DE2920587C2

DE2920587C2 - Pyroelektrischer Infrarot-Detektor

Info

Publication number: DE2920587C2
Application number: DE2920587A
Authority: DE
Inventors: Tetuaki Iwaki Fukushima Kon; Hiroshi Obara
Original assignee: Kureha Corp
Current assignee: Kureha Corp
Priority date: 1978-05-22
Filing date: 1979-05-21
Publication date: 1983-04-28
Also published as: US4258259A; GB2021761A; GB2021761B; CA1153082A; FR2426893B1; DE2920587A1; FR2426893A1; JPS54151882A

Description

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Die Erfindung betrifft einen pyroelektrischen Infrarot-Detektor mit einem mit Elektroden versehenen pyroelektrischen Körper, bei dem eine Elektrode mit der Gate-Elektrode eines Feldeffekttransistors verbunden ist.

Aus der GB-PS 13 37 735 ist ein derartiger Infrarot-Detektor bekannt, wobei der pyroelektrische Körper und der Feldeffekttransistor in einem Gehäuse eingebaut sein können.

Aus der DE-OS 21 52 299 ist es ganz allgemein bekannt, bei pyroelektrischen Infrarot-Detektoren polymeres pyroelektrisches Material, wie Polyvinylfluorid und Polyvinylidenfluorid zu verwenden.

Der pyroelektrische Infrarot-Detektor, wie er aus der GB-PS 13 37 735 bekannt ist, weist im allgemeinen eine elektrische Kapazität und eine hohe innere Impedanz auf. Der Feldeffekttransistor ist Teil einer Impedanzwandlerschaltung, die die elektrischen Signale des Detektors verarbeitet.

Der bekannte Infrarot-Detektor kann bei mittels eines Unterbrechers zugeführten intermittierenden Infrarotstrahlung nicht in wirksamer Weise seine ausgezeichneten pyroelektrischen Eigenschaften ausnutzen, und die elektrischen Signale, die vom pyroelektrischen Körper abgegeben werden, können in Abhängigkeit von der Impedanzschaltung nicht ausgenutzt werden. Bei einer durch den Unterbrecher intermittierenden Infrarotbestrahlung, die dem pyroelektrischen Körper zugeführt wird, erzeugt der pyroelektrische Körper ein elektrisches Signal, welches als Vorspannung wirksam ist, sowie elektrische Signale, die der intermittierenden Infrarotbestrahlung entsprechen. Wenn das elektrische Signal, welches als Vorspannungssignal wirksam ist auf die Größenordnung der Sperrspannung des n-Feldeffekttransistors odsr sogar darunter abfällt, werden die elektrischen Ausgangssignale, die der intermittierenden infraroten Strahlung entsprechen, abgekappt, oder es werden überhaupt keine elektrischen Signale abgegeben. Diese Erscheinung ist insbesondere sehr bedeutend in pyroelektrischen Detektoren mit ausgezeichneten pyroelektrischen Eigenschaften, und deshalb können deren ausgezeichnete Eigenschaften nicht in wirksamer Weise ausgenutzt werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen pyroelektrischen Infrarot-Detektor der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, bei dem auch bei intermittierend einfallender Infrarotstrahlung in wirksamer Weise seine ausgezeichneten pyroelektrischen Eigenschaften vollständig ausgenutzt werden.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der pyroelektrische Körper aus einem polymeren Material besteht und daß seine positive Elektrode mit der Gate-Elektrode eines n-Kanal-Feldeffekttransistors oder daß seine negative Elektrode mit der Gate-Elektrode eines p-Kanal-Feldeffekttransistors verbunden ist In vorteilhafter Weise wird hierdurch verhindert, daß elektrische Signale, die während des Betriebes von der Impedanzwandlerschaltung abgegeben werden, abgekappt werden. Auch wird verhindert, daß beim Betrieb der Fall eintritt, daß vom Detektor überhaupt keine elektrischen Signale abgegeben werden. Die innere Impedanz des pyroelektrischen Körpers wird umgewandelt und die von dem pyroelektrischen Körper abgegebenen elektrischen Signale können in wirksamer Weise verarbeitet werden. Dabei wird die Impedanz in einer einfachen Schaltung umgewandelt. In vorteilhafter Weise kann dieser Infrarot-Detektor ferner elektrische Signale im Bereich von Gleichspannungssignalen bis zu hochfrequenten Signalen erzeugen.

Der pyroelektrische Körper aus einem polymeren Material wird in der Weise hergestellt, daß Elektroden auf beiden Seiten eines dünnen Filmes montiert werden, der eine pyroelektrische Eigenschaft hat, wobei dieser Film unter ein Gleichspannungsfeld geschaltet wird. Der Film aus einem hochpolymeren Material wird dadurch hergestellt, daß ein hochpolarisiertes Monomer polarisiert wird, wie beispielsweise Vinylfluorid, Vinylidenfluorid, Vinylchlorid, Vinylidenchlorid, Chlorofluorovinyliden, Trifluoräthylen od. dgl., oder durch eine Copolymerisierung eines derartigen Monomers als Grundbestandteil mit einem anderen Monomeren. Ein Film, der pyroelektrische Eigenschaften hat, die dadurch erzielt werden, daß dieser in ein hohes Gleichspannungsfeld eingeschaltet wird, ein Film, der eine ^-Kristallstruktur hat, die dadurch erzielt wurde, daß ein Film einachsig oder mehrachsig vorgespannt wurde, wobei dieser Film aus Vinylidenfluoridcopolymer besteht oder aus einem Copolymer, welches Vinylidenfluorid mit mehr als 60 Gewichtsprozent enthält, sind bevorzugt, da diese ausgezeichnete pyroelektrische Eigenschaften haben.

Der pyroelektrische Körper kann als dünner Film oder als dünnes Blatt ausgebildet sein, um die thermische Zeitkonstante zu vermindern. Der pyroelek-

trische Körper kann alternativ aus einem dicken Poiymer-Film hergestellt werden oder kann dadurch hergestellt werden, daß mehrere pyroelektrische polymere Filme, entweder dünn oder dick, srhichtförmig zusammengesetzt werden. Zusätzlich kann der pyroelektrische Körper die Form einer Platte oder einer entsprechend gekurvten Kappe haben.

Der verwendete Feldeffekttransistor ist vorzugsweise ein Obergangsschicht-Gate-Transistor. Die positive Elektrode des pyroelektrischen Körpers ist diejenige Elektrodenpiatte auf der Seite, die positiv aufgeladen wird, wenn die Temperatur in dem Körper ansteigt, und zwar durch eine infrarote Bestrahlung dieses Körpers. Die negative Elektrode des pyroelektrischen Körpers ist diejenige Elektrode auf der Seite, die negativ aufgeladen wird, wenn die Temperatur des Körpers bei einer Infrarotbestrahlung ansteigt

Es kann auch ein Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate (MOS)-Feldeffekttransistor anstatt des Übergangsschicht-Gate-Transistors in einer ähnlichen Schaltung verwendet werden.

Ferner kann ein Zerhacker oder Unterbrecher für den Infrarot-Detektor vorgesehen werden, um eine intermittierende Infrarotbestrahlung zu erzeugen. Wenn jedoch das zu überwachende Objekt ein sich bewegendes Objekt ist, kann die von diesem sich bewegenden Objekt ausgehende Wärmestrahlung ohne derartige Unterbrecher oder Zerhacker beobachtet werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen in der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Infrarot-Detektors,

F i g. 2 ein Schaltbild für den in F i g. 1 dargestellten Infrarot-Detektor,

Fig.3 eine grafische Darstellung der Charakteristik des bei dem Infrarot-Detektor verwendeten Feldeffekttransistors und

Fig.4 ein Schaltbild für ein anderes bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Infrarot-Detektors.

Es sei nunmehr auf die F i g. 1 bis 3 Bezug genommen. Ein flacher und scheibenförmiger pyroelektrischer Körper 2 ist auf einer Unterlage 1 befestigt und weist auf beiden Oberflächen eines hochpolymeren Filmes 3 ausgebildete Elektroden 4 und 5 auf, die durch eine Dampfabscheidung ausgebildet sind oder die aufgeklebt sind. Der hochpolymere Film ist vorzugsweise aus einem pyroelektrischen Polyvinylidenfluorid-Film her- ^⁰ gestellt. Der Film ist ein dünner Film und weist eine Dicke von einigen μπι bis zu 10 μπι auf, um die thermische Zeitkonstante zu vermindern, und zwar in dem Fall, in dem ein schnelles Ansprechen erforderlich ist. Die Elektroden 4 und 5 sind als Filme so dünn wie der Film 3 ausgebildet, wobei die Elektrode 4 auf der mit Infrarotstrahlen 6 bestrahlten Seite vorzugsweise eine transparente Elektrode ist. Der Film 3 ist derart " angeordnet, daß die positiven Ladungen an der Elektrode 4 ausgebildet werden und die negativen ^6Ü Ladungen an der Elektrode 5, wenn Temperaturänderungen in dem polyelektrischen Körper 2 entstehen. Der Träger 1 besteht im allgemeinen aus einem Material, welches sowohl wärme- als auch elektrischisolierend ist. Am Träger 1 ist ferner ein Halbleiterchip Ta ^b3 befestigt, und zwar ein n-Feldeffekttransistor 7, und ferner sind Widerstände 8 und 9 vorgesehen. Der Transistor 7 ist ein Übergangsschicht-Gate-Feldeffekttransistor, bei welchem die Gate-Elektrode C mit dem Widerstand 8 und der Elektrode 4 verbunden ist Die Source-Elektrode 5 ist mit dem Widerstand 9 verbunden und mit dem Ausgangsanschluß 10. Die Drain-Elektrode D ist mit einer Spannungsquelle 16 verbunden. Ein Erdanschluß 12 ist mit den Widerständen 8 und 9 und der Elektrode 5 verbunden. Durch diesen Aufbau ist die Impedanzwandelschaltung, die aus den Widerständen 8 und 9 und dem Feldeffekttransistor 7 besteht eine Source-Folgeschaltung, die wirksam ist um die hohe Innenimpedanz des pyroelektrischen Körpers in eine niedrige Innenimpedanz in einer äquivalenten Weise umzuwandeln. Die mit einem Kreis versehenen Anschlüsse 10, 11, 12 sind in Fig. 1 dargestellt Der pyroelektrische Körper 2 und der Halb!eiterchip 7a werden von einem Gehäuse 13 abgedeckt und geschützt und die Oberseite des napfförmigen Gehäuses 13 weist ein Fenster 14 auf, so daß die Infrarotstrahlen in das Innere des Gehäuses 13 eintreten können. Das Fenster 14 ist ein transparentes Glas oder eine transparente Linse. Unterbrecher oder Zerhacker können, falls es notwendig ist, oberhalb des Fensters 14 vorgesehen sein, um eine intermittierende Infrarotstrahlung aus der Strahlung 6 herzustellen.

Bei diesem Infrarot-Detektor 15 wird eine Spannung von einer äußeren Spannungsquelle 16 im Betrieb den Anschlüssen 11 und 12 zugeführt, und elektrische Signale, die den Temperaturänderungen des Körpers 2 bei einer Bestrahlung mit Infrarotstrahlen 6 entsprechen, werden vom Transistor 7 über die Anschlüsse 10 und 12 abgegeben.

Obwohl der pyroelektrische Körper 2 aus einer polymeren Substanz besteht, wie beispielsweise Polyvinylidenfluorid, und hohe pyroelektrische Eigenschaften aufweist, können elektrische Signale, die den eingestrahlten Infrarotstrahlen entsprechen, am Transistor 7 zwischen den Anschlüssen 10 und 12 auch dann abgenommen werden, wenn der Körper 2 hohe pyroelektrische Eigenschaften hat, und zwar dadurch, daß der pyroelektrische Körper 2 und der Feldeffekttransistor 7 miteinander derart verbunden werden, daß die Elektrode 4 als positive Elektrode des pyroelektrischen Körpers 2 mit der Gate-Elektrode G des Transistors 7 verbunden wird, wie es F i g. 2 zeigt. Wenn jedoch der Infrarot-Detektor anders geschaltet ist, als in F i g. 2 gezeigt, wobei die Elektrode 5 mit der Gate-Elektrode des Transistors 7 verbunden ist, und die Elektrode 4 mit der Erdungsseite, können keine elektrischen Signale, die der Infrarotstrahlung entsprechen, von der Source-Elektrode S des Transistors 7 abgegeben werden, beispielsweise auch in den Fällen nicht, in denen der infrarote Eingang relativ groß ist, insbesondere mehr als 50 μίτι W/cm². Es wird angenommen, daß diese Erscheinung dadurch bewirkt wird, daß durch eine intermittierende Infrarotstrahlung von dem pyroelektrischen Körper 2 ein Gleichstromsignal zusätzlich zu Wechselstromsignalen, die der intermittierenden Infrarotstrahlung entsprechen, erzeugt werden, wobei das Gleichstromsignal als Vorspannungssignal am Transistor wirksam ist. Wie Fig. 3 zeigt, hat der n-Feldeffekttransistor 7 eine negative Sperrspannung Vp in seiner Charakteristik, und das Gleichspannungssignal als Vorspannungssignal geht weiter ins Negative als dieses Sperrspannungssignal Vp. Die Erzeugung eines derartigen Gleichspannungssignals durch den Körper 2 trotz der intermittierenden Infrarotbestrahlung dieses Körpers 2 kann auf die Tatsache zurückgeführt werden, daß unstabile Ladungskompo-

nenten in dem pyroelektrischen Körper 2 vorhanden sind. Durch die Verbindung der Elektrode 4 als die positive Elektrode mit der Gate-Elektrode G des Transistors 7 wird, wenn das Gleichspannungssignal als Vorspannungssignal der Gate-Elektrode G des Transistors 7 zugeführt wird, dieses Gleichspannungssignal immer mit einem Wert erzeugt, der größer ist als die Sperrspannung V_p des Transistors 7 auf der Seite der positiven Spannung. Dadurch wird der Transistor 7 nicht gesperrt und kann elektrische Signale abgeben, die der intermittierenden Infrarotstrahlung entsprechen, und zwar zwischen den Anschlüssen 10 und 12, ohne daß ein Abkappen stattfindet.

F i g. 4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, bei dem ein p-Feldeffekttransistor verwendet wird. In F i g. 4 ist die Gate-Elektrode G des p-Feldeffekttransistors 41 mit der Elektrode 5 des pyroelektrischen Körpers 2 verbunden, während andererseits die Elektrode 4 des pyroelektrischen Körpers 2 mit den Widerständen 8 und 9 eines Erdungsanschlusses 12 verbunden ist. Dadurch, daß der pyroelektrische Körper 2 und die Impedanzwandlerschaltung, die aus den Widerständen 8 und 9 und dem p-Feldeffekttransistor 41 besteht, derart geschaltet sind, werden elektrische Signale, die der intermittierenden infraroten Strahlung entsprechen, vorzugsweise zwischen dem Anschluß 10 des Transistors 41 und dem Erdungsanschluß 12 abgegeben, ohne daß der Transistor 41 durch das Gleichstromsignal als Vorspannungssignal gesperrt wird, welches beim Betrieb von dem pyroelektrischen Körper 2 in der gleichen Weise abgegeben wird, wie im vorstehenden Fall bei dem n-Feldeffckttransistor.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Pyroelektristher Infrarot-Detektor mit einem mit Elektroden versehenen pyroelektrischen Körper, bei dem eine Elektrode mit der Gate-Elektrode eines Feldeffekttransistors verbunden ist, dadurch gekennzeichn et, daß der pyroelektrische Körper (2) aus einem polymeren Material (3) besteht und daß seine positive Elektrode (4) mit der Gate-Elektrode (G) eines n-Kanal-Feldeffekttransistors (7) oder daß seine negative Elektrode (5) mit der Gate-Elektrode (G) eines p-Kanal-Feldeffekttransistors (41) verbunden ist

2. Infrarot-Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der pyroelektrische Körper als Film (3) ausgebildet ist und seine Elektroden (4, S) auf beiden Seiten des Filmes (3) befestigt sind.

3. Infrarot-Detektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Film (3) aus einem Polyvinylidenfluorid-Film besteht, der pyroelektrisehe Eigenschaften hat

4. Infrarot-Detektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Film (3) aus einem Polyvinylfluorid-Film besteht, der pyroelektrische Eigenschaften hat

5. Infrarot-Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldeffekttransistor (7) ein Obergangsschicht-Gate-Transistor ist.

6. Infrarot-Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldeffekttransistor (7,41) als Source-Elektroden-Folgetransistor geschaltet ist.

7. Infrarot-Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der pyroelektrisehe Körper (2) und der Feldeffekttransistor (7) in einem Gehäuse eingebaut sind.