DE3216664A1 - Method for producing a pyro-electric sensor - Google Patents
Method for producing a pyro-electric sensorInfo
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Abstract
Description
Verfahren zur Herstellung eines pyroelektrischen SensorsProcess for the manufacture of a pyroelectric sensor
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines pyroelektrischen Sensors, bei dem eine Vielzahl einzelner Kondensatoren, die ein pyroelektrisches Dielektrikum aufweisen, flächenhaft nebeneinander angeordnet werden und mittels einer Reihenschaltung elektrisch so verbunden werden, daß die an den einzelnen Kondensatoren anliegenden Spannungen addiert werden.The invention relates to a method for producing a pyroelectric Sensor, in which a large number of individual capacitors that form a pyroelectric Have dielectric, are arranged flat next to each other and by means of a series circuit are electrically connected in such a way that the individual capacitors applied voltages are added.
Die Mehrzahl der gebräuchlichen pyroelektrischen Sensoren bestehen aus einem Reflektor, in Form eines Hohlspiegels, in dessen Brennpunkt ein pyroelektrisches Element angebracht ist, das die Nutzstrahlung empfängt und das in Differenzschaltung mit mindestens einem weiteren pyroelektrischen Element betrieben wird, das außerhalb des Brennpunkts des verwendeten Hohlspiegels angebracht ist.The majority of pyroelectric sensors in use exist from a reflector in the form of a concave mirror with a pyroelectric mirror at its focal point Element is attached that receives the useful radiation and that in differential circuit is operated with at least one other pyroelectric element that is outside the focal point of the concave mirror used is attached.
Ein solches Gerät wird z.B. in DE-OS 29 30 632 beschrieben.Such a device is described in DE-OS 29 30 632, for example.
Geräte dieser Art haben jedoch Nachteile bei der Verwendung zur Raumüberwachung, da starke einfallende Strahlung wie z.B. die Strahlung eines Blitzlichts das Element im Brennpunkt zerstören kann, insbesondere wenn dieses Element aus einer Folie von Polyvinylidendifluorid aufgebaut ist, da diese Folie bei einer Aufheizung über 100 0C leicht zerstört werden kann. Außerdem sind derartige Geräte relativ teuer und benötigen je nach Ausmaß des Hohlspiegels einen gewissen Platzbedarf.However, devices of this type have disadvantages when used for room surveillance, because strong incident radiation such as the radiation of a flash light affects the element can destroy at the focal point, especially if this element is made of a sheet of Polyvinylidene difluoride is built up, as this film when heated to over 100 0C can be easily destroyed. In addition, such devices are relatively expensive and require a certain amount of space depending on the size of the concave mirror.
Aus DE-AS 24 28 333 ist ein pyroelektrischer Detektor für Wärmestrahlung bekpluit, bei dem eine Vielzahl einzelner Kondensatoren,die ein pyroelektrisches Dielektrikum aufweisen, flächenhaft nebeneinander angeordnet und mittels einer Reihenschaltung verbunden sind. In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines solchen Detektors mit einer pyroelektrischen Schicht angegeben, die über die gesamte Schicht hinweg eine einheitliche Polarisation in gleicher Richtung aufweist. Es wird außerdem beschrieben, daß diese Polarisierung der pyroelektrischen Schicht mittels Anlegen einer Gleichspannung an zwei gegenüberliegenden Oberflächen der pyroelektrischen Schicht erreicht wird. Außerdem ist ein pyroelektrischer Detektor in Fig. 3 angegeben, bei dem die Richtung der Polarisierung des Substrats in gewissen Teilbereichen der pyroelektrischen Schicht mit alternierender Richtung eingezeichnet ist. Es wird jedoch nicht beschrieben, wie diese Polarisation erreicht werden kann. Ein Anlegen einer Gleichspannung an dem elektrischen Eingang bzw. Ausgang von Fig. 3 würde, wegen der Hochohmigkeit der Folie, eine entsprechend hohe Spannung erfordern. Derartig hohe Spannungen würden jedoch zu Spannungsdurchbrüchen an einigen Stellen der pyroelektrischen Schicht führen, weshalb die in Fig. 3 dargestellte Polarisation mit diesen Maßnahmen nicht erreicht werden kann.DE-AS 24 28 333 discloses a pyroelectric detector for thermal radiation bekpluit, in which a large number of individual capacitors that form a pyroelectric Have dielectric, arranged flatly next to one another and by means of a series connection are connected. In Fig. 2, an embodiment of such a detector is with a pyroelectric layer indicated, which over the entire layer a has uniform polarization in the same direction. It is also described that this polarization of the pyroelectric layer by applying a direct voltage is achieved on two opposite surfaces of the pyroelectric layer. In addition, a pyroelectric detector is indicated in FIG. 3, in which the direction the polarization of the substrate in certain partial areas of the pyroelectric layer is shown with alternating direction. However, it does not describe how this polarization can be achieved. An application of a DC voltage the electrical input or output of Fig. 3, because of the high resistance the film, require a correspondingly high tension. Such high tensions would however, to voltage breakdowns at some points of the pyroelectric layer lead, which is why the polarization shown in Fig. 3 with these measures is not can be reached.
Aufgabe der Erfindung ist es, zur Massenherstellung von flachen pyroelektrischen Sensoren ein technisch einfaches und billiges Herstellungsverfahren anzugeben, mit denen billige und gegen Umwelteinflüsse robuste pyroelektrische Sensoren hergestellt werden können.The object of the invention is for the mass production of flat pyroelectric Provide sensors with a technically simple and cheap manufacturing process cheap pyroelectric sensors that are robust against environmental influences can be.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 durch den kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 gelöst.This task is achieved with a method according to the preamble of claim 1 solved by the characterizing part of claim 1.
Vorteilhafte Ausgestaltun';en des erfindungsgemäBen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous embodiments of the method according to the invention are specified in the subclaims.
Ausführungsbeispiele der Erfindung gehen aus der nachfolgend anhand der Figuren gegebenen Beschreibung hervor. Es zeigen: Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten pyroelektrischen Sensors, Fig. 2 eine pyroelektrische Folie mit Kontaktschichtteilbereichen der ersten Art, Fig. 3 eine pyroelektrische Folie mit Kontaktschichtteilbereichen der zweiten Art, Fig. 4 eine Anordnung der Leiterbahnen auf einer pyroelektrischen Folie nach Fig. 3.Embodiments of the invention are based on the following the description given in the figures. They show: FIG. 1 the basic structure a pyroelectric sensor manufactured by the method according to the invention, 2 shows a pyroelectric film with contact layer subregions of the first type, 3 shows a pyroelectric film with contact layer subregions of the second type, FIG. 4 shows an arrangement of the conductor tracks on a pyroelectric film according to FIG. 3.
In Fig..1 ist der prinzipielle Aufbau eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten pyroelektrischen Sensors 1 dargestellt. Eine pyroelektrische Folie 2 ist beidseitig mit Kontaktschichten 3 belegt, die in Teilbereiche 10 der zweiten Art unterteilt sind, wie diese z.B. in Fig. 3 dargestellt sind. Durch Kontakte 5 und 6 werden die Anschlüsse der vorderen Kontaktschicht 3 an die Eingänge einer Sicofol-Schaltung 7 gelegt, die auf der Rückseite der pyroelektrischen Folie 2 angebracht sein kann, die dann wiederum an einen Verstärker-IC 8 angeschaltet ist. Bei einer Differenzschaltung zweier Sensorplättchen werden die zugehörigen Anschlüsse 5 und 6 zweier verschiedener Sen- sorplättchen zunächst in Differenzschaltung zueinander geschaltet und anschließend an die Sicofol-Schaltung 7 und dem Verstärker IC 8 angeschlossen. Dasjenige Sensorplättchen, das der Nutzstrahlung ausgesetzt ist, wird zusätzlich mit einem Filter 4 versehen, der Ultraviolettstrahlung und sichtbare Strahlung ausfiltert, während Infrarotstrahlung auf die vordere Kontaktschicht 3 des pyroelektrischen Sensorplättchens gelangen kann. Ein Ultrarotfilter 4 kann beispielsweise aus einer siliciumbeschichteten Glasplatte or Hochdruckpolyäthylen-Folie hergestellt werden und vorteilhaft zur Befilterung von nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten pyroelektrischen Sensoren verwendet werden. Die auf den pyroelektrischen Sensor auffallende Strahlung ist durch die Pfeile 9 schematisch angedeutet. Soll ein stark richtungsabhängiger pyroelektrischer Sensor hergestellt werden, so kann vor oder nach dem Filter 4 ein bienenwabenähnlicher, in der Zeichnung nicht dargestellter Zusatzkörper, angebracht werden, der parallel zueinander und zur einfallenden Strahlung verlaufende prismatische Hohlräume enthält deren bände strahlungsabsorbierende Beläge aufweisen. Durch dienen Zusatz gelangt nur derjenige Strahlungsanteil zum Sensorplättchen, der annähernd parallel zu den prismatischen Hohlräumen einfällt, das ist derjenige Strahlungsteil, der parallel, bzw. innerhalb eines begrenzten Raumwinkels, zur Flächennormalen auf das Sensorplättchen auffällt.In Fig..1 the basic structure of a according to the invention Process produced pyroelectric sensor 1 shown. A pyroelectric Foil 2 is covered on both sides with contact layers 3, which are in partial areas 10 of of the second type, such as those shown in Fig. 3, for example. Through contacts 5 and 6 are the connections of the front contact layer 3 to the inputs of a Sicofol circuit 7 placed, which is attached to the back of the pyroelectric film 2 can be, which in turn is connected to an amplifier IC 8. At a Differential connection of two sensor plates are the associated connections 5 and 6 of two different transmitters Sorplättchen initially in differential circuit connected to each other and then to the Sicofol circuit 7 and the amplifier IC 8 connected. The sensor plate that is exposed to the useful radiation is, is additionally provided with a filter 4, the ultraviolet radiation and Filters out visible radiation, while infrared radiation hits the front contact layer 3 of the pyroelectric sensor plate can get. An ultrared filter 4 can for example from a silicon-coated glass plate or high-pressure polyethylene film are produced and advantageous for filtering according to the invention Process manufactured pyroelectric sensors are used. The on the Radiation incident on the pyroelectric sensor is shown schematically by the arrows 9 indicated. Should a strongly direction-dependent pyroelectric sensor be produced before or after the filter 4 a honeycomb-like one, in the drawing additional body, not shown, are attached, which are parallel to each other and Prismatic cavities running towards the incident radiation contain their bands Have radiation-absorbing coverings. Only that person gets through serving additions Radiation component to the sensor plate, which is approximately parallel to the prismatic Cavities occurs, that is that part of the radiation that is parallel or within of a limited solid angle to the surface normal to the sensor plate.
Mit der Differenzschaltung zweier Sensorplättchen, die si.cn auf gleicher Temperatur befinden, kann das Meßergebnis unabbängig vom Temperaturgang erhalten werden.With the differential circuit of two sensor plates that are on the same level Temperature, the measurement result can be obtained regardless of the temperature curve will.
Dazu können z.B. zwei Sensorplättchen in einem Gehäuse und auf einem gemeinsamen Träger so angebracht werden, daß das eine Sensorplättchen mit seiner einen Oberfläche der Nutzstrahlung ausgesetzt ist, während das andere Sensorplättchen sich an der Rückseite des ersten Sensorplättchens im Gehäuse befindet und die Nutzstrahlung nicht empfängt.For this purpose, e.g. two sensor plates can be placed in one housing and on one common carrier are attached so that a sensor plate with his one surface is exposed to the useful radiation, while the other sensor plate is located on the back of the first sensor plate in the housing and the useful radiation does not receive.
Eine zweite Möglichkeit, um den Temperaturgang eines Sensorplättchens zu eliminieren, besteht darin, nur ein Sensorplättchen zur Messung zu verwenden und die Schaltung am Verstärker so auszubilden, daß nur schnelle Signaländerungen angezeigt werden, während langsame Anderungen, die dem Temperaturgang entsprechen, unterdrückt werden.A second possibility to get the temperature response of a sensor plate to eliminate is to use only one sensor plate for measurement and to train the circuit on the amplifier so that only rapid signal changes are displayed while slow changes, which correspond to the temperature curve, be suppressed.
Fig. 2 zeigt die auf einer pyroelektrischen Folie 2 gebildeten Teilbereiche 11 und 12 der ersten Art. Die Teilbereiche 11 und 12 sind durch einen nichtleitenden Teilbereich 14, der von der Doppeltrennlinie 13 begrenzt wird, voneinander getrennt. Die Teilbereiche 11 und 12 sind deckungsgleich zu beiden Seiten der pyproelektrischen Folie 2 ausgebildet. Zur Polarisation der Teilbereiche werden der Teilbereich 12 der Vorderseite und der Teilbereich 11 der Rückseite mit dem Pol ein und der selben Gleichspannungsquelle verbunden (angedeutet durch die Anschlüsse 15 und 16), während die Rückseite des Teilbereichs 12 und die Vorderseite des Teilbereichs 11 an den anderen Pol der Gleichspannungsquelle angeschlossen werden, angedeutet durch die Anschlüsse 18 und 17.FIG. 2 shows the partial areas formed on a pyroelectric film 2 11 and 12 of the first type. The sub-areas 11 and 12 are by a non-conductive Partial area 14, which is delimited by the double dividing line 13, separated from one another. The subregions 11 and 12 are congruent on both sides of the pyproelectric Slide 2 formed. The partial area 12 is used to polarize the partial areas the front and the portion 11 of the back with the pole one and the same DC voltage source connected (indicated by the connections 15 and 16) while the back of the sub-area 12 and the front of the sub-area 11 to the connected to the other pole of the DC voltage source, indicated by the Connections 18 and 17.
Um ein Plättchen, wie in Fig. 2 dargestellt, zu erhalten, kann eine pyroelektrische Folie z.B. eine Polyvinylidendifluorid-Folie beidseitig mit einer Kontaktschicht versehen werden und zwar kann z.B. beidseitig Aluminium und/oder Kupfer aufgebracht werden. Teilbereiche 11 und 12 der ersten Art, wie sie in Fig. 2 dargestellt sind, können z.3. mittels Lasern, Plottern oder Äbztechnik erzeugt werden, so daß die Kontaktbeläge auf beiden Seiten der Folie im Teilbereich 14 entfernt werden, in diesem Bereich die Polyvinylidendifluorid-Folie somit freigemacht wird, die wegen ihrer geringen Leitfähigkeit ( 1O-1O(JQ cm ) )) die Teilbereiche der ersten Art 11 und 12 elektrisch voneinander isoliert.In order to obtain a plate as shown in FIG. 2, a Pyroelectric film e.g. a polyvinylidene difluoride film on both sides with a Contact layer can be provided, e.g. aluminum on both sides and / or copper can be applied. Sub-areas 11 and 12 of the first kind as they are shown in Fig. 2, z.3. by means of lasers, plotters or etching technology are generated so that the contact pads on both sides of the film in the sub-area 14 are removed, thus exposing the polyvinylidene difluoride film in this area which because of their low conductivity (1O-1O (JQ cm))) the sub-areas of the first type 11 and 12 are electrically isolated from one another.
Fig. 3 stellt eine Draufsicht auf eine pyroelektrische Folie 2 dar, auf der Teilbereiche 10 der zweiten Art angebracht sind. Die Teilbereiche 10 der zweiten Art ergeben sich aus den Teilbereichen 11 und 12 der ersten Art dadurch, daß mittels Phototechnik eine Unterteilung der Teilbereiche 11 und 12 der ersten Art in z.B.3 shows a plan view of a pyroelectric film 2, are attached to the sub-areas 10 of the second type. The sub-areas 10 of the of the second type result from the sub-areas 11 and 12 of the first type, that by means of photo technology a subdivision of the sub-areas 11 and 12 of the first Kind in e.g.
quadratische Teilbereiche 10 der zweiten Art erfolgt.square subregions 10 of the second type takes place.
Die Teilbereiche 10 der zweiten Art können jedoch auch andere Formen als die quadratische Form aufweisen. Die eingetragenen Plus- und Minuszeichen sollen die unterschiedliche Polarisation in der Folie andeuten, die mit der in Fig. 2 beschriebenen Anlegung der Gleichspannung an die Teilbereiche 11 und 12 erreicht wurde. Jedes der verbliebenen Kontaktschichtquadrate auf einer Seite der pyroelektrischen Folie stellt somit mit dem deckungsgleichen Kontaktschichtquadrat auf der Rückseite der Folie einen Kondensator 19 dar, der ein polarisiertes Dielektrikum, nämlich die dazwischenliegende polarisierte pyroelektrische Folie, aufweist. Zur Erzeugung des Kontaktfleckenmusters nach Fig. 3 aus den Teilbereichen 11 und 12 nach Fig. 2 kann z.B. eine Phototechnik mit nachfolgenden Ätzschritten angewendet werden. Zur Erhöhung des pyroelektrischen Effekts werden die der Nutzstrahlung zugewandten Oberflächen der einzelnen Kondensatoren 19 z.B. mittels Graphit geschwärzt, wodurch diese für Infrarotstrahlung gut absorbierend sind.The subregions 10 of the second type can, however, also have other shapes than have the square shape. The registered plus and minus signs should the different polarization in the film indicate that with that described in FIG Application of the direct voltage to the sub-areas 11 and 12 has been achieved. Each of the remaining squares of the contact layer on one side of the pyroelectric film thus represents with the congruent contact layer square on the back of the Foil is a capacitor 19, which is a polarized dielectric, namely the intervening polarized pyroelectric film. To generate the Contact patch pattern according to FIG. 3 from the subregions 11 and 12 according to FIG. 2 can E.g. a photo technique with subsequent etching steps can be used. To increase of the pyroelectric effect are the surfaces facing the useful radiation of the individual capacitors 19 blackened e.g. by means of graphite, whereby these for Absorb infrared radiation well.
Fig. 4 stellt eine Draufsicht auf ein Sensorplättchen dar, bei dem Leiterbahnen 20 zur Aneinanderreihung der einzelnen Kondensatoren 19 angebracht sind. Die rückseitig angebrachten Leiterbahnen 20 sind strichliert angedeutet. Als Leiterbahnen (20) können z.B. Nickel-Chrom-Kupfer-Stege durch Masken aufgedampft werden, sie können jedoch auch mittels Sputtern durch Masken, mittels Siebdruck oder ähnliche Techniken erzeugt werden. Ein wie in Fig. 4 dargestelltes Sensorplättchen kann mit seinen Kontaktflächen 25 und 26 über in Fig. 4 nicht dargestellte Kontakte 5 und 6 z.B. über eine Sicufolschaltung an einen Verstärker IC/angeschlossen werden.Fig. 4 shows a plan view of a sensor plate in which Conductor tracks 20 for lining up the individual capacitors 19 attached are. The conductor tracks 20 attached to the rear are indicated by dashed lines. as Conductor tracks (20) can e.g. However, they can also be sputtered through masks, using screen printing or similar techniques can be created. A sensor plate as shown in FIG can with its contact surfaces 25 and 26 via contacts not shown in FIG 5 and 6 can be connected to an amplifier IC / e.g. via a Sicufol circuit.
Mit einem geeigneten Infrarot-Filter versehen, stellt diese Anordnung bereits einen nach dem erfindungsgemaBen Verfahren erzeugten pyroelektrischen Sensor 1 dar, falls der Verstärker so ausgebildet ist, daß schnelle Signaländerungen angezeigt werden, während langsame Signaländerungen unterdrückt werden. Ist das nicht der Fall, so müssen, wie bereits oben beschrieben, zwei Sensorplättchen in Differenzschaltung angeordnet werden.This arrangement is provided with a suitable infrared filter already a pyroelectric sensor produced by the method according to the invention 1 if the amplifier is designed to indicate rapid signal changes while slow signal changes are suppressed. Isn't that the one In this case, as already described above, two sensor plates must be connected in a differential circuit to be ordered.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich außerordentlich flache pyroelektrische Sensoren erzeugen, die sich problemlos an verschiedenen Geräten oder Wänden anbringen lassen. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur automatischen Herstellung von Sensorplättchen, was für eine Massenherstellung von pyroelektrischen Sensoren von Vorteil ist. Außerdem sind die Kosten der Herstellung sehr gering, da die Herstellung des pyroelektrischen Sensorplättchens automatisiert werden kann und da Verstärker IC's mit sehr hochohmigem Eingang heutzutage preisgünstig erhältlich sind. Weiterhin ist der Raumbedarf eines nach dem er£indungsgemäßen Verfahren gefertigten pyroelektrischen Sensors sehr gering, da die Gesamtanordnung flach ist. Der flache Aufbau ist nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch möglich, daß eine integrierte Schaltung der Einzelkondensatoren 19 (Fig. 4) nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird und diese an eine Sicufolschaltung (vgl. Bauteile Report 16 (1973), Heft 3, S. 91 bis 93) und an einen Verstärker-IC angeschlossen wird, die wiederum geringe Ral1mm2ße aufweisen.With the method according to the invention can be extremely flat Pyroelectric sensors generate that can easily be connected to different devices or have walls attached. The inventive method is suitable for automatic Manufacture of sensor plates, what a mass production of pyroelectric Sensors is beneficial. In addition, the cost of manufacturing is very low, since the manufacture of the pyroelectric sensor wafer can be automated and since amplifier ICs with a very high-impedance input are nowadays available at low cost are. Furthermore, the space requirement is one according to the method according to the invention manufactured pyroelectric sensor is very small, since the overall arrangement is flat. The area Construction is possible according to the method according to the invention that an integrated Connection of the individual capacitors 19 (FIG. 4) according to the method according to the invention and this is connected to a Sicufol circuit (see Components Report 16 (1973), Issue 3, pp. 91 to 93) and connected to an amplifier IC, which in turn have small dimensions.
Pyroelektrische Sensoren, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sind, eignen sich zur Herstellung von Alarmanlagen und als Nährungsschalter z.B. für Beleuchtungsanlagen oder Türöffnungsanlagen.Pyroelectric sensors which, according to the method according to the invention are suitable for the production of alarm systems and as proximity switches e.g. for lighting systems or door opening systems.
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