DE3045118C2

DE3045118C2 - Infrarotdetektor und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE3045118C2
Application number: DE3045118A
Authority: DE
Inventors: Georg Dipl.-Ing. 7500 Karlsruhe Richter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-11-29
Filing date: 1980-11-29
Publication date: 1983-10-13
Also published as: DE3045118A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Infrarotdetektor mit zwei auf einem gemeinsamen Fuß isoliert voneinander befestigten Thermoeleinentschenkeln, deren von dem gemeinsamen Fuß abgewandte Enden mit einer Auflagefläche für eine Metallfolie versehen sind, welche mit den Thermoelementschenkel durch wenigstens eine punktförmige Schweißstelle verbunden ist.

Aus der britischen Patentschrift 5 78 188 ist ein nach dem Seebeck-Effekt arbeitender Infrarotdetektor dieser Art bekanntgeworden, der aus zwei auf einem isolierenden Fuß sitzenden Metallsäulen besteht, an deren Enden Thermoelementschenkel befestigt sind. An den punktförmigen Auflageflächen bildenden Enden dieser Thermoelementschenkel ist eine Goldfolie angesjhweißt. Diese Verbindung ergibt eine geringe thermische Leitfähigkeit der Schweißstelle als Voraussetzung für eine gute Empfindlichkeit des Detektors. Allerdings ist die Herstellung solcher Infrarotdetektoren außergewöhnlich schwierig und die Ausfallquote ungewöhnlich hoch, weil eine einwandfreie, haltbare Verschweißung der zwangsläufig sehr feinen Spitzen der Thermoelementschenkel mit der dünnen Goldfolie nur selten gelingt. Das gleiche gilt für den durch die deutsche Offenlegungsschrift 25 53 672 bekanntgewordenen Infrarotdetektor ähnlicher Art. Wenn, wie ebenfalls in der britischen Patentschrift beschrieben, die Goldfolie auf die Endflächen von zylinderförmigen Thermoelementschenkeln ohne Bildung einer punktförmigen Schweißstelle aufgeschweißt wird, wird die Empfindlichkeit des Detektors verringert.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, den eine gute Empfindlichkeit für die nachzuweisende Strahlung aufweisenden Infrarotdetektor der eingangs genannten Art so auszubilden, daß er problemlos Herstellbar ist.

Die gestellte Aufgabe wird bei einem Infrarotdetektor der eingangs beschriebenen Bauart dadurch gelöst, daß die punktförmige Schweißstelle eine Fläche einnimmt, die wenigstens zehnmal kleiner aU die Auflagefläche ist.

Die Erfindung lehrt demnach, die Metallfolie einfach auf ein stumpf ausgebildetes Ende des Thermoelementschenkels punktförmig aufzuschweißen — im Gegensatz zum bekannten und seit nunmehr fast 4 Jahrzehnten unverändert gebliebenen Stand der Technik, nach welchem das nur mit großer Mühe durchführbare Aufschweißen einer hauchdünnen Goldfolie auf eine mikroskopisch feine Spitze erfolgte. Mit der Erfindung wurde ein Vorurteil überwunden, demzufolge es für unmöglich gehalten worden war, daß zwischen einer Metallfolie und der Endfläche eines Thermoelementschenkels überhaupt eine elektrisch und thermisch definierte punktförmige Verbindungsstelle erzielt werden kann, die eine gegenüber der Auflagefläche der

Metallfolie auf der Endfläche des Schenkels geringere Ausdehnung hat.

Der vorgeschlagene Infrarotdetektor ist selbst bei kleinsten Abmessungen leicht herzustellen, weil es keine Schwierigkeiten bereitet, eine punktförmig Schweißstelle einwandfrei auf eine wenigstens zehnmal größere Auflagefläche zu setzen. Die Schweißstelle ist mechanisch, elektrisch und thermisch sehr stabil. Es sind sehr dünne Metallfolien verwendbar und es lassen sich Mehrfach-Detektoren beliebiger Konfiguration einfach herstellen. D"t thermische und der elektrische Widerstand können zur Anpassung an unterschiedliche Empfängerflächen leicht eingestellt werden. Eine Automatisierung der Herstellung erscheint möglich. Es konnte festgestellt werden, daß die Empfindlichkeit des vorgeschlagenen Infrarotdetektor nicht unbeträchtlich höher liegt als diejenige bekannter Bauarten.

Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Infrarotdetektor sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Infrarotdetektor mit zwei Thermoelementschenkeln in einem Vertikalschnitt;

Fig. 2 den Infrarotdetektor gemäß F i g. 1 in einem Horizontalschnitt, geschnitten entlang der Linie 11-11 in F i g. 1;

Fig. 3 eine Anordnung zur Herstellung eines Infrarotdetektors nach F i g. 1 und 2.

Der in den Fig. 1 und 2 wiedergegebene Infrarotdetektor besteht aus zwei Thennoelementschenkeln 1, 2, einer Metallfolie 3 sowie einem Fuß 4.

Die beiden Thermoelementschenkel 1, 2 besitzen die Gestalt eines quadratischen Prisma. Es handelt sich um J5 Metalle, vorzugsweise aber um Halbleiter verschiedener stofflicher Zusammensetzung, beispielsweise um unterschiedlich dotiertes Wismuttelurid.

Die Metallfolie 3 ist ein rechteckiges Stück Blattgold mit einer Stärke von 0.03 — 2,5 tausendstel Millimetern. Die Metallfolie 3 tragt an ihrer Oberseite eine Absorptionsschicht 5. welche aus einer durch Verdampfung von Gold in einer Stickstoffatmosphäre hergestellten Goldschwärzung besteht, die eine tiefschwarze, samtartige Schicht bildet.

Der niedere, prismatische Fuß 4 besteht aus einem Isoliermaterial, beispielsweise aus Epoxidharz. Auf der Oberseite dieses Fußes 4 sind im Abstand nebeneinander zwei im wesentlichen quadratische, dünne Metallplatten 6 aufkaschiert, deren jede eine hochgebogene Lötfahne 7 aufweist. An diese Lötfahne 7 sind die beiden Anschlußdrähte 8 des Infrarotdetektors angelötet. Zur Befestigung der Thermoelementschenkel 1, 2 auf ihrem gemeinsamen Fuß 4 sind diese an den Metallplatten mit Hilfe von Lötzinn 9 angelötet.

Die beiden Enden 10 und 11 der zwei Thermoelementschenkel 1, 2 sind mit einer Auflagefläche 12 bzw. 13 für die Metallfolie 3 versehen. Diese Auflageflächen 12 und 13 sind entweder eben ausgebildet, wie dies bei dem links dargestellten Ende 10 angedeutet ist, oder &o aber sie sind entsprechend einer sehr niederen Kugelkalotte 14 ausgebildet, wie dies beim rechts wiedergegebenen Ende 11 gezeigt ist. Hierbei ist der Radius r der Kugelkalotte 14 so groß wie die Dicke d der Thermoelementschenkel 1, 2, er kann aber auch ⁶$ größer gewählt werden. Sind beide Enden 10 und 11 eben ausgebildet, dann liegen sie zweckmäßig in einer eemeinsamen Ebene.

Die Metallfolie 3 ist zur Herstellung einer elektrischen und thermischen Verbindung an Jen beiden Enden 10 und 11 der zwei Thermoelementschenkel angeschweißt. Die Herstellung dieser Verbindung geschieht durch eine (gegebenenfalls auch zwei oder sogar mehrere) punktförmige Schweißstelle 15. Diese Schweißstelle 15 nimmt eine Fläche 16 (vgl. F i g. 2) ein, die wenigstens zehnmal kleiner ist als die Auflagefläche 13 der Enden 10 bzw. 11. Bestehen die Thermoelementschenkel 1, 2 aus Wismuttelurid, so schmilzt beim Schweißvorgang von diesem Material ein kleiner Bereich und bildet mit dem Gold der Metallfolie 3 ein Eutektikum, wodurch eine einwandfreie, haltbare Verbindung entsteht.

In der Fig. 1 sind die Verhältnisse zur besseren Übersicht so dargestellt, daß zwischen den Thermoelementschenkeln 1 bzw. 2 und der Metallfolie 3 eine Berührung zur Verbindung ausschließlich in der Schweißstelle besteht. In Wirklichkeit wird die Metallfolie 3 mehr oder weniger ganz auf den Auflageflächen 12 und i3 — insbesondere auf der ebenen Auflagefläche 12 — aufliegen, was aber für die einwandfreie Funktion des Infrarotdetektors — wie sich herausgestellt hat — ohne jede Bedeutung ist. Die Ursache hierfür ist in dem großen Unterschied zwischen dem Übergangswider stand der Schweißstelle 15 (der sehr klein ist) und demjenigen einer oder mehrerer Undefinierter Berührungsstellen (der sehr groß, wenigstens zwei Zehnerpotenzen größer, ist) zu sehen.

Der unter Ausnutzung des Seebeck-Effekts arbeitende Infrarotdetektor, bei welchem ein Thermoelement durch die mittels der Metallfolie 3 verbundenen Thermoelementschenkel 1 und 2 gebildet ist, wird wie nachfolgend beschrieben hergestellt.

Zunächst werden die Enden 10,11 der beiden auf dem Fuß 4 angelöteten Thermoelementschenkel 1 und 2 zur Bildung einer Auflagefläche 12 bzw. 13 abgeschliffen. Die Größe dieser Auflagefläche 12 entspricht dem Grundriß der säulenförmigen Thermoelementschenkel 1, 2. Dabei werden die Enden 10, Jl entweder eben abgeschliffen, so daß die beiden Auflageflächen 12 und 13 in der selben Ebene liegen, oder aber die Enden 10,11 werden leicht ballig entsprechend einer Kugelkalotte 14 abgeschliffen, deren Radius r gleich oder größer als die Dicke d der Thermoelementschenkel 1, 2, ist. Nun wird die Metallfolie 3 mit ihrer Absorptionsschicht 5 nach oben auf die Auflageflächen 12,13 aufgelegt.

Ein Spitzenkontakt 17 aus einem Wolframdraht, dessen Ende elektrolytisch zu einer Spitze mit einem Verrundungsradius von etwa Viooo Millimeter geätzt worden ist, wird jetzt etwa über der Mitte der Auflagefläche 13 des einen Thermoelementschenkels 2 aufgesetzt und angedrückt. Der Verrundungsradius ist so gewählt, daß die Stirnfläche 18 des Spitzenkontaktes 17 etwa hundertmal kleiner ist als die Auflagefläche 13. Das Aufsetzen geschieht mittels eines Mikromanipulators 19 (F i g. 3), der die Bewegung des Spitzenkontaktes 17 in alle 3 Richtungen erlaubt.

Der Spitzenkontakt 17 ist mit Hilfe eines Federelementes 20 in Gestalt einer Blattfeder am Mikromanipulator 19 befestigt, an der ein Dehnungsmeßstreifen 21 angeklebt ist, der mit einem Meßgerät 22 verbunden ist, was die Messung der Anpreßkraft gestattet. Die Anpreßkraft wird so gewählt, daß sich unter Berücksichtigung der Größe der Stirnfläche 18 des Spitzenkontaktes 17 ein Anpreßdruck von etwa 2000 bar ergibt.

Zur Herstellung der punktförmigen Schweißstelle 15 wird ein vorher aufgeladener elektrischer Kondensator

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23 durch Schließen eines Schalters 24 über den Schweißstelle 15 eine Schweißenergie von etwa

Spitzenkontakt 17, die Metallfolie 3 und den Thermoele- ΙΟ"⁷ Wattsekunden erforderlich ist. Die Kapazität des

inentschenkel 2 entladen, anschließend wird in enlspre- Kondensators 23 beträgt zwischen 0,1 und 1 Mikrofarad

chender Weise die Metallfolie 3 an der Auflagefläche 12 und das Aufladen geschieht mit einer Spannung, die

des anderen Thermoelementschenkels 1 angeschweißt. <-, zwischen 2 und 20 Volt liegt. Es hat sich herausgestellt, daß zur Herstellung der

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Infrarotdetektor mit zwei auf einem gemeinsamen Fuß isoliert voneinander befestigten Thermoelementschenkeln, deren von dem gemeinsamen Fuß abgewandten Enden mit einer Auflagefläche für eine Metallfolie versehen sind, weiche mit den Thermoelementschenkeln durch wenigstens eine punktförmige Schweißstelle verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die punktförmige Schweißstelle (15) eine Fläche (16) einnimmt, die wenigstens zehnmal kleiner als die Auflagefläche (12,13) ist.

2. Infrarotdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflagefläche (12, 13) eben ausgebildet ist. ₎₅

3. Infrarotdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflagefläche (13) entsprechend einer Kugelkalotte (14) ausgebildet is:, deren Rndius (r) wenigstens so groß wie die Dicke (d)der Thermoelementschenkel (1,2) ist

4. Infraroidetektor nach einem der Ansprüche ! bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelementschenkel (1, 2) aus Halbleitermaterialien verschiedener stofflicher Zusammensetzung bestehen.

5. Infrarotdetektor nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflageflächen (12,13) der Enden (10,11) der Thermoelementschenkel (1,2) in derselben Ebene liegen.

6. Verfahren zur Herstellung eines Infrarotdetektors nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem gemeinsamen Fuß abgewandten Enden (10, 11) der Thermoelementschenkel (1, 2) zur Bildung einer Auflagefläche (12, 13) abgeschliffen werden; daß die Metallfolie (3) auf die Auflageflächen (12, 13) aufgelegt wird; daß auf die Metallfolie (3) über der Auflagefläche (13) des einen Thermoelementschenkels (2) ein an einem Federelement (20) befestigter Spitzenkontakt (17) aufgesetzt wird, dessen Stirnfläche (18) wenigstens um den Faktor einhundert kleiner ist als die Auflagefläche (12, 13); daß der Spitzehkontakt (17) angedrückt wird; daß über den Spitzenkontakt (17), die Metallfolie (3) und den einen Thermoelementschenkel (2) ein zuvor aufgeladener elektrischer Kondensator (23) entladen wird; und daß der Spitzenkontakt (17) dann auf die Metallfolie (3) über der Auflagefläche (12) des anderen Thermoelementschenkels (1) aufgesetzt und angedrückt wird und zuletzt der Kondensator (23) über den Spitzenkontakt (17), die Metallfolie (3) und den zweiten Thermoelementschenkel (1) entladen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden (10,11) der Thermoelementschenkel (1, 2) eben abgeschliffen werden.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden (10,11) der Thermoelementschenkel (1, 2) leicht ballig entsprechend einer Kugelkalotte (14) abgeschliffen werden, deren Radius (r) wenigstens so groß ist als die Dicke ('cinder Thermoelementschenkel (1,2).

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Andrücken des Spitzenkontaktes (17) die Anpreßkraft gemessen wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpreßkraft so gewählt wird, daß sich ein Anpreßdruck von etwa bar ergibt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufsetzen des Spitzenkontaktes (17) auf die Metallfolie (3) unter Verwendung eines Mikromanipulator (19) geschieht, welcher eine Bewegung des Spitzenkontaktes (17) nach allen drei Richtungen zuläßt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Kapazität zwischen 0,1 und 1 Mikrofarad aufweisende elektrische Kondensator (23) mit einer elektrischen Spannung zwischen 2 und 20 Volt aufgeladen wird.