DE2722737A1

DE2722737A1 - Detektor fuer elektromagnetische strahlung mit grossflaechigem fuehlmedium

Info

Publication number: DE2722737A1
Application number: DE19772722737
Authority: DE
Inventors: Thomas C Ensign; Allen L Taylor
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1976-05-18
Filing date: 1977-05-17
Publication date: 1977-12-08
Also published as: CA1087286A; GB1572666A; JPS6027932B2; JPS52141282A; FR2352291B1; US4044251A; FR2352291A1

Description

IBERLIN 33 ^ 8 MÜNCHEN

r. RUSCHKE & PARTNER ZZ££

PATENTANWÄLTE Telefon:«»/ «gigg? BERLIN - MÜNCHEN ^Telefon:

Telagmmm-Adraue: 9 7 9 9 ' I '} '7 Tel»flr»mm-Adre«·:

Quadratur Beriin I I L L > 3 ! Quadratur MOnchwi

TELEX: 183786 TELEX: 522767

M 3817

Minnesota Mining and Manufacturing Company, Saint Paul, Minnesota 55101, V.St.A.

Detektor für elektromagnetische Strahlung mit großflächigem

F(Jh !medium

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1 BERLIN 33	H	S MÜNCHEN SO
pi? "a^dmI* ^S\|WhS	Dr. RUSCHKE & PARTNER
Pat.-Anw. Oipl.-lng. Olaf Ruschke	PATENTANWÄLTE
Telefon: 030/ J *2w	BERLIN - MÖNCHEN	*Telefon: QM / «■ τη μ 0β9/·49 2β0>**
Quadratur Berlin	27227c	Quadratur München
TELEX: 1S37W		*TELEX: 5M77**

M 3817

ilinne3ota Mining and iuanufacturing Company, Jaint Paul, liinnesota V. ot. A.

Detektor für elektromagnetische Jtrahlung mit großflächigem Fühlmedium

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Die vorliegende Erfindung betrifft Wärmesensoren mit pyroelektrischem Material und insbesondere eine Sensoreinrichtung mit einer pyroelektrischen Folie, die so aufgebaut ist, daß sie Störsignale unterdrückt und einen verbesserten Störabstand ergibt.

Thermische Sensoren mit Folien aus pyroelektrischem Polymerisatmaterial sind Biege- und Druckkräften ausgesetzt, die Störspannungen erzeugen und damit das Störverhältnis verschlechtern. Dies ist besonders ausgeprägt bei Sensoren mit einem Fühlmedium von mehr als etwa einem Quadratzentimeter Fläche.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Einrichtung, mit der sich eine verbesserte Leistung bei Wärmesensoren großer Fläche erreichen läßt und die ein äußeres Gehäuse aufweist, das gegen den Eintritt von Störspannungen erzeugenden Luftströmen dicht abgeschlossen ist«. Das äußere Gehäuse ist mit einem für Infrarotstrahlung durchlässigen Fenster versehen. Weiterhin ist ein inneres Gehäuse vorgesehen, das ein Fühlmedium gestreckt dem Fenster zugewandt hält_o Das innere Gehäuse ist starr gelagert, so daß das pyroelektrische Medium in einer solchen Zuordnung zum äußeren Gehäuse gehalten wird, daß keine mechanischen Schwingungen von dem äußeren Gehäuse auf das Fühlmedium übertragen werden können.

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Das innere Gehäuse weist einen Körperteil mit mindestens einem offenen Ende auf. Ein Deckel mit einem Rand ist auf das offene Ende aufsetzbar. Flansche des Körpers und des Deckels liegen einander so gegenüber, daß ein Schlitz entsteht, in dem das Fühlmedium festgespannt werden kann.

Das Pühlmedium hat einen dreischichtigen Aufbau mit einer pyroelektrischen Schicht, die beiderseits auf ihren ebenen Flächen mit einem leitenden Belag versehen ist. Das innere Gehäuse ist vorzugsweise aus einem leitenden Material ausgebildet, damit der Körperteil als eine Verlängerung des leitenden Belags auf einer Seite des Fühlmediums und der Deckelteil als eine Verlängerung des leitenden Belags auf der anderen Seite des Fühlmediums dienen kann. Auf diese Weise erhält man einen sehr zuverlässigen Kontakt zwischen dem Fühlmedium und der Sensorschaltung im Detektor,

Ein starres Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit kann auf eine Seite des Fühlmediums geklebt werden, um eine Substratschicht auszubilden, die niederfrequente mechanische und akustische Schwingungen (bspw. Biegungen) des Mediums reduziert, ohne das Ansprechverhalten des Sensormediums auf elektromagnetische Signale wesentlich zu beeinträchtigen.

Fig. 1 ist eine Perspektivdarstellung der bevorzugten Ausführungsform der Sensoreinrichtung nach der vorliegenden

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Erfindung, wobei Teile weggeschnitten sind, um den Innenaufbau zu zeigen;

Fig. 2 ist eine Draufsicht der Sensoreinrichtung nach Fig. 1;

Fig. 3 ist eine Unteransicht der Sensoreinrichtung nach Fig. 1;

Fig. 4 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung der Sensoreinrichtung nach Fig. 1; und

Fig« 5 ist eine vergrößerte TeilSchnittdarstellung eines Fühlmediums, wie es in den Sensoreinrichtungen nach Fig. 1 verwendet ist.

Ein Wärmesensor 1o, der eine bevorzugte Ausführungsfonn der vorliegenden Erfindung darstellt, wie sie hier gezeigt und beschrieben ist, ist besonders geeignet, um Infrarotstrahlung sehr genau zu erfassen. Es ist jedoch gleichermaßen einsetzbar für den Nachweis anderer Strahlungsarten. Infolge der neuartigen Konstruktion des Sensors 1o ist er im wesentlichen immun gegen mechanische Schwingungen und akustische Störungen.

Wie aus den Fig„ 1, 2, 3 und 4 ersichtlich, ist die Sensoreinrichtung 1o zylindrisch gestaltet und sehr kompakt auf-

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gebaut. V/ie in den Pig. X und 4 zu ersehen, ist die Einrichtung 1o vorzugsweise mit einem Doppelgehäuse aufgebaut, wobei das hermetisch abgeschlossene äußere Gehäuse 11 als Behälter für ein inneres Gehäuse dient.

Das äußere Gehäuse 11 weist einen Körperteil 17 auf, der vorzugsweise zylindrisch gestaltet und an sowohl dem oberen als auch dem unteren Ende 18 bzw. 19 offen ist. Ein Strahlungsdurchlässiges Fenster 2o, das starr sein kann, ist auf das offene Ende 18 aufgebracht, schließt dieses dicht ab und dient als Fenster, durch das Strahlungswellen in das Gehäuse 11 eindringen können. Das untere Ende 19 des Gehäuses 11 wird von einem kreisrunden Unterteil 24 mit einem Flansch 25 abgeschlossen, der einen Teil des Körpers 17 überlappt.

Vier Tragelemente 26 verlaufen durch den Unterteil 24 und stützen das innere Gehäuse 12 in fester Lage im äußeren Gehäuse 11 ab, so daß die Seitenwände der Gehäuse 11 und 12 einander nicht unmittelbar berühren. Auf diese Weise ist das innere Gehäuse 12 gegen mechanische Schwingungen des äußeren Gehäuses 11 im wesentlichen vollständig Isoliert, Die Sttitzelemente 26 sind jeweils vorzugsweise mit einem inneren leitenden Teil 26a und einem isolierenden äußeren Teil 22b ausgebildet, der die leitenden Teile 26a gegen den Unterteil 24 isoliert,

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Wie am besten in Fig. 4 zu ersehen, ähnelt das innere Gehäuse 12 im Aufbau dem äußeren Gehäuse 11, denn es hat ebenfalls einen zylindrischen Körperteil 27 mit offenen Enden 28 und 29. Am offenen Ende 28 ist ein Innenflansch 3o ausgebildet, dessen Umfangsrand die Öffnung des Endes 28 bildet. Ein erster Deckring 34 ist auf das Ende 28 des Körpers aufgesetzt und hat im wesentlichen die gleiche Gestalt wie das Ende 28, ist aber etwas größer, so daß der Ring 34 auf das Ende aufschiebbar ist. Der Ring 34 hat einen inneren Flansch 35, der dem Flansch 3o des Körperteils 27 gegenüberliegt, wenn der Ring 34 aufgesetzt ist.

Zwischen dem Körperteil 27 und dem Ring 34 ist ein dünnes Fühlmedium 36 eingespannt, das aus einer pyroelektrischen Schicht 37 von vorzugsweise mehr als einem Quadratzentimeter Fläche besteht, die auf beiden Seiten mit einem leitenden Belag 38 bzw. 39 versehen ist, wie in Fig. 5 ersichtlich. Die Schicht 37 besteht aus einem gepolten Isolierstoff wie Polyvinylidenfluorid oder einem anderen solchen Polymerisatmaterial mit pyroelektrischen Eigenschaften.

Gepolte pyroelektrische Werkstoffe haben die Eigenschaft, daß auf ihren ebenen Flächen elektrostatische Ladungen auftreten, wenn sie eine Temperaturänderung erfahren, wobei die Ladungen auf der einen Fläche denen auf der anderen Fläche entgegengesetzt gepolt sind.

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Die leitenden Beläge 38 und 39 dienen als Elektroden zur Aufnahme der elektrostatischen Ladungen, die auf den Flächen der pyroelektrischen Schicht 37 bei Temperaturänderungen auftreten. Vorzugsweise ist die Vorderfläche der leitenden Schicht 38 mit einer dünnen Schicht eines strahlungsabsorbierenden Materials wie Ruß (nicht gezeigt) versehen. Das Gehäuse 12 ist vorzugsweise aus einem leitfähigen Material ausgebildet, so daß der Ring 34 und der Körperteil 27 Verlängerungen der Elektrodenbeläge 38 und 39 darstellen und eine feste und zuverlässige elektrische Verbindung mit diesen bilden können.

Da alle bekannten brauchbaren pyroelektrischen Polymerisatmaterialien auch piezoelektrisch sind, so daß auf ihren Oberflächen elektrostatische Ladungen auftreten, wenn sie gebogen oder komprimiert werden, ist das Medium 36 straff zwischen dem Deckring 34 und dem Körperteil 27 eingespannt, damit es sich weniger leicht biegen kann. Weiterhin ist vorzugweise eine Isolierschicht 4o - bspw. aus einem starren Material geringer Wärmeleitfähigkeit - auf die Rückseite des offenliegenden Teils des Mediums 36 aufgebracht, um ein Durchbiegen desselben zu verhindern. Die* Schicht 4o muß mittels eines Klebers oder auf andere Weise in flächiger Berührung mit dem Medium 36 gehalten werden,, Noch besser wird man das Medium 36 zwischen dem Körperteil 27 und dem Deckring 34 mit einem flüssigen polymereren Schaum niedriger

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Wärmeleitfähigkeit einschäumen, der zu einem starren Zustand aushärtet. Der Vorteil dieses Einschäumens der Folie in der Sollage ist, daß der Schaum am Medium 36 ohne Klebeoder andere Haftstoffe haftete

Am Umfang des offenen Endes 29 des Körperteils ist ein zweiter Deckring 41 angebracht, der einen Teil des inneren Gehäuses 12 bildet und an dem eine Schaltungsplatine 42 befestigt ist. Diese Platine 42 trägt eine Auswerteschaltung 43 und ist dtcch die Schichten 37 und 38 hindurch über Anschlüsse mit dem Deckring 34 und dem Körperteil 27 verbunden, um die auf den Oberflächen des Mediums 36 auftretenden elektrostatischen Ladungen zu erfassen und sie anzuzeigen. Die Stützelemente 26 verlaufen durch die Platine 42 hindurch; mit ihnen ist die Platine 42 am Ende 24 des äußeren Gehäuses 24 befestigt; desgl. dienen sie als elektrische Anschlüsse, mit denen man die Anschlüsse zur Schaltung 43 herstellt. Die Stützelemente 26 sind sehr starr und dienen als robuste Auflager, die das innere Gehäuse 12 in fester Zuordnung zum und im äußeren Gehäuse 11 haltern, so daß im wesentlichen keine mechanischen Schwingungen des Gehäuses auf das Gehäuse 12 übertragen werden.

Bs ist ein pyroelektrischer Wärmefühler beschrieben worden, der im wesentlichen immun gegen Störspannungen infolge von Biegungen oder ; Kompression des eingesetzten Fühlmediums ist. Infolge eines Aufbaus mit zwei Gehäusen ist das innere

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Gehäuse 12 gegen das äußere Gehäuse 11 im wesentlichen isoliert, um den Übergang mechanischer Schwingungen zwischen diesen zu verhindern. Da weiterhin das äußere Gehäuse hermetisch abgeschlossen ist, können Konvektionsströme das innere Gehäuse 12 nicht erreichen. Um akustische Schwingungen der Luft von einer Einflußnahme auf das Pühlmedium abzuhalten, kann das vordere Ende des Gehäuses 11 mit einem starren Fenster 2o abgeschlossen sein. Weiterhin kann man das gesamte im inneren Gehäuse 12 enthaltene Pühlmedium mit einer starren Schaumunterlage 4o verstärken, die ein Biegen des Fühlmediums unterdrückt und damit den Störanstand des Sensorsignals verbessert.

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Claims

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Patentansprüche

1· Pyroelektrischer Infrarot-Sensor mit einem äußeren Gehäuse, einem in dem äußeren Gehäuse befindlichen und für Infrarotstrahlung durchlässigen Fenster und einem in dem äußeren Gehäuse angeordneten pyroelektrischen Fühlmedium mit einer pyroelektrischen Folie und auf gegenüberliegenden Seiten derselben befindlichen leitfähigen Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Gehäuse dicht verschlossen ist, um das Eindringen von Störspannungen erzeugenden Strömungen zu verhindern, daß das pyroelektrische Fühlmedium eine Fläche von mehr als einem Quadratzentimeter Größe aufweist und dem Fenster zugewandt angeordnet ist, um die durch dieses hindurchtretende Infrarotstrahlung unmittelbar aufnehmen zu können, daß das Fenster ausreichend starr ausgebildet ist, um zu verhindern, daß akustische Schwingungen der Luft auf das Sensormedium einwirken, daß ein inneres Gehäuse vorgesehen ist, um das Fühlmedium im äußeren Gehäuse zu haltern, und daß eine Stutζeinrichtung das innere Gehäuse in solcher Zuordnung zum äußeren Gehäuse hält, daß mechanische Schwingungen nicht vom äußeren Gehäuse auf das Fühlmedium übertragen werden können.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf

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der dem Fenster abgewandten Seite auf die leitfähige Elektrode des Fühlmediums in Berührung mit dieser eine Unterlage aus einem Element niedriger Wärmeleitfähigkeit vorgesehen ist.

3ο Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage in situ ausgebildet wurde»

4. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage ein starrer Schaum ist.

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