DE2442892A1

DE2442892A1 - Infrarot-strahlungsquelle

Info

Publication number: DE2442892A1
Application number: DE2442892A
Authority: DE
Inventors: John A Bridgham
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1973-10-09
Filing date: 1974-09-07
Publication date: 1975-04-10
Also published as: US3875413A; GB1480236A; FR2246978A1; DE2442892C3; FR2246978B3; CH585465A5; CA1014214A; DE2442892B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Infrarot-Strahlungsquelle mit einem Substrat und einem auf dem Substrat angeordneten Heizelement, das mit elektrischen Zuleitungen verbunden ist.

Mit der Entwicklung kleiner tragbarer Instrumente mit Infrarot-Quellen ist es wichtig geworden, Infrarot-Quellen mit einem hohen Gesamtwirkungsgrad zur Verfügung zu haben. Verschiedenartige Infrarot-Quellen sind bekannt. Eine übliche Quelle ist ein Nernst¹sches Glühelement, in welchem ein Siliziumcarbid-Glühfaden benutzt wird. Bei diesen Glühelementen hat sich herausgestellt, daß es schwierig ist, sie zu starten und zu betreiben. Außerdem ergibt ihre typische physikalische Konfiguration keine gute Punktquelle für Anwendungen, bei denen eine Punktquelle benötigt wird.

Auch Wolframwendel werden zur Erzeugung infraroter Strahlung verwendet. Wolframwendel eignen sich aber nicht,für Systeme, in denen es auf gute Abbildung und geringes Rauschen ankommt. Wegen der physikalischen Konfiguration des Wendeis besteht das Bild nicht aus einer geschlossenen Strahlungsfläche, sondern besteht aus Strahlungsbereichen, die von Bereichen durchsetzt sind, in denen keine Strahlung vorhanden

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ist. Man sagt, das Bild hat einen schlechten "Füllungsfaktor". Weiterhin ist ein System mit einem Drahtwendel sehr anfällig für Fehler, die durch mechanische Bewegung oder Erschütterung des Systems entstehen. Der Drahtwendel neigt zum Zittern wenn er angestoßen wird, was zu unechtem Rauschen in der erfaßten Strahlung führt. Weiterhin hat das typischerweise für Drahtwendel verwendete Wolframmaterial ein vergleichsweise niedriges Emissionsvermögen (ungefähr 0,15) im Infrarot-Bereich und ist daher nicht besonders gut für den Gebrauch als Infrarot-Quelle geeignet,

Gemäß dem Stand der Technik lassen sich einige mit dem Drahtwendel verbundene Probleme dadurch vermeiden, daß ein Wolframband als Quelle benutzt wird. Allerdings.werden dadurch nicht die Probleme vermieden, die sich aus dem geringen Emissionsvermögen von Wolfram als Infrarot-Quelle ergeben. Wegen des geringen Widerstandes von Wolfram ist es außerdem schwierig, aus einem Wolframband eine kleine, genau definierte Quelle herzustellen, bei der keine Diskontinuität zwischen Quelle und Zuleitungen besteht. Wenn aber ein kleiner Abschnitt von Wolfram als Quelle in Verbindung mit dünnen Stromzuführungsdrähten verwendet wird, wird die meiste elektrische Leistung in den Zuleitungsdrähten statt in der niederohmigen Quelle verbraucht, so daß die Quelle einen sehr geringen Wirkungsgrad hat.

Eine andere Strahlungsquelle, die zur Zeit von Interesse ist, ist eine Licht emittierende Diode (LED). Zur Zeit verfügbare Licht emittierende Dioden haben aber nur sehr geringe Leistung und eignen sich daher nicht für alle Anwendungsfälle .

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kleine, genau definierte Infrarot-Strahlungsquelle zu schaffen, die leicht und wirksam durch ein optisches

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System abgebildet werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einer Infrarot-Strahlungsquelle mit einem Substrat, einem Paar von auf einer Seite des Substrats angeordneten Metallstreifen, mit denen elektrische Zuleitungen verbunden sind, sowie mit einem Heizelement erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Heizelement ein Dünnfilm-Widerstand mit einem Emissionsvermögen von mehr als 0,5 im Infrarot-Bereich ist und auf dem Substrat zwischen dem Paar von Metallstreifen angeordnet ist. Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Infrarot-Strahlungsquelle mit einem Substrat und einem auf dem Substrat angeordneten Heizwiderstand, der mit elektrischen Zuleitungen verbunden ist, wobei diese Quelle dadurch gekennzeichnet ist, daß der Heizwiderstand mit einer reflexionsmindernden Beschichtung zur Erhöhung des wirksamen Emissionsvermögens versehen ist.

Erfindungsgemäß wird also ein Dünnfilm-Heizwiderstand mit hohem Emissionsvermögen verwendet, der zum Beispiel aus auf ein Substrat aufgedampftem Cr₃Si-bestehen kann. Der Heizwiderstand ist auf einen kleinen Bereich zwischen einem Paar von Metallelementen auf dem Substrat begrenzt. Das hohe Emissionsvermögen des Dünnfilm-Heizwiderstandes und die niedrige Wärmeleitfähigkeit des Substratmaterials tragen beide dazu bei, daß die Quelle einen hohen Wirkungsgrad hat.

Der Heizwiderstand mit hohem Emissionsvermögen ist unmittelbar zwischen einem Paar von Metallelementen mit niedrigem Widerstand und niedrigem Emissionsvermögen angeordnet, wodurch eine genau definierte Quelle entsteht, die sich insbesondere für die Abbildung mit Spiegeloptiken eignet. Die Quelle ist planar und läßt sich daher leicht abbilden, darüber hinaus ist die Anordnung mechanisch stabil, so daß die Quelle nicht zittert, wenn sie angestoßen wird.

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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Widerstandselement mit einer reflexionsmindernden Beschichtung versehen, um sein Emissionsvermögen zu erhöhen. Derartige Quellen haben einen Wirkungsgrad von ungefähr 0,2 % mit einer Bandbreite von ungefähr 5 % im Infrarot-Bereich erreicht.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine Strahlungsquelle gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 einen Teil einer Lichtquelle gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung mit einer reflexionsmindernden Beschichtung und

Fig. 3 eine Lichtquelle in einer Packung mit einer reflexionsmindernden Oberfläche.

In Fig. 1 ist ein Substrat 11 mit niedrigem Wärmeleitvermögen dargestellt, welches zum Beispiel im Bereich von 0,02 bis 0,08 W/cmK liegen kann. Geeignete Materialien sind zum Beispiel dünner Saphir, ^V ₂ ^O3 ^unc^ Q^uarz · °ie Abmessungen des Substrats 11 können entsprechend der gewünschten Größe der Lichtquelle gewählt werden. Praktische Ausführungsformen sind zum Beispiel mit einem Substrat 11 von 3,75 χ 0,5 χ 0,05 mm Größe hergestellt worden. In der Mitte des Längenbereiches des Substrats 11 befindet sich ein Strahlungsquellenbereich 13, der einen Bereich aus einem Material mit hohem Widerstand und hohem Emissionsvermögen aufweist, wobei ein Emissionsvermögen von mehr als 0,5 bevorzugt wird. Vorzugsweise besteht der Strahlungsquellenbereich 13 aus Cr^Si, welches in einer Dicke von ungefähr 1 - 2y auf das Substrat 11 aufgedampft ist. In der dargestellten Ausführungsform ist der Strahlungsquellenbereich 13 ein Quadrat mit 0,5 mm Seitenlänge und hat einen Widerstand von ungefähr 100 Ω. Im interessierenden infraroten Strahlungsbereich

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(Wellenlänge ungefähr 4 μ) beträgt das Emissionsvermögen von Cr-Si ungefähr 0,5. Unmittelbar anschließend an beide Seiten des Strahlungsquellenbereichs befindet sich ein Paar von metallischen Leitern 15, die vorzugsweise aus einem Material bestehen, welches im Infrarot-Bereich verglichen mit Cr₃Si ein relativ geringes Emissionsvermögen hat. Geeignet ist zum Beispiel Platin mit einem Emissionsvermögen von ungefähr 0,1 im Infrarot-Bereich, aber auch andere Metalle wie z.B. Gold können benutzt werden. Jeder metallische Leiter 15 weist einen Teil 17 auf, der einen kleinen Bereich der Quelle 13 überlappt. Diese.Konfiguration ist hilfreich für die Herstellung eines genau definierten Strahlungsquellen-Bereichs 13. Ein Paar von Zuleitungen 19, die z.B. aus Gold bestehen können, sind mit den Metallschichten 15 verbunden und dienen als Zuleitungen für elektrische Energie zum Strahlungsquellenbereich 13. Wie weiter unten beschrieben wird, ist es wünschenswert, daß keine falsche Strahlung von der Vorrichtung emittiert wird, z.B. vom Boden des Substrats 11. Um die Emission solcher Strahlung zu verhindern, ist auf dem Boden des Substrats 11 eine zusätzliche Metallschicht 21 aufgebracht.

Im Betrieb werden die Zuleitungen 19 mit einer ausreichenden Stromquelle zur Aufheizung des Dünnfilm-Heizwiderstandes auf eine Temperatur von ungefähr 700 C verbunden. Es hat sich herausgestellt, daß für das oben beschriebene 100 Ω-Quadrat aus Cr_Si ein Strom von ungefähr 50 bis 70 mA für eine angemessene Aufheizung ausreicht. Fehlstrahlung von den Metallschichten 15 wi»d dadurch auf ein Minimum gebracht, daß ein Substrat mit sehr geringer Wärmeleitfähigkeit benutzt wird, wodurch sichergestellt wird, daß nur sehr kleine Wärmemengen von der Strahlungsquelle 13 über das Substrat 11 zu den Metallstreifen 15 geleitet werden. Zusätzlich wird durch die Benutzung von Metallen mit niedrigem Emissionsvermögen, z.B. Platin für die Metall-

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platten 15 die Emission von diesen weiter reduziert, so daß die Strahlung emittierende Region räumlich genau definiert ist.

In Fig. 2 sind wiederum ein Teil eines Substrats 11 und Teile, von Metallschichten 15 dargestellt, die erhöhte Abschnitte 17 aufweisen. Auch ist wieder ein Dünnfilm-Heizwiderstand 13 dargestellt, der im Anschluß an die Metallschichten 15 angeordnet ist. In Kontakt mit dem Heizwiderstand 13 befindet sich eine reflexionsmindernde Schicht 23, die z.B. aus TiO₂ mit einer Dicke von ungefähr O,44 μ bestehen kann. Die reflexionsmindernde Schicht 23 dient zur wirksamen Erhöhung des Emissionsvermögens der Infrarot-Quelle. Vorzugsweise wird das Material der reflexionsmindernden Schicht 23 so ausgewählt, daß sein Brechungsindex ungefähr gleich der Quadratwurzel aus dem Brechungsindex des Materials des Heizwiderstandes 13 ist.

In Fig. 3 ist ein Strahlungsquellen-Streifen 11 dargestellt, der in einer optischen Packung 25 eingekapselt ist. Die Packung 25 weist eine Grundplatte 27 auf, auf der eine reflektierende Fläche 29 befestigt ist. Die reflektierende Fläche 29 ist vorzugsweise ein elliptischer oder parabolischer Reflektor aus einem massiven Metallstück, z.B. Aluminium. Ein Paar von Metallstäben 31 gehen durch die Grundplatte 27 und den Reflektor 29 hindurch und sind mit Anschlußdrähten 19 verbunden, die der streifenförmigen Quelle 11 elektrische Energie zuführen. Vom Strahlungsquellenbereich 13 kommende Infrarot-Strahlung wird auf die reflektierende Fläche 29 gerichtet und von dieser aus der Packung 25 hinausreflektiert, wodurch ein (nicht dargestelltes) vergrößertes Bild entsteht. Aus der Zeichnung ist ersichtlich, daß von der dem Reflektor 29 abgewandten Seite der Strahlungsquelle 13 emittiertes Licht in der Zeichnung nach rechts gerichtet würde und dadurch das von den vom Reflektor 29 reflektierten Strahlen erzeugte Bild beeinträchtigen würde.

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Wie oben in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben wurde, ist
auf der Rückseite (in der Zeichnung rechts) des Substrats eine Metallschicht aufgebracht, die das Auftreten solcher Fehlstrahlung verhindert. Vorzugsweise ist die Packung 29 hermetisch versiegelt und enthält in ihrem Inneren eine
inerte Atmosphäre, z.B. Stickstoff oder Argon, so daß die Lebensdauer des Heizwiderstandes verlängert wird.

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Claims

Hewlett-Packard Comp. 4. Sept. 1974

Case 827

Patentansprüche

I^ Infrarot-Strahlungsquelle mit einem Substrat, einem Paar von auf einer Seite des Substrats angeordnete Metallstreifen/ mit denen elektrische Zuleitungen verbunden sind, sowie mit einem Heizelement, dadurch gekennzeichnet , daß das Heizelement (13) ein Dünnfilm-Widerstand mit einem Emissionsvermögen von mehr als 0,5 im Infrarot-Bereich ist und auf dem Substrat (11) zwischen dem Paar von Metallstreifen (15) angeordnet ist.
2. Strahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Dünnfilm-Widerstand (13) eine auf das Substrat (11) aufgebrachte Schicht aus Cr₃Si aufweist.
3. Strahlungsquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Substrat (11) aus Saphir, Y₀O oder Quarz besteht.
4. Strahlungsquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß sie auf der Cr Si-Schicht eine reflexionsmindernde Schicht (23) zur Erhöhung des wirksamen Emissionsvermögens des Heizelementes (13) aufweist.
5. Strahlungsquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die reflexionsmindernde Schicht (23) aus TiO_ besteht.
6. Strahlungsquelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß sie auf der Rückseite des Substrats (11) einen weiteren Metallstreifen (21) aufweist, der uner-

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wünschte, von der Rückseite ausgehende Strahlung verhindert.
7. Strahlungsquelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß das Substrat in einem Gehäuse (25) befestigt ist, welches eine Grundplatte (27) und eine auf der Grundplatte befestigte reflektierende Fläche (29) enthält, welche von dem Dünnfilm-Widerstand (13) ausgehende Infrarot-Strahlung reflektiert und fokussiert.
8. Strahlungsquelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß das Gehäuse (25) einen kreisförmigen' Querschnitt hat, daß die reflektierende Oberfläche (29) ein elliptischer Spiegel ist und daß das Substrat (11) mit . dem Dünnfilm-Widerstand (13) in Abstand von der reflektierenden Oberfläche befestigt ist.
9. Strahlungsquelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (25)' einen kreisförmigen Querschnitt hat, daß die reflektierende Oberfläche (29) ein Parabolspiegel ist und daß das Substrat (11) mit dem Dünnfilm-Widerstand (13) in Abstand von der reflektierenden Oberfläche befestigt ist.
10. Infrarot-Strahlungsquelle mit einem Substrat und einem auf dem Substrat angeordneten Heizwiderstand, der mit elektrischen Zuleitungen verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwiderstand (13) mit einer reflexionsmindernden Beschichtung (23) zur Erhöhung des wirksamen Emissionsvermögens versahen ist.
11. Strahlungsquelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß die reflexionsmindernde Beschichtung (23) aus TiO₂ besteht.

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