DE2017067B2 - Pyroelektrischer Detektor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen pyroelektrischen Infrarotdetektor für die Wahrnehmung von Infrarotenergie in einem Gesichtsfeld.

Der pyroelektrische, im infraroten Strahlungsbereich empfindliche Detektor ist ein thermischer Detektor. Er bietet eine Anzahl von Vorteilen gegenüber anderen Typen von Infrarot-Detektoren, weil er keine Vorspannung benötigt, eine gleichmäßige Empfindlichkeit über einen weiten Bereich im infraroten Spektrum hat, keiner Kühlung bedarf und das Signal-Rauschverhältnis über einen Frequenzbereich von 0bis 1000 Hertz nahezu konstant ist. Da der Detektor nicht vorgespannt wird, wird kein 1/f (Niederfrequenz) Rauschen in dem Detektor erzeugt und diese Eigenschaft macht den Detektor besonders für Abtastsysteme geeignet, in denen l/f Rauschen mit dem Signal bei niederen Frequenzen interferieren würden. Eine Ausführungsform der Konstruktion eines pyro-

H) elektrischen Infrarot-Detektors ist in der älteren deutschen Patentanmeldung P 1814376.5 (nachveröffentlichte DE-OS 1 «14376) beschrieben. Bei dieser Ausführungsform sind in einem evakuierten Hohlraum ein pyroelektrischer Kristall mit den dazugehö-

i) rigen Elektroden zusammen mit der ersten, aus einem Feldtransistor bestehenden Verstärkerstufe, und einem Lastwiderstand für den Feldtransistor angeordnet, der der Anpassung der hohen Ausgangsimpedanz des pyroelektrischen Detektors an die des Feldtransistors dient, so daß die Vorrichtung mit üblichen Verstärkern, Meßgeräten und anderen Auswertungsschaltungen verwendet werden kann.

Es besteht ein großes Interesse an Detektorreihen und Detektorrasterschaltungen für thermische BiId-

2^r> darstellungen. Das Fehlen von Niederfrequenzrauschen, das von dem Detektor erzeugt wird, macht den pyroelektrischen Detektor für diese Zwecke besonders geeignet. Die in der obengenannten deutschen Patentanmeldung beschriebene Konstruktion kann zwar für solche Bilddarstellungssysteme verwendet werden, eine Anordnung von physikalisch getrennten pyroelektrischen Detektoren ist jedoch schwierig herzustellen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird

r> darin gesehen, eine Reihenanordnung von pyroelektrischen Infrarot-Detektoren für die Wahrnehmung von Infrarotenergie in einem Gesichtsfeld zu schaffen, welche sich leichter und einfacher herstellen läßt, hinsichtlich ihrer Größe, Form und Orientierung des Schaltungsrasters eine vielseitigere Verwendung als bekannte Anordnungen ermöglicht, und die im übrigen in der Lage ist, in einem vorgegebenen Raum eine maximale Anzahl von einzelnen Detektoren unterzubringen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Schicht aus pyroelektrischem Material, eine gemeinsame Elektrode auf einer Seite dieser Schicht aus dem pyroelektrischen Material, die für die infrarote Strahlung, welche auf sie auffällt, transparent ist und

M die dieser einfallenden Strahlung zugekehrt ist, eine Vielzahl von einzelnen Feldbegrenzungselektroden, die auf der Schicht aus dem pyroelektrischen Material und zwar auf der der gemeinsamen Elektrode angewandten Seite dieser Schicht angeordnet sind und Ausgangsleitungen, die mit der gemeinsamen Elektrode und der Vielzahl von einzelnen Feldbegrenzungselektroden verbunden sind.

Der erinnerungsgemäße pyroelektrische Infrarot-Detektor ist einfacher und zuverlässiger als eine Reihe von getrennten Detektoren, außerdem ist sie leichter herzustellen, da sich die Leitungen auf der Schicht aus pyroelektrischem Material im Vakuum abscheiden lassen. Dies verringert die Anzahl von gesonderten elektrischen Verbindungen für die Elektroden, da auch diese Verbindungen als Schaltungsmuster auf die Schicht aufgebracht werden können.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung ist im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der pyroelektrischen Oetektoran-Ordnung nach der Erfindung;

Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Schniüansicht der pyroelektrischen Detektoranordnung nach Fig. 1, wobei die Art der Elektrodenkonstruktion, die gemäß dieser Erfindung Verwendung findet, veranschaulicht wird.

In den Fig. 1 und 2 und insbesondere in Fig. 2 ist die pyroelektrische Detektoranordnung nach der Erfindung mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Wie am besten aus Fig. 2 ersehen werden kann, besteht i> die pyroelektrische Anordnung aus einer sehr dünnen Platte aus pyroelektrischem kristallinem Material 12, die zwischen einer gemeinsamen Elektrode 14 und einer Vielzahl von Feldeiektroden 15 angeordnet ist. Das pyroelektrische, kristalline Material ist eine Form von Ferroelektrikum, das elektrisch polarisiert werden kann. Solche Materialien zeigen temperaturabhängige Ladungseffekte und weisen temperaturabhängige Dielektrizitätskonstanten auf. Da gemäß der Erfindung eine Reihe oder ein Raster auf das pyro- >5 elektrische Material aufgebracht wird, wird zusätzlich gefordert, daß das pyroelektrische Material ein niederes Wärmediffusionsvermögen hat. Triglycinsulfat (TGS) ist eines der pyroelektrischen Materialien, die für diesen Zweck geeignet sind. i<>

Die gemeinsame transparente Elektrode 14 ist eine einheitliche Elektrode, die auf der der einfallenden Strahlung zugekehrten Seite der Anordnung vorgesehen ist. Die Elektrode 14 kann aus einer Nickelchromschicht mit einem Widerstand von 1000 bis J5 10000 Ohm/cnr bestehen. Die Elektrode 14 kann auf das pyroelektrische Material 12 im Vakuum abgeschieden werden und die Elektrodenstärke kann innerhalb bestimmter Grenzen eingestellt werden, so daß ein ausreichender Leiter mit einem minimalen Reflexionsvermögen und einem minimalen Absorptionsvermögen der einfallenden Strahlenenergie durch die Elektrode erhalten wird. Die Verwendung der transparenten Elektrode 14 beseitigt die Notwendigkeit eines Schwärzungsmittels, was die Konstruktion vereinfacht und die thermisch wirksame Masse des Detektors verringert. Dies erlaubt auch eine Anordnung, bei der die Feldelektroden 15 auf der Rückseite des pyroelektrischen Materials elektrisch leicht angeschlossen werden können, wie noch später ausge- >o führt werden wird. Die Tatsache, daß die gemeinsame Elektrode 14 transparent ist, gestattet, daß die Energie direkt in dem kristallinen Material 12 absorbiert wird. Das pyroelektrische Material, wie z. B. TGS absorbiert stark im infraroten Bereich von 2 bis 35 μ Wellenlänge.

Auf der der transparenten Schicht abgewandten Seite der gemeinsamen Elektrode 14 ist eine Reihe aus getrennten Feldelektroden 15 abgeschieden. Die Formgröße oder Orientierung der Raster aus den Feldelektroden werden dem Verwendungszweck in beliebiger Weise angepaßt. Die Elektroden 15 werden verwendet, um den empfindlichen Bereich jedes Detektorelements in der Reihe zu definieren und sie bilden die anderen Elektroden der Kondensatoren. Der Detektorbereich und der Abstand werden von diesen" einzelnen Feldelektroden 15 bestimmt und diese können genau mittels Vakuumabscheidung durch Öffnungen in Masken hergestellt werden, die in einem Fotoätzverfahren erzeugt werden. Es kann deshalb eine weite Variation von Konfigurationen leicht vorgesehen werden. Natürlich hängt der Reihenabstand vom Verwendungszweck und der Modulation der einfallenden Strahlung ab. Es wurde gefunden, daß gemäß der Erfindung das thermische Diffusionsvermögen von TGS eine thermische Nebenstromdämpfung vor weniger als 1 % für eine Modulation von zwei Zy-Hen oder mehr mit Elektroden von 6 mm², die 0,6 mm weit entfernt sind, erzeugt.

Dieser eben beschriebene Aufbau ist das Herz der Erfindung und bietet viele Vorteile im Gebrauch der Vorrichtung und außerdem wird die Konstruktion hierdurch vereinfacht.

Fig. 1 zeigt ein brauchbares Konstruktionsbeispiel. Da die Detektoren Kondensatoren sind, ist die elektrische Impedanz bei niederen Frequenzen extrem hoch und um den pyroelektrischen Detektor voll auszunützen, muß der elektrische Ausgang an einen Verstärker mit extrem hoher Impedanz gelegt werden. Zu diesem Zweck sind Feldeffekttransistoren oder kurz Feldtransistoren äußerst brauchbar, da sie eine sehr hohe Eingangsimpedanz haben und eine vollkommene Impedanztransformationseinrichtung für den pyroelektrischen Detektor darstellen. Die einzige Forderung an den Feldtransistor ist, daß er einen sehr großen Eingangswiderstand hat, der den Detektor belastet. Dieses Konzept wurde bereits in der obenerwähnten deutschen Patentanmeldung erörtert. Seine Wichtigkeit im Hinblick auf diese Erfindung hängt mit der Konstruktion der Reihenanordnung und mit der Variierbarkeit, mit der diese Prinzipien gemäß dieser Erfindung durchgeführt werden, zusammen.

Die Anordnung 10 ist auf einem Mylarstreifen 18 (Wz für Polyglycoltherephthalat) über einer in einer Unterlage 20 befindlichen Vertiefung 22 angeordnet. Ein Leitungsraster 24 ist auf dem Mylar-Streifen 18 und auf der Unterlage 20 abgeschieden, so daß eine Leitung für jede Feldelektrode 15 vorgesehen ist. Jede Feldelektrode hat ihre eigene schmale Leitung 16, die mit dem Leitungsraster 24 leitend verbunden ist, so daß dadurch die Außenanschlüsse an jede Feldelektrode 15 gegeben sind. Ein Lastwiderstandsraster 26 ist zwischen dem Leitungsraster 24 vorgesehen.

Durch Verwendung von Leitungs- und Lastwiderstandsrastern und durch Anwendung des Konzepts der Kriechströme verschiedener Materialien kann deshalb ein Widerstand von beliebigem Wert vorgesehen werden, indem nur die Geometrie des Schalt- oder Verbindungsrasters variiert wird. Der wichtigste Parameter ist der Materialspalt zwischen zwei Elektroden auf derselben Fläche. Unter Berücksichtigung dieser Tatsache wird ein Widerstand in der Größen-Ordnung von 10'^: Ohm zu einem integralen Teil des Schaltrasters gemacht, um einen Lastwiderstand für jedes kapazitive Detektorelement in der Reihenanordnung zu erhalten. Die Feldtransistorpakete 28 und 30 sind mit dem Leitungsraster 24 unter Verwendung eines leitfähigen Epoxiharzes verbunden, ebenso die Verbindungsleitung 16 von jeder Feldelektrode 15 zu dem Leitungsraster 24.

Bei Verwendung der dargestellten Vorrichtung muß Hie Detektoranordnung in einem Vakuum angeordnet werden, wie das bei dem Gegenstand nach der obengenannten deutschen Patentanmeldung der Fall ist, da der spezifische Oberflächenwiderstand der Lastwiderstände feuchtigkeitsempfindlich ist und mit

der Feuchtigkeit sich ändert. Bei dem dargestellten Anwendungsbeispiel kann die Unterlage 20 aus Glas oder einem anderen geeigneten Material bestehen, das den entsprechenden Kriechwiderstand hat, um den hohen Widerstandswert des Lastwiderstandes zu erzeugen. In Fällen, wo dies nicht erforderlich ist, können verschiedene Materialien oder Unterlagen verwendet werden, z.B. kann eine vollständige Mylar-Unterlage angewandt werden, wenn dies gewünscht wird.

Verschiedene optische Einrichtungen, die die Strahlung auf die transparente Elektrode 14 bündeln und abbilden, können verwendet werden. Außerdem kann die Detektoranordnung im Vakuum angeordnet sein, wenn der jeweilige Verwendungszweck dies erfordert. Die Verwendung der transparenten Elektrode mit den Feldbegrenzungselektroden oder kurz Feldelektroden auf der anderen Seite, die von der einfallenden Strahlung abgelegen ist, bietet eine Anzahl von Konstruktionsvorteilen. Die pyroelektrische Anordnung 10 kann durch Läppen eines großen Kristallstücks bis herunter zu einer Dicke in der Größenordnung von Eintausendstel mm hergestellt werden Dann erfolgt die Vakuumabscheidung der transparenten Elektrode auf einer Seite des kristallinen Materials 12 sowie die Vakuumabscheidung der Few's elektroden 15 und deren Verbindungen 16 auf dei anderen Seite. Die Leitungs- und Widerstandsraste! werden im Vakuum auf der Unterlage 20 abgeschieden und der Streifen 18 sowie die Feldelektroden werden über Leitungen 16 mit dem im Vakuum abge-κι schiedenen Leitungsraster unter Verwendung vor leitfähigen Epoxiharzen verbunden. In derselber Weise werden die Feldtransistorpakete 28 und 30 angeschlossen. Die einzigen äußeren Leitungen, die erforderlich sind, sind die Erdleitungen 32, die die ge-ι") meinsamc transparente Elektrode mit der Erde verbinden. Die Anordnung nach der Erfindung isi leichter zusammenzusetzen als physikalisch voneinander getrennte Detektoren. Die Schaltung der Anordnung nach der Erfindung ermöglicht das Einbrin· gen von elektrischen Komponenten in das Leitungsra stcr, so daß die gesamte Detektoranordnung auch aui diese Weise eine integrierte Schaltung bildet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Pyroelektrischer Infrarotdetektor für die Wahrnehmung von Infrarotenergie in einem Gesichtsfeld, gekennzeichnet durch

a) eine Schicht (12) aus pyroelektrischem Material,

b) eine gemeinsame Elektrode (14) auf einer Seite dieser Schicht (12) aus dem pyroelektrischen Material, die für die infrarote Strahlung, welche auf sie auffällt, transparent ist und die dieser einfallenden Strahlung zugekehrt ist,

c) eine Vielzahl von einzelnen Feldbegrenzungselektroden (15), die auf der Schicht (12) aus dem pyroelektrischen Maierial und zwar auf der der gemeinsamen Elektrode abgewandten Seite dieser Schicht (12) angeordnet sind und

d) Ausgangsleitungen (16, 24, 32), die mit der gemeinsamen Elektrode (14) und der Vielzahl von einzelnen Feldbegrenzungselektroden (15) verbunden sind.

2. Detektor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Unterlage (20) aus isolierendem Material, auf die ein Leitungsraster (24) abgeschieden ist, wobei die Detektoranordnung (10) auf dieser Unterlage so befestigt ist, daß die Ausgangsleitungen (16) mit dem Leitungsraster (24) in leitender Verbindung stehen.

3. Detektor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Unterlage (20) aus isolierendem Material mit einer Vertiefung (22), einer isolierenden Schicht (18), die diese Vertiefung überdeckt, einem Leitungsraster (16) auf der Unterlage und einem Leitungsraster (24) auf der isolierenden Schicht, wobei die Anordnung, die auf der isolierenden Schicht vorgesehen ist, mit ihren Ausgangsleitungen (16) in leitfähiger Verbindung mit dem Leitungsraster (24) steht.

4. Detektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dab das Leitungsraster (24) einen elektrischen Widerstand für jede Feldbegrenzungselektrode (15) und einen Feldeffekttransistor (28) aufweist, der mit jedem Widerstandselement verbunden ist.

5. Detektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (12) aus pyroelektrischem Material und die damit verbundenen Elektroden in der Mitte auf der Unterlage (18) angeordnet sind, und daß sich das Leitungsraster (16, 18) zu beiden Seiten derselben erstreckt.