DE3209102A1 - Pyroelektrische nachweiseinrichtung - Google Patents
Pyroelektrische nachweiseinrichtungInfo
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Description
Pyroelektrische Naehweiseinrichtung.
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen pyroelektrischen Detektor
mit optimalem Gewinnfaktor. Sie findet auf dem Gebiet des pyroelektrischen Nachweises,insbesondere auf demjenigen
des Infrarotnachweises und der optischen Infrarotabbildung Anwendung. Bei diesen Techniken wird dielektrisches Material,
allgemein monokristallines,eingesetzt, welches eine selbsttätige Polarisation besitzt, die stark von der
Temperatur abhängt. Diese Eigenschaft findet man besonders bei dielektrischem Material, welches ferroelektrisches genannt
wird.
Im allgemeinen umfassen die pyroelektrischen Strahlennachweis einrichtungen einen ebenen Kondensator aufv wie es
schematisch Fig. 1 zeigt, dessen dielektrisches Material 2 allgemein ein eindomäniger, ferroelektrischer und
damit pyroelektrischer Einkristall ist. Die mit den Elektroden 4 des Kondensators in Berührung stehenden Flächen
des Einkristalls verlaufen senkrecht zur Polarachse des Einkristalls, die mit F bezeichnet ist.
Die Absorption der einfallenden Strahlung, insbesondere von Infrarotstrahlung., auf der Oberfläche oder im Inneren
des dielektrischen Materials ruft eine Temperaturerhöhung dT der Nachweiseinrichtung hervor, welche sich durch eine
Änderung dP_ der selbsttätigen Polarisation P des Materials
bemerkbar macht. Daraus ergibt sich eine Spannung dV, welche an den Eingang eines hochohmigen Verstärkers 6 gelegt
wird, der beispielsweise von einem Feldeffekttransistors
(j?ET) gebildet ist.
Man kann zeigen, daß bei diesen Anwendungsbedingungen das Ergebnis, xvelches durch das hindurchgegangene Band hervorgerufen
worden ist, umso größer ist, je größer das Verhältnis ΓΊ = P/f C ist. Bei diesem Verhältnis, welches sich
wie ein Gewinnfaktor darstellt, ist ρ der pyroelektrisch^ Koeffizient des dielektrischen Materials, welcher der
Änderung der selbsttätigen Polarisation P in Abhängigkeit von der Temperatur T entspricht, d.h.:
6Ps
P =
worin £ die Haupt-Dielektrizitätskonstante längs der
Polachse und C die Wärmekapazität des Materials ist. ·
Bisher war man stets bestrebt, den Gewinnfaktor M auf zweierlei Arten maximal zu machen: sei es, daß man die
chemische Zusammensetzung des Materials untersucht hat, was zu einer ausschließlichen Verwendung von ferroelektrischem
Material führt, sei es in einer mehr künstlichen Weise, daß man einen zusammengesetzten Aufbau verwandt
hat. Solche Zusammensetzungen sind in einem Artikel der
Zeitschrift Ferroelectrics Nr. 27 (1980), Seite 4-9, von
E.E. NEWNHAM, D.P.SKINNEE, K.A. KLIGKEE, A.S. BHALIA,
B. HAEDIMAN und T.E. GUEUEAJA beschrieben.
Wenn man auf die erste Art zurückgreift, um einen maximalen Gewinnfaktor bei dieser oder jener Verwendung der
pyroelektrischen Nachweiseinrichtung zu erzielen, war es
erforderlich aufxvendige Untersuchungen durchzuführen, um
das geeignete Material zu bestimmen.
Wenn man auf die zweite Art zurückgegriffen hat, zeigt
die Verwendung von einem zusammengesetzten Gefüge den beträchtlichen Nachteil, daß es schwierig ist, homogene
Nachweiseinrichtungen zu erhalten. Diese Schwierigkeit
ist "besonders bei optischen Abbildungsvorrichtungen,
insbesondere optischen InfrarotabbildungsVorrichtungen
von Bedeutung.
Es sei. noch darauf hingewiesen, daß der Geviinnfaktor des
bei den bekannten Nachweiseinrichtungen verwandten Materials von der Temperatur abhängt und die Arbeitsweise dieser
Nachweiseinrichtungen in Hinblick auf Änderungen der Betriebstemperatur
nicht stabil ist. 10
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein pyroelektrisches
Nachweisgerät zu schaffen, mit dem bei einem vorgegebenen, ferroelektrischen Material ein größtmöglichster
und/oder bezüglich der Temperatur so konstant wie möglicher Gewinnfaktor erhalten wird.
Genauer gesagt betrifft die Erfindung eirc- pyroelektrisches
Nachweiseinrichtung die ein zwischen zwei parallelen Elektroden eingefügtes dielektrisches Material umfaßt, welches ein
eindomäniger, ferroelektrischer Einkristall ist, wobei
diese Nachweiseinrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß die mit den Elektroden in Berührung stehenden Flächen des
Einkristalls gegenüber der Polarachse des Einkristalls geneigt sind.
Im Gegensatz zu dem, was bisher als gültig betrachtet
worden ist, kann man einen ferroelektrischen Einkristall,
welcher eine in Bezug auf die Normale der Elektroden der Nachweiseinrichtung geneigte Polachse aufweist, verwenden,
was ermöglicht, bei einem vorbestimmten dielektrischen Material einen größeren Gewinnfaktor zu erhalten als -jener,
den man mit einem Schnitt in dem Einkristall senkrecht zur
Polachse erhält.
Dadurch, daß die Polachse in bezug auf die Normale auf die
Elektroden geneigt ist, wird in Hinblick auf bekannte
Nachv/eiseinrichtungen ein weiterer Vorteil erzielt. Tatsächlich kann die Änderung des Gewinnfaktors innerhalb
eines großen Temperaturbereiches äußerst klein gemacht werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer pjro-
elektrischen Nachweiseinrichtung,
Pig. 2 eine schematische Darstellung der Änderungen des optimalen Winkels (in Grad) und der Erhöhung
des Gewinnfaktors als Punktion des
Anisotropieverhältnisses A bei einer festen
Betriebstemperatur, und
Fig. 3 eine schematische Darstellung der Änderungen
des Winkels (in Grad),wobei die temperaturabhängigen Änderungen des Gewinnfaktors
minimalisiert sind, und seine temperaturabhängigen Änderungen als Punktion des Anisotropieverhältnisses
Aq bei der minimalen Betriebstemperatur.
Im folgenden wird die Größe des Cosinus /"des Winkels X
bestimmt, welchen die Polachse, die in Pig. 1 mit I bezeichnet ist, des Einkristalls 2 mit der Normalen auf den
mit den Elektroden 4- der pyroelektrischen Nachweiseinrichtung
in Berührung stehenden Flächen haben muß, um den Gewinnfaktor M = P/g C der Nachweiseinrichtung bei
einer gegebenen Betriebstemperatur maximal zu machen.
Wenn od , /o , i/-die Richtungscosinus der betrachteten Orientierung
in bezug auf die rechtwinkligen Achsen 1,2 und 3
des dielektrischen Materials sind, können die Größen p
und 6 ausgedrückt werden durch
P = 0.P1 + ßp2 + -
mit P^,, Pp und p, den pyroelektrischen Koeffizienten
längs der Achsen 1,2 und 3 und
ε = α ε, + β εη + γΛεο + 2αβε, + 2aßec
1^23 ο ο
mit €■ λ·, ...jig den Komponenten des Dielektrizitätstensors
in dem System mit den Achsen 1,2 und 3«
Die Wärmekapazität C des pyroelektrischen Materials ist
von der betrachteten Orientierung unabhängig.
Wenn die Polachse mit einer der Achsen, "beispielsweise
mit der Achse 3 zusammenfällt, welche als temperaturun-2i)
abhängig angenommen wird, und wenn 1, 2 und 3 die
Hauptachsen des Tensors der Dielektrizitätskonstante sind, gilt:
P1 = P2 s
= 0
Wenn man ferner die Dielektrizitätskonstanten in zu-3q
nehmender Reihenfolge in Richtung der Hauptachsen 1,
2 und 3 ordnet, treten notwendigerweise durch diese Ordnung S ^ und 8 ^ als minimale bzw. maximale Haupt-Dielektrizitätskonstanten
auf. Diese Bedingung ist im allgemeinen bei den üblichen ferroelektrischen Materialien
erfüllt. Man kann dann das Anisotropieverhältnis festlegen
zu:
Aus den vorhergehend angegebenen unterschiedlichen Ausdrücken
und Bedingungen kann man ableiten, daß der Gewinnfaktor M durch die Gleichung (1) bestimmt wird,
£C " £3C Ϊ2 (1 - A) + A
infolgedessen erhält man, wenn M, den Gev/innfaktor bei
einem Schnitt des Einkristalls senkrecht zur Polachse b deutet, den folgenden Ausdruck:
M_ = Ύ
M3 Ϊ2 (1 - A) +A
Bei fester Temperatur sind die Größe A ebenso wie M,
bestimmt; das Verhältnis M/M, weist mithin ein Maximum auf für:
, A \. χ/2
mit der Bedingung A^ 1/2, wobei für K gilt
Dieses Maximum (M/Mz)max ist gleich:
^Tw, »Π 1/2
2 [ A(I - A)"]
Die Figur 2 zeigt gleichzeitig den optimalen Winkel, d.h. arc cos f (Kurve a) und den entsprechenden V/ert
des Verhältnisses M/M7 (Kurve b) als Funktion des Anisotropieverhältnisses
A.
i .-■"■■-"■
I 1 Beispielhaft soll der Fall des Triglycinsulfat betrachtet
; werden, das unter der Abkürzung TGS bekannt ist.
] Bei einer Betriebstemperatur von 20 C beträgt das Aniso-
I 5 tropieverhältnis A 0,06. Gemäß Fig. 2 ist der entsprechende
j Winkel 75° (Kurve a) und das Verhältnis M/M, = 2,1 (Kurve b)
! Mit einem gegenüber der Polachse stark geneigten Schnitt ge-
i winrfcman infolgedessen mehr als einen Faktor 2 bei dem
ι -
£ Gewinnfaktor.
I Eine geringfügige Änderung des Gewinnfaktors innerhalb
I eines großen Temperaturbereiches ermöglicht, Nachweis-I
einrichtungen oder optische Abbildungssysteme herzustellen, I deren Ansprechen wenig von der Umgebungstemperatur abhängt.
I 15 Ein zu der Polachse schräg verlaufender Schnitt kann nach
: der Erfindung zu einem solchen Ergebnis führen.
ΐ Es soll nun die Größe des Winkels bestimmt werden, den
j die Polachse des Einkristalls mit den mit den Elektroden
t 20 in Berührung stehenden Flächen haben soll, um den Gewinn-
j faktor der Nachweiseinrichtung von der Temperatur unab-
] hängig und zwar in einem Bereich von vorbestimmten Arbeitstemperaturen
zu machen.
}
}
ΐ 25 Um diesen Winkel zu bestimmen, sei wie vorhergehend an-
? genommen, daß die Polachse mit der Hauptachse 3 zusammenfällt
und daß die Hauptachsen in dem vorgegebenen Bereich der Arbeitstemperaturen invariant sind. Eerner soll
gelten, daß die Haupt-Dielektrizitätskonstante S..^ und
30 die Wärmekapazität C des dielektrischen Materials von der
Temperatur unabhängig sind.
Gemäß der thermodynamischen Theorie von Devonshire
(E.FATUZZO, W.J. MERZ, Ferroelectricity, North Holland
35 Publishing Corp., Amsterdam (196?)) gilt für die Änderungen
der selbsttätigen Polarisation P_ und die Dielektrizitäts-
* AO
konstante S7 in Abhängigkeit von der Temperatur bei
einem ferroelektrischen-paraelektrischen Übergang der
zweiten Ordnung:
1/2
' et
τ -
worin T die Curie-Temperatur oder die Übergangs
temperatur bedeutet.
Der pyroelektrisch^ Koeffizient
5Pc
ρ = S 1 so
3 δτ j
gilt ρ, λ/<τ - Tr)~1/2·
Wenn man die reduzierte Variable einführt:
P15(T) '
worin das Argument 0 die minimale Arbeitstemperatur und das Argument T die betrachtete Temperatur bedeuten,
so erhält man: .
_9
f^P
daraus läßt sieb, der Ausdruck (2) ableiten:
ρ '
■ή *>
a* (2)
Ferner, da die Haupt-Dielektrizitätskonstante B>
unabhängig von der Temperatur ist, ändert sich die Größe der
Anisotropie A = Ζ
wie A =
Wenn man die Ausdrücke (2) und (3) in die Gleichung (1)
einsetzt, erhält man nach Zusammenfassung die Gleichung
(4)
30
Ao (
- D
* k
In der Gleichung (4) hängt lediglich der !Therm der selbsttätigen,
reduzierten Polarisation ν von der Temperatur ab. Das Verhältnis Μφ/Μ,η ist in einem ausgedehnten Bereich
von 0 für A (1/V" - 1) wenig verschieden von
1-.5. ■-.-■■■■..,-
Die folgende Tabelle zeigt, daß sich für AQ(1//^2 ~ Ό ~"
1,5 der Ausdruck B = AQ(1/^.2 - 1)3>
+ 1/^ nicht mehr als 2% innerhalb des Bereiches 0,6^v^<
1 und dieses um einen Mittelwert in der Größenordnung von 2,5 ändert*
| σ | 1 | 0,8 | 0,6 |
| B | 2,5 | 2,45 | 2,56 |
Man kann daher für ein vorgegebenes Material den Temperaturbereich
bestimmen, indem eine geringe Änderung des Gewinnfaktors auftritt, wobei dieser Bereich aufgrund der minimalen und maximalen Betriebstemperatur definiert wird;
die maximale Temperatur kann aufgrund der Beziehung = 0,6 P (0) bestimmt werden.
Die Gleichung A^i/J^ - 1 ) =1,5 legt daher einen
Schnitt in dem Einkristall fest, bei dem eine minimale
Temperaturänderung des Geviinnfaktors M auftritt. Von
dieser Gleichung kann man die.Gleichung (5) ableiten1
Der Winkel, bei dem die temperaturabhängigen Änderungen des Gewinnfaktors P/B C gemäß Gleichung (4) minimalisiert
werden, ist in der Fig. 3 (Kurve c) als Funktion des
AnisotropieVerhältnisses bei der minimalen Arbeitstemperatur
Aq dargestellt. In dieser Figur ist ebenfalls das entsprechende Verhältnis Μφ/Μ™ (Kurve d) eingetragen.
Es \d.rd darauf hingewiesen, daß für kleine \7erte AQ der
Schnitt bei dem Einkristall, bei dem die Temperaturabhängigkeit des Gewinnfaktors besonders klein ist, auch eine beträchtliche
Vergrößerung des Wertes dieses Faktors bei der minimalen Betriebstemperatur ergibt.
Beispielsweise erhält man für An 0,05 aufgrund der Kurve d
20
für das Verhältnis M™/ M™.einen Wert von 2,24; der entsprechende
.Winkel ergibt sich aus der Kurve c zu 7955°·
Die vorhergehenden Annahmen, welche erlauben, den optimalen
Neigungswinkel zu bestimmen, sind nicht immer streng erfüllt. 25
Man kann gegebenenfalls den optimalen Wert von y dadurch
verbessern, daß man direkt die thermische Änderung des Gewinnfaktors bei benachbarten Neigungen von denjenigen
mißt,welche durch die Gleichung (5) bestimmt sind.
Durch die Erfindung wird der Vorteil erzielt, daß der '
Gewinnfaktor der pyroelektrischen Nachweiseinrichtung in Abhängigkeit von seiner Verwendung optimalisiert werden
kann; die vorliegende Erfindung läßt sich bei allen Nach-' weiseinrichtungen mit herkömmlichem, ferroelektrischem
Material (insbesondere mit TGS) anwenden.
Al
Lee rs ei te
Claims (8)
- Pat ent ansprücher\ 7) Pyr ο elektrische Nachv/eiseinrichtung, "bestehend aus einem zwischen zwei parallelen Elektroden (4) eingefügten, dielektrischen Material (2), welches ein eindomäniger, ferroelektrischer Einkristall ist, dadurch gekennzeichnet , daß die mit den Elektroden (4) des Einkristalls in Berührung stehenden Flächen zur Polachse (I) des Einkristalls geneigt sind.
- 2. Nachweiseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e g5 kennzeichnet , daß die Normale auf den Flächen des Einkristalls, die mit den Elektroden (4-) in Berührung stehen, im wesentlichen in der Ebene der Hauptachsen1 und 3 enthalten ist, und daß der Winkel X zwischen dieser Normalen und der Polachse des Einkristalls als Punktion eines Parameters A "bestimmt ist, welcher gleich £.q/£;z ist worin £ ^ und t-z die minimale "bzw. maximale Haupt-Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Materials bedeuten und den Hauptachsen 1 bzw. 3 entsprechen.
- 3.Nachweiseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß dieser Winkel X derart gewählt ist, daß der Gewinnfaktor der Nachweiseinrichtung bei einer gegebenen Betriebstemperatur im wesentlichen seinen maximalen Wert aufweist.
- 4. Nachweiseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch g e k e η ηzeichnet, daß A kleiner als 0,5 ist und daß der1 /2 Cosinus y des Winkels X in der Nähe von (A/I-A) ' liegt.
- 5. Nachweiseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Winkel X derart gewählt ist, daß der Gewinnfaktor der Nachweiseinrichtung im wesentlichen in einem vorgegebenen Betriebstemperaturbereich von der Temperatur unabhängig ist.
- 6. Nachweiseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch g e kennzeichnet, daß der Cosinus Y" des Winkels X in der Nähe von (■) liegt, worin Ao den Wert des Parameters A bei der minimalen Arbeitstemperatur bedeutet.
- 7· Nachweiseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Material Triglycinsulf at ist und der Winkel X in der Nähe von 75° liegt.
- 8. Nachweiseinrichtung nach mindestens einem der An-Sprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Parameter A kleiner als 0,1 ist.
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