DE2914365A1 - Auf infrarotstrahlung ansprechendes bauelement - Google Patents
Auf infrarotstrahlung ansprechendes bauelementInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein auf Infrarotstrahlung ansprechendes
Bauelement.
Bisher wurden als Material für pyroelektrisch^ Bauelemente,
die auf Infrarotstrahlung ansprechen, anorganische Materialien verwendet, wie Lithiumniobat, Triglycinsulfat,
Bleisulfat u. dgl. Wenn diese Materialien für die Herstellung
von auf .Infrarotstrahlung ansprechenden Bauelementen verwendet werden, so wird, je geringer die Dickenabmessung
des Elementes ist, dessen Leistung besser. Bauelemente, deren Dicke einige zwanzig Mikron beträgt, sind gegenwärtig
im Betrieb. Da jedoch diese anorganischen Materialien von Natur aus brüchig sind und wenig flexibel, ist
die mechanische Festigkeit dieser dünnen Bauelemente nicht zufriedenstellend, und diese brechen, wenn sie etwas gebogen
werden. Dies ist einer der Nachteile dieser auf Infrarotstrahlung ansprechenden Bauelemente, die aus dem im
Vorstehenden aufgeführten Material hergestellt sind.
Es wurde doshalb ein pyroelektrisches Bauelement aus einem
anorganischen Material hergestellt, welches auf einer flachen Basisplatte aufgebracht wurde, um dessen Zerstörung
zu verhindern, und diese kombinierten Bauelemente wurden dann verwendet.
Es wurde vorgeschlagen, daß ein pyroelektrisches Bauelement
aus einer hochpolyrneren Membran hergestellt wird, beispielsweise aus einer Membran aus Polyvinylidenfluorid. Da diese
hochpolymere Membran außerordentlich flexibel ist, wurde diese auf einer festen Basisplatte angeordnet, uüi sie in
ihrer Form zu halten, wenn sie zur Feststellung von Infrarotstrahlen verwendet wurde.
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Es gibt Fälle, in denen es erforderlich ist, da3 ein
auf Infrarotstrahlung ansprechendes Bauelement in einem weiten Richtungsbereich hochempfindlich ist. Das heißt,
dieses Element sollte richtungsunabhängig sein und auf
ungerichtete Strahlungen ansprechen. Die bekannten Elemente,
die in der Weise hergestellt werden, daß ein pyroelektrisches Bauelement aus einem anorganischen Material
oder aus einem hochpolymeren Material auf einer flachen Basisplatte angeordnet wird, haben die Form einer flachen
Platte, und ihr Richtungs- oder Aufnahmebereich ist auf lediglich eine Richtung beschränkt, und diese sind nicht
in der Lage, die im Vorstehenden aufgeführten Erfordernisse zu erfüllen. Man kann mehrere Bauelemente kombinieren,
um eine ungerichtete Empfindlichkeit zu erzielen. Ein derartiger Aufbau ist jedoch zu kompliziert, und es
ist erforderlich, Bauelemente auszuwählen und zu verwenden, die die gleichen Charakteristiken haben, und deshalb
führt dieser Weg nicht zu einem zufriedenstellenden Ergebnis.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein auf Infrarot
ansprechendes Bauelement zu schaffen, welches Infrarotstrahlen in einem weiten Bereich, insbesondere in einem
weiten Richtungsbereich, feststellen oder nachweisen kann.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Bauelement, welches auf Infrarotstrahlung anspricht, zu schaffen, welches
eine wesentlich höhere Empfindlichkeit hat.
Ferner ist es Ziel der Erfindung, ein auf Infrarotstrahlung ansprechendes Bauelement zu schaffen, welche die er-
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forderliche mechanische Festigkeit aufweist, und dessen Herstellung vereinfacht werden kann.
Erfindungsgemäß wird ein auf Infrarotstrahlung ansprechendes
Bauelement geschaffen, bei dem wenigstens ein Teil der die Strahlung aufnehmenden Oberfläche eines pyroelektrischen
Bauelementes, welches einen Polymerfilm aufweist, gekrümmt ist. Durch die Erfindung wird die Betriebsund
Wirkungsweise eines auf Infrarotstrahlung ansprechenden Bauelementes dadurch verbessert, daß die die Strahlung aufnehmende
Oberfläche der Vorrichtung gekrümmt ist, wobei die Eigenschaft des eine hochpolymere Substanz aufweisenden
Elementes verwendet wird, wobei dieses Element auch noch bei einer Dicke von wenigen Mikron fest genug ist und
so flexibel ist, daß eine freie Verformung möglich wird. Das pyroelektrische Bauelement, welches einen Film mit
einer gekrümmten oder gewölbten Oberfläche aufweist, ist ein Element, welches pyroelektrische Eigenschaften aufweist
und in der Weise hergestellt wird, daß Elektroden auf beiden Oberflächen eines hochpolymeren Filmes angeordnet
oder ausgebildet werden. Dieser hochpolymere Film kann beispielsweise aus Polyvinylidenfluorid, Polyvinylfluorid
oder aus einem Copolymer hergestellt sein, welches irgendeines der beiden oben erwähnten Polymere als
Hauptkomponente aufweist. Der Film wird gebohrt, und insbesondere werden solche Filme bevorzugt benutzt, die durch
Bohren des Copolymerfilmes erzeugt werden, der Polyvinylidenfluorid
oder Polyvinylfluorid als Hauptkomponete aufweist.
Der hier verwendete Begriff "Pyroelektrizitäfbezeichnet
die Pyroelektrizität im engeren Sinne, d.h. die Erscheinung, bei der eine bestimmte elektrische Ladung erzeugt
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wird, die einer bestimmten Temperaturänderung entspricht.
Es sei jedoch bemerkt, daß das Bauelement die Erscheinung von Pyroelektrizität in einem breiteren Sinne aufweist,
d. h. es weist eine Polarisierung auf, um die Pyroelektrizität im breiteren Sinn zu verursachen. In
diesem Fall wird keine bestimmte Ladung erzeugt, die einer bestimmten Temperaturänderung entspricht. Eine
elektrische Ladung, die größer ist als eine bestimmte Menge, entspricht dann einer wiederholten Temperaturänderung,
und diese Erscheinung wird zur Feststellung oder zum Nachweis von Infrarotstrahlung verwendet.
Bei dem erfindungsgemäßen pyroelektrischen Bauteil ist
notwendigerweise wenigstens ein Teil der die Strahlung aufnehmenden Oberfläche gekrümmt. Wenn die die Strahlung
aufnehmende Oberfläche als Ganzes gekrümmt ist, so wird das Bauelement wirksamer, und auch wenn ein Teil der die
Strahlung aufnehmenden Oberfläche gekrümmt ist, ist dieses Element zur Erreichung der Ziele der Erfindung außerordentlich
wirksam.
Dadurch, daß die gekrümmte Oberfläche der die Strahlung aufnehmenden Oberfläche gegenüber der einfallenden Strahlen
konvex gemacht wird, ist es möglich, den Aufnahmebereich für die Strahlung zu vergrößern,und ein derartiges
Bauelement mit einer konvex gekrümmten Strahlungsaufnahmeoberfläche
wird als Alarmelement zur Verhütung von Verbrechen und als Feuerschutzelement verwendet oder als ein
Signal zur automatischen Verkehrskontrolle durch Überwachung der Bewegung von Menschen, oder ganz allgemein als
Kontrollelement usw.
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Dadurch, daß die gekrümmte Oberfläche der die Strahlung
aufnehmenden Oberfläche konkav gegenüber der einfallenden Strahlung gemacht wird, kann die Empfindlichkeit der
Anlage dadurch erhöht v/erden, daß der Einfall der reflektierten Strahlung vom Winkel der einfallenden Strahlung
abhängt.
Eine derartige Anlage mit einer konkav gekrümmten Oberfläche ist in zahlreichen Fällen von Vorteil, beispielsweise
als Kontrollvorrichtung für Fertigungsstraßen und als ein Element mit einer besseren Richtungswirkung.
Um das pyroelektrische Bauelement mit einer gekrümmten
Oberfläche gemäß der Erfindung herzustellen, können an sich bekannte Verarbeitungsmethoden leicht angewendet
werden. In den Fällen, in denen die Bauelemente durch
Prägen oder Pressen der gesamten gekrümmten Oberfläche
hergestellt werden, werden die Teile um die Mitte der gekrümmten Oberfläche wesentlich dünner, und sie können
bearbeitet werden, um Infrarotstrahlen mit größerer Empfindlichkeit
festzustellen.
Wenn der gekrümmte Bauteil durch Aufblähen hergestellt
wird, so erhält man einen Bauteil, bei dem eine große
Fläche der Filmoberfläche eine gleichförmige Dicke hat.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen in der folgenden
Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines pyroelektrischen
Bauelementes, welches einen hochpolymeren
Film aufweist,
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Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des in Fig. 1
dargestellten pyroelektrischen Bauelementes, bei welchem diese an einem Zylinder angeordnet
und derart behandelt ist, daß diese ein zylindrisches Bauelement bildet,
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht des in Fig. 1 dargestellten pyroelektrischen Bauelementes,
welches auf einem Kegel angeordnet ist,
Fig. 4 eine Querschnittsansicht des pyroelektrischen Bauelementes, welches auf einer Basis angeordnet
ist, die einen gewölbten Vorsprung aufweist,
Fig. 5 eine Draufsicht auf eine Anordnung, die das pyroelektrische Bauelement und einen konkaven
Spiegel umfaßt,
Fig. 6 eine Vorderansicht der in Fig. 5 dargestellten Anordnung,
Fig. 7 eine Draufsicht auf eine Anordnung, die das in Fig. 2 dargestellte pyroelektrische Bauelement
umfaßt und konveJie Linsen,
Fig. 8 eine perspektivische Ansicht eines Infrarotdetektors, bei dem das Bauelement in einem
Gehäuse angeordnet ist,
Fig. 9 eine Schnittansicht des in Fig. 8 dargestellten Detektors
und
und
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Fig. 10 ein Schaltbild für den in Fig. 8 dargestellten
Detektor.
In den Fig. 1 und 2 ist ein pyroelektrisch.es Bauelement 5 dargestellt, welches aus einem hochpolymeren Film 4
besteht, der zwischen zwei flachen Elektroden 2 und 3 angeordnet ist, mit denen Leitungen 1 verbunden sind, und
dieses Bauelement ist um einen Zylinder 6 herumgelegt. Die Elektroden 2 und 3 aus einem elektrisch leitenden
Material sind vorzugsweise voll flexibel und sind Folien. Diese Elektroden sind durch eine Vakuumverdampfung auf
den Film 4 aufgebracht oder durch eine Verklebung. Die Elektrode 2, die auf der, die Infrarotstrahlen aufnehmenden
Seite liegt, besteht aus vorzugsweise aus einer wärmeleitenden dünnen Folie oder einer wärmeleitenden Schicht,
damit die Wärme, die durch die einfallenden Infrarotstrahlen 7 erzeugt wird, schnell auf den Film 4 übertragen
wird. Die Elektrode 2 ist ferner durchsichtig oder durchscheinend, damit eine ausreichende Energie der Infrarotstrahlen
auf das pyroelektrische Bauelement 5 fallen kann. Der Film 4 besteht beispielsweise aus einem pyroelektrischen
Polyvinylidenfluorid und weist deshalb eine ausreichende
Flexibilität auf, so daß dieser Film um den Zylinder 6 herumgelegt werden kann, ohne daß irgendwelche
Störungen auftreten. Dadurch ist es möglich, eine, die Infrarotstrahlung aufnehmende Oberfläche 8 des pyroelektrischen
Bauelementes 5 zu erzeugen, die konvex geformt ist. Der Film 4 ist vorzugsweise derart bearbeitet, daß
er so dünn wie möglich ist, damit eine zufriedenstellende Empfindlichkeit gegen Infrarotstrahlen erzielt wird. Beispielsweise
kann dieser Film einige wenige Mikron dick sein. Der Basiszylinder 5 kann entweder aus einem elek-
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trisch isolierenden und nicht wärmeleitenden Material bestehen oder aus einem elektrisch leitenden Material,
und das pyroelektrische Bauelemente 5 ist an dem Basiszylinder 6 befestigt und wird von diesem getragen, der
aus einem Material besteht, welches das Bauelement 5 trägt und welches ebenfalls Infrarotstrahlen durchlassen
kann. In den Fällen, in denen die Basis aus einem Material besteht, welches Infrarotstrahlung durchläßt, wie im Vorstehenden
dargelegt, können die Strahlen, die einmal durch das pyroelektrische Bauelement hindurchgegangen sind,
nochmals verwendet oder ausgenutzt werden.
Bei einer Bestrahlung einer derartigen Vorrichtung 9 zur Feststellung von Infrarotstrahlen durch die Infrarotstrahlen
7 besteht eine Temperaturänderung im Film 4,
und dadurch wird Pyroelektrizität erzeugt. Dabei wird ein elektrisches Signal durch diese Pyroelektrizität
in den Leitungen 1 erzeugt. Durch Feststellung dieses elektrischen Signals kann das Auftreffen von Infrarotstrahlen
auf die Vorrichtung 9 ermittelt werden. Da die Strahlungsaufnahmeoberfläche 8 der Vorrichtung 9 sich
um die gesamte Zylinderfläche der Basis 6 herumerstreckt, bedeckt der Strahlenaufnahmabereich der Vorrichtung 9
die gesamte Zylinderfläche, so daß das Element 9 nicht richtungsabhängig ist.
Die Vorrichtung 9 wird somit für ungerichtete Strahlung empfindlich.
In Fig. 3 ist eine Vorrichtung 11 zur Feststellung infraroter Strahlen dargestellt. Diese Vorrichtung besteht aus
einem pyroelektrischen Bauelement 5, welches auf dem Mantel
eines Kegels 10 angeordnet ist. Bei dieser Vorrichtung
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11 ist die Strahlungsaufnahmeoberfläche ebenfalls konvex
gekrümmt. Diese Vorrichtung 11 weist einen weiten Strahlungsaufnahmebereich auf und ist richtungsunabhängig,
und damit für. nicht gerichtete Strahlung geeignet und kann für Feuerschutzzwecke und zum Objektnachweis
verwendet werden.
In Fig. 4 ist eine andere Vorrichtung 14 zum Nachweis
oder zur Feststellung infraroter Strahlen dargestellt. Diese Vorrichtung besteht aus einem pyroelektrischen Bauelement
5, welches auf einer Basis 13 angeordnet ist,
die einen gewölbten Vorsprung 12 hat. Mit dieser Vorrichtung 14 ist es möglich, auch den Einfall horizontal gerichteter
infraroter Strahlen 7a festzustellen, was mit
flachen Detektoren nicht möglich ist, und ferner weist diese Vorrichtung einen wesentlich vergrößerten Strahlungsaufnahmebereich
auf.
Die Fig. 5 und 6 zeigen eine Vorrichtung 17 zum Nachweis oder zur Feststellung infraroter Strahlen auf, welche
einen konkav gekrümmten Spiegel 15 hat, der dicht bei dem pyroelektrischen Bauelement 5 angeordnet ist. Durch
die Kombination des pyroelektrischen Bauelementes 5,
welches eine konvex gekrümmte Strahlungsaufnahmeoberfläche 8 hat, mit einem konkav gekrü"" '.en Spiegel ist
es möglich, Infrarotstrahlen 18, die durch den konkav gekrümmten Spiegel 15 reflektiert werden, auf die Strahlungsaufnahmeoberfläche
8 des pyroelektrischen Bauelementes 5 zu leiten, wodurch die Empfindlichkeit der Vorrichtung
zum Nachweis infraroter Strahlung erheblich verbessert wird. Um in wirksamer Weise die infraroten Strahlen
18, die von dem konkaven Spiegel 15 auf die Strahlungs-
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aufnahmeoberflache 8 des pyroelektrischen Bauelementes
5 reflektiert werden, zu leiten, wird die Strahlungsauf nahmeoberf lache 8 vorzugsweise im Brennpunkt des
konkaven Spiegels 15 angeordnet. Obwohl der mögliche Strahlungsaufnahmebereich vermindert ist, ist es dadurch
möglich, auch eine schwache Infrarotstrahlung nachzuweisen,
da sehr viel Strahlungsenergie auf das Bauelement 5 aufgestrahlt werden kann.
Um eine hochempfindliche Vorrichtung 21 zur Feststellung
infraroter Strahlen mit einem breiteren Strahlungsaufnahmebereich zu schaffen, kann die Vorrichtung mehrere
konvexe Linsen 19 aufweisen, die um ein pyroelektrisches
Bauelement 5 herum angeordnet sind, und Infrarotstrahlen 20, die durch die Linsen 19 aufgefangen werden, werden,
wie Fig. 7 zeigt, auf das Bauelement 5 abgegeben. Durch eine derartige Anordnung der Linsen 19 um das pyroelektrische
Bauelement 5 herum, da die StrahIungsaufnahmeoberf
lache 8 sich in den Brennpunkten der Linsen 19 befindet, ist es möglich, die Vorrichtung 21 extrem empfindlich
zu machen.
Wie die Fig. 8 und 9 zeigen, kann eine Vorrichtung zur Feststellung infraroter Strahlen so ausgebildet sein, daß
die Vorrichtung 9 in ein Metallgehäuse 23 eingesetzt ist, welches Fenster 22 aufweist. In diesem Fall kann ein Impedanzwandler
26, der einen Feldeffekttransistor 24 aufweist und einen Widerstand 25, zusammen mit der Vorrichtung
9 in dem Gehäuse 23 angeordnet sein. Ein elektrisches Signal von der Vorrichtung 9 wird über den Impedanzwandler
26 an Leitungen 28 und 29 abgegeben, die durch die Basisplatte 27 hindurchgehen, und dadurch werden die nachteiligen
Wirkungen beseitigt, die durch die Kapazität und
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den hohen Ausgangswiderstand der Vorrichtung 9 erzeugt werden. Ferner, wird eine Transistorschaltspannung von
einer Spannungsquelle über eine andere Leitung 30 zugeführt, die durch die Basisplatte 27 hindurchgeht. Dadurch,
daß bei der Vorrichtung 31 die Detektorvorrichtung 9 innerhalb eines Metallgehäuses 23 angeordnet ist, ist
es möglich, das Auftreten von elektrischen StörSignalen
zu vermindern, die durch die Piezoelektrizität der Vorrichtung 9 erzeugt werden. Wenn man als Fenster 22 ein
Fenster aus beispielsweise Germanium, Silizium, KRS-5 usw. verwendet, ist es möglich, den Innenraum des Gehäuses
von der äußeren Atmosphäre abzutrennen, wodurch weiterhin das Auftreten von elektrischen StörSignalen
vermindert oder unterbunden wird.
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Claims (1)
- MÜLLER-BORE · DBUFi ί · SOHÖ^i · HBRTELPATEKTASWlIrTE29U365DR. WOUFGANG MÜLLER-BORE (PATENTANWALTVON 19Z7-J97SJ DR. PAUL DEUFZL. DIPL.-CHEM. DR. ALFRED SCHÖN. DIPL.-CHEM. WERNER HERTEL. DIPL.-PHYS.KUREHA KAGAKU KOGYO KABUSHIKI KAISHA, Tokyo / JapanAuf Infrarotstrahlung ansprechendes BauelementPatentansprücheAuf Infrarotstrahlung snprechendes Bauelement, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein'Teil der Strahlungsaufnahmeoberfläche eines pyroelektrischen Bauelementes, welches einen hochpolymeren Film aufweist, gekrümmt ist.Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bauelement auf die Zylinderoberfläche einer zylindrischen Basis aufgebracht ist und daß die Strahlungsaufnahmeoberfläche dieses pyroelektrischen Bauelementes konvex ausgebildet ist.909843/0770MÜNCHEN 88 · SIEBERTSTR. * · POSTEACH 8807S0 · ΚΔΒΕΙ: JItTEBOPAT · TEX.. (089) 474005 · TELEX 5-S4285ORIGINAL INSPECTED3- Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein pyroelektrisches Bauelement auf den Mantel einer konischen Basis aufgebracht ist und daß die Strahlungsaufnahmeoberfläche des pyroelektrischen Bauelementes konvex geformt ist.4. Bauelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß ein pyroelektrisches Bauelement auf einen gewölbt vorspringenden Teil aufgebracht ist und daß die Strahlungsaufnahmeoberfläche dieses pyroelektrischen Bauelementes konvex ausgebildet ist.5. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein konkaver Spiegel dicht bei einem pyroelektrischen Bauelement angeordnet ist und daß wenigstens ein Teil der die Strahlung aufnehmenden gekrümmten Oberfläche des pyroelektrischen Bauelementes im Brennpunkt dieses konkaven Spiegels angeordnet ist.6. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Linsen dicht bei dem pyroelektrischen Bauelement angeordnet ist oder sind und daß wenigstens ein Teil der die Strahlung aufnehmenden gekrümmten Oberfläche des pyroelektrischen Bauelementes im Brennpunkt der konvexen Linse oder Linsen angeordnet ist.7. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der hochpolymere Film aus Polyvinylidenfluorid besteht.909843/0770 "3 ~
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