektrischen Keramiklagen 14a laminiert und anein­ andergeklebt und zusammen unter Verwendung eines eine Multischicht-Laminationsstruktur 20 aus pyroelektrischem Keramikmaterial bildenden Klebers ge­ härtet, wie in Fig. 2C dargestellt. Es sei angemerkt, daß die pyroelektrische Kera­ miklaminierungsstruktur 20 auch mittels eines die Schritte des Laminierens der py­ roelektrischen Keramiklagen 14a und ihres Zusammenklebens mittels eines Brenn­ verfahrens aufweisenden Verfahrens gebildet werden kann.

Ferner wird (nicht dargestellte) Metallpaste auf den entgegengesetzten Endflächen dieser pyroelektrischen Keramiklaminierungsstruktur 20 senkrecht zu ihrer Längs­ richtung aufgebracht, wobei die Paste bzw. Pasten zur Bildung der externen Elektro­ den 18 aus einem ausgewählten Elektrodenmaterial bestehen. Anschließend wird diese Laminierungsstruktur 20 zum Zwecke des Härtens gebrannt. Hierdurch wer­ den, wie in Fig. 2D dargestellt, externe Elektroden 18a auf beiden Endflächen der pyroelektrischen Keramiklaminierungsstruktur 20 senkrecht zu ihrer Längsrichtung gebildet.

Die pyroelektrische Keramiklaminierungsstruktur 20 wird dann über die entgegenge­ setzten externen Elektroden 18a einer Polarisationsbehandlung zwischen den inter­ nen Elektroden 16a unterzogen. Hierbei wird eine Gleichspannung beispielsweise von 2,0 bis 2,0 Kilovolt pro Millimeter (kV/mm) zwischen den externen Elektroden 18a für 60 Minuten bei Temperaturen von 100°C bis 150°C angelegt.

Danach wird, wie durch die gestrichelte Linie in Fig. 2E dargestellt, die pyroelektri­ sche Keramiklaminierungsstruktur 20 mit Abständen einer bestimmten Dicke t senk­ recht zur Ebene der internen Elektroden 16 aufgeschnitten, wodurch eine Anzahl von pyroelektrischen Einheiten 12 gebildet wird, von denen jede identisch den in Fig. 1 und Fig. 2F gezeigten sein kann.

Es sei angemerkt, daß das Herstellungsverfahren der pyroelektrischen Infrarotsen­ sorvorrichtung 10 nicht auf das oben dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt sein soll. Die pyroelektrische Infrarotsensorvorrichtung 10 kann alternativ hierzu mit­ tels eines weiter unten erläuterten Herstellungsverfahrens hergestellt werden. Zu­ nächst wird eine Lage aus Basismaterial hergestellt, welche aus einer Lage aus grü­ nem bzw. rohem pyroelektrischen Keramikmaterial besteht. Diese Basismateriallage wird zu einem Dünnfilmlagenteil (Form eines dünnen Plättchens) mit einer Dicke von beispielsweise 30 bis 80 Mikrometern mittels pyroelektrischer Materialaufschläm­ mung geformt. Die Basismateriallage wird in geeigneter Weise in eine bestimmte Form geschnitten, wodurch eine Anzahl von pyroelektrischen Lagen gebildet wird.

Anschließend werden Elektrodenmuster, die aus ausgewähltem bzw. geeignetem Elektrodenmaterial gebildet sind, beispielsweise mittels Drucktechniken auf die py­ roelektrischen Lagen aufgebracht. Hierbei können beispielsweise die oben beschrie­ benen Herstellungsverfahren verwendet werden. Diese pyroelektrischen Lagen wer­ den mittels lötlosem Kontaktbonding bzw. Kontaktkleben aufeinander laminiert in einer Anordnung, die der oben beschriebenen Herstellungsmethode entspricht; dann wird die resultierende Struktur gebrannt und ergibt eine einstückige bzw. integrale pyroelektrische Lagenlaminierungsstruktur. Ferner werden externe Elektroden aus Elektrodenmaterial auf beiden Endflächen der pyroelektrischen Lagenlaminie­ rungsstruktur gebildet; anschließend wird zwischen den externen Elektroden in einer ähnlichen Weise wie oben beschrieben eine Polarisationsbehandlung durchgeführt. Dann wird die pyroelektrische Lagenlaminierungsstruktur in einer bestimmten Dicke in der Richtung senkrecht zu der Hauptebene der internen Elektroden geschnitten, wodurch pyroelektrische Einheiten 12 gebildet werden.

Eine mittels der beschriebenen Herstellungsverfahren hergestellte pyroelektrische Einheit 12 ist derart aufgebaut, daß die laminierten und mit bestimmten Abständen zueinander angeordneten internen Elektroden 16 auf entgegengesetzten Endflächen der pyroelektrischen Einheit 12 senkrecht zu deren Längsrichtung freiliegen, wo­ durch die externen Elektroden 18 mit den internen Elektroden 16 verbunden sind. Ferner sind beide seitliche Endkanten der internen Elektroden 16 senkrecht zu deren Breite auf den oberen und unteren Flächen der pyroelektrischen Einheit 12 freilie­ gend bzw. ausgesetzt, wie dargestellt; in dieser Ausführungsform dient die obere Fläche als Infrarotlicht-Empfangsebene. Die pyroelektrische Einheit 12, die in dieser Weise hergestellt ist, ist zur Verwendung mit Infrarotlicht-Sensormodulen adaptier­ bar.

Unter Bezug auf Fig. 3 weist ein pyroelektrisches Infrarotsensormodul 30 entspre­ chend einem möglichen Beispiel, welches die in Fig. 1 und 2 dargestellten pyroelek­ trischen Infrarotsensorvorrichtungen verwendet, einen Fuß 32 auf. Die oben disku­ tierte pyroelektrische Infrarotsensorvorrichtung 10 ist auf dem Fuß 32 angeordnet. Auf dem Fuß 32 ist ebenfalls ein Feldeffekttransistor (FET) 34 in einem bestimmten Abstand von der pyroelektrischen Infrarotsensorvorrichtung 10 angeordnet. Ferner sind auf dem Fuß 32 Anschlußstifte 36a, 36b und 36c für eine elektrische Verbin­ dung angeordnet. Der Gateanschluß bzw. Steueranschluß des FET 34 ist beispiels­ weise mit einer externen Elektrode 18 mittels eines Elektrodenmusters 38 verbun­ den.

Der Drain-Anschluß des FET 34 ist mittels eines leitenden Drahtes mit Anschlußstift 36a verbunden. Der Source-Anschluß des FET 34 ist mittels eines leitenden Drahtes 42 mit dem Anschlußstift 36b verbunden. Der Anschlußstift 36c wird als Massean­ schluß verwendet, welcher mittels eines leitenden Drahtes 44 mit der anderen exter­ nen Elektrode 18 der pyroelektrischen Infrarotsensorvorrichtung 10 verbunden ist.

Wie der Fig. 4 zu entnehmen ist, ist ein Widerstand 46 zur Umwandlung des pyro­ elektrischen Stromes in eine entsprechende Spannung parallel zur pyroelektrischen Infrarotsensorvorrichtung 10 geschaltet. Es sei angemerkt, daß als Widerstand 46 ein Chipbauteil verwendet werden kann, oder alternativ hierzu kann der Widerstand 46 aus einem auf den Fuß 32 aufgedruckten Widerstandsmuster gebildet sein.

Ein zugeordnetes Dosengehäuse 50 weist einen Querschnitt in Form einer eckigen Klammer (]) auf. Das Dosengehäuse 50 weist eine obere Platte oder "Decke" mit einem durchgehenden Loch 50a im wesentlichen rechteckiger Form in seiner Mitte auf. Ein optischer Filter 48 ist an der Innenfläche der Deckplatte des Gehäuses 50 befestigt und gewährleistet, daß Filter 48 die pyroelektrische Infrarotsensorvorrich­ tung 10, die auf dem Substrat aufgebracht ist, überdeckt, so daß die Sensorvorrich­ tung 10 einfallende Infrarotstrahlen, welche von einem zu detektierenden bzw. nach­ zuweisenden Objekt abgestrahlt sind, durch Filter 48 hindurch empfangen kann. Das Dosengehäuse 50 ist mit dem Fuß 32 verbunden bzw. verklebt. Der durch den opti­ schen Filter 48, das Dosengehäuse 50 und den Fuß 32 definierte Innenraum kann nach außen bzw. gegenüber der Umwelt versiegelt sein.

Der pyroelektrische Infrarotsensor gemäß Fig. 3 weist ein Ersatzschaltbild auf, wie in Fig. 4 dargestellt. Bei diesem pyroelektrischen Infrarotsensormodul 30 wird, wenn Wärmeenergie bei Auftreffen von Infrarotstrahlung auf der oberen Fläche (Lichtempfangsfläche) der pyroelektrischen Infrarotsensorvorrichtung 10 einwirkt bzw. erzeugt wird, ein pyroelektrischer Strom in der pyroelektrischen Infrarotsensor­ vorrichtung 10 verursacht. Dieser pyroelektrische Strom kann durch Verwendung des synthetischen bzw. künstlichen Widerstandes des Widerstands 46 und den inhä­ renten elektrischen Widerstand der Sensorvorrichtung 10 an sich als Spannung er­ halten werden. Diese Spannung wird auf das Gate-Terminal des FET 34 gegeben. Zu diesem Zeitpunkt wird eine Vorspannung auf den Drain-Anschluß des FET 34 gegeben, wobei der Source-Anschluß des FET 34 mit Masse verbunden ist.

Dementsprechend wird der resultierende pyroelektrische Strom in der pyroelektri­ schen Infrarotsensorvorrichtung 10 durch eine Kombination der pyroelektrischen In­ frarotsensorvorrichtung 10, des Widerstands 46 und des FET 34 in eine Ausgangs­ spannung impedanzgewandelt, welche von dem Anschlußstift 36b abgeleitet wird.

Bei diesem pyroelektrischen Infrarotsensor 30 sind, da die pyroelektrische Infrarot­ sensorvorrichtung 10 unter Verwendung der in Fig. 2 dargestellten Herstellungsver­ fahren gebildet ist, die inneren Elektroden 16 derart angeordnet, daß sie senkrecht zu der Breitenrichtung der pyroelektrischen Einheit 12 einander gegenüberliegen, wobei die pyroelektrische Einheit 12 bezüglich ihrer Infrarotlicht-Empfangsebene in horizontaler Richtung polarisiert ist. Aus diesem Grunde kann eine pyroelektrische Infrarotsensorvorrichtung 10 erhalten werden, welche, im Gegensatz zu dem bei­ spielsweise in Fig. 7 und 8 dargestellten Stand der Technik, nicht mehr von der Dic­ ke bzw. Dickenrichtung des pyroelektrischen Körpers abhängt.

Ferner ist die pyroelektrische Infrarotsensorvorrichtung 10 derart ausgebildet, daß sie eine abwechselnde Laminierungsstruktur von pyroelektrischen Schichten 14 und internen Elektroden 16 aufweist. In diesem Falle sind die pyroelektrischen Schichten 14 in ihrer Dicke pro Schicht vermindert, wobei die einander gegenüberliegenden internen Elektroden 16 in der pyroelektrischen Einheit 12 bezüglich der Elektroden­ fläche als Ergebnis der Laminierung einer Vielzahl von Schichten vergrößert sind.

Daraus folgt, daß eine elektrische Kapazität (elektrostatische Kapazität) entspre­ chend der benötigten pyroelektrischen Spannung erhalten werden kann. Ferner kann, wegen der Laminierungsstruktur der pyroelektrischen Schichten 14 und der internen Elektroden 16, dieser pyroelektrische Infrarotsensor 30 bezüglich seiner eigenen Polarisierbarkeit verbessert werden, was wiederum zu einer Steigerung sei­ ner Empfindlichkeit bzw. Sensitivität führt.

Ferner ist es mit dieser pyroelektrischen Infrarotsensorvorrichtung 10 möglich, die Größe der elektrischen Kapazität durch Vergrößerung/Verkleinerung der Laminie­ rungszahl der internen Elektroden 16 und/oder durch Änderung der Fläche der ein­ ander gegenüberliegenden internen Elektroden 16 variabel bzw. veränderbar aus­ zubilden. Dementsprechend ist es möglich, die relative Detektivität der pyroelektri­ schen Infrarotsensorvorrichtung 10 zu verändern.

Bei dieser Ausführungsform kann die Fläche der internen Elektroden 16 während des Herstellungsvorgangs der pyroelektrischen Infrarotsensorvorrichtung 10 durch Änderung der Dicke der pyroelektrischen Einheit 12 verändert werden, nämlich durch Vergrößerung oder Verkleinerung der Schneiddicke t während des in Fig. 2e dargestellten Schneideschritts.

Bei dieser Ausführungsform ist es durch Vergrößerung der Elektrodenfläche der in­ ternen Elektroden 16 proportional zur Schneiddicke t möglich, lediglich die Fläche der internen Elektroden 16 zu verändern, ohne die Fläche der Lichtempfangsebene der pyroelektrischen Infrarotsensorvorrichtung 10 verändern zu müssen. Daher kann die elektrische Kapazität in gleicher Weise verändert werden. In diesem Falle ist eine auf der oberen Fläche (Lichtempfangsebene) der pyroelektrischen Infrarotsensor­ vorrichtung 10 erzeugte Anzahl von Ladungsträgern proportional zur Lichtempfangs­ fläche, während die Ausgangsspannung umgekehrt proportional zur elektrischen Kapazität ist.

Es ist somit möglich, in geeigneter Weise die Ausgangsspannung dieser pyroelektri­ schen Infrarotsensorvorrichtung 10 durch Veränderung der Größe der elektrischen Kapazität einzustellen.

In diesem Fall werden in Abhängigkeit von der elektrischen Kapazität der internen Elektroden 16, die in der pyroelektrischen Einheit 12 einander gegenüberliegend laminiert sind, und der Ausgangsimpendanz der pyroelektrischen Infrarotsensorvor­ richtung 10, die Weissrauschkomponenten mit bestimmter Frequenz variieren. Es ist daher möglich, die relative Detektivität bzw. Nachweisfähigkeit der pyroelektrischen Infrarotsensorvorrichtung 10 auch durch Veränderung dieser elektrischen Kapazität veränderlich auszubilden.

Da ferner diese pyroelektrische Infrarotsensorvorrichtung 10 mittels der oben unter Bezugnahme auf Fig. 2 erläuterten Herstellungsmethode hergestellt ist, muß im Ge­ gensatz zu den beispielsweise in Fig. 7 und 8 dargestellten Sensorvorrichtungen 1, 5 gemäß dem Stand der Technik der pyroelektrische Körper nicht mehr dünner bzw. möglichst dünn ausgebildet werden. Aus diesem Grunde weist die Sensorvorrichtung gemäß den Ausführungsformen der Fig. 1 und 2 eine größere mechanische und thermische Stärke auf, wodurch eine Verschlechterung der elektrischen Eigenschaf­ ten, welche andernfalls auftreten würden, vermieden werden kann. Diese Vorrich­ tung 10 kann ferner allein durch Verwendung des pyroelektrischen Körpers einen Kriechstrom- bzw. Kriechverlustwiderstand bilden.

Ein weiterer Vorteil dieser pyroelektrischen Infrarotsensorvorrichtung 10 liegt darin, daß jegliche Art von Halterungsverfahren oder Wärmeisolierung, wie sie beispiels­ weise bei den in Fig. 7 und 8 dargestellten herkömmlichen Vorrichtungen 1, 5 ver­ wendet wurden, nicht mehr benötigt werden, wodurch die Bildung der Infrarotlicht-Empfangsebene erleichtert ist. Daher kann die pyroelektrische Infrarotsensorvorrich­ tung 10 die Produktionsrate verbessern, wobei gleichzeitig die Komplexität und die Kosten der Herstellung vermindert sind.

Aus den vorbeschriebenen Erläuterungen wird deutlich, daß es mit der pyroelektri­ schen Infrarotsensorvorrichtung 10 gemäß dieser Ausführungsform es möglich ist, die relative Detektivität bzw. Nachweisrate zu verbessern, wobei diese gleichzeitig veränderlich gestaltet werden kann. Ferner ist es möglich, die Herstellung in stabiler Weise durchzuführen, wobei die Herstellungskosten ohne Abstriche bei den elektri­ schen Eigenschaften vermindert werden können.

Da ferner bei der pyroelektrischen Infrarotsensorvorrichtung 10 die internen Elektro­ den 16, welche zwischen der Anzahl der pyroelektrischen Schichten 14 innerhalb der pyroelektrischen Einheit 12 angeordnet bzw. "gesandwiched" sind, elektrisch parallel verbunden sind, ist es ferner möglich, den gesamten dielektrischen Widerstand der pyroelektrischen Infrarotsensorvorrichtung 10 zu vermindern. In diesem Fall beträgt der dielektrische Widerstand typischerweise 10¹¹ Ohm; dieser dielektrische Wider­ standswert kann beispielsweise bei Verwendung von 100 Schichten auf 10⁹ Ohm vermindert werden.

Als Folge hiervon ist die Verwendung einer Impedanzwandlungsschaltung unter Verwendung eines FET 34 wie bei dem in Fig. 3 dargestellten pyroelektrischen Infra­ rotsensor 30 nicht mehr notwendig. Er kann daher direkt an eine Verstärkungsschal­ tung, welche einen in Fig. 5 dargestellten Operationsverstärker 62 aufweist, ange­ schlossen werden. In diesem Fall ist der nichtinvertierende Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 62 mit der externen Elektrode der pyroelektrischen Infrarot­ sensorvorrichtung 10 verbunden, wodurch ein elektrisches Signal mit geringem Wi­ derstand von der pyroelektrischen Infrarotsensorvorrichtung 10 ausgesendet werden kann, wobei das Signal dann durch die Verstärkerschaltung 60 verstärkt und von einem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 62 ausgegeben wird.

Es sei angemerkt, daß während die pyroelektrische Infrarotsensorvorrichtung 10 entsprechend der obigen Ausführungsform derart ausgebildet ist, daß sie mit einem pyroelektrischen Infrarotsensor 30 mit einem Aufbau vom hermetisch abgeschlosse­ nen Typ, wie beispielhaft in Fig. 3 dargestellt, verwendbar ist, sie auch bei einem pyroelektrischen Infrarotsensor 70 in Form des in Fig. 6 dargestellten aufgelöteten Komponententyps verwendet werden kann.

Im einzelnen ist die pyroelektrische Infrarotsensorvorrichtung 10 bei dem pyroelektri­ schen Infrarotsensor 70, welcher in Fig. 6 gezeigt ist, im Gegensatz zu dem pyro­ elektrischen Infrarotsensor 30 der Fig. 3, insbesondere auf einem dielektrischen Substrat 72 beispielsweise aus Aluminium gehaltert, wobei beabstandete Elektro­ denmuster 74a, 74b in einem bestimmten Abstand auf einer Seitenendfläche des dielektrischen Substrats 72 senkrecht zu dessen Breitenerstreckung ausgebildet sind. Zusätzlich ist ein Elektrodenmuster 74c als Masseanschluß auf der verbleiben­ den Seitenendfläche des dielektrischen Substrats ausgebildet. Der Drain-Anschluß des FET 34 ist mittels eines leitenden Drahtes mit dem Elektrodenmuster 74a ver­ bunden. Ferner ist der Source-Anschluß des Fet 34 mittels eines leitenden Drahts 42 mit dem Elektrodenmuster 74b verbunden. Ferner ist die andere externe Elektrode 18 der pyroelektrischen Infrarotsensorvorrichtung 10 mittels eines leitenden Musters 76 mit dem Elektrodenmuster 74c verbunden. Es sei angemerkt daß die gleichen Teile oder Komponenten, gemäß der Ausführungsform der Fig. 3, welche mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind, mit diesen in ihrem Aufbau identisch oder ähnlich sind.

Claims (5)

1. Infrarotstrahlungsempfindliche Vorrichtung (10) mit einer pyroelektrischen Ein­ heit (12), einer Lichtempfangsfläche auf der pyroelektrischen Einheit (12) zum Empfang von von einem zu detektierenden Gegenstand abgestrahlter Infrarot­ strahlung und einem Paar externer Elektroden (18) auf entgegengesetzten Oberflächen der pyroelektrischen Einheit (12), dadurch gekennzeichnet, daß die pyroelektrische Einheit (12) eine Anzahl pyroelektrischer Schichten (14) aufweist, wobei interne Elektroden (16) jeweils zwischen benachbarten pyro­ elektrischen Schichten (14) angeordnet sind, die Kanten der internen Elektro­ den (16) abwechselnd auf jeder der einander entgegengesetzten Oberflächen der pyroelektrischen Einheit (12) freiliegen und mit den externen Elektroden (18) verbunden sind, die pyroelektrische Einheit (12) zwischen den internen Elektroden (16) polarisierbar ist, und die Seitenkanten der internen Elektroden (16) auf der Lichtempfangsfläche freiliegen.

2. Infrarotstrahlungsempfindliche Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die relative Nachweisrate durch Veränderung der Fläche der in­ ternen Elektroden (16) variierbar ist.

3. Infrarotstrahlungsempfindliche Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Nachweisrate durch Veränderung der Anzahl der internen Elektroden (16) variierbar ist.

4. Verfahren zur Herstellung einer pyroelektrischen Infrarotstrahlungssensorvor­ richtung mit folgenden Schritten:

• 1. Herstellung einer Anzahl pyroelektrischer Lagen (14a) aus pyroelektri­ schem Material,
• 2. Bildung einer pyroelektrischen Einheit (20), bei der interne Elektroden (16a) auf entgegengesetzten Oberflächen abwechselnd freiliegen, durch abwechselndes Laminieren der pyroelektrischen Lagen (14a) und der in­ ternen Elektroden (16a),
• 3. Brennen der pyroelektrischen Einheit (20),
• 4. Bildung externer Elektroden (18a) auf jeder der entgegengesetzten Ober­ flächen der pyroelektrischen Einheit (20) derart, daß die externen Elektro­ den (20) mit den internen Elektroden (16a) auf jeder der entgegengesetz­ ten Oberflächen der pyroelektrischen Einheit verbunden sind,
• 5. elektrische Polarisierung der pyroelektrischen Einheit zwischen den inter­ nen Elektroden (16a) über die externen Elektroden (18a), und
• 6. Schneiden der pyroelektrischen Einheit (20) und der externen Elektroden (18a) in einer Richtung senkrecht zu den internen Elektroden (14a) derart, daß die internen Elektroden (16a) mit jeweiligen Endbereichen auf der Schneidefläche freiliegen, wobei die Schneidefläche als Lichtemp­ fangsebene zum Empfang von Infrarotstrahlung, welche von einem zu detektierenden Gegenstand abgestrahlt wird, dient.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Schneidens der pyroelektrischen Einheit (20) ferner einen Schritt umfaßt, bei dem durch Änderung der Dicke der zu schneidenden pyroelektrischen Einheit (12) die Fläche der internen Elektroden (16a) variierbar gestaltet wird.