DE2349434C3 - Anordnung zum Detektieren elektromagnetischer Strahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Detektieren elektromagnetischer Strahlung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.

Derartige Anordnungen werden insbesondere zur Richtungsbestimmung sehr weit entfernter Gegenstände, wie Himmelskörper, verwendet, die selbst elektromagnetische Strahlung aussenden oder elektromagnetische 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 Zweck angewandt werden können, weisen Thermoelemente den Vorteil auf, daß sie nicht gekühlt zu werden brauchen und daß sie auch nichtmodulierte Infrarotsignale wahrnehmen können.

Ein Detektor der eingangs genannten Art ist aus der FR-PS 20 64 584 bekannt, in der ein thermoelektrischer Strahlungsdetektor beschrieben wird, der aus einer Anzahl Thermoelemente besteht. Bei diesem Detektor sind die Thermoelemente auf einer verhältnismäßig starken Kunststoffolie angebracht, in der ein 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 wannen Lötstellen wärmetechnisch möglichst von den kalten Lötstellen zu trennen. In der FR-PS 12 38491 z.B. wird eine Anordnung zum Detektieren von Wärmestrahlung beschrieben, in der die Wärmeleitung

ίο dadurch verkleinert wird, daß die thermoelektrischen 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 Antimonschicht 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 Erfindung Hegt die Aufgabe zugrunde, eine Detektoranordnung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art bezüglich der Wärmeisolierung zwischen den benachbarten Thermoelementen zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Eine derartige Detektionsanordnung ist ganz einfach mit an sich bekannten Techniken herstellbar und ist außerdem äußerst zweckmäßig.

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

Das Herstellen der Schlitze im isolierenden Substrat kann mit Hilfe bekannter Mittel, z. B. mit photolithographischen Techniken, erfolgen.
Die Schlitze können auch mit Hilfe eines Laserstrahls oder eines Elektronenstrahls hergestellt werden; in letzterem Falle muß die Substratfläche eine gewisse elektrische Oberflächenleitfähigkeit besitzen.

Bei der Anordnung nach Anspruch 3 verleihen die — in Längsrichtung der Schlitze gesehen — verbleibenden nichtdurchschnittenen Substratteile der Platte eine größere mechanische Festigkeit.

Die heißen Lötstellen befinden sich sowohl über den erwähnten Aussparungen als auch zwischen den Mittelpunkten der parallelen Schlitze des Substrates* so daß sie thermisch sehr gut isoliert sind. Die Substratdikke 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 jqq .

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

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dabei zeigt

F i g. 1 die Anordnung in der Perspektive,

F i g. 2 in der Perspektive die verschiedenen Teile, aus denen die in Fig. 1 dargestellte Anordnung aufgebaut ^;st.

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

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 F i g. 1 dargestellte Anordnung enthält eine abwechselnde Reihe nebeneinander liegender Elemente 1 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 unc' 41 deuten die iieißen 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 !5 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 6 befestigt ist, die aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit gebildet ist Das Ganze kann auf eine Platte 7 geklebt sein, die aus einem Material gebildet ist dessen Ausdehnungskoeffizient ungefähr gleich dem des Substrates 5 ist Im Substrat 5 sind Schlitze 8 hergestellt die sich parallel zu den Geraden des Mäanders erstrecken, wobei sich sowohl zwischen allen Geraden als auch außerhalb der äußersten Geraden Schlitze 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 F i g. 2 sind die erwähnten Teile der in Fig.! dargestellten Anordnung, und zwar der Mäander mit den Elementen 1 und 2, das Substrat 5 und die Unterlage 6 mit der Platte 7 getrennt dargestellt. J5

Aus dieser Abbildung ist ersichtlich, daß sich in der Unterlage 6 zwei Aussparungen 10 befinden, die durch Öffnungen 11 in der Platte 7 zugänglich sind, durch welche Öffnungen 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 Plattenmaterials 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 Platte 7 hergestellt, die dann gleichzeitig als Unterlage dient.

Die beschriebene Anordnung kann folgenderweise hergestellt werden.

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 siner angepaßten chemischen oder elektrochemischen Behandiung oxidiert (z. B. anodische Oxidation), um eine Aluminiumoxidschicht mit einer Dicke von ungefähr 0,3 μπι an jeder Seite der Aluminiumfolie zu bilden. Diese Aluminiumfolie bildet die Unterlage 6. Auf einer der oxidierten Flächen, die nachstehend die Vorderseite ω 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 2 zu bilden, wonach auf das derart gebildete Ganze Gold aufgedampft wird, aus dem anschließend in einem *» bekannten photolithographischen Verfahren die Elemente 1 gebildet werden.

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

Mit Hilfe einer Radiernadel mit geeigneter Form und geeigneten Abmessungen entfernt man die Oxidschicht auf der Vorderseite der Unterlagt 6 an jenen Stellen, an denen die Schlitze 8 hergestellt werden müssen, wobei das zurückbleibende Aluminiumoxid das dünne isolierende Substrat 5 bildet

Dann wird die Vorderseite — in der die Schlitze 8 hergestellt sind — der Unterlage 6, die das isolierende Substrat 5 und die Elemente 1 und 2 trägt mit Hilfe einer Lackschicht geschützt; die Schutzlackschicht für die oxidierte Rückseite der Unterlage 6 wird entfernt und wie zuvor wird mit Hilfe einer Radiernadel die Oxidschicht 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 Aluminiumoxidschicht freigelegt ist mit Ausnahme jener Stellen, die durch das auf der Rückseite zurückbleibende Aluminiumoxid 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 Platte 7 geklebt, die aus einem Material gebildet ist, dessen Ausdehnungskoeffizient ungefähr gleich dem des Substrats 5 ist.

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 Platte 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, als zwei Aussparungen 10, die in der Unterlage 6 angeordnet sind, wobei die erwähnten Aussparungen sich unter den heißen Lötstellen befindet. Dank der Aussparungen 10 und den im isolierenden Substrat 5 angeordneten Schlitzen 8 wird auf diese Weise eine ausgezeichnete Wärmeisolierung zwischen einer heißen Lötstelle, z. B. Lötstelle 33, und den an beiden Seiten davon liegenden heißen Lötstellen 32 und 34 erzielt. Der durch die Befestigung des Substrats 5 auf der Unterlage 6 an der Stelle der zwei in der Nähe liegenden kalten Lötstellen 43 erzielte Wärmekurzschluß verhindert gleichfalls eine Wärmekupplung.

Als Beispiel werden nachstehend die Abmessungen einer in der Praxis hergestellten Anordnung gegeben. Die Thermoelemente bilden ein rechtwinküges 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 Schlitzen 8 und beträgt ungefähr 80 Mikron. Die Breite der Schlitze 8 beträgt 20 Mikron und die Elemente 1 und 2 weisen eine Breite C von 40 Mikron auf. Die Breite D der Aussparungen 10 ist gleich der Länge D jedes Schlitzes

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 μ.

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

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

Die Anzahl der Ausgänge und die Anzahl der Thermoelemente wird im allgemeinen bedeutend größer sein als aus den F i g. 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 Wismuth-Tellur, Wismuth-Antimon oder zusammengesetzte Halbleitermaterialien vom Typ 11-VI, z. B. die

ίο zusammengesetzten Halbleitermaterialien Pb-Te, Bi2Te3 mit verschiedenen Verunreinigungskonzentrationen, ersetzt werden, was einen günstigen Einfluß auf die Empfindlichkeit der Anordnung hat. Als isolierendes Substrat 5 kann auch eine dünne Kunststoffolie verwendet werden, z. B. Äthylenterephthalat, oder eine dünne Schicht eines Werkstoffes, der höhere Temperaturen vertragen kann als Glas.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Anordnung zum Detektieren elektromagnetischer Strahlung mit

a) einem elektrisch isolierenden Substrat äußerst geringer Dicke,

b) einer Serienschaltung aus einer Vielzahl von Thermoelementen, die aus Leiterstreifen einer ersten und einer zweiten Materialart besteht, welche auf dem Substrat in wechselweiser Aufeinanderfolge in Form eines Musters mit einer Anzahl gerader paralleler Zeilen angeordnet sind und an ihren Enden jeweils miteinander in Kontakt stehen,

c) einer das Substrat mitsamt der Serienschaltung tragenden Unterlage aus gut wärmeleitendem Material, die zwecks Wärmeisolation der die heißen Lötstellen der Serienschaltung bildenden Kontakte der Leiterstreifen mit Ausnehmungen im Bereich dieser Kontakte versehen ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

d) das Substrat (5) zur Unterbringung einer Wärmeableitung von den heißen Lötstellen (31—35) jeweils zwischen den Zeilen des Musters wenigstens im Bereich dieser Lötstellen mit Schlitzen (8) versehen ist, die sich parallel zu den Zeilen erstrecken.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auch auf der Außenseite der beiden äußeren Zeilen des Musters Schlitze (8) in dem Substrat (5) vorgesehen sind.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder heißen Lötstelle (31 -35) jeweils zwei Schlitze (8) zugeordnet sind, deren Mitten sich jeweils auf der Höhe der zugehörigen Lötstelle befinden.