DE2213060C3 - Infrarotintensitätsdetektor mit einem polarisierten pyroelektrischen Keramikkörper - Google Patents
Infrarotintensitätsdetektor mit einem polarisierten pyroelektrischen KeramikkörperInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Infrarotintensitätsdetektor mit einem polarisierten, pyrottlektrischen
Keramikkörper, der aus einem Blei und mindestens ein weiteres Metall enthaltenden Titanat
liesteht, und mit wenigstens einem Paar Elektroden,
die auf sich in Polarisationsrichtung gegenüberliegenden
Seiten des Keramikkörpers angeordnet sind.
Ein auf Infrarotsirahlen empfindlicher Infrarotintensitätsdctektor
ist nützlich zur Ermittlung relativ niedriger Temperatur oder Temperaturveneilung
einer Materialfläche von einer von dieser Materialtläche
fernliegenden Stellung, da die Oberfläche des Materials mit relativ niedriger Temperatur Infrarotstrahlen
ausstrahlt, die in einem Spektrum liegen, in tlem sich ein Spitzenwert bei einer Wellenlänge von
etwa IO Mikron befindet.
Es wurden bereits zahlreiche gegenüber Infrarotstrahlen
empfindliche Infrarotdetektoren entwickelt, von denen einer ein Photoleiterdetcktor, beispielsweise
ein Germanium-infrarotde:ektor, ist. Ds.se Art
Detektor hat eine ausgezeichnete Empfindlichkeit und eine hohe Ansprechfähigkeit, obwohl diese Art
Detektor darin nachteilig ist. daß der Detektor nur in einem begrenzten \VellcnIän>:enbercich arbeiten
kann und mir hei niedriger Umgebungstemperatur
betrieben werden kann. Ein anderer Infrarotdetektor ist ein Thermisiorbolomeler (ThermoumformcrV
Wenn dasThermistorbolometer zwar in einem weiten
Weüenlängenbereicli arbe'ten kann und bei einei
hohen I'mgcbungstcnipeiv.tur betrieben werde!:
kann, muß an es beim Betrieb eine Vor^pamupiu
■ IU(I bis 300 V ar^eleg: werden. Ein weitern
Infrarotdetektor ;■-'. ein pynielektrischer Detektor,
der pyroelektrisch: Kristalle benut/t. die in Abhängigkeit
von Temperaliirändcrungen des Kristall1-,
die durch die daraufgestrahlten Infrarotstrahlen verursacht werden, spontan polarisiert werden. Der
pyroelektrische Infrarotintensitätsdetektor kann in einem weiten Welier.längenbereieh arbeiten und
kann ohne jede Vorspannung entweder in einem niedrigen oder einem hohen Temperaturbereich betrieben
werden. Es ist bekannt, daß der pyroelektrische Elfekt in den folgenden Kristallen stattfindet:
Bariumtitanat, l.ithiumsulfat. Rochellesalz (KNaC1II4O11), Blcititanat, Bleititanatzirkonat, Trigly/insulfat
(TCiS), Lithiumniobat (LiNbO,). SKL
(Sr1KLiNb10O.,) und SBN (SrxBa1-1Nb2O,,)'. Bisher
wurden TGS, LiNbO1 und SBN für die Infrarot
detektoren häufig benutzt. Bei einem bekannten Infrarotintensitätsdetektor der eingangs genannten
Art wird Bleititanatzirkonat verwendet (»Ceramic Bulletin«, Bd. 46, Nr. 8, 1964, S. 737 bis 740).
Die pyroelektrischen Eigenschaften dieser pyroelektrischen Materialien sind jedoch insgesamt unbefriedigend,
da sie entweder keine befriedigende Curie-Temperatur, Dielektrizitätskonstante oder dielektrischen
Verlust haben und insgesamt entweder die Detektorfähigkeit zu gering ist, wie bei Bleititanatzirkonat,
bzw. im Falle des Bleititanats eine außerordentlich schlechte Formbarkeit vorliegt, so
daß eine Anwendung für pyroelektrische Zwecke praktisch ausgeschlossen ist.
Dabei ist zu bemerken, daß bei einem für einen Infrarotintensitätsdetektor zu verwendenden pyroelektrischen
Kristall folgende Gesichtspunkte berücksichtigt werden sollen:
1) Detektorfähigkeit (D*)
Die Detektorfähigkeit D * eines pyroelektrischen Kristalls wird durch einen Reziprokwert einer solchen
Intensität von auf den Kristall fallenden Infrarotstrahlen repräsentiert, daß ein pyroelektrisch^
Signal mit einer Intensität hervorgerufen wird, dieas gleich der Intensität des in dem Kristall erzeugten
und in diesem auftretenden Rauschens ist. Die Dimension der Detektorfähigkeit wird mit cm 1 Hz AV
ausgedrückt.
2) Formbarkeit
Die Formfähigkeit eines pyroelektrischen Kristalls beherrscht allgemein seine Eignung zur Massenproduktion
und seine Produktionskosten. Es wird gewünscht, daß der für den Infrarotdetektor zu verwendende
Kristall durch Schneid- und Polierbearbeitung leicht zu einer kleinen Platte von etwa
1;-., L- 0,02 min^ Volumen gebildet wird. Es wird
ferner gewünscht, daß Elektroden zur Aufnahme der pvrouektrischen Spannung leicht auf der Obcr-Hache
des Kristalls angebracht werden können
3) Curie-Temperatur (7Yr)
Da die spontane Polarisierung in dem pyroelektrischen
Kristall nur unterhalb der Curie-Temperatur möglich ist, sollte der pyroelektrische Detektor unterhalb
der Curie-Temperatur \, ,-wendet werden. Daher ist es erwünscht, daß ein für einen Infrarotintensitätsdetektor
zu verwendender pyroelektrischer Kristall .'i'i: hohe Curie-Temperatur ha!.
41 Temperaturkoeffizient ik-r spontanen Polarisicning
(dP.vci 7')
Der Temperaturkoeffizient der spontanen Polarisierung
eines pyroelektrischen Kristalls beherrscht die Empfindlichkeit des den Kristall enthaltenden
Detek:ors.
Im folgenden werden TGS-, LiNbO,- und SBN-Kristalle nach den obigen Gesichtspunkten diskutiert:
6ü 1) Triglyzinsulfat (TGS)
Da ein TriglyzinsulfatkrisUill spröde ist, kann es
schwierig sein, den Kristall in einer gewünschten Form zu bilden. Da ferner ein Triglyzinsulfatkristall
in Wasser löslich ist, ist der Kristall gegenüber Feuchtigkeit in der Atmosphäre empfindlich. Daher
sollten die Kristalle bei der Herstellung vor dem Einfluß der Feuchtigkeit in der Umgebungsluft geschützt
werden, und der Detektor sollte mit einem
Abschirmgehäuse zur Aufnahme des Kristalls versehen sein.
Da der Triglyzinsulfatkristall eine derart niedrige
Curie-Temperatur von etwa 50° C hat, kann der den Kristall verwendende Detektor nur von 30 bis 40 ; C
arbeiten.
2) Lithiumniobat (LiNbO3)
Wenn zwar Lithiumniobatkristall eine vorteilhafte
Formbarkeit und eine hohe Curie-Temperatur hat, besitzt der Kristall eine geringe Detektorfähigkeit D *.
selbst wenn der Kristall ein Einkristall ist.
3) SBN(Sr1Ba1^Nb2O6)
Es ist schwierig, einen Einkristall von SBN mit hoher Qualität zu erhalten. Wenn der SBN-Kristall
zwar eine vorteilhafte Detektorfähigkeit D * hat, besitzt er eine niedrige Curie-Temperatur. Ferner ist es
schwierig, den SBN-Kristall in einer Richtung zu polarisieren.
Aus den vorhergehenden Ausführungen ergib) sich, daß die konventionellen pyroclektrischen Infralotdett-ktoren,
die die zuvor erwähnten Kristalle Nervenden, nicht voll akzeptabel sind.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines Infrarotin'.ensitätsdetektors mit hervorragenden
jiyroelektnschen Eigenschaften, insbesondere mit
verbesserter Detektorfähiekcit und Formbarkeit.
Diese Aufgabe wird bei einem Infrarotintensitätsdetektor mit einer.i polarisierten, pyroelektrischen
Keramikkörper, der aus einem Blei und mindestens ein weiteres Metall enthaltenden Titanat besteht,
und mit wenigstens einem Paar Elektroden, die auf sich in Polarisationsrichtung gegenüberliegenden
Seiten des Keramikkörpers angeordnet sind, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Keramikkörper
aus "PbTiO.,. das 0,8 bis 1,2 Molprozent MnO2 und
ίο 1.0 bis 2.0 Molprozent La0O1, jeweils bezogen auf
das PbTiO.;, enthält, besieht.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer
Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert:
Fig. 1 und 2 zeigen Schniuansichten von vorzugsweise gewählten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Detektors.
Gleiche Bezugsziffern bezeichnen in den Darstellungen
gleiche Elemente.
Ein Ausführungsbeispeil eines erfindungsgemäßen Infrarotintensiiäisdetekfors verwendet einen polarisierten
Keramikkörper, der aus PbTiO3 0,2 Molprozent MnO2. bezogen auf PbTiO1, und 1,0 bis 2,0 Molprozent
La1O.,, bezogen auf PbTiO1 besteht. Aus der
folgenden Tabelle ist ersichtlich, daß dieses pyroelektrische
Material eine Eigenschaft hat, die den Eigenschaften der konventionellen pyroelektrischen
Materialien überlegen ist.
| Material | Curie-Temperalur ( Ό |
η
(cm ■ I |
HzW) | άΤ | ,C | )ul · cm ί | Formbarkeil | |
| 52 IHO PiO |
(ι ■ τ . |
10* ΙΟ1· |
3 O |
1 | CaI ' | wenig löslich in Wasser | ||
| TGS . .. LiNbO, SBN |
470 | 0.5 | 10s | .5 · .6· ίι ■ |
ιο-^ 10s |
|||
| PbTiO1 - La.,0., |
6· | ausgezeichnet | ||||||
| • MnO,, Keiamik .... |
Tn F i g. 1 ist eine Ausführungsform eines Infrarotintensitätsdetektors
veranschaulicht, der ein infrarotempfmdliches Element 10 aufweist, das einen
pyroelektrischen polarisierten Keramikkörper 12 enthalt, der aus PbTiO3. 0,8 bis 1,2 Molprozent
MnO,. bezogen auf PbTiO.,, und Ij) bis 2.(1 Molprozent
La.,O.,, bezogen auf PbTiO1. besteht. Der
Korper 12 ist in einer durch Pfeile A gezeigten Richtung polarisiert. Auf beiden Hnuptflächen des Körpers^
sind durch ein geeignetes Verfahren, beispielsweise Vakuumverdampfung, ein Paar Elektroden
14 und 14', beispielsweise aus Gold, Nichrom oder Aluminium, gebildet. Dabei ist es notwendig, die
Elektroden 14 und 14' in der Polarisierungsrichtung des Körpers 12 auszurichten. Mit den Elektroden 14
bzw. 14' sind ein Paar Leiterdrähtelfi und 16' zur Aufnahme der Polarisierungsändeniiig als elektrisches
Signal verbunden. Das infrarotempfindliche Element 10 ist beispielsweise über die Elektrode 14' auf
einem Trägerorgan 18 angeordnet, daß seinerseits an einer Innenwand eines Gehäuses (nicht gezeigt) des
Detektors befestigt ist, damit die Wärmeübertragung von dem infrarolempfindüchcn Element 10 auf das
Gehäuse gesperrt wird.
Werden beim Betrieb Infrarotstrahlen auf die Oberfläche des Körpers 12 gestrahlt, wie dies mit
einem Pfeil H gezeigt ist. wird die Polarisierung des Körpers 12 in Abhängigkeit von der Intensität der
aufgestrahlten Infrarotstrahlen geändert. Die Änderung der Polarisation wird über die Elektroden 14
und 14 und die Leitungsdrähte 16 und 16' als elektrisches
Signa! aufgenommen, das beispielsweise mit-
4; tels eines Spannungsmessers gemessen wird. Ist die
Elektrode 14 derart dünn ausgebildet, daß sie das Hindurchdringen von Infrarotstrahlen ermöglicht,
kann das infrarotempiindliche Element 10 auf die Elektrode 14 gemäß Darstellung durch einen Pfeil C
einfallende Infrarotstrahlen messen.
In F ig. 2 ist eine andere Ausführungsform des Infrarolintensitätsdetektors
veranschaulicht, der identisch der Ausführungsform nach Fig. 1 mit der Ausnahme
konstruiert ist. dall der Körper 12 auf dem Trägerorgan 18 angeordnet ist. Dieser Detektor ist
gegenüber Infrarotstrahlen empfindlich, die auf den Körper 12 in der durch den Pfeil D gezeigten Weise
einfallen.
Es wird nun ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung
des Körpers 12 erläutert.
Es wird zuerst ein Gemisch aus PbO und zu PbO äquimolekularem TiOj bereitet. Das Gemisch wird
dann mittels eines Naßmischverfahrens mit 0,8 bis 1,2 Molprozcnt MnO,, bezogen auf PbTiO8, und
1,0 bis 2,0 Molprozent La2O.,, bezogen auf PbTiO3,
gemischt. Danach wird dasresultierende Gemisch bei etwa 850" C gebrannt. Das so gebrannte Gemisch
wird dann in ein feines Pulver pulverisiert. Das feine
Pulver wird in cine Kugel- oder Sclieibenforni gebracht
und bei einer Temperatur von 1240 bis 1280° C in Luft für etwa 1 Stunde gesintert. Die resultierenden
Keramikteile werden in ein Silikonölbad von 200° C eingetaucht, wo ein elektrisches Feld
von etwa 60 KV/cm herrscht, so daß die Keramikteile polarisiert werden. Die polarisierten Kcramikteilc
werden in eine gewünschte Gest formt.
Aus den vorhergehenden Ausführungen erg:
daß der erfindungsgemäße Infrarotdetektor mi hohen Detektorfähigkeit D* und Curie-Ten1
vorteilhaft ist. Außerdem hat der Infrarote eine ausgezeichnete Formbarkeit.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
- Patentanspruch:Infrarotintensitätsdetektor mit einem polarisierten, pyroelekt risehen Keramikkörper, der aus einem Blei und mindestens ein weiteres Metall enthaltenden Titanat besteht, und mit wenigstens einem Paar Elektroden, die auf sich in Polarisationsrichtung gegenüberliegenden Seiten des Keramikkörpers angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikkörper aus PbTiO3, das 0,8 bis 1,2 Molprozent MnO2 und 1.0 bis 2,0 Molprozent La2O.,, jeweils bezogen auf das PbTiO3, enthält, besteht.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
| E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
| EF | Willingness to grant licences |