DE3220497A1

DE3220497A1 - Pyroelektrischer detektor

Info

Publication number: DE3220497A1
Application number: DE19823220497
Authority: DE
Inventors: Andrew Alfred Reigate Surrey Turnbull
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: BAE Systems Electronics Ltd
Priority date: 1981-06-05
Filing date: 1982-05-29
Publication date: 1983-03-24
Also published as: JPS57211285A; GB2100058B; US4469943A; FR2507317A1; FR2507317B1; GB2100058A; JPH027193B2; DE3220497C2

Description

PHB 32 788 X Cf_r 12.2.1982

Pyroelektrischei· Detektor

Die Erfindung betrifft einen pyroelektrischen Detektor mit einem Element aus pyroelektrischem Werkstoff, daw zumindest ο j.η Paar einander gegenüberliegender Flächen, an denen elektrische Ladungen erzeugt werden, wenn sich die Elernentteinperatur ändert, und Elekti"oden zum Detektieren der vom Element erzeugten Ladungen enthält, wobei die Elektroden sich über zumindest eine der Flächen des er^v%-' wähnten einen Paars erstrecken, und wobei der Detektor einen wirksamen Oberflächenbereich aufweist, der derart wirksam ist, dass zeitliche Schwankungen der Intensität der auf jeden Toil des Oberflächenbereichs auffallenden Strahlung Schwankungen der erzeugten Ladungen hervorrufen, die von den Elektroden detektierbar sind. Die Erfindung bezieht sich we.i ter auf ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Detektors.

Wenn die Temperatur eines Elements aus pyro— elektrischem Werkstoff sich ändert, ergibt sich eine Änderung der spontanen Polarisation des Werkstoffs entlang einer vorgegebenen Achse und demzufolge werden Ladungen an einander gegenüberliegenden Elementflächen in räumlichen Abständen entlang dieser Achse erzeugt. Diese Erscheinung wird in einem pyroelektrischen Strahlungsdetektor durch die Verwendung von Wärmeenergie aus auf den Detektor auffallen— der Strahlung zum Andern der Elementtemperatur ausgenutzt. Da das Element Ladungen nur dann erzeugt, wenn sich seine Temperatur ändert und da diese Ladungen zum Abfliessen neigen odor neutralisiert werden, eignet sich der Detektor zum Detektieren einer Änderung der auffallenden Strahlung. Diese Änderung kann durch eine äussere Ursache ohne Zu«— .sjuiimenhang mit dem Detektor sprunghaft erfolgen oder der Detektor kann mit Mitteln zum Variieren der Intensität der auf den Detektor aui"fallenden Strahlung verbunden sein, z.B. mit einem Zerhacker, der ein Strahlungsbündel aus einer

PHB 32 788 yf'S . 12.2.1982

externen Quelle periodisch unterbricht und Strahlung bei einer im wesentlichen konstanten Bezugs temperatur liefert, die es ermöglicht, ein elektrisches Dauersignal aus dem Detektor zu erhalten, wenn ein Unterscliied zwischen der Temperatur des Bündels und der Bezugs beraperatur entsteht. Die Intensitätsvariationsfrequenz kann beispielsweise zwischen wenigen und mehreren hundert Hertz liegen.

Die Temperaturänderung des Elements lässt sich beispielsweise durch die Detektion eines Stroms detektieren, der zwischen zwei Elektroden bzw. in den Flächen des einen Paars fliesst, während sich die Elementtemperatur ändert, oder durch die Detektion angesammelter Oberflächenladung (bevor sie durch Streuladungen neutralisiert ist oder abfliesst) durch die Detektion eines Stroms, der zu einer Elektrode auf einer der zwei Flächen fliesst, wenn das Potential der anderen der zwei Flächen auf einen vorgegebenen ¥ert zurückgebracht wird, und j'.war mit einem Elektronenstrahl, wie er benutzt wird, wenn das Element in einer pyroelektrischen Kameraröhre verwendet wird.

Ein pyroelektrischer Detektor nach dem ersten Absatz ist aus der GB-PS 1 kkO 67k bekannt. Dieser Detektor enthält eine Scheibe aus pyroelektriscliem Werkstoff mit Elektroden, die sich über eine jede der zwei einander gegenüberliegenden Hauptflachen erstrecken. Die Scheibe ist über eine Elektrode, die sich über die ganze Vorderfläche der Scheibe erstreckt, an einer leitenden Halterung mit einer zentralen Öffnung befestigt; die andere Elektrode erstreckt sich nur über einen Teil der RUckfläche der Scheibe und ist konzentrisch mit der Öffnung in der Halterung. Der Detektor dient zum Detektieren von Schwankungen der Intensität der nur auf denjenigen Oberflächenbereich des Detektors auffallenden Strahlung, der von der Öffnung in der Halterung definiert wird, d.h. Schwankungen der Intensität der ausserhalb dieses Bereichs auf den Detektor auffallenden Strahlung bewirken keine wesentliche Ladmifcjserzeugunß, die mit den Elektroden defcektierbar 1st. Dies wird durch «ti«» vnrliJll tni.sriiJVHH.i.i-v hohe Wirniokuj>uzU. Ι.Π t dur Halterung verursacht: Die für eine Änderung der Wiirnie-

PHB 32 7Ö8 ^y &. 12.2.1982

energie der aufrauenden Strahlung zum Hindurclidiffundieren zum Element erforderliche Zelt ist lang im Vergleich zu einer gewünschten Ansprechzeit des Detektors, sowohl für eine Einzelschi' i ttänderung der aus einer externen Quelle g ankommenden Strahlung als auch für Schwankungen, die von einem mit dem Detektor zusammenarbeitenden Zerhacker eingeführt werden, und weiter wird die Grosse der Temperaturschwankung am Element viel kleiner als die an der Oberfläche der Halterung sein, auf die die Strahlung auffällt. ^q Ausserdem verursachen Schwankungen in der Intensität der auf den wirksamen Oberflächenbereich auffallenden Strahlung Teniperaturschwcuikungen nicht nur in jenem Teil des pyres' elektrischen Werkstoffs, der von den Elektroden detektier- bare Ladungen erzeugt, sondern auch in dem Teil des benach— ^r, bar lan pyroe.U>k I rischen Werkstoffs und in dem angrenzenden Teil der ILaI ten mg, in den Wärmeenergie zu diffundieren neigt. Demzufolge wird das Ausmass einer Schwankung der Wärmeenergie aus auffallender Strahlung, das zum Erzeugen von Ladungen beiträgt, die mit den Elektroden detektierbar sind, reduziert.

In anderen bekannten pyroelektrischen Detektoren, zum Beispiel solchen, in denen das Element auf einem dünnen Kunststoff-Film montiert ist, kann der wirksame Oberflächenbereich des Detektors im wesentlichen die gesamte Fläche einer Hauptfläclie des Elements aus. pyroelektrischem Werk— stoff sein; die Wärmeleitfähigkeit aus dem wirksamen Oberflächenbereich kann ebenfalls niedrig sein.

Der Ex· l'indung liegt die Aufgabe zugrunde, eine bessere Auμführung eines pyroelektrischen Detektors zu schaffen.

In einor ersten Ausführungsform der Erfindung wird diese Aufgabe mit einem pyroelektx-ischen Detektor eingangs erwähnLer Art dadurch gelöst, dass das Volumen des Elements aus pyroelektrischem Werkstoff wesentlich geringei^% ist als es das Volumen eines Elements aus pyroelektrischem Werkstoff wäre, das sich über den ganzen wirksamen Oberf.1 ächenbereieh erstrecken würde und das eine Dicke hätte, dio gleich dem kleinsten Abstand zwischen den

PHB 32 788 y ?- 12.2.1982

Flächen des erwähnten, zumindest eines Paars wäre, und dass der Detektor eine Wärmestreuungsanordnung enthält, die sich zwischen dem Element und denjenigen Teilen des Oberflächenbereichs, die vom Element ent±'er»t liegen, erstreckt,

r wobei die Wärmestreuungsanordnung imstande ist, das Element mit Wärmeenergie aus auf die entferntliegenden Teile auffallender Strahlung zu versorgen.

Ein wichtiges Merkmal eines pyroelektrischen Detektors ist seine Rauschäquivalentleistung (Noise Equiva-

IQ lent Power = NEP), die als .quadratischer Mittelwert der Leistung der SinusSchwankung der auf den Detektor auffallenden Strahlung definierbar ist, für den der Rauschabstand des Detektors in einer 1-Hz-Bandbreite «ins ist. NEP ist von der Ansprechempfindlichkeit des Detoktors abhängig, die beispielsweise in Termen des Signalstroms ausgedrückt werden kann, der vom Detektor pro Einheit si ei stimg der Sinusschwankung der auffallenden Strahlung erzeugt wird, und von mehreren Quellen elektrischen Rauschens abhängt, die zum Beispiel als Rauschströme ausgedrückt werden können.

In der Praxis muss ein pyroelektrischer Detektor mit einem Verstärker benutzt werden, da das vom Detektor erzeugte Signal nur schwach ist, und die Rauschquellen sind abwechselnd mit dem Detektor selbst oder mit dem Verstärker, oder auch mit beiden verbunden.

Bei einem Vergleich eines erfindungsgemässen Detektors mit einem Detektor- vom bekann ten Typ können zwei Möglichkeiten In Erwägung gezogen werden: Wenn angenommen wird, dass das pyroelektrische Element eine vorgegebene Bemessung aufweist, spricht der erfindungsgeraässe Detektor auf Schwankungen der auf einen wesentlich grösseren wirksamen Oberflächenbereich auffallenden Strahlung an, während, wenn angenommen wird, dass der wirksame Oberflächenbereich eine vorgegebene Bemessung aufweist, der erfindungsgemässe Detektor mit einem wesentlich kleineren pyroelektrischen Element ausgerüstet ist. Die erstgenannte Möglichkeit bezieht sich auf Betriebsbedingungen, bei denen eine Vei'/jrösserung des wirksamen OborriflchenbereicliH die Menge der auf den Detektor auffallenden, schwankenden

PHB 32 788 ^e/ 2 12.2.1982

Strahlung ansteigen lässt: Die NEP wird somit reduziert (d.h. verbessert), da der Signalstrom grosser wird. Die letztgenannte Möglichkeit bezieht sich auf einen Detektor, der auf eine Schwankung der auffallenden Strahlung an einer _s beliebigen Stelle eines gegebenen Bereichs ansprechen muss, zum Beispiel dort, wo ein mit dem Detektor verbundenes optisches System ankommende Strahlung aus einer speziellen externen Quelle zu einem Fleck auf dem Detektor fokussiert, wobei die Lage des Flecks vom Winkel zwischen der auffallenjQ den Strahlung aas der Quelle und einer optischen Achse des Systems abhang!,·; ist; die Abmessungen des wirksamen Oberflächenbereichs des Detektors werden vom gewünschten ■ Blickfeld bestimmt, in dem die externe Quelle detektierbar sein soll. Für eine derartige Situation hat eine im Rahmen der Erfindung durchgeführte theoretische Analyse eines Detektors mit Elektroden, die sich über beide Flächen des pyroelektrischen Elements erstrecken, an denen Ladungen erzeugt werden, ergeben, dass die NEP reduziert wird, wenn der pyroelektrisch^ Werkstoff zwischen den Elektroden in 2Q seinen Abmessungen reduziert werden kann, ohne dass dabei der wirksame Oberflächenbereich des Detektors kleiner wird. Faktoren, die bei diesel" Analyse relevant sind, werden beispielsweise in der Abhandlung "Pyroelectric Detectors and Materials" von S.T.Liu et al., Proc. IEEE, Vol. 66, Nr. 1 (Januar 1978)? S. 14 ... 26, betrachtet. Wie in dieser Abhandlung erwähnt, können sich Elektroden eines Detektors mit einem quaderförmigen Element aus pyroelektrischem Werkstoff auf Hauptflächen des Elements (sog. Flächenelektroden) oder auf senkrecht dazu verlaufenden Nebenflächen (sog. Randelektroden) befinden; in beiden Fällen wird davon ausgegangen, dass Strahlung auf eine ilnup tfläche aurfällt. Die Fläciieiielektx'odenkonf j.guratiori ist die gebräuchlichere und nur diese Konfiguration wird in der genannten Abhandlung näher erläutert. Das im Rahmen der Erfindung durchgeführte Studium verschiedener Rauschquellen in einem Detektor jeder Konfiguration bei der Verwendung mit einem Verstärker und das Studium der Abhängigkeit der Rauschströrne vom Flächeninhalt der Elektroden

PHB 32 788 yu tf_m 12.2.1082

und -vom Abstand zwischen den Elektroden hat ergeben, dass die NEP proportional der Quadratwurzel aus der Summe mehrerer Terme ist, von denen ein Tex-m dem Quadrat des Flächeninhalts proportional ist, ein Term dem Quadrat des Abstands proportional ist und ein Türm dem Produkt des Flächeninhalts und des Abstands, d.h. des Volumens des wirksamen pyroelektrischen WerkstolTs, proportional ist. (Dieser letzte Term stellb das Rauschen durch den dielektrischen Verlust (tan έ) des pyroelektrischen Werkstoffs dar, der in der Praxis die bedeutsamste Ursache von Rauscherscheinungen sein kann.) Hieraus ergibb sich, dass bei einer Reduktion des Volumens des wirksamen pyroelektrischen Werkstoffs zumindest zwei von diesen droi Termen sich verringern, wodurch also auch die NEP sich verringert. Anders betrachtet, wird eine Reduzierung des FLächeninhalta einer Hauptfläche des Elements bei der Verwendung von Flächeiielektroden den Flächeninhalt der Elektroden und bei der Verwendung von Randelektroden den Abstand der Elektx'oden verringern, wenn der Flächeninhalt der Hauptfläche durch Reduktion einer ihrer Abmessungen senkrecht zu den Ebenen der Elektroden verringert wird, oder wird den Flächeninhalt der Elektroden reduzieren, wenn der Flächeninhalt der Hauptfläche durch Reduktion einer ihrer Abmessungen parallel zu den Elektrodenebenen reduziert wird, oder _wird sowohl den Abstand als auch den Flächeninhalt der Elektroden reduzieren, wenn beide Abmessungen verringert werden; in allen Fällen wird davon ausgegangen, dass die Dicke des Elements senkrecht zu den llaxiptf lachen, d.h. der kleinste Abstand zwischen einander gegenüberliegenden Flächen des Elements, konstant ist, und ein erfindungsgemässer Detektor lässt sich auf diese Weise mit einem hypothetischen Detektor vom bekannten Typ vergleichen, bei dem diese Dicke gleich, jedoch der Flächeninhalt der Hauptfläche vergrössert ist, so detss di.s Element sich über den ganzen wirksamen Oberflüchenbcreich erstredth.

Wie oben angegeben, können dio zwei Flüchen dow einen Paars Haup fcf lächln des Elements .»-.ei.ju, /,wiHClion denen sich der kleinste Abstand befindet. Im Falle eines Targets

PHB 32 788 /AO- 12.2.1982

für· eine pyroelektrisch^ Kameraröhre, wobei die erzeugte Ladung unter Verwendung eines Abtastelektronenstrahls detektlert wird, ist es wünschenswert, dass die Zeitkonstante des Strahlwiderstands multipliziert mit der Targetkapazität viel kleiner als die Halbbildabtastdauer ist, um die Ladung wirkungsvoll auslesen zu können. Wenn sich, also eine Elektrode über eine Hauptfläche des Elements in einem erfindungsgemässen Detektor erstreckt, kann eine Reduktion des Flächeninhalts dieser Fläche sowohl die elektrische Kapazität als auch die Wärmekapazität verringern; daher enthält ein Target für eine pyroelektrisclie Kameraröhre vorzugsweise eine Anordnung mehrerer derartiger Detektoren.

Die Elektroden erstrecken sich vorzugsweise im wesentlichen über das Ganze der besagten zumindest einen Fläche. Ein brauchbares Signal kann dabei im wesentlichen aus dem gesamten pyroelektrischen Werkstoff abgeleitet werden, der Wärmeenergie aus auf den wirksamen Oberflächenbereich auffallender Strahlung empfängt.

Ein Teil des wirksamen Oberflächenbereichs kann das Element aus pyroelektrischem Werkstoff überlappen. Der erwähnte Teil des wirksamen Oberflächenbereichs kann gleich einer Hauptfläche des Elements sein. Das Element kann in bezufi' auf den wirksamen Oberflächenbereich zentral angeordnet sein. Diese drei Eigenschaften verringern jeweils den mittleren Abstand, über den die Wärmeenergie diffundieren muss, um die Temperatur des Elements zu ändern.

Die Wärmestreuungsanordnung (nachfolgend auch als Wärmestreuungskörper oder Wärmestreuungsschicht bezeichnet) kann, zusätzlich zu einem hohen Wärmeausbreitungsvermögen, eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine niedrige Wärmekapazität haben. Die optimal erreichbaren Werte für diese Parameter, insbesondere für den zweiten und dritten, die entgegengesetzte Anforderungen sein können, können von den Abmessungen des Detektors und von seinem gewünschten Frequenzgang abhängig sein.

Die Wnrinekapazi l'\ L des Wärniestreuungskörpers ist vorzugsweise wesentlich niedriger als die Wärmekapazität

PHB 32 788 jf /ι η 12.2. 1OÖ2

des Elements. "Wärmeenergie &'is auffallender Strahlung kann also hauptsächlich auf die .Änderung der Element temp er a fcur gerichtet sein, statt lediglich auf ein Andern der Temperatur des WärmeStreuungskörpers.

Auf geeignete Weise wird im Betrieb Wärmeenergie aus auf die erwähnten entferntliegenden Teile auffallender Strahlung von diesen Teilen durch Wärmeleitung grösstenteils oder im wesentlichen vollständig durch den Wärmestreuungskörper abgeleitet. Dies lässt sich dadurch ver~ wirklichen, dass alle Wege, über die Wärme aus dem wirksamen Oberflächenbereich heraus geleitet werden kann, eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweisen - mit Ausnahme des Weges zum !Clement, und dadurch, dann aiifvroxiztäiul an den wirksamen Oberflächenbereich ein Minimum an Wärmekapazität gebildet wird - ausgenommen dort, wo sich das Element befindet.

Im Betrieb kann Wärmeenergie aus auf die entfernt

liegenden Teile auffallender Strahlung vom Wärmestreuungskörper im wesentlichen entlang des wirksamen Oberflächenbereichs dem Element zugeführt werden. Der Detektor enthält vorzugsweise einen flexiblen Film, der das Element elastisch unterstützt und der Wärmestreuungskörper kann aus einer Wärmeleitschicht bestehen, die sicli entlang des Films erstreckt und von ihm getragen wird. Der Detektor kann eine weitere vom Film getragene Schicht enthalten, die von gleicher Abmessung wie die Wai-rnu I el t, se Lieh t; zum Absorbieren auffallender Strahlung ist.

Nach einer zweiten AusfÜhrungsform der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines pyroelektrischen Detektors eingangs erwähnter Art, wobei mit dem Verfahren eine zeitabhängige periodische Schwankung der Intensität der auf den wirksamen Oberflächenbereich auffallenden Strahlung eingeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des Elements aus pyroelektrischein Werkstoff im wesentlichen geringer ist als es das Volumen eines Elements aus pyroeloktrischein Werkstoff wäre, das sich über den ganzen wirksamen Oberflächenbureich erstrecken würde und das eine Dicke hätte, die gleich dem kleinsten

PHB 32 7β8 ψ~\ΐ" 12.2.1982

Abstand zwischen den Flächen des erwähnten, zumin einen Paars wäre, und dass Wärmeenergie aus Strahlung, die auf diejenigen Teile des Oberf'lächenbereichs auffällt, die vom Element entfernt liegen, durch Wärmeleitung dem Element in einem Zeitintervall zugeführt wird, das kürzer als die Periode dex- erwähnten periodischen Schwankung ist.

Die maximale Frequenz (oder die minimale Periode), mit der der Detektor brauchbar betrieben werden kann, ist vom maximalen Abstand, über den Wärmeenergie vom wirksamen Überflächenbereich dem Element zugeführt werden muss, und vom Wärmeausbreltungsvermögen des Werkstoffs abhängig, der die Energie liefert. Auf geeignete Weise wird Wärmeenergie aus Strahlung, die auf diejenigen Teile des erwähnten Bereichs auffällt, die am weitesten vom Element entfernt sind, durch Wärmeleitung über einen Abstand geliefert, der we.sentlich geringer als der Wärmediffusionsabstand (gemäss der nachfolgend gegebenen Definition) ist. Der WärmediffusLonsabstand wird wie folgt definiert:

worin k das Wärmeausbreitungsvermögen des Warmestreuungskörpers ist, das gleich der Wärmeleitfähigkeit dividiert durch die volumenspezifische Wärme ist, und 6'_,- die Winkel frequenz der periodischen Schwankung ist,

die gleich 2 ίΓ f ist, wobei f die Frequenz der 2b periodischen Schwankung darstellt.

Eine Ausführungsform nach der Erfindung wird als Beispiel nachstehend an Hand der Zeichnung erläutert, die einen Querschnitt durch einen erfindungsgemässen Detektor darstellt, der ein Element 1 aus pyroelektrischem Werk— üLoff sjwiäcJuMi zwei flexib en Filmen 2 und 3 enthält.

In der Figur sind die Diekonabmessungen des Elements, der flexiblen Filme, verschiedener darauf angebrachter Schichten und dos duKwi sei !.einliegenden Klebstoffs (d.h. ihre Abmessungen in einer im allgemeinen vertikalen Richtung) stark vergrössert dargestellt, wodurch die Filme und die Schichten darauf mit erheblicher Krümmung gezeichnet werden mussten; die wirklichen Dickeimbmessungeri dieser Bauteile sind in bezug auf ihre horizontalen Abmessungen so gering, dass die

PHB 32 788 10/ _αλ -12.2.1982

7 j

Struktur faktisch im wesentlichen planar ist.

Das Element 1 aus pyroelektrischem Werkstoff weist Elektroden h und 5 auf, die die obere und untere Fläche des Elements vollständig bedecken. Obgleich das Element 1 äusserst dünn und daher zerbrechlich ist, ist es viel weniger flexibel als die Filme 2 und 3 und kann selbsttragend sein; im Detektor wird es von zumindest einem der Filme gestützt. Die Filme 2 und 3 werden an ihren Peripherien auf einem im wesentlichen s tarren King' 6 aus elektrisch isolierendem Werkstoff gespannt gehalten.

Der untere Film 2 trägt eine elektrisch leitende Schicht 7» die eine elektrische Verbindung zwischen der unteren Elektrode h und einer weiteren elektrisch leitenden Schicht 8 bildet, die sich über den Ring 6 rind diu Schicht 7 an der Peripherie der Filme erstreckt, um einen Anschluss des Detektors zu bilden.

Der obere flexible Film 3 trägt mehrere Schichten: Eine Schicht 9 zum Absorbieren auffallender Strahlung im gewünschten Wellenlängenbereich, eine elektrisch leitende Wärmestreuungsschicht 10, die an die Absorptionsschicht 9 grenzt und von gleicher Abtnessting wie die Schicht 9 ist, und eine elektrisch leitende Schicht 11, die eine elektrische Verbindung zwischen der oberen Elektrode 5 am Element, in diesem Fall über die elektrisch leitende Schicht 10, und einer weiteren, elektrisch leitenden Schicht 12 bildet, die sich über den Ring 6 und die Schicht 11 an der Peripherie der Filme erstreckt, um einen zweiten Anschluss des Detektors zu bilden. Eine Schicht i4 aus Klebstoff zwischen den Filmen zieht die Filme zueinander hin, wobei das Element 1 in der entsprechenden Lage gehalten wird und die Schichten 7 und 10 auf dem Film 2 bzw. 3 an die Elektroden k und 5 am Element 1 gedrückt werden.

Dieser Detektor ist einem Detektor ähnlich, der in der Europa-Patentanmeldung 81200505.0 vorgeschlagen worden ist (mit der spezieJlon Ausnahmt· der Schichten <>, IO und 11, die eine einzige, schmale, e.l.ek triseh leitende Schicht zur Verbindung der oberen Elektrode am Element mit einem Anschluss wie 12 an der Peripherie des flexiblen Films

PIlB 32 788 ΛΨ* 12.2.1-982

ersetzen), und Lst nach einem Verfahren herstellbar, das dem dort beschriebenen Verfahren analog ist. Der Ring 6 kann einen Querschnitt von 1 mm² und einen Aussendurchmesser von 6 mm haben. Die flexiblen Filme 2 und 3 können aus Polyimid-Kunststoff bestehen und jeweils eine Dicke von etwa 1 /um besitzen, sie können z.B. aus einer Lösung von PYRE-M.L. (Warenzeichen DuPont)-Drahtemaille vom Typ Nr. RC 50kk in N-Methyl-2-Pyrrolidon hergestellt werden; der Klebstoff \h kann aus einer dünneren Lösung der gleichen

IQ Stabs tanzen zusammengesetzt sein. Die Schichten h und 5 auf dem Element 1, die Schicht 7 auf dem Film 2 und die Schicli ten 9» 10 und 11 auf dem Film 3 können durch Vakuum-Niederschlag gebildet sein. Die Elektroden 4 und 5 können aus einer Nickel-Chrom-Legierung mit einer ungefähren Dicke von 30 um- bestellen, die elektrisch leitenden Schichten 7 und 11 bestehen hauptsächlich aus Gold auf einer dünnen Keimschicht aus Nickel-Chrom-Legierung mit einer Gesamtdicke von etwa 30 ran und einer Breite von etwa 50 /um, die Absorptionsschicht 9 kann aus Antimon von etwa 50 nm Dicke und die Wärnies treuungsschicht 10 aus Aluminium von etwa O,3 ,um Dicke bestehen. Die die Anschlüsse bildenden Schichten 8 und 12 können aus einem Glanzvergoldungsbad geformt werden und eine Dicke von wenigen hundert nm haben.

Das pyroelektrisch^ Element 1 kann beispielsweise aus PLMZT (Blei-Lanthan-Mangan-Zirkonium-Titanat) bestehen und ftauptf lachen von je 1 mm² mit einer senkrecht darauf stehenden Dicke von etwa 30 /um aufweisen. Die Schichten 9 und 10 auf dem oberen flexiblen Film 3 können sich über ein VLereck mit einer Seitenlänge von 2 mm erstrecken, wodurch der Detektor mit einem wirksamen Oberflachenbereich in einem Gebiet versehen ist, das das Vierfache einei· Hauptfläche des Elements 1 ist. Auf die Schicht 9 auffallende Strahlung wird dabei absorbiert (eine geringe Menge kann auch vom Film 3 absorbiert werden) und die Wärmeenergie wird durch Wärmeleitung durch die Schichten 9 und IO der oberen Hauptfläche des Elements 1 zug·«fuhrt. Im !zentralen T₁-Ll des wirksamen Oberflächenbereichs, der von gleichej· Abmessung wie das Element ist,

PHB 32 788 9^ Λζ ' 12,2.1982

verläuft die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung in einer im wesentlichen senkrecht zum Film 3 verlaufenden Richtung, während in den vom Element entfernt liegenden Teilen des Bereichs die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung über die Schichten 9 und 10 (vorwiegend Uber letztere, weil sie eine viel grössere Wärmeleitfälligkeit besitzt) im wesentlichen enticing des wirksamen Oberflachenbereichs parallel zum Film 3 verläuft.

Die "Wärmeleitf ähigkei fcen der fLexiblen Filme und

ig der Schichten 7 und 11 sind niedrig, wodurch die durch Wärmeleitung abgel^ührte Hauptmenge an Tvärnieenergie aus Strahlung, die auf diejenigen Teile des wirksamen Obex-flächenbereichs auffällt, die vom Element entfernt liegen, von den Schichten 9 und 10 auf das Element statt in radialer

j5 Richtung nach aussen auf den Ring 6 übertx-agen wird. Weiter ist die Wärmekapazität der Schicht 10 viel kleiner und sind die Wärmekapazitäten der Schicht ⁱ) und des Films 3 im wirksamen Oberflächenbereich sehr viel kleiner als die Wärmekapazität des Elements 1 : Hierdurch, trägt der

2Q grösste Teil der Wärmenergie der absorbierten Strahlung zur Änderung der Elementtemperatur eher bei, als dass er lediglich die Temperatur der benachbarten Werkstoffe ändert.

Das Wärmeausbreitungsvermögen und die Wärmeleitfähigkeit der Schicht 10 sind hoch; infolgedessen kann Wärmeenergie aus Strahlung, die au±* vom Element entfernt" liegende Teile des Oberflächenbereichs auffällt, dem Element rasch zugeführt werden. Der Detektor kann derart ausgelegt werden, dass er auf irgendwelche sprunghafte Änderungen der Intensität der auffallenden Strahlung aus externen Ursachen anspricht, z.B. auf das sprunghafte Erscheinen eines Gegenstands mit einer von der des Hintergrunds abweichenden Temperatur in seinem Blickfeld, in welchem Fall es erwünscht ist, dass die thermische Zeitkonstante des Detektors nicht viel grosser als die der Zeitkonstante des Elements selbst ist. Andererseits kann ein Strahlungsbündel aus externen Quel.1 en mit einem Zerhacker, der das Bündel periodisch unterbricht) rogeliiiässig moduliert werden, so dass der Detektor auf jede Differenz

PUB 32 788 I/ // 12.2.1982

ziviseilen den Intensitäten des externen Bündels und der Strahlung aus dorn Zerhacker anspricht. Die Ansprechempfindlichkeit und di'j NEP des Detektors gehen bei ansteigender Frequenz zurück; je besser das Wllrmeausbreitungsvermögen und die Leitfähigkeit des Wärniestreuungskörpers sind, umso hoher sind die Modulationsfrequeiizen, bei denen sich diese l'iiraiue t,o.r des Ucboktors auf bestimmte Werte versclileclitern worden. Diea la.-ist sich genauer durch die Bedingung ausdrücken, dass der maximale Abstand, über den Wärmeenergie ID vom wirksamen Oberflächenbereich auf das Element übertragen werden muss, viol kleiner als der Wärmediffusionsabstand .sein soll, wie ei¹ bereits erläutert wurde. Davon ausgehend, wird angenommen, dass der beschriebene Detektor vorteilhaft im Frequenzbureich bis zu etwa 200 Hz betrieben werden kann.

In einem Target für eine pyroelektrisch^ Kameraröhre mit einer Anordnung von mehreren Detektoren in erfindungsgemäader Ausführung, die je ein Element enthalLeii, das nur an einer seiner Hauptflächen abgestützt Ή) wird, ist es Vu r l.c-i I haJ'l., den elektrisch leitenden Werkstoff «l<;r sich im WrVi-uiestreuungskörper befindet und der sonst dem Abtastelektronenstrahl in der Kameraröhre ausgesetzt wnre, mit oinorn "Wexlcstoff ζλχ bedecken, der eine elektrische Isolierung darstellt oder eine niedrige elektrische Leitfähigkeit hat, zum Beispiel SiO , worin 1 -C χ "*> 2, das im Vakuumniederschlagsverfahren gebildet wird und für zu grosse Ladungen die Möglichkeit bietet, abzufHessen.

Claims

PHB 32 788 1^T 12.2.1982

PATENTANSPRÜCHE

/iJ Pyroelektrischer Detektor mit einem Element aus pyroelektrischem Werkstoff, das zumindest ein Paar einander gegenüberliegender Flächen, an denen elektrische Ladungen erzeugt werden, wenn sich die Elementtemperatur ändert, und Elektroden zum Detektieren der vom Element erzeugten Ladungen enthält, wobei die ElektxOden sich über zumindest eine der Flächen des erwähnten einen Paars erstrecken, und wobei der Detektor einen wirksamen Oberflächenbereich aufweist, der derart wirksam ist, dass -seitliche Schwan-

¹^ kungen der Intensität der auf jeden Teil des Oberflächenbereichs auffallenden Strahlung Schwankungen der erzeugten Ladungen hervorrufen, die von den Elektroden detektierbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des Elements aus pyroelektrischem Werkstoff wesentlich geringer ist als es das Volumen eines Elements aus pyroelektrischem Werkstoff wäre, das sich über den ganzen wirksamen Ober— flächenbereich erstrecken würde und das eine Dicke hätte, die gleich dem kleinsten Abstand zwischen den Flächen des erwähnten, zumindest einen Paars wäre, und dass der Detektor eine Wärmestreuungsanordnung enthält, die.sich zwischen dem Element und denjenigen Teilen des Oberflächenbereichs, die vom Element entfernt liegen, erstreckt, wobei die Wärmestreuungsanordnung imstande ist, das Element mit Wärmeenergie aus auf die entfernt liegenden Teile auffallender Strahlung zu versorgen.

2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Flächen des einen Paars Hauptflächen des Elements sind, zwischen denen sich der kleinste Abstand befindet.

3· Detektox- nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode sich im wesentlichen vollständig über zumindest eine dex' Flächen erstreckt;. k. Detektor nach einem oder mehreren der vorangehenden

PHB 32 788 Λ]/ %) 12.2.1982

Ansprüche, dadurch, gekennzeichnet, dass ein Teil des wirksamen Oberflächenbereichs das Element aus pyroelektrischem Werkstoff überlappt.

5. Detektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erwähnte Teil des wirksamen Oberflächenbereichs gleich einer Hauptfläche des Elements ist.

6. Detektor nach Anspruch k oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Element in bezug auf den wirksamen OberflächenbereLch zentral angeordnet ist.

7· Detektor nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekapazität der als Wärmestreuungskörper ausgebildeten Wärmestreuungsanordnung im wesentlichen geringer als die Wärmekapazität des Elements xsl;.

8. Detektor nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch, gekennzeichnet, dass ί.τι Betrieb Wärmeenergie aus auf die erwähnten entferntliegenden Teile auffallender Strahlung durch Wärmeleitung zum grössten Teil oder vollständig; durch den Wärmestreuungskörper abgeleitet wird.

9. Detektor nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb Wärmeenergie aus auf die entferntliegenden .·. Teile auffallender Strahlung vom WurmeStreuungskörper im wesentlichen entlang des wirksamen Oberflächenbereichs dem Element zugeführt wird,

10. Detektor nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen das Element elastisch tragenden flexiblen Film, wobei der Wärmestreuungskörper aus einer wärmeleitenden, sich über den FLIm erstreckenden und von ihm unterstützten Schicht besteht.

11. Detektor nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine weitere, vom Film unterstützte Schicht, die von gleicher Abmessung wie die wärmeleitende Schicht zum Absorbieren auffallender Strahlung ist.

12. Verwendung einer Anordnung von mehreren Detektoren jeweils in der Ausführung nach Anspruch 2 oder nach einem anderen, sich auf den Anspruch 2 beziehenden Anspruch als Target für eine pyroelektrische Kameraröhre.

PHB 32 788 J^vS 12.2.1982

13· Verfallren zum Betreiben eines pyroelektrischen Detektors mit einem Element aus pyroelektrischern Werkstoff, das zumindest ein Paar einander gegenüberliegender Flächen, an denen elektrische Ladungen erzeugt werden, wenn sich

_g die Elementtemperatur ändert, und Elektroden zum Detektieren der vom Element erzeugten Ladungen enthält, wobei die Elektroden sich über zumindest eine der Flächen des erwähnten einen Paars erstrecken, und "wobei der Detektor einen wirksamen Oberflächenbereich, aufweist, der deraz^t wirksam ist,

jQ dass zeitliche Schwankungen der Intensität der auf jeden Teil des Oberflächenbereichs auffallenden Strahlung Schwankungen der erzeugten Ladungen hervorrufen, die von den Elektroden detektierbar sind, wobei mit dem Verfahren eine zeitabhängige periodische Schwankung der Intensität der auf den wirksamen Oberflächenbereich auffallenden Strahlung eingeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des Elements aus pyroelektrischem Werkstoff im wesentlichen geringer ist als es das Volumen eines Elements aus pyroelektrischem Werkstoff wäre, das sich über den ganzen wirksamen Oberflächenbereich erstrecken würde und das eine Dicke hätte, die gleich dem kleinsten Abstand zwischen den Flächen des erwähnten zumindest eines Paars wäre, und dass Wärmeenergie aus Strahlung, die atif diejenigen Teile des Oberflächenbereichs auffällt, die vom Element entfernt liegen, dem Element durch Wärrrieleittm<j in einem Zeitin tex-— vall zugeführt wird, das im wesentlichen kürzer als die Periode der erwähnten periodischen Schwankung ist. 14. Verfahren nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, dass Wärmeenergie aus auf am weitesten vom Element entfernte Teile des erwähnten Bereichs auffallender Strahlung dem Element durch Wärmeleitung über einen Abstand zugeführt wird, der im wesentlichen kürzer als der Wärmediffusionsabstand ist.