DE2553672C2

DE2553672C2 - Infrarotdetektor mit Thermoelement

Info

Publication number: DE2553672C2
Application number: DE2553672A
Authority: DE
Inventors: Alexis Cannes Argamakoff
Original assignee: Direction General pour lArmement DGA
Current assignee: Direction General pour lArmement DGA
Priority date: 1974-11-29
Filing date: 1975-11-28
Publication date: 1985-05-09
Also published as: NL7513917A; GB1527506A; FR2293065A1; DE2553672A1; NL180356C; FR2293065B1; BE836154A

Description

Die Erfindung betrifft einen Infrarotdetektor mit einem Thermoelement, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein solcher Infrarotdetektor ist aus der GB-PS 78 188 bekannt.

Thermoelemente und mit diesen ausgerüstete Infrarotdetektoren sind seit langem bekannt. Von modernen Infrarotdetektoren wird gefordert, daß sie gleichzeitig eine hohe Empfindlichkeit und eine kurze Ansprechzeit sowie eine hohe mechanische Festigkeit gegen Stöße und Schwingungen aufweisen. Die Anwendung neuartiger Technologien, insbesondere das Aufdampfen von dünnen Schichten unter Vakuum, ermöglicht die Herstellung von Thermoelementen mit Thermopaar-Übergansschichten in Form von einander überlagernden Metallschichten geringster Dicke, die weniger als ein Mikrometer betragen kann. Derartige Thermoelemente zeichnen sich durch große mechanische Robustheit und wegen der geringen an dem Thermoeffekt beteiligten tragen Massen auch durch eine kurze Ansprechzeit aus. Die Aufdampftechnik läßt jedoch nur eine sehr begrenzte Wahl von geeigneten Metallen als Bestandteile des Thermoelements zu, von denen Antimon (für den negativen Schenkel) und Wismuth {für den positiven Schenkel) die am häufigsten verwendeten sind. Das Aufbringen von dünnen Schichten durch Aufdampfen oder

ίο Aufstäuben unter Vakuum führt aber zu einer beträchtlichen Verzerrung der strukturellen Eigenschaften dieser Materialien. Die Folge dieser Verzerrungen ist eine beträchtliche Absenkung der durch den thermoelektrischen Effekt erhaltenen Spannung, d. h. der Empfindlichkeit des Thermoelements. Wenn dickere Schichten dieser Metalle aufgebracht werden, ergibt sich zwar eine Annäherung an die ursprünglichen Eigenschaften dieser Metalle, so daß eine bessere Empfindlichkeit erhalten wird, jedoch hat dann das Thermoelerrent aufgrund der thermischen Trägheit der beteiligten Massen eine sehr geringe Ansprechgeschwindigkeit Überdies haben die durch Aufdampfen von dünnen Metallschichten gebildeten Thermoelemente zu hohe Ohmsche Widerstände an den Obergangsschichten.

Das Thermoelement des Infrarotdetektors nach der GB-PS 5 78 188 besteht aus einem dünnen Metallplättchen, das auf seiner einen, die Absorptionsfläche bildenden Oberfläche ges\-owärzt ist, und zwei kegelförmig zugespitzten thermoelektrischen Schenkeln, deren Spitzen im Abstand voneinander mit der gegenüberliegenden Räche des Metallplättchens in Berührung sind, um an den Berührungsstellen die thermoelektrisch aktiven Kontaktstellen zu bilden. Da die Absorptionsfläche und thermoelektrisch aktiven Kontaktstellen auf den einander gegenüberliegenden Seiten des sehr dünnen Metallplättchens liegen, tritt praktisch keinerlei Wärmestau zwischen der absorbierenden Fläche und den aktiven Kontaktstellen auf. Das Thermoelement hat daher eine sehr kurze Ansprechzeit. Zu einer sehr kurzen An-Sprechzeit trägt auch maßgeblich b"?i. daß die thermoelektrischen Schenkel nur an ihren Spitzen, d. h. an einer sehr geringen Fläche, mit dem Metallplättchen in Berührung sind, so daß sie das thermische Verhalten der absorbierenden Fläche nicht merklich beeinflussen.

Es wurde nun gefunden, daß bei einem solchen bekannten Thermoelement ein unerwünschter Effekt auftritt, der die Empfindlichkeit beträchtlich herabsetzt Aufgrund ihrer bekannten Eigenschaften sind Edelmetalle wie Gold und Silber besonders geeignet zur BiI-dung des Metallplättchen. Diese Metalle zeigen aber ein starkes Bestreben, in die üblicherweise zur Herstellung der thermoelektrischen Schenkel verwendeten Materialien, insbesondere Kristalle wie Legierungen aus Bi₂Te₃ und Sb₂Te₃ hineinzudiffundieren. Durch dieses Eindiffundieren von Fremdatomen werden die thermoelektrischen Schenkel kontaminiert, was eine ganz erhebliche Reduzierung des thermoelektrischen Potentials zur Folge hat. Überdies wird durch das Eindiffundieren von Fremdatomen in die zugespitzten Enden der Thermoelementschenkel die thermoelektrisch aktive Zone von der Oberfläche des Metallplättchens weg in diese zugespitzten Enden der thermoelektrischen Schenkel hineinverlagert, wodurch auch die Ansprechgeschwindigkeit des Thermoelements erheblich reduziert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den aus der GB-PS 5 78 188 bekannten Infrarotdetektor dahingehend weiterzubilden, daß die Empfindlichkeit und die

Ansprechgeschwindigkeit des Thermoelements erheblich gesteigert werden.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale gelöst

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Es sei darauf hingewiesen, daß die im Anspruch 3 genannten thermoelektrischen Materialien im wesentlichen aus dem Buch von J. B. Cadoff, E. Miller »Thermoelectric Materials and Devices«, New York 1960, S. 140 und 141 bekannt sind und die Verwendung eines Hohlspiegels zur Abbildung eines Gegenstands auf die aktive Zone eines Thermoelements entsprechend dem Anspruch 5 an sich aus der DE-PS 1 66 390 bekannt ist

Ausführungsbeispiele dei Erfindung werden nun anhand der Zeichnung erläutert Es zeigt

F i g. 1 ein einfaches Ausführungsbeispiel eines Infrarotdetektors mit einem Thermoelement,

F i g. 2 mehrere Ansichten des Detektors zur Veranschaulichung der Möglichkeit, die zwei Detektorkristalle miteinander zu verbinden,

F i g. 3 bis F i g. 6 Schnittansichten zur Veranschaulichung der einzelnen Schritte zur Bildung der Übergänge zwischen den Kristallen und einem absorbierenden Plättchen,

F i g. 7 eine Projektionsvorrichtung,

F i g. 8 eine zusätzliche Hilfsoptik,

F i g. 9 eine vergrößerte Teilansicht des mechanischen Aufbaus des Infrarotdetektors und

Fig. 10 Gesamtansichten des Infrarotdetektors einmal mit geschlossenem und einmal mit aufgeschnittenem Gehäuse.

Der in F i g. 1 dargestellte Detektor mit einem Thermoelement ist von zwei Kristallen 1 und 2 mit einer spitzen Form gebildet die durch Drähte 4 und 5 mit der externen Schaltung verbunden sind; ihre Spitzen, die sich auf einem sehr feinen geschwärzten Metallplättchen 3 abstützen, sind mit diesem Plättchen verschweißt

Durch Wahl geeigneter metallischer Bestandteile erhalten diese b .iden Kristalle sehr hohe, einander entgegengesetzte thermoelektrische Potentiale von vorzugsweise 172 Mikrovolt pro Grad Celsius; ferner weisen sie einen sehr geringen ohmschen Widerstand in der Größenordnung von 1000 bis 1500 Ohm-' · cm-¹ und einen ebenfalls sehr kleinen Wärmeleitungskoeffizienten in der Größenordnung von 10 000 Ns 14 000 Watt/ cm · Grad Celsius auf.

Diese Kristalle sind vorzugsweise aus geeigneten Legierungen in Form von festen Lösungen aus Wismuth, Tellur, Selen und Antimon mit hohem Reinheitsgrad zusammengesetzt. Sie können aus einem Einkristall nadelförmig herausgeschnitten werden, sie können durch Thermokompression der zuvor feinpulverisierten Bestandteile erhalten werden oder sie können durch Aufdampfen oder kathodisches Aufstäuben im Vakuum auf Trägerplättchen abgeschieden werden.

Die Verbindung der breiten Enden der Kristalle mit den Anschlußdrähten 4 und 5 erfolgt durch Schweißen, etwa durch elektrisches Schweißen. Die elektrische Verbindung zwischen den spitzen Enden der Kristalle und dem sehr dünnen absorbierenden Plättehen 3 wird durch Schweißung mittels elektrischer Entladung gebildet, wobei der Gesamtwiderstand einer solchen Kontaktstelle vorzugsweise zwischen 3 Ohm und 30 Ohm liegt.

Da die mit dem absorbierenden Plättchen verschweißten Spitzen der X nstalle eine vernachlässigbare Querschnittsfläche von etwa 0,0005 mm² haben, und das thermische Verhalten des absorbierenden Plättchens kaum beeinflussen, genügt es, daß dieses eine Dicke in der Größenordnung von 0,05 bis 0,2 pm hat um dem Detektor eine Zeitkonstante in der Größenordnung von einigen Millisekunden zu verleihen. Das absorbierende Plättchen kann durch Aufdampfen einer metallischen Schicht auf eine Seite der Trägermembran (vorzugsweise aus Aluminiumoxid oder aus Nickeloxid) erhalten

ίο werden, und die absorbierende Schwärzung kann sich nach dem Schweißvorgang der Kontaktstellen auf seiner gegenüberliegenden Seite bilden; die Gesamtanordnung aus Kristall und absorbierendem Plättchen kann auf einem geeigneten starren Träger befestigt werden.

Um eine Verschiebung der Kristalle relativ zueinander zu verhindern, sind nach F i g. 2 die zwei dreieckigen Kristalle durch Einfügen eines geeigneten Kitts 6 in den Basiszwischenraum zwischen ihnen in einem gewünschten Abstand miteinander verkittet so daß auf diese V/eise die Spitzer» der Kristalle festgelegt sind (F i g. 2a).

Je nachdem, ob eine breite Empfindlichkeitszone 3' nach F i g. 2b oder eine kleine Empfiri„iichkeitszone 3" nach Fig.2c des absorbierenden Plättck;-ns erhalten werden soll, können die Kristalle eine entsprechende Winkelstellung zur aktiven Fläche des zu bedeckenden Plättchens aufweisen.

Detektoren der in F i g. 1 gezeigten Art haben eine mittlere Empfindlichkeit und eine ausgezeichnete Zeitkonstante von 20 Millisekunden.

Um eine besonders hohe Empfindlichkeit und eine noch kürzere Ansprechzeit in der Größenordnung von einigen Millisekunden zu erreichen, enthält der beschriebene Detektor ein metallisches absorbierendes Plättchen mit gewünschten Abmessungen, das auf einer äußerst dünnen Membran aus Metalloxid oder Kunststoffmaterial aufgebracht ist, die auf einen Träger gespannt ist und deren Stirnfläche geschwärzt ist

Für eine besonders hohe Empfindlichkeit der elektrischen Zusammensetzung der Kontaktstelle zwischen dem p-Halbleitermaterial und dem n-Halbleitermaterial der Kristalle wird eine genaue Wahl der das absorbierende Plättchen bildenden Substanz getroffen.

Das Halbleitermaterial der aus Halbleitermaterial bestehenden Kristalle, die anfänglich einen sehr hohen Wärmeleitungskoeffizienten aufweisen, erfährt beim Verschweißungsvorgang an den Kontaktstellen mit dem absorbierenden Plättchen 3 nach F i g. 3 im Verlauf einer starken Erwärmung eine Thermodiffusion, und die das Plättchen bildenden Atome würden nach Fig.4 längs des Kristalls 1 wandern und bis zu einer gewissen Tiefe in diesen Kristall eindringen, falls keine besondere Auswahl der Materiellen der Kristalle und des Plättchens getroffen wird. Diese Diffusion von Fremdato men kontaminiert und beeinträchtigt die thermoelektrisehen eigenschaften der Kontakistelle und drängt die Zone hoher Empfindlichkeit auf einen Abstand d' von der absorbierenden Oberfläche des Plättchen!, zurück, was den nützlichen Wärmegradienten der Kontaktstelle beträchtlich veia-ingert, da dieses Zurückweichen der empfindlichen Zone die gleiche Wirkung hat, als hätte das absorbierende Plättchen auf der thermischen Ebene eine dem Abstand t/'entsprechende Dicke.

Um diesen Mangel, der auch den bekannten Detektor der eingangs genannten Art anhaftet, zu beheben, sind bei dem beschriebenen Detektor die Materialien der Kristalle und das Met .11 (beispielsweise Platin oder Wismuth) der Plättchen so aufeinander abgestimmt, daß eine Diffusion der Atome des Materials der Kristalle in

die Oberfläche des Metallplättchen, jedoch keine Diffusion der Metallatome in die Kristalle stattfindet. Die Atome des Plättchens verunreinigen also die Kontaktspitzen der Kristalle überhaupt nicht, sondern gemäß Fig.5 diffundieren die Atome aus den Kontaktspitzen der Kristalle 1 ihrerseits in das Plättchen 3a. indem sie die empfindliche Zone Γ gegen die geschwärzte absorbierende Oberfläche 7 dieses Plättchens vorschieben. Auf diese Weise wird die passive Dicke des Plättchens 3a nach dem Verschweißen der Kontaklspitzen nicht vergrößert, sondern auf das Maß d" reduziert, so daß auf diese Weise die empfindlichen Punkte des Detektors näher an die absorbierende Oberfläche 7 herangerückt sind, was sehr zur Erhöhung der Empfindlichkeit und ebenso zur Herabsetzung der Ansprechzeit des Detektors beiträgt.

Damit diese »Aktivierung» der wärmeempfindlichen Zone begünstigt wird, kann die Oberfläche des absorbierenden Plättchens an den Kontaktstellen nach F i g. 6 mit einer Aktivierungsschicht 8 versehen werden, die auf die Innenfläche des Plättchens 3b aufgebracht ist, dessen Stirnfläche 7 zweckmäßigerweise geschwärzt ist. Auf diese Weise bildet sich beim Schweißen zwischen der Kontaktstelle des Kristalls 1, dem Material des Plättchens 3b und der Aktivierungsschicht 8 eine Legierungszone 1", deren thermoelektrische Eigenschaften ebenso gut oder sogar besser als die des Kristalls 1 (oder 2) sind. Natürlich kann diese aktivierende Ablagerung entsprechend den Eigenschaften der Kristalle 1 oder 2 (Fig. 1) für die zwei Legierungen gleich oder verschieden sein, was zu einer maximalen Aktivierungswirkung führt.

Wie die Vorderansichten von F i g. 2b und F i g. 2c zeigen, wird das absorbierende Plättchen eine auseinanderliegende Zone 3' oder eine zusammengezogene Zone 3" mit hoher Empfindlichkeit aufweisen,, die entsprechend der Positionierung oder dem Abstand der Spitzen der Kristalle 1 und 2 nach F i g. 1 vergrößert oder verkleinert Sein kann.

Wie F i g. 7a zeigt, wird bei der Abbildung eines Gegenstandes A (beispielsweise des Spalts eines Spektralphotometers) mittels einer Optik, die in der Achse X-X' eines Instruments (beispielsweise des Spektralphotometers) angebracht ist, diese Abbildung (Strahl y und Strahl z)zum verkleinerten Bild A 'des Gegenstandes A führen. Selbst wenn dem absorbierenden Plättchen 3 die erforderlichen Abmessungen gegeben werden, ist zu erkennen, daß die aktive Zone (die bestrahlte Zone) nur einen Bruchteil des Bildes einnimmt, was nicht zum gewünschten Ergebnis hoher Ansprechempfindlichkeit und geringer Ansprechzeit führen kann.

Bestimmte bekannte Detektoren (beispielsweise (Thermistor-Bolometer) machen in solchen Fällen von Kondensatorlinsen oder gar von halbkugeligen Immersionslinsen 9 Gebrauch, die, wie die Darstellung b von F i g. 7 zeigt, eine zweite Verkleinerung des Bildes A 'auf A "gewährleisten.

Ein solches Immersionsverfahren erweist: sich jedoch für einen unter Ausnutzung des Seebeck-Effekts mit einem Thermoelement arbeitenden Detektor als wenig geeignet, da das Material der Linse (beispielsweise Germanium) vom Auffänger einen Teil der absorbierten Wärme aufnehmen würde, was in entsprechender Weise das erzeugte thermoelektrische Signal reduzieren würde.

Dieses Problem wird durch Verwendung einer sphärischen, parabolischen oder auf andere Weise konkaven Hilfsoptik nach Fig.8 gelöst Der achsenparallele Strahl der Abbildung des Gegenstandes (Y-Z) trifft dann vor der Ankunft bei dem virtuellen Bild A' in der Ebene O'aufdie Krümmung des konkaven Spiegels 10, wo er reflektiert wird und ein verkleinertes Bild A'"in der Brennebene des konkaven Spiegels 10 erzeugt. In dieser Brennebene wird die aktive Zone des Thermoelementes angeordnet, wobei dann das ursprüngliche Bild A'der Hauptoptik insgesamt als Abbildung A'"in der aktiven Zone enthalten ist, wie auch seine ursprünglichen Abmessungen sein mögen.

Diese Lösung ermöglicht es, einen maximalen Nutzen aus der sehr stark verkleinerten empfindlichen Zone des Detektors zu ziehen, indem eine Anpassung an alle in der Anwendungspraxis des Detektors vorkommenden Objektgrößen erreicht wird. Durch Verschieben des konkaven Spiegels 10 relativ zu dem Plättchen 3 kann der öffnungswinkel des Detektors an die jeweilige Optik des Instruments angepaßt werden.

Der mechanische Aufbau eines aus Thermoelement und Hohlspiegel mit einstellbarer Brennweite gebildeten Infrarotdetektors ist in den Fig. 9 und 10 dargestellt.

Die Spitzen der in Form von Nadeln 2 ausgebildeten Kristalle sind mit dem Plättchen 3 verschweißt, das auf einer auf einem Ring 100 gehaltenen Membran befestigt ist; die Elektroden 4 und 5 der kalten Verbindungsstellen sind dabei an die Ausgangselektroden 13 und 14 des Detektors angeschlossen. Dieser Anschluß ist vorzugsweise mi'tels eines Kaltlots gebildet (z. B. colloidale SiI-ber- oder Gold-Suspension in einem polimerisierenden Harz). Der von den Ausgangselektroden 13 und 14 gehaltene konkave Spiegel 10 kann gegenüber dem absorbierenden Plättchen 3 in axialer Richtung durch Vorwärtsdrehen oder Zurückdrehen einer Schraube 11 mit Feingewinde verschoben werden, wobei der Spiegel 10 durch eine in eine Nut der Schraube 11 eindringende kleine Schraube 12 mitgenommen wird. Statt dessen kann auch der Spiegel 10 feststehend angeordnet sein, während der Deiekior mit dem absorbierenden Piättchen (3) gegenüber diesem Spiegel verschiebbar ist. Natürlich sollte ein derart ausgebildeter Detektor in einem Gehäuse untergebracht sein, das ihn gegen äußere Einflüsse (Feuchtigkeit, Staub, Luftbewegung usw.) schützt. Ein Beispiel eines solchen, den Detektor umschiieBenden Gehäuses ist in Fig. 10dargestellt. Ein Schutzrohr 16 ist an einem Ende mit einer mit Gewinde versehenen Durchführung 15 ausgestattet, in der die der Verschiebung des Spiegels 10 dienende Schraube 11 angebracht ist. Die Kristalle mit dem absorbierenden Plättchen sind so in der optischen Achse gegenüber dem beweglichen Spiegel 10 dicht neben einem Fenster oder einem geeigneten Infrarotfilter 17 angebracht Dieses Infrarr'fenster sollte mit Hilfe eines Kitts oder eines geeigneten Harzes hermetisch an dem vom Schutzrohr 16 gebildeten Gehäuse abgedichtet sein; die hinten angebrachte Durchführung 15, die die Einstellschraube führt, kann mit Hilfe eines ausreichend viskosen Silikonfetts hermetisch abgedichtet sein, das die Zwischenräume zwischen den Gewindegängen der Schraube und der Durchführung 15 ausfüllt, ohne die Drehung der Schraube 11 zu behindern. Die an die Anschlußstellen des Thermoelements angeschlossenen zwei Elektroden sind im Innern des Gehäuses an ein Koaxialkabel 18 angeschlossen. Die in Fig. 10 dargestellte Anordnung stellt den Infrarotdetektor in natürlicher Größe dar. Die Einzelheiten der Konstruktion gemäß F i g. 9 sind im Maßstab von :1 vergrößert dargestellt.

Der unter Ausnutzung des Seebeck-Effekts mit einem

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Thermoelement arbeitende Infrarotdetektor kann in all jenen Fällen eingesetzt werden, in denen seine Anwendung eine hohe Empfindlichkeit, eine kurze Ansprechzeit und eine gewisse mechanische Festigkeit gegen Stöße, Beschleunigungen und Schwingungen erfordert.

Aufgrund der Tatsache, daß sich die spezifische Empfindlichkeit dieses Detektors in einem großen Umge- -.1 bungstemperaturbereich, der sich von -4O⁰C bis i>j + 90° C erstrecken kann, nur sehr wenig ändert, eignet er sich besonders für den Einsatz in Instrumenten, die rauhen äußeren atmosphärischen Bedingungen ausgesetzt sind, beispielsweise in passiven Über»7achungssystemen, in Instrumenten für militärische Zwecke und für die Zwecke der Raumfahrt, als Alarmdetektoren, als Waldbranddctcktoren usw.

Er kann in Laboratorien im Bereich wissenschaftlicher und medizinischer Geräte (Thermographie der Haut) und in allen Anwendungsfällen eingesetzt werden, in denen ein Detektor von hoher Empfindlichkeit nnH mit stsöilsn elektrischen Psr2rnet^Arn erforderlich "¹G ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Infrarotdetektor mit einem Thermoelement, dessen Kontaktsteilen zwischen einer Räche eines dünnen Metallplättchen, dessen gegenüberliegende Fläche die Absorptionsfläche bildet, und den beiden zugespitzten Enden von zwei Kristallen gebildet sind, die voneinander verschiedene thermoelektrische Potentiale aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialien der Kristalle (1, 2) und das Metall, mit dem die zugespitzten Enden der Kristalle durch Verschweißung jeweils eine Kontaktstelle bilden, so aufeinander abgestimmt sind, daß eine Diffusion der Atome aus den Kristallen (1, 2) in die Oberfläche des Metallplättchens, jedoch keine Diffusion der Metallatome in die Kristalle (1, 2) stattfindet

2. Infrarotdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den zugespitzten Enden der KnSIaUc(1,2) in Berührung gelangende Oberfläche des PUutchens (3) mit einer Schicht (8) aus einem Material versehen ist, das bei der Verschweißung eine bis in das Plättchen (3) hineinreichende Legierungszone (1") mit guten thermoelektrischen Eigenschaften bildet und überdies die elektrische Verschweißung begünstigt (Fig. 6).

3. Infrarotdetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall des positiven Schenkels des Thermoelements aus einer festen Lösung von Sb₂Te₃ - Bi₂Te₃ vorzugsweise im Verhältnis von 26% des ersten zu 74% des zweiten Stoffes, und der Kristall des negativen Schenkels aus einer festen Lösung vor Bi₂Te₃ - ^i₂Se₃, vorzugsweise im Verhältnis von 80% des ersten iu 20% des zweiten Stoffes gebildet ist.

4. Infrarotdetektor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Plättchen (3) auf einer dünnen Membran aus einem Metalloxid aufgebracht ist

5. Infrarotdetektor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die beiden Kontaktstellen gebildeten, thermoelektrisch aktiven Zone des Thermoelements ein Hohlspiegel (10) zugeordnet ist der die von einer Projektionsoptik erzeugte Abbildung (A') eines Gegenstands (A) auf die aktive Zone abbildet (A'").