DE2816580C2 - Schaltungsanordnung mit einem kapazitiven Strahlungsdetektorelement - Google Patents

Description

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bisher die Anordnung von Spannungsbegrenzungsvorrichtungen über dem pyroelektrischen Element nicht möglich war infolge der Tatsache, daß die Leckströme derartiger Vorrichtungen unzulässiges Rauschen erzeugen, oder anders gesagt, daß die begrenzende Impedanz der Vorrichtungen ungenügend hoch ist, um Beeinträchtigungerr infolge des mit einer derartigen Impedanz erzeugten Rauschens zu vermeiden. Durch die sehr niedrige Leckströme aufweisenden Dioden, die einen Innen- ts widerstand von mehr als !O¹⁰ Ω bei niedrigen Vorspannungspegeln aufweisen, ist das durch einen derartigen Widerstand erzeugte Rauschen verhältnismäßig gering und kann mit Rücksicht auf die Vorteile, die durch die Verhinderung des Auftretens von Sättigung des Feldeffekttransistorverstärkers erhalten werden, akzeptabel sein. Außerdem erübrigt das Anbringen der sehr niedrige Leckströme aufweisenden Dioden einen .Gatterableitwiderstand über dem Element, wodurch bei der Herstellung gewisser Detektionsvorrichtungen Kosten erspart werden können, wie nachstehend noch beschrieben wird.

Die beiden Dioden können Schottky-Dioden sein, jedoch bestehen andere Möglichkeiten für die Realisierung der besonders niedrige Leckströme aufweisenden Dioden in der Anwendung von Sperrschichtfeldeffekttransistorstrukturen, deren Source- und Drainelektroden miteinander verbunden sind.

Es ist nicht für alle Zwecke wesentlich, daß die einzelnen Dioden identische Eigenschaften aufweisen. So ist es in gewissen Fällen möglich, verschiedene Typen von Dioden in dem Paar zu verwenden.

Wenn der Feldeffekttransistorverstärker und die besonders niedrige Leckströme aufweisenden Dioden in derselben Umhüllung wie das pyroelektrische Element untergebracht werden, können sich gegebenenfalls für den Benutzer ergebende Probleme in bezug auf Impedanzanpassung und Anpassung der Eigenschaften des Feldeffekttransistors an die Eigenschaften des pyroelektrischen Elements vermeiden lassen. Außerdem werden, wenn die Elemente in einer gemeinsamen Umhüllung untergebracht werden, Probleme in bezug auf elektrische Störung herabgesetzt.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung,

Fig.2 eine perspektivische Ansicht einer Detektorvorrichtung der in der Schaltungsanordnung nach F i g. 1 dargestellten Form,

F i g. 3 ein Schaltbild einer anderen Schaltungsanordnung nach der Erfindung,

Fig.4 ein Schaltbild einer weiteren Ausgestaltung der Schaltungsanordnung nach der Erfindung, eo

F i g. 5 ein Schaltbild einer weiteren Schaltungsanordnung nach der Erfindung, und

F i g. 6 ein Schaltbild einer anderen Schaltungsanordnung nach der Erfindung.

Das Schaltbild nach F i g. 1 ist ein Schaltbild einer Vorrichtung, die tin Strahlungsdetektorelement 1 aus pyroelektrischem Material, im vorliegenden Falle aus PLMZT (Bleizirkonat-titunat, das mit Lanthan und Mangan dotiert ist) enthält, das als ein Kondensator dargestellt ist Für Einzelheiten in bezug auf die Zusammensetzung des pyroelektrischen Materials sei auf die DE-OS 25 12 401 verwiesen.

Zwischen den Elektrodenanschlüssen des Elements 1 sind zwei besonders niedrige Leckströme aufweisende Dioden 2 und 3 angeordnet Diese Dioden sind gegensinnig angeordnet und werden in der vorliegenden Ausführungsform durch nichteingekapselte pn-Diodenscheiben gebildet; sie sind die normalerweise verwendeten Pikoamperedioden vom Typ Mullard BAV 45, wobei die genannten Scheiben in derselben Umhüllung wie das Element 1 untergebracht sind.

Eine Elektrode des Elements 1 ist mit der Gate-Elektrode eines Sperrschichtfeldeffekttransistors (JFET) 4 verbunden. In dieser Ausführungsform weist das JFET-Element 4 die Form einer nichteingekapselten Scheibe von einem normalen Typ aus der Serie von Technical Instruments BF 800-805 auf und liegt auch in derselben Umhüllung wie das Element 1.

In der vorliegenden Ausfühningsf« m sind das pyroeiektrische Element i, die Dioden 2 und 3 und das JFET-Eiement 4 als eine Hybridmikroschaltung in einer gemeinsamen Umhüllung mit drei in F i g. 1 mit 6,7 und 8 bezeichneten Anschlußklemmen angeordnet, wobei die Anschlußklemmen 6 und 7 an der Drain bzw. der Source des JFET-Eiements liegen und die Anschlußklemme 8 an der zweiten Elektrode des pyroelektrischen Elements 1 liegt

Beim Betrieb bildet in einer vollständigen Schaltungsanordnung der Sperrschichtfeldeffekttransistor den Eingang eines Verstärkers, in dem die hohe impedanz auf der Eingangsseite in eine üblicherweise niedrige Ausgangsimpedanz umgewandelt wird.

Durch das Vorhandensein der Dioden 2 und 3 wird das Eingangssignal an der Gate-Elektrode des JFET-Elements begrenzt wenn die Eingangsstrahlung, für die das Detektorelement empfindlich ist derart ist daß eine sehr schnelle Temperaturänderung des Element? oder eine gleichmäßige langsame Temperaturänderung auftritt und dadurch wird die Sättigung der Verstärkermittel verhindert Mit den besonderen beschriebenen Dioden wird der Spannungshub des Elements 1 auf nahezu ±03 V um den konstanten Wert beschränkt. Im Falle verhältnismäßig langsamer gleichmäßiger Temperaturänderungen, z. B. Änderungen in der Nähe von 1^ttC/min oder größer, wirkt trotz der Tatsache, daß diese Änderungen in erheblichem Maße zu dem Rauschen infolge der Dioden beitragen, der Detektor noch derart daß der Verstärker nicht gesättigt ist wie es beim Fehlen der Dioden der Fall wäre.

F i g. 2 ist eine perspektivische Ansicht einer durch das Schaltbild nach Fig.l dargestellten Detektorvorrichtciig. Die Vorrichtung enthält eine Umhüllung mit einem mit drei Leitungen versehenen Träger 21 mit einem allgemein in .der Halbleitertechnik angewandten TO-5-Gehäuse, wobei eine Leitung 22 mit dem metallenen Hauptteil des Trägers verbunden ist und sich die Leitungen 23 und 24 als Stifte durch den genannten Metallteil erstrecken und gegen diesen Teil durch Metall-Glas-Abdichtungen isoliert sind. Der Metallteil des Trägers ist vergoldet und an der oberen Fläche 25 befindet sich ein U-förmiges Untersatzelement 26 mit einer Dicke von nahezu 1 mm aus einem keramischen Material und mit ein^r vergoldeten Oberfläche. Das Untersatzelement 26 bildet eine. Abstützung für einen pyroelektrischen Kristall aus PLMZT mit einer Dicke von nahezu 35 μπι und mit einer Kantenlänge von nahezu

3,5 mm χ 3,5 mm. Auf der unteren Fläche des Elements 27 liegt eine Elektrode aus Nichrom. die einen elektrischen Kontakt mit dem Goldüberzug auf dem Untersatzelement 26 und dadurch schließlich mit der Leitung 22 bildet Auf der oberen Räche des Elements 27 liegt eine Elektrode 28 aus Nichrom mit einer Größe von 2,0 mm χ 2,0 mm und ein kleines rechteckiges Teil 29 von 0,4 mm χ 0,6 mm in einer Ecke. Auf der Oberfläche des Teiles 29 der Elektrode 28 ist mittels eines leitenden Epoxydharzes eine JFET-Scheibe 30 befestigt In der Scheibe 30 bildet das Substrat einen Teil der Gate-Elektrode, und an der oberen Fläche befinden sich Source-, Drain und Gate-Elektrodenanschlußfahnen. Die Source- und Drain-Anschlüsse sind über Verbindungen 32 und 33 aus Gold mit einem Durchmesser von 25 μιη mit den oberen Flächen der Stifte verbunden, die an den Enden der Leitungen 23 und 24 gebildet sind. Der Gate-Anschluß ist mit einem ähnlichen Verbunddrahtkörper 34 an einer Seite einer Diode angeschlossen, wie nachstehend beschrieben werden wird

Neben dem Untersatzelement 26 liegen zwei keramische Abstützungen 37 und 38 von I mm χ I mm mit einer Dicke von 03 mm, die mittels eines Epoxydharzes an der Oberfläche 25 des Trägers 21 befestigt sind Die oberen Rächen der Abstützungen 37 und 38 sind mit Gold metallisiert Diodenscheiben 39 und 40 sind mit Hilfe von Silberepoxydschichten an den metallisierten Oberflächen der Abstützungen 36 bzw. 37 befestigt Von diesen Diodenscheiben, die vom normalen Typ Mullard BAV 45 sind befinden sich die Hauptelektroden auf gegenüberliegenden Oberflächen. Weitere Verbindungen 43 und 44 verbinden die Dioden miteinander in einer antiparallelen Konfiguration. Ein weiterer Draht 45 liegt zwischen der metallisierten Oberfläche auf der Abstützung 38 und der Oberfläche 25 des Metallträgers. In der Praxis wird die Vorrichtung um eine Metallkappe vervollständigt die mit dem Rand des Trägers verschweißt ist and einen Fensterteil aufweist, durch den Strahlung durchgelassen werden kann, die in einem gewünschten Wellenlängenbereich detektiert werden und auf die obere Räche des PLMZT-Elements 27 einfallen soll.

Bekannte Detektoren mit einem pyroelektrischen Element, einem JFET und einem 3 χ 10^ι0Ω Gate-Ableitwiderstand erfahren eine Sättigung des Verstärkers bei Temperaturänderungsgeschwindigkeiten von nur 0,I°C/min, während es sich mit einem Detektor der an Hand der F i g. 2 beschriebenen Form nicht als möglich erwiesen hat eine Sättigung des Verstärkers mit Temperaturänderungsgeschwindigkeiten von 3°C/min und höher hervorzurufen.

F i g. 3 zeigt eine Schaltungsanordnung mit einem pyroelektrischen Element 31, Dioden 32 und 33, einem Feldeffekttransistorverstärker 34 und Widerständen Rt und /?2- In dieser Schaltung können die Elemente 31,32 und 33 zusammen mit einem einen Teil des schematisch dargestellten Verstärkers 34 bildenden JFET-Element durch eine Vorrichtung der oben an Hand der F i g. 1 und 2 beschriebenen Form gebildet werden. Auch können gesonderte Teile verwendet werden, wobei z. B. die Elemente 31,32 und 33 den Elementen 1, 2 und 3 der F i g. 1 in bezog auf ihre Eigenschaften nahezu entsprechen.

In der Schaltungsanordnung nach F i g. 4 entsprechen ein pyroelektrisches Element 51, Dioden 52 und 53 und ein JFET-Etenjcni genau den in der Detektorvorrichtung nach Fig.2 vorhandenen Elementen. Der Anschluß der Schaltung ist jedoch insofern verschieden, daß die eingekapselte Vorrichtung mit den genannten Elementen nun vier Klemmen 56—59 aufweist Die Klemmen 56,57 und 58 entsprechen den Klemmen 6, 7 bzw. 8 in Fig.) und den Leitungen 24, 23 bzw. 22 in s K i g. 2. Die vierte Klemme 59 ist an eine Seite der Dioden 52 und 53 angeschlossen, und die Verbindungen innerhalb der Detektorvorrichtung mit den Elementen 51 —54 sind in geeigneter Weise in bezug auf diejenigen nach F i g. 2 abgeändert

ίο Außerdem ist ein Kondensator 55 zu den Dioden parallelgeschaltet Bei dieser Anordnung können die Dioden und der Kondensator, der in einigen Ausführungsformen weggelassen werden kann, in einen Rückkopplungsweg zwischen der Ausgangsseite einer Verstärkungsstufe und dem pyroelektrischen Element aufgenommen werden. Eine Schaltungsanordnung, die eine derartige Detektorvorrichtung der in F i g. 4 dargestellten Art enthält, ist in F i g. 5 dargestellt In dieser Schaltungsanordnung bildet das JFET-Element einen Teil des schematisch dargestellten Verstärkers 64.

Der Kondensator 55 wird wenn er in einer Vorrichtung nach Fig.4 und/oder in einer Schaltungsanordnung nach Fig.5 vorhanden ist zur Einstellung der Verstärkung des Gebildes von J FET-Vorverstärker und Detektor in Verbindung mit R\ und /?2 (F i g. 5) verwendet In dieser Anordnung wird die Spannung Ober dem Element 51 auf 0 V gehalten. Dies kann den Vorteil aufweisen, daß das Rauschen des Elements herabgesetzt wird

Der Gleichspannungspegel am Ausgang ist dem Logarithmus des Modulus der Temperaturändemngsgeschwindigkeit die dstektiert werden soll, proportional. Bei einer Abwandlung ist wenn der Kondensator 55 durch einen Widerstand hohen Wertes ersetzt ist die Ausgangswechselspannung unabhängig von der Frequenz bis zu der Grenzfrequenz, die durch die Rückkoppiungselemente bestimmt wird

Bei der Ausfährungsfortn nach Fig.6 enthält die Strahlungsdetektorvorrichtung ein pyroelektrisches Element 71, zwei in Reihe geschaltete Schottky-Dioden 72 und 73 und ein JFET-Element 74. Die Vorrichtung weist nur drei Klemmen 76, 77 und 78 auf und ist in Form einer Hybridmikroschaltung ähnlich der Vorrichtung nach F i g. 2 ausgeführt Die Schottky-Dioden 72 und 73 sind mit den Rückseiten aneinander in Reihe und parallel zum Element 71 geschaltet

Durch die Anwendung in Reihe geschalteter Schottky-Dioden statt parallelgeschalteter pn-Dioden wird ein größerer Bereich von Spannungen erhalten, die von

so dem pyroelektrischen Element abgeleitet werden, bevor der Strom begrenzt wird wobei die Schottky-D'oden derartige Eigenschaften aufweisen, daß sie einem Widerstand konstanten Wertes ähnlich sind im Gegensatz zu einem Widerstand der sich logarithmisch ändert Auf diese Weise wird ein hoher linearitätsgrad bis zu dem Punkt erhalten, an dem die Dioden auf einem hohen Pegel leitend werden. Außerdem tritt keine wesentliche Zunahme des Rauschens infolge der niedrigen Leitfähigkeit der Schottky-Dioden auf, bis die Dioden auf dem genannten hohen Pegel anfangen, leitend zu werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1 2 peratur und nicht für absolute Temperaturwerte. Für Patentansprüche: eine geringe Temperaturänderung d T ist die Änderung in der Polarisation eines Kristalls der Temperaturände-

1. Schaltungsanordnung mit einem kapazitiven rung proportional, und zwar UP=AdT, wobei λ den py-Strahlungsdetektorelement aus pyroeiektrischem 5 «»elektrischen Koeffizienten des Kristalls darstellt Der Material, das unmittelbar mit der Gate-Elektrode Strom in der Außenschaltung ist dem Flächeninhalt der eines Feldeffekttransistorverstärkers verbunden ist, Strahlungsempfangenden Elektrode A und auch der Gedadurch gekennzeichnet, daß zwei gegen- schwindigkeit proportional, mit der sich die Polarisasinnig geschaltete, besonders niedrige Sperrströme tkmsladung ändert, und zwar

aufweisende Dioden (2,3; 32,33; 52,53; 72,73), bei io
denen bei einer Sperrspannung von 0,5 V ein Sperr- . . άΡ λι^Τ

strom von weniger als 20 pA fließt, mit der Verbin- ^/— df ~ di *

dung der Gate-Elektrode (G) des Feldeffekttransistorverstärkers (4; 34; 54; 64; 74) und dem Strah- Als Infrarotstrahiungsdetektoren werden pyroeleklungsdetektorelement(l;31;51;71) verbunden sind, 15 trische Elemente der beschriebenen Art mit zugehöridie die Amplitude des Eingangssignals des Feldef- gsm Verstärker verwendet Diese Detektoren können fekttransistorverstärkers begrenzen und dadurch derart betrieben werden, daß das von den Verstärkern die Sättigung bei großen Einschaltspitzen in der Ein- erhaltene Signal direkt auf Änderungen der auf das EIegangsstrahlung oder bei gleichmäßig zunehmenden ment einfallenden Strahlung bezogen ist In einem andegeringen Änderungen in der Eingangsstrahlung -ver- 20 ren Modus wird die einfallende Strahlung mit einer fehindern. sten Frequenz unterbrochen und ist das abgeleitete Si-

2. Schaltungsanordnung nach Ansprach 1, da- gna! eine konstante Wechselspannung mit dieser Fredurch gekennzeichnet, daß die Dioden durch in Rei- quenz. Ein wichtiger Parameter in einer Detektoranordhe geschaltete Schottky-Dioden (72, 73) gebildet nung mit einem Detektorelement und zugehörigem werden. 25 Verstärker ist das Rauschen, das von mehreren Quellen

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, da- stammen kann, einschließlich des Temperatur- oder durch gekennzeichnet daß die Dioden parallel zu Strahlungsrauschens, des Johnson-Rauschens im Kriden Elektroden des Strahlungsdetektorelements (1) stall, des Stromrauscaens in den Verstärkern und des angeordnet sind. Spannungsrauschens in den Verstärkern.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, da- 30 Ein inhärentes, sich bei der Anwendung pyroelektridurch gekennzeichnet, daß die Dioden (52, 53) an scher Elemente für die Detektion geringer Signalstraheinen Rückkopplungsweg (R_u R₂) zwischen dem lung ergebendes Problem war der Effekt großer uner-Ausgang des Feldeffekttransistorverstärkers (54; 64) wünschter Strahlungseingangssignaländerungen, z. B. und dem Strahlungsäetektorelement (51) ange- der Änderung der Stärke von Sonnenstrahlung unter schlossen sind. 35 sich ändernden Wolkenbedingungen an der Ausgangsschaltung, und auch der Einfluß einer gleichmäßigen

Temperaturänderung der Umgebung von etwa 1 ° C/min

oder sogar weniger. Da das Element eine Vorrichtung mit verhältnismäßig hoher Impedanz ist ist es üblich,

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanord- 40 eine Feldeffekuransistorvorverstariirstufe, die einen

nung mit einem kapazitiven Strahlungsdetektorelement Teil der Außenschaltung bildet, in der Nähe des Detek-

nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. torelcments anzuordnen, wobei bei einer derartigen

Die Anwendung pyroelektrischen Materials für plötzlichen Änderung der Eingangsstrahlung oder bei Strahlungsdetektoren, insbesondere Infrarotstrahlungs- einer gleichmäßigen Temperaturänderung in der gedetektion, ist allgemein bekannt Der pyroelektrische 45 nannten Größenordnung der Feldeffekttransistorver-Effekt ist die Änderung einer elektrischen Polarisation stärker gesättigt wird. Für die Begrenzung des Spanin einem Kristall infolge einer Temperaturänderung. nungsanstiegs, der unter den genannten ungünstigen Der Polarisationszustand ist im allgemeinen nicht wahr- Bedingungen stattfindet, muß beachtet werden, daß etnehmbar, weil er unter Gleichgewichtsbedingungen waige in die Außenschaltung zugefügte Elemente kein durch das Vorhandensein freier Ladungsträger ausge- 50 zusätzliches Rauschen herbeiführen, das den inhärenten glichen wird, die die Oberfläche des Kristalls durch Lei- Rauschfaktor des Detektorelementes selber Überschreitung durch den Kristall von außen her erreicht haben. tet

Die Größe der Polarisation und somit der ausgleichen- Bei den meisten Versuchen zur Verringerung des Sätden Ladung hängt von der Temperatur ab, und wenn die tigungseffektes wurde bisher von der Verringerung des Temperatur derart geändert wird, daß die Zufuhr aus- 55 Wertes eines Gatterableitwiderstandes mit hohem gleichender Ladungsträger geringer als die Änderung in Wert der über dem Detektorelement angeordnet ist der polarisierenden Ladung ist, entsteht auf den Kri- und somit von der Verringerung der Niederfrequenzstalloberflächen eine wahrnehmbare Spannungsände- empfindlichkeit ausgegangen. Dieses Verfahren weist rung. Dieser Effekt wird in Detektorvorrichtungen da- den wesentlichen Nachteil auf, daß das Rauschen des durch benutzt, daß der Kristall als ein Kondensator mit 60 Detektors zunimmt Hierzu wird auf die US-PS Elektroden auf einander gegenüberliegenden ebenen 35 39 803 hingewiesen.

Oberflächen ausgebildet wird, die zu der polaren Achse Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanord-

des Kristalls senkrecht sind, wobei die Wiederverteilung nung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine

der ausgleichenden Ladungsträger bewirkt, daß ein wirksame Begrenzung des Spannungsanstiegs an dem

Strom durch eine Schaltung fließt, die den Kondensator 65 Strahlungsdetektorelement und damit am Eingang des

enthält und die Außenschaltung für den Kristall bildet. Feldeffekttransistorverstärkers gewährleistet, ohne das

Pyroelektrische Elemente der genannten Konfigura- Rauschen der gesamten Schaltung wesentlich zu erhö-

tion sind selber empfindlich für Änderungen in der Tem- hen.