DE2349434A1

DE2349434A1 - Anordnung zum digitalen detektieren optischer strahlung

Info

Publication number: DE2349434A1
Application number: DE19732349434
Authority: DE
Inventors: Francois Desvignes; Raymond Hybois; Jean Lebrun
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1972-10-09
Filing date: 1973-10-02
Publication date: 1974-04-25
Also published as: FR2213492B1; FR2213492A1; DE2349434C3; JPS5063979A; US3866046A; GB1442375A; DE2349434B2

Description

Dr. Ilrrbert Schals Patentsawalt

AimwMir: M.Y. Philips' Gloetlampenfabrieken Ak»₈No.J HOT- 6628

Anmeldung vom» 18. Sept· 1973

FPHN.6628 DEEN/AvdV

"Anordnung znm digitalen Detektieren optischer Strahlung"

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Detektieren elektromagnetischer Strahlung mit einer Anzahl in Serie geschalteter Thermoelemente, die nach einem Muster angeordnet sind, das eine Vielzahl gerader, paralleler Zeilen aufweist, die durch Reihen sich abwechselnder, aus zwei unterschiedlichen elektrisch leitenden Materialien bestehender Elemente gebildet werden, die auf einem äusserst dünnen isolierenden Substrat angebracht sind, das auf einer Unterlage aus

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gut wärmeleitendem Material ruht, wobei die erwähnten elektrisch, leitenden Materialien derart angeordnet sind, dass die Ränder zweier benachbarter Elemente sich berühren, wobei jeweils eine dieser Verbindungsstellen wärmeisoliert ist und die heisse Lötstelle eines Thermoelementes bildet, während die Verbindungsstellen an beiden Seiten dieser heissen Lötstelle, die als Verbindung mit dem vorstehenden Thermoelement und mit dem folgenden Thermoelement dienen, kalte Lötstellen bilden, die durch das äusserst dünne isolierende Substrat hindurch mit der erwähnten Unterlage in Wärmekontakt stehen.

Derartige Anordnungen werden insbesondere zur Richtungsbestimmung sehr weit entfernter Gegenstände, wie Himmelskörper, verwendet, die selbst elektromagnetische Strahlung aussenden, oder elektromagnetischer Strahlung zurückwerfen. In bestimmten Fällen,wenn die Temperatur des betrachteten Gegenstandes nicht sehr hoch, ist, wird diese Strahlung vorwiegend im Infrarotbereich des Spektrums erzeugt.

Zur genauen Bestimmung der Richtung, aus der die Strahlung kommt, ist es nötig, über Anordnungen zu verfügen, die aus Mustern sehr kleiner und äusserst empfindlicher Infrarotdetektoren bestehen. Bei den unterschiedlichen Infrarotdetektoren, die zu diesem

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Zweck angewandt werden können, weisen Thermoelemente den Vorteil auf, dass sie nicht gekühlt werden brauchen und dass sie auch nichtmodulierte Infrarotsignale wahrnehmen können.

Solche Detektoren sind bekannt, z.B. aus der französischen Patentschrift Nr. 2.064.584, in der ein thermoelektrischer Strahlungsdetektor beschrieben wird, der aus einer Anzahl Thermoelemente besteht. Dieser Detektor weist den Nachteil auf, dass die Thermoelemente auf einer starken Kunststoffolie angebracht sind, z.B. aus Alkylenterephthalat, über welche Folie eine Wärmeverteilungseffekt auftritt, so dass die Genauigkeit der Anordnung nachteilig beeinflusst wird, weil die in der Strahlung vorhandene optische Information ausgeschmiert wird.

Infolgedessen hat man den Versuch angestellt, die warme Lötstellen wärmetechnisch möglichst von den kalten Lötstellen zu trennen. In der französischen ■Patentschrift Nr. 1.238.491 z.B. wird eine Anordnung zum Detektieren von Wärmestrahlung beschrieben, in der die Wärmeleitung dadurch verkleinert wird, dass die thermoelektrisehen Elemente Inseln bilden, die sich nicht berühren. Dazu bestehen die Thermoelemente aus dünnen Wismuthdrähten, die in Löcher in einer Isolierplatte gesteckt sind, die einseitig mit einer

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Antimonschiclit überzogen ist, die als kalte Lötstelle dient. Die Herstellung dieser Anordnungen erfordert eine grosse Genauigkeit und ist zeitraubend, so dass diese Detektoren kostspielig sind, während die gegenseitige Wärmeisolierung der Thermoelemente noch zu wünschen übriglässt.

Der Zweck der Erfindung ist, einen ziemlich leicht herzustellenden Detektor zu schaffen, der eine grosse Empfindlichkeit und Genauigkeit aufweist, dank einer hervorragenden Wärmeisolierung zwischen den benachbarten Thermoelementen.

Die erfindungsgemässe Anordnung wird dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat mit zwischen den geraden, parallelen Zeilen des Musters liegenden, sich parallel zu diesen Zeilen erstreckenden Nuten versehen ist, wobei sich zwischen je zwei nebeneinander angeordneten Zeilen eine Nut befindet.

Vorzugsweise sind an beiden Seiten jeder der Zeilen des Musters (also auch ausserhalb der äusseren Zeilen) Nuten hergestellt, um dafür zu sorgen, dass sie sich in derselben Lage befinden wie die inneren Zeilen.

Eine derartige Detektionsanordnung ist ganz einfach mit an sich bekannten Techniken herstellbar und ist ausserdem äusserst zweckmässig.

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Das Muster, das eine Vielzahl gerader paralleler Zeilen aufweist, hat beispielsweise die Form einer Mäanders oder einer Rechteckspirale, kann aber auch jede andere Form mit einer Vielzahl paralleler gerader Zeilen, z.B. eine Kammform, aufweisen.

Das Herstellen der Nuten im isolierenden Substrat kann mit Hilfe bekannter Mittel, z.B. mit photolithographischen Techniken, erfolgen.

Die Nuten können auch mit Hilfe eines Laserstrahles oder eines Elektronenstrahles hergestellt werden; in letzterem Falle muss die Substratfläche eine gewisse elektrische Oberflächenleitfähigkeit besitzen.

Eine Ausführungsform der Anordnung nach der Erfindung wird dadurch gekennzeichnet, dass sich neben jeder der Zeilen des Musters eine Anzahl fluchtender, durch nichtdurchschnittene Substratteile voneinander getrennter Nuten befindet, welche Anzahl gleich der Anzahl der heissen Lotstellen auf jeder Zeile des Musters ist, wobei sich jede Nutmitte in Höhe einer heissen Lötstelle befindet. Die vorgesehenen nichtdurchschnittenen Substratteile erteilen der Platte eine grössere mechanische Festigkeit.

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Zur Förderung der Wärmeisolierung der heissen Lötstellen sind in der Unterlage vorzugsweise wenigstens an der Stelle der heissen Lötstellen Aussparungen vorgesehen. Die heissen Lötstellen befinden sich dann sowohl über den erwähnten Aussparungen als auch zwischen den Mittelpunkten der parallelen Nuten des Substrates, so dass sie thermisch sehr gut isoliert sind. Die Substratdicke soll so klein sein, dass das Verhältnis zwischen der Substratdicke und dem Abstand zwischen einer heissen Lötstelle und einer kalten Lötstelle klein genug ist, z.B. kleiner als .

Vorzugsweise sind an allen Enden oder an einer gewissen Anzahl Enden der geraden Zeilen des Musters elektrische Kontakte vorgesehen, so dass jede Zeile oder jede Zeilengruppe von Thermoelementen ein getrenntes Signal erzeugt.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert werden. Dabei zeigt:

Fig. 1 in der Perspektive eine erfindungsgemässe Anordnung.

Fig. 2 in der Perspektive die verschiedenen zusammenstellenden Teile, aus denen die in Fig. 1 dargestellte Anordnung aufgebaut ist.

In diesen Figuren werden entsprechende Elemente immer durch die gleichen Bezugsziffern angedeutet.

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Um die Figuren nicht zu kompliziert zu machen, wird eine vereinfachte Anordnung beschrieben,die nur zwei heisse Lötstellen auf jeder Geraden eines Mäanders aufweist, wobei die Anzahl der Geraden nur fünf beträgt. Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung enthält eine abwechselnde Reihe nebeneinander liegender Elemente und 2, die aus zwei verschiedenen elektrisch leitenden Materialien bestehen. Diese Materialien sind derart gewählt, dass die sich berührenden Elemente 1 und 2 Thermoelemente bilden. Die Zahlen 31 und 41 deuten die heissen bzw. kalten Lötstellen der auf der ersten Geraden des Mäanders liegenden Thermoelemente an, die Zahlen 32 und 42 deuten die heissen bzw. kalten Lötstellen auf der zweiten Geraden an, während die Zahlen 33 und 43, 34 und 44, 35 und 45 auf entsprechende Weise die heissen bzw. kalten Lötstellen auf den dritten, vierten und fünften Geraden andeuten.

Die thermoelektrischen Elemente liegen auf einem dünnen isolierenden Substrat 5> das selbst auf einer Unterlage 5 befestigt ist, die aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit gebildet ist. Das Ganze kann auf einer Sohle 7 geklebt sein, die aus einem Material gebildet ist, dessen Ausdehnungskoeffizient ungefähr gleich dem des Substrates 5 ist. Im Substrat 5 sind Nuten 8 hergestellt, die sich parallel zu den Geraden des Mäanders erstrecken,

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wobei sich sowohl zwischen allen Geraden als auch ausserhalb der äussersten Geraden Nuten befinden, so dass alle Thermoelementzeilen sich in derselben Lage befinden. In diesem Beispiel sind elektrische Kontakte 9 auf den Enden jeder der Thermoelementzeilen angeordnet.

In Fig. 2 sind die erwähnten Teile der in Fig. 1 dargestellten Anordnung, und zwar der Mäander mit den Elementen 1 und 2, das Substrat 5 und die Unterlage 6 mit der Sohle 7 getrennt dargestellt.

Aus dieser Abbildung ist ersichtlich, dass sich in der Unterlage 6 zwei Aussparungen 10 befinden, die durch Offnungen 11 in der Sohle 7 zugänglich sind, durch welche Offnungen Wachs hineingespritzt werden kann, um nötigenfalls die mechanische Festigkeit zu erhöhen. Ausserdem erleichtern die öffnungen 11 die Abfuhr der Luft in den Aussparungen 10, wenn die Anordnung in ein Vakuum gebracht wird.

Wenn die Wärmeleitfähigkeit des Sohlenmaterials gross genug ist, ist es möglich, die Unterlage 6 als getrennter Teil entfallen zu lassen; in diesem Fall werden die Aussparungen 10 direkt in der Sohle 7 hergestellt, die dann gleichzeitig als Unterlage dient.

Die beschriebene Anordnung kann folgenderweise hergestellt werden.

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Man geht von einer flachen Folie aus Material mit guter Wärmeleitfähigkeit aus, z.B. Aluminium, wobei die Foliendicke z.B. 0,1 mm beträgt. Zunächst werden die zwei Hauptflächen dieser Folie mittels einer angepassten chemischen oder elektrochemischen Behandlung oxydiert (z.B. anodische Oxydation), um eine Aluminiumoxydschicht mit einer Dicke von ungefähr 0,3 /um an jeder Seite der Aluminiumfolie zu bilden. Diese Aluminiumfolie bildet die Unterlage 6. Auf einer der oxydierten Flächen, die nachstehend die Vorderseite der Unterlage 6 genannt wird, bringt man dann die Elemente 1 und 2 an. Dazu wird z.B. über eine Maske in einem Vakuum Nickel aufgedampft, um die Elemente zu bilden, wonach auf das derart gebildete Ganze Gold aufgedampft wird, aus dem anschliessend in einem bekannten photolithograph!sehen Verfahren die Elemente gebildet werden.

Nach dem Herstellen der Elemente 1 und 2 wird eine Schutzlackschicht auf die zweite oxydierte Fläche der Unterlage 6 (die Rückseite) aufgebracht.

Mit Hilfe einer Radiernadel mit geeigneter Form und geeigneten Abmessungen entfernt man die Oxydschicht auf der Vorderseite der Unterlage 6 an jenen Stellen, an denen die Nuten 8 hergestellt werden müssen, wobei das zurückbleibende Aluminiumoxyd das dünne isolierende Substrat 5 bildet.

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Dann wird die Vorderseite - in der die Nuten 8 hergestellt sind - der Unterlage 6, die das isolierende Substrat 5 und die Elemente 1 und 2 trägt, mit Hilfe einer -ackschicht geschützt; die Schutzlackschicht für die oxydierte Rückseite der Unterlage 6 wird entfernt und wie zuvor wird mit Hilfe einer Radiernadel die Oxydschicht an dieser Rückseite an jenen Stellen entfernt, an denen die Aussparungen 10 in der Unterlage 6 vorgesehen werden müssen. Die Unterlage 6 wird dann an dieser Rückseite mit Hilfe einer das Aluminium lösenden Flüssigkeit wie Orthophosphorsäure geätzt, und diese Ätzung wird fortgesetzt, bis die das Substrat 5 bildende Alumiaiumoxydschicht freigelegt ist, mit Ausnahme jener Stellen, die durch das auf der Rückseite zurückbleibende Aluminiumoxyd geschützt sind. Der Schutzlack wird von der Vorderseite der Unterlage 6 entfernt, und Anschlüsse 9 werden auf den Enden der Thermoelementzeilen, z.B. in einem als Thermokompression bekannten Verfahren zum Anbringen von Golddrähten hergestellt.

Die Aluminiumfolie wird dann auf die Sohle 7 geklebt, die aus einem Material gebildet ist, dessen Ausdehnungskoeffizient ungefähr gleich dem des Substrats 5 ist.

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Der empfindliche Teil der Vorderseite der

Unterlage 6 wird schliesslich völlig mit einer schwarzen absorbierenden Schicht überzogen, die, wenn sie elektrisch leitfähig ist, mit einer isolierenden Unterschicht versehen werden muss.

Im Wunschfall ist es möglich, in der Sohle 7 Ausgangselektroden anzubringen, die mit den Anschlussdrähten verbunden werden. Die erwähnten Elektroden sind in den Figuren nicht dargestellt.

Das beschriebene Ausführungsbeispiel der Anordnung veranschaulicht nur zwei heisse Lötstellen auf jeder Geraden des Mäanders, also zwei Aussparungen 10, die in der Unterlage 6 angeordnet sind, wobei die erwähnten Aussparungen sich unter den heissen Lötstellen befinden. Dank der Aussparungen 10 und den im isolierenden Substrat 5 angeordneten Nuten 8 wird auf diese Weise eine ausgezeichnete Wärmeisolierung zwischen einer heissen Lötstelle, z.B. die Lötstelle 33» und der an beiden Seiten davon liegenden heissen Lötstellen 32 und 3^ erzielt..Der durch die Befestigung des Substrats auf der Unterlage 6 an der Stelle der zwei in der Nähe liegenden kalten Lötstellen 43 erzielte Wärmekurzsnhluss verhindert gleichfalls eine Wärmekupplung.

Als Beispiel werden nachstehend die Abmessungen einer in der Praxis hergestellten Anordnung nach der

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Erfindung gegeben. Die Thermoelemente bilden ein
rechtwinkliges Netzwerk, dessen Maschenweite in
einer Richtung (a) gleich der Länge eines Thermoelements ist, d.h. gleich dem Abstand zwischen zwei Lötstellen derselben Art, deren Länge in diesem
Beispiel ungefähr 800 Mikron beträgt. Die Maschenweite in der anderen Richtung (b) ist gleich dem
Abstand zwischen zwei parallelen Nuten 8 und beträgt ungefähr 80 Mikron. Die Breite der Nuten 8 beträgt 2O Mikron und die Elemente 1 und 2 weisen eine
Breite C von 4o Mikron auf. Die Breite D der Aussparungen 10 ist gleich der Länge D jeder Nut 8 und beträgt 700 Mikron. Die Materialien, aus denen die Elemente 1 und 2 bestehen, sind Nickel und Gold mit einer Schichtdicke von ungefähr 0,1 /u.

Mittels einer üblichen Aufdampftechnik in einer Atmosphäre reinen Stickstoffs sind die Thermoelemente mit einer schwarzen, absorbierenden Goldschicht mit einer Dicke von 10 Mikron (nicht gezeichnet) überzogen. Da diese Schicht elektrisch leitfähig ist, muss eine isolierende Unterschicht durch Kathodenzerstäubung aufgetragen werden, wobei die Dicke dieser Unterschicht 0,1 Mikron beträgt (gleichfalls nicht gezeichnet).

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Wie bereite angegeben, beträgt die Dicke der Aluminiumfolie, die die Unterlage 6 bildet, ungefähr O,1 mm, während die Dicke der das isolierende Substrat 5 bildenden Oxydschicht ungefähr 0,3 Mikron beträgt.

Die Anzahl Ausgänge und die Anzahl Thermoelemente wird im allgemeinen bedeutend grosser sein als aus den Figuren 1 und 2 ersichtlich ist. Auf einer Trägerplatte von 4x2 mm z.B. ist es möglich, über hundert in Serie geschaltete Thermoelemente anzuordnen.

Statt aus den genannten Materialien kann die beschriebene Anordnung auch aus vielen anderen Materialien hergestellt werden. So kann z.B. Aluminium durch Silizium, die Kombination Gold-Nickel durch Wismutli—Tellur, Wismuth—Antimon oder zusammengesetzte Halbleitermaterialien vom Typ U-VI, z.B. die zusammengestellten Halbleitermaterialien Pb-Te, Bi₂Te., mit verschiedene Verunreinigungskonzentrationen, ersetzt werden, was ein günstiger Einfluss auf die Empfindlichkeit der Anordnung hat. Als isolierendes Substrat 5 ist es gleichfalls möglich, eine dünne Kunststoffolie zu verwenden, z.B. Äthylenterephthalat, oder eine dünne Schicht eines Werkstoffes, der höhere Temperaturen vertragen kann, wie Glas.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE;

I1.y Anordnung zum Detektieren elektromagnetischer Strahlung mit einer Anzahl in Serie geschalteter Thermoelemente, die nach einem Muster angeordnet sind, das eine Vielzahl gerader, paralleler Zeilen aufweist, die durch Reihen sich abwechselnder, aus zwei unterschiedlichen elektrisch leitenden Materialien bestehender Elemente gebildet werden, die auf einem äusserst dünnen isolierenden Substrat angebracht sind, das auf einer Unterlage aus gut wärmeleitendem Material ruht, wobei die erwähnten elektrisch leitenden· Materialien derart angeordnet sind, dass die Ränder zweier benachbarten Elemente sich berühren, wobei jeweils eine dieser Verbindungsstellen wärmeisoliert ist und die heisse Lötstelle eines Thermoelementes bildet, während die Verbindungsstellen an beiden Seiten dieser heissen Lötstelle,die als Verbindung mit dem vorstehenden Thermoelement und mit dem folgenden Thermoelement dienen, kalte Lötstellen bilden, die durch das äusserst dünne isolierende Substrat hindurch mit der erwähnten Unterlage in Wärmekontakt stehen, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat mit zwischen den geraden, parallelen Zeilen des Musters liegenden, sich parallel zu diesen Zeilen erstreckenden Nuten versehen ist, wobei sich zwischen je zwei nebeneinander angeordneten Zeilen eine .Nut befindet.

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2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an beiden Seiten jeder der Zeilen des Musters Nuten hergestellt sind.

3· Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich neben jeder der Zeilen des Musters eine Anzahl fluchtender, durch nichtdurchsclmittene Substratteile voneinander getrennter Nuten befindet, welche Anzahl gleich der Anzahl der heissen Lötstellen auf jeder Zeile des Musters ist, wobei sich jede Nutmitte in Höhe einer heissen Lötstelle befindet. hm Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, dass in der Unterlage wenigstens an den Stellen der heissen Lötstellen Aussparungen vorgeseheη sind.

5· Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedes.Ende einer Thermoelementzeile mit elektrischen Kontakten versehen ist. 6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis k, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Ende einer Zeilengruppe von Thermoelementen mit elektrischen Kontakten versehen ist.

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