DE2315007C3 - Method for operating a pyroelectric detector, pyroelectric detector for use in this method and application of the method - Google Patents
Method for operating a pyroelectric detector, pyroelectric detector for use in this method and application of the methodInfo
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Description
el/\el / \
* =- d7* = - d7
charakterisiert. Andererseits soll die Dielektrizitätskonstante ε möglichst klein sein, da die Empfindlichkeit eines Infrarot-Detektors durch den Quotienten λ/ε bestimmt wird.characterized. On the other hand, the dielectric constant ε should be as small as possible, since the sensitivity of an infrared detector is determined by the quotient λ / ε .
In der Zeitschrift »Ceramic-Bulletin«, Band 46, Nr. 8, (1967), Seite 737 bis 740, ist ein pyroelektrischer Detektor mit einem E«i-Zirkonat-Titanat-Kristall beschrieben, der, wie bei H.-J. Martin, »Die Ferroelektrika«, Leipzig 1964, Seite 354 bis 355 beschrieben, einen temperaturabhängigen Phasenübergang zwischen zwei ferroelektrischen Bereichen unterschiedlicher Kristallstruktur aufweist. Solche bekannte Detektoren bei denen auch Bleititanat und Triglycinsulfat eingesetzt wird, werden unterhalb des Curie-Punktes 7} betrieben (Fig. 1). In diesem Bereich ist zwar die differentielle Änderung der spontanen Polarisation hoch, andererseits wird in diesem Bereich ein starker Anstieg der Dielektrizitätskonstante festgestellt, so daß insgesamt eine relativ geringe Empfindlichkeit vorliegt.In the journal "Ceramic Bulletin", Volume 46, No. 8, (1967), pages 737 to 740, a pyroelectric detector with an E "i-zirconate-titanate crystal is described which, as in H.-J . Martin, "Die Ferroelektika", Leipzig 1964, pages 354 to 355, has a temperature-dependent phase transition between two ferroelectric regions of different crystal structures. Such known detectors, in which lead titanate and triglycine sulfate are also used, are operated below the Curie point 7} (FIG. 1). Although the differential change of the spontaneous polarization is high in this range, on the other hand, a strong increase of the dielectric constant is determined in this area, so that overall a relatively low sensitivity vo IEGT rl.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren so auszubilden, daß die Empfindlichkeit des pyroelektrischen Detektors erhöht wird.The invention is based on the object of developing the method mentioned at the outset so that the Sensitivity of the pyroelectric detector is increased.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Detektor im Bereich dieses Phasenübergangs betrieben wird.This object is achieved according to the invention in that the detector is in the region of this phase transition is operated.
In einer bevorzugten Ausbildung eines Detektors zur Verwendung im Verfahren nach der Erfindung wird ein Mischkristall aus Bariumtitanat mit einer zweiten Komponente aus Strontiumtitanat. Bariumzirkonat. Bariumstannat oder Bariumantimonat veiwendet. Ebenso läßt sich vorteilhaft ein Mischkristall aus Kaliumniobat und Kaliumtantalat verwenden.In a preferred embodiment of a detector for use in the method according to the invention, a Mixed crystal made of barium titanate with a second component made of strontium titanate. Barium zirconate. Barium stannate or barium antimonate is used. A mixed crystal can also advantageously be used Use potassium niobate and potassium tantalate.
Bei Übergängen zwischen zwei ferroelektrischen Phasen ändert sich Richtung oder Betrag der spontanen Polarisation unstetig. Bei Bariumtitanat. das zwei solcher Phasenübergänge aufweist, springt die Polarisationsrichtung nacheinander von einer Richtung (tetra· gonale Struktur) parallel zu einer (OOl)-Richtung der kubischen Hochtemperatur-Phase in eine Richtung parallel zu einer Flächendiägonalen und dann in eine solche parallel zur Raumdiagonalen um.When there are transitions between two ferroelectric phases, the direction or magnitude of the spontaneous one changes Polarization discontinuous. With barium titanate. that has two such phase transitions, the direction of polarization jumps successively from a direction (tetra · gonal structure) parallel to an (OOl) direction of the cubic high-temperature phase in a direction parallel to a surface diagonal and then in a those parallel to the room diagonal.
Eine Weiterbildung der Erfindung besteht in einem Verfahren, bei dem der Kristall bei erhöhter Temperatur durch ein elektrisches Feld gepolt wird, unter Einstrahlung ein erster Arbeitspunkt auf der spontane Polarisations-Temperatur-Kurve und ohne Einstrahlung unter Abkühlung des Kristalls ein zweiter Arbeitspunkt eingestellt wird, bei dem während derA further development of the invention consists in a method in which the crystal is at an elevated temperature is polarized by an electric field, under irradiation a first working point on the spontaneous Polarization-temperature curve and, without irradiation, a second one with cooling of the crystal Operating point is set at which during the
Verschiebung des ersten zu dem zweiten Arbeitspunkt die Änderung der Polarisation gemessen wird und schließlich unter erneuter Einstrahlung und Einwirkung eines elektrischen Feldes wieder der erste Arbeitspunkt eingestellt wird. Vorteilhaft erfolgt die Einstrahlung periodisch. Gegebenenfalls wird der betriebsmäßige Hereich der Arbeitspunktverschiebung durch eine zusätzliche Wärmezufuhr eingestellt.Shifting the first to the second working point, the change in polarization is measured and finally, with renewed irradiation and the action of an electric field, the first working point again is set. The irradiation is advantageously carried out periodically. If necessary, the operational The range of the operating point shift is set by an additional supply of heat.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen anhand einiger Figuren erläutert werden. Es zeigtExemplary embodiments of the invention are to be explained with the aid of a few figures. It shows
Fig. 1 den Verlauf der spontanen Polarisation und der Dielektrizitätskonstanten in Abhängigkeit von der Temperatur,Fig. 1 shows the course of the spontaneous polarization and the dielectric constant as a function of temperature,
F i g. 2 den Verlauf der spontanen Polarisation und der Dielektrizitätskonstanten in Abhängigkeit von der Temperatur für einen Bariumtitanat-Kristall und den Arbeitsbereich eines Detektors gemäß einem Ausfühnungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,F i g. 2 shows the course of the spontaneous polarization and the dielectric constant as a function of the Temperature for a barium titanate crystal and the working range of a detector according to an exemplary embodiment of the present invention,
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel eines einfachen Detektors.3 shows an embodiment of a simple detector.
Wie bereits erwähnt und au: der Fig. 1 ersichtlich, wird bei bekannten Detektoren die Änderung der spontanen Polarisation unterhalb des Curie-Punktes herangezogen. Der stark überhöhte Wert der Dielektrizitätskonstanten im Bereich des Curie-Punktes führt zu der bekannten geringen Empfindlichkeit der pyroelektrischen Detektoren.As already mentioned and shown in Fig. 1, In known detectors, the change in spontaneous polarization is below the Curie point used. The greatly increased value of the dielectric constant in the area of the Curie point leads to the known low sensitivity of pyroelectric detectors.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Gesamtempfindlichkeit besonders groß ist bei einem Phasenübergang zwischen zwei ferroelektrischen Phasen (Fig. 1). Die hohe Empfindlichkeit ergibt sich aus der Tatsache, daß der Anstieg der Dielektrizitätskonstanten im Bereich dieser Phasenübergänge wesentlich geringer (F i g. 2) als im bekannten Fall (F i g. 1) ist. Der Verlauf der spontanen Polarisation verschiebt sich durch Anlegen eines geeignet gerichteten elektrischen Feldes zu tieferen Temperaturen, worauf im einzelnen noch an späterer Stelle eingegangen wird. Die Lage des Phasenübergang bezüglich der Temperatur läßt sich durch Veränderung des Mischungsverhältnisses der Komponenten eines Mischkristalls in einem weiten Temperaturbereich verschieben. Auf diese Weise kann der Detektor praktisch jedem speziellen Anwendungsfall angepaßt werden, wie noch zu erläutern ist. The invention is based on the knowledge that the overall sensitivity is particularly high in one Phase transition between two ferroelectric phases (Fig. 1). The high sensitivity arises from the fact that the increase in the dielectric constant in the region of these phase transitions is substantial is less (FIG. 2) than in the known case (FIG. 1). The course of the spontaneous polarization shifts by applying a suitably directed electric field to lower temperatures, whereupon in detail will be discussed later. The position of the phase transition with respect to the temperature can be by changing the mixing ratio of the components of a mixed crystal in a wide Shift temperature range. In this way, the detector can be adapted to practically any special application, as will be explained below.
Bei einigen Kristallen tritt im Bereich des Phasenübergangs eine thermische Hysterese auf, die zusätzliche Maßnahmen zum Betrieb des Detektor* notwendig macht. Ein geeignetes Verfahren soll anhand der F i g. 2 erläutert werden. Der Kristall wird zunächst oberhalb der Arbeitstemperatur durch Anlegen eines elektri- ϊ sehen Feldes in Punkt 1 gepolt. Es sei angenommen, daß der Kristall unter Strahlungseinwirkung sich im Arbeitspunkt 2 befindet. Nach Abschaltung der Einstrahlung kühlt sich der Kristall ab und der Arbeitspunkt wandert in Pfeilrichtung auf der Polarisationskurve nach unten bis zum Arbeitspunkt 3, Eine erneute Einstrahlung würde eine Verschiebung des Arbeitspunktes 3 nach 4 bewirken. Um den Arbeitspunkt wieder an seine ursprüngliche Stelle 2 zu verschieben, wird daher entweder gleichzeitig mit der Einstrahlung oder aufeinanderfolgend ein elektrisches Feld geeigneter Richtung und Größe angelegt Nachdem der Arbeitspunkt die Ausgangsstellung 2 wieder angenommen hat, wird die Einstrahlung wiederum unterbrochen und der Zyklus beginnt · >n neuem. Bei der praktischen Ausführung wird rite Strahlung periodisch zugeführt, so daß immer das gleiche Arbeitspunktdreieck durchlaufen wird.In the case of some crystals, a thermal hysteresis occurs in the area of the phase transition, which makes additional measures necessary to operate the detector *. A suitable method should be based on FIG. 2 will be explained. The crystal is initially polarized above the working temperature by applying an electrical ϊ field in point 1. It is assumed that the crystal is at working point 2 under the influence of radiation. After the irradiation has been switched off, the crystal cools down and the working point moves in the direction of the arrow on the polarization curve down to working point 3. Renewed irradiation would shift working point 3 to 4. In order to move the working point back to its original position 2, an electric field of suitable direction and size is applied either simultaneously with the irradiation or in succession n new. In the practical implementation, rite radiation is applied periodically so that the same operating point triangle is always passed through.
Zur weiteren Erläuterung wird die Betriebsweise eines einfachen Detektors nach Fig.3 herangezogen. Ein pyroelektrischer Kristall 1 wird senkrecht zur polaren Achse geschnitten und eine Scheibe von ca. 10 bis ΙΟΟμίη Dicke präpariert und beidseitig mit Elektroden 2,3 versehen. Die der Strahlung zugekehrte Fläche besitzt eine für Infrarotstrahlung durchlässige jo Elektrode 2. Der Kristall 1 ist mittels einer Klebeverbindung 4 auf einem Rahmen 5 gehaltert und über die Anschlüsse 6 elektrisch verbunden. Die durch die Strahlung verursachte Erwärmung des Kristalls ruft eine Änderung der spontanen Polarisation und damit r> eine Ladung bzw. Spannung an den Elektroden hervor. Die einfallende Strahlung wird mittels einer rotierenden Blende moduliert und der Detektor meist bei prequ;nzen betrieben, die oberhalb der thermischen und elektrischen Zeitkonstanten liegen. Zur Infrarot-Bild- w darstel'jng können mehrere Einzeldetektoren in einer Matrixanordnung geschaltet werden. Die Bilddarstellung kann jedoch auch nach dem Vidicon-Prinzip erfolgen. Dabei wird die der Strahlung abgewandte Elektrode (Fig.3) nicht aufgebracht, sundern die > Ladungsverteilung durch den Elektronenstrahl abgelesen. The mode of operation of a simple detector according to FIG. 3 is used for further explanation. A pyroelectric crystal 1 is cut perpendicular to the polar axis and a disk about 10 to ΙΟΟμίη thick is prepared and provided with electrodes 2, 3 on both sides. The surface facing the radiation has an electrode 2 that is permeable to infrared radiation. The crystal 1 is held on a frame 5 by means of an adhesive connection 4 and is electrically connected via the connections 6. The heating of the crystal caused by the radiation causes a change in the spontaneous polarization and thus r> a charge or voltage on the electrodes. The incident radiation is modulated by a rotating aperture and the detector usually at p requ; operated coins, which are above the thermal and electrical time constant. W to infrared image darstel'jng several individual detectors can be connected in a matrix arrangement. However, the image can also be displayed according to the Vidicon principle. The electrode facing away from the radiation (Fig. 3) is not applied, but the> charge distribution is read off by the electron beam.
Hicr/u I BIaIt ZeichnungenHicr / u I BIaIt drawings
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