DE3633199A1

DE3633199A1 - Matrix sensor for detecting infrared radiation

Info

Publication number: DE3633199A1
Application number: DE19863633199
Authority: DE
Inventors: Hans Dr Meixner; Reinhard Freitag; Willi Dr Platz
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG; Siemens AG
Current assignee: DEUTSCHE AEROSPACE AG SIEMENS AG, 8000 MUENCHEN, D
Priority date: 1986-09-30
Filing date: 1986-09-30
Publication date: 1988-04-07
Also published as: DE3633199C2

Abstract

Matrix sensor having two bodies or foils (2, 3) which are arranged one on top of the other and of which one (2) has holes (5) which are distributed in matrix fashion and around which interconnected (51) annular electrode surfaces (50) are assigned primarily to one electrode (121, 122, ...) in each case of a sensor strip (21, 22, ...). The other body (foil) (3) has electrode surfaces (6) which are distributed on the surface to correspond to the holes (5) and which form a respective electrode (136), interconnected in one line, of a sensor strip (36) of the other body (3). <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Matrix sensor mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patent anspruches 1.The present invention relates to a matrix sensor with the features of the preamble of the patent claim 1.

Sensoren für Infrarotstrahlung sind aus der US-PS 44 04 468 und aus der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung P 36 16 374.0 bekannt. Als besonders preisgünstiges pyro elektrisches Material ist in diesen Infrarotsensoren PVDF- Folie verwendet. Diese bekannten Sensoren dienen dazu, aus einer bestimmten Richtung oder aus einem Raumwinkelbereich einfallende Infrarotstrahlung mit möglichst großer Empfind lichkeit zu detektieren.Sensors for infrared radiation are from US-PS 44 04 468 and from the unpublished patent application P 36 16 374.0 known. As a particularly inexpensive pyro electrical material is in these infrared sensors PVDF Foil used. These known sensors are used to a certain direction or from a solid angle range incident infrared radiation with the greatest possible sensitivity to detect.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen möglichst preisgünstigen Sensor anzugeben, der punktweise Auflösung für eine auf eine Fläche auftreffende Infrarotstrahlung hat.The object of the present invention is, if possible inexpensive sensor to specify the point-by-point resolution for infrared radiation hitting a surface.

Die voranstehende Aufgabe wird mit einem Matrixsensor mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst und weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.The above task is done with a matrix sensor solved the features of claim 1 and more Refinements and developments of the invention go from the subclaims.

Für die vorliegende Erfindung ist von der Überlegung aus gegangen worden, das bekannte Prinzip der Pyrodetektion mit Sensoren der eingangs genannten Art derart anzuwenden bzw. eine derartige Ausgestaltung für einen Sensor zu finden, daß auch punktweise Auflösung hinsichtlich flächen mäßig einfallender Infrarotstrahlung möglich ist. Ein solcher als Matrixsensor bezeichneter erfindungsgemäßer Sensor kann dazu dienen, mittels optischer Abbildung auf genommene Infrarotstrahlung eines Gegenstandes in der Bildebene, z. B. nach Spalten und Zeilen organisiert, punkt weise, d. h. in einzelne Pixel zerlegt, aufzulösen. Dieses Schema und andere Einteilungen punktweiser Auflösung einer Fläche werden hier als matrixförmig bezeichnet, ohne daß dies z. B. Rechtwinkligkeit der Aufteilung voraussetzt. Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der nachfol genden, anhand der Figuren gegebenen Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Matrixsensors hervor.For the present invention is based on the consideration gone, the well-known principle of pyrodetection to be used with sensors of the type mentioned at the beginning or such a configuration for a sensor find that also point-wise resolution with regard to areas moderately incident infrared radiation is possible. A such as the matrix sensor according to the invention Sensor can be used by means of optical imaging taken infrared radiation of an object in the Image plane, e.g. B. organized by columns and rows, period wise, d. H. broken down into individual pixels. This Scheme and other divisions of point-by-point resolution Area is referred to here as a matrix without this z. B. Requires perpendicularity of the division. Further explanations of the invention follow from the following given, given the description of a preferred embodiment of an inventive Matrix sensor.

Fig. 1 zeigt eine in der Höhe auseinandergezogene iso metrische Darstellung der Zueinander-Anordnung der Körper bzw. Folien des erfindungsgemäßen Matrixsensors. Fig. 1 shows an exploded view of the height iso metric to each other assembly of the body or film of the matrix sensor according to the invention.

Fig. 2 zeigt den den Fig. 1 angegebenen Schnitt einer Anordnung nach Fig. 1. Fig. 2 shows the 1 Figs. 1 specified section of an arrangement according to FIG..

Fig. 3 zeigt in Aufsicht das Schema des übereinander liegenden der jeweils zusammengehörenden Löcher der Elektroden des einen Körpers und der Elek troden des anderen Körpers, und zwar in senk rechter Aufsicht auf die Anordnung nach Fig. 1 und unter Weglassung jeglicher üblicher Teile dieses Matrixsensors der Fig. 1. Fig. 3 shows in supervision the scheme of the superposed of the corresponding holes of the electrodes of one body and the elec trodes of the other body, namely in vertical supervision of the arrangement of FIG. 1 and omitting any common parts of this matrix sensor Fig. 1.

In Fig. 1 ist mit 1 der Matrixsensor bezeichnet. Mit 2 ist der erste und mit 3 der zweite Körper bezeichnet, die z. B. PVDF-Folien sind. Mit 21 bis 27 sind die Sensor streifen des ersten Körpers 2 bezeichnet. Ein jeder Sensorstreifen 21 bis 27 hat jeweils eine Elektrode 121 bis 127. Mit 221 bis 227 sind Anschlußleitungen der Elektroden 121 bis 127 bezeichnet. In Fig. 1 reference numeral 1 designates the matrix sensor. 2 with the first and 3 with the second body is designated, the z. B. are PVDF films. With 21 to 27 , the sensor strips of the first body 2 are designated. Each sensor strip 21 to 27 each has an electrode 121 to 127 . With 221 to 227 connecting lines of the electrodes 121 to 127 are designated.

Im Bereich einer jeden Elektrode 121 bis 127 hat der erste Körper 2 mit 5 bezeichnete Löcher, die wie aus der Figur er sichtlich, bezogen auf einen jeweiligen Sensorstreifen 21 bis 27 in einer Reihe angeordnet sind. Entsprechend er strecken sich die Elektroden 121 bis 127 um jeweils diese Löcher 5 herum, wobei innerhalb einer jeden Elektrode 121... diese die Löcher 5 jeweils umgebenden Anteile 50 der Elek trode, wie dargestellt, mittels der Leitungen 51 elektrisch miteinander verbunden sind.In the area of each electrode 121 to 127 , the first body 2 has holes 5 , which, as can be seen from the figure, are arranged in a row with respect to a respective sensor strip 21 to 27 . Accordingly, he stretch the electrodes 121 to 127 for each one of these holes 5 around, wherein 121 ... these holes 5 each surrounding portions 50 of the elec trode within each electrode, as shown, are connected by means of lines 51 electrically.

Der zweite Körper 3 besitzt Sensorstreifen 31 bis 36 mit Elektroden 131 bis 136, wie dies ebenfalls aus der Fig. 1 hervorgeht. Die Elektrodenflächen 6 der Elektrode 136 sind wie ersichtlich mit Leitungen 61 elektrisch miteinander ver bunden. Entsprechendes gilt für die Elektrodenflächen 6 der übrigen Elektroden 131... . Mit 231 bis 236 sind die Anschlüsse der Sensorstreifen 31 bis 36 bezeichnet. Die Löcher 5 und die Elektrodenflächen 6 der beiden Körper bzw. Folien 2, 3 liegen jeweils komplementär zueinander, und zwar in bezug auf die einfallende, mit punktweiser Auflösung zu detektierende Infrarotstrahlung St. Auf die gesamte Kreis fläche, bestehend aus jeweils einem Loch 5 und den dieses Loch umgebenden Kreisring 50 der jeweiligen Elektrode 121... 127, auftreffende Strahlung St fällt durch das Loch 50 auf die darunterliegende Folie 3, und zwar durch den Rand des Loches begrenzt, auf die jeweilige Fläche 6 einer Elektro de 131...136.The second body 3 has sensor strips 31 to 36 with electrodes 131 to 136 , as can also be seen in FIG. 1. As can be seen, the electrode surfaces 6 of the electrode 136 are electrically connected to one another with lines 61 . The same applies to the electrode surfaces 6 of the other electrodes 131 .... The connections of the sensor strips 31 to 36 are designated by 231 to 236 . The holes 5 and the electrode surfaces 6 of the two bodies or foils 2 , 3 are in each case complementary to one another, specifically with regard to the incident infrared radiation St. On the entire circular area, each consisting of a hole 5 and the ring 50 surrounding this hole of the respective electrode 121 ... 127 , incident radiation St falls through the hole 50 on the underlying film 3 , specifically by the edge of the hole , on the respective surface 6 of an Elektro de 131 ... 136 .

Mit 321 bis 327 und 331 bis 336 sind die Arbeits- bzw. Arbeitswiderstände bzw. Impedanzwandler bezeichnet.With 321 to 327 and 331 to 336 , the working or working resistances or impedance converters are designated.

Die Körper bzw. Folien 2 und 3 liegen vorzugsweise dicht aufeinander.The bodies or foils 2 and 3 are preferably close to one another.

Der in Fig. 2 dargestellte Schnitt zeigt den ersten Körper 2 und den zweiten Körper 3, die sich in die Tiefe hin er streckenden Elektroden 121 bis 127 mit den Löchern 5 und die (quer zu den Elektroden 121 bis 127) verlaufende Elektrode 137. Der Schnitt der Fig. 2 verläuft an der vorderen Kante der Leitungen 61 der Elektrode 137, so daß nur die Anteile 6 der Elektrode 137 geschnitten sind.The section shown in Fig. 2 shows the first body 2 and the second body 3 , the electrodes 121 to 127 extending into the depth with the holes 5 and the electrode 137 (transverse to the electrodes 121 to 127 ). The section of FIG. 2 extends along the front edge of the pipes 61 of the electrode 137, so that only the portions 6 of the electrode 137 are cut.

Die Ausführung nach Fig. 2 besitzt eine Masseelektrode M zwischen den beiden Körpern bzw. Folien 2 und 3. Abweichend von der Ausführung nach Fig. 1 befinden sich die Elektro den 131...136 auf der Unterseite des Körpers bzw. der Folie 3. Durch ein jeweils darüberliegendes Loch 5 hindurchtre tende, zu detektierende Strahlung wird in dem Material des Körpers bzw. der Folie 3 absorbiert, so daß der pyroelektri sche Effekt auftritt. Bei der Ausführung nach Fig. 1 tritt der pyroelektrische Effekt in dem Körper bzw. in der Folie 3 unterhalb der Elektrodenfläche dadurch auf, daß diese Elektrodenfläche durch die auftreffende Strahlung erwärmt wird und ihre Erwärmung an das Material des Körpers bzw. der Folie 3 weitergibt.The embodiment of Fig. 2 has a ground electrode M between the two bodies, or foils 2 and 3. Notwithstanding are from the embodiment of Fig. 1, the electric to 131 ... 136 on the underside of the body or of the foil 3. Through a respective hole 5 through it towing radiation to be detected is absorbed in the material of the body or the film 3 , so that the pyroelectric effect occurs. In the embodiment according to FIG. 1, the pyroelectric effect occurs in the body or in the film 3 below the electrode surface in that this electrode surface is heated by the incident radiation and transmits its heating to the material of the body or the film 3 .

Aus der Fig. 2 ist das Übereinanderliegen eines jeweiligen Loches und einer Elektrodenfläche 6 ersichtlich. Die Masse elektrode M dient bei dieser Ausführungsform als jeweilige Gegenelektrode zu den Elektroden 121...127 und 131...136. Diese Masseelektrode M dient auch zur Abschirmung gegen Übersprechen. Im übrigen kann auch die Masseelektrode M an der pyroelektrischen Wirkung bzw. am Auftreten des pyro elektrischen Signals beteiligt sein, nämlich indem diese Masseelektrode im Bereich unterhalb eines Loches 5 durch die auftreffende Strahlung erwärmt wird und die Wärme an das unter diesem Bereich liegende Material des Körpers bzw. der Folie 3 weiterleitet.The superimposition of a respective hole and an electrode surface 6 can be seen from FIG. 2. The ground electrode M is used in this embodiment as a respective counter electrode to the electrodes 121 ... 127 and 131 ... 136 . This ground electrode M also serves to shield against crosstalk. Otherwise, the ground electrode M can also be involved in the pyroelectric effect or in the occurrence of the pyroelectric signal, namely in that this ground electrode is heated in the area below a hole 5 by the incident radiation and the heat to the material of the body lying below this area or the slide 3 forwards.

Fig. 3 zeigt besser erkennbar das Schema der Zueinanderan ordnung einer jeweiligen Elektrodenfläche 6, einer der Elektroden 131...136 und eines Loches 5 bzw. eines ein sol ches Loch 5 umgebenden ringförmigen Anteils 50 einer jeweiligen der Elektroden 121...127. Zur leichteren Unter scheidung des Flächenanteils 6 und eines ringförmigen An teils 50 voneinander sind die ringförmigen Anteile 51 45° schräg schraffiert und die jeweiligen Flächenanteile 6 in 135° schräg schraffiert. Die innerhalb einer der je weiligen Elektroden 121...127 die ringförmigen Anteile 50 miteinander verbindenden elektrischen Verbindungen 51 sind gleich den ringförmigen Anteilen 50 schraffiert. Die elektrischen Verbindungen der Flächenanteile 6 einer je weiligen Elektrode 131...137 (teilweise sind diese Verbin dungen durch die ringförmigen Anteile 50 verdeckt) sind ebenso wie die Flächenanteile 6 schraffiert. Fig. 3 shows the schema of the more visible Zueinanderan arrangement of a respective electrode area 6, one of the electrodes 131 ... 136 and a hole 5 or a sol of a ches hole 5 surrounding annular portion 50 of a respective one of the electrodes 121 ... 127. To make it easier to distinguish between the area portion 6 and an annular portion 50 of each other, the annular portions 51 are hatched at 45 ° and the respective area portions 6 are hatched at 135 °. The electrical connections 51 which connect the annular portions 50 to one another within one of the respective electrodes 121 ... 127 are hatched like the annular portions 50 . The electrical connections of the surface portions 6 of a respective electrode 131 ... 137 (these connections are partially covered by the annular portions 50 ) are hatched as are the surface portions 6 .

Ein einzelnes Sensorelement, d. h. ein einzelner Punkt des Matrixsensors 1, ist somit aus jeweils einem ringförmigen Anteil 50, einer der Elektroden 121...127 und der jeweils zugehörigen Elektrodenfläche, einer der Elektroden 131...136 gebildet. Vorzugsweise ist die Fläche eines ringförmigen Anteils 50 gleich groß wie die Fläche der zugeordneten Elektrodenfläche 6 bemessen. Dies ergibt für einen jeweili gen Bildpunkt im Schnittpunkt der jeweiligen Sensor-Elek troden 121...127 und 131...136 gleich große, koinzidierende Signale an den Anschlüssen 221...227 und 231...237.A single sensor element, ie a single point of the matrix sensor 1 , is thus formed from an annular portion 50 , one of the electrodes 121 ... 127 and the associated electrode surface, one of the electrodes 131 ... 136 . The area of an annular portion 50 is preferably the same size as the area of the associated electrode area 6 . For a respective pixel in the intersection of the respective sensor electrodes 121 ... 127 and 131 ... 136 , this results in coinciding signals of the same size at the connections 221 ... 227 and 231 ... 237 .

Anstelle der Ausführung mit Löchern 5 in der Folie 2 (siehe die Figuren) genügt es, wenn die Folie 2 wenigstens an den Orten dieser Löcher für die Strahlung St durchlässig ist. Die Löcher als solche können dann entfallen. Bei fehlender Strahlungsabsorption im Material des Körpers bzw. der Folie 3 ist dafür Sorge getragen, daß die jeweilige Elektroden fläche 6 genügend Wärme zum Entstehen des pyroelektrischen Signals absorbiert und an das pyroelektrische Material ab gibt. Strahlungsdurchlässigkeit außerhalb der Orte dieser Löcher ist wegen der Belegung mit den Elektroden 121...127 irrelevant.Instead of the design with holes 5 in the film 2 (see the figures), it is sufficient if the film 2 is transparent to the radiation St at least at the locations of these holes. The holes as such can then be omitted. In the absence of radiation absorption in the material of the body or the film 3 , care is taken that the respective electrode surface 6 absorbs enough heat to generate the pyroelectric signal and emits it to the pyroelectric material. Radiation permeability outside the locations of these holes is irrelevant because of the covering with the electrodes 121 ... 127 .

Claims

1. Matrix sensor for the detection of infrared radiation with point-wise resolution with respect to the matrix area, characterized by

two superposed planar bodies 2 , 3 made of or with material having a pyroelectric property,
- wherein on each of these Kör by adjacent sensor strip having a surface (21 - 27; 31-36) are arranged,
- with the sensor strips as one electrode (121- 127; 131 - 136) are formed, and the strips of one body in matrix form crosswise to those of the other Sensorstrei fen Körpes lie, and thereby
- That the sensor strips ( 21-26 ) of the infrared body (St) facing the first body ( 2 ) for the passage of this infrared radiation have holes ( 5 ) which are arranged in a row in the direction of the respective strip,
- That the sensor strips ( 31-36 ) of the other second body ( 3 ) to these holes ( 5 ) of the sensor strips ( 21-27 ) of the first body ( 2 ) have arranged arranged electrode surfaces ( 6 ), the electrode surfaces ( 6 ) are electrically connected ( 51 , 61 ) with respect to each individual sensor strip ( 31-36 ) of this second body ( 3 ) in the direction of this strip, and,
- That the sensor strips ( 121-127 ) have electrode strips ( 221-227 ) which comprise the annular parts ( 7 ) surrounding the holes ( 5 ) with electrical connections ( 51 ),
- The area of coverage of a respective hole ( 5 ) with an annular portion ( 7 ) and such an electrode surface ( 6 ) form a respective sensor element and
- The area of the individual annular portion ( 7 ) is the same size as the individual electrode surface ( 6 ).

2. Matrix sensor according to claim 1, characterized by that the flat bodies are foils.

3. Matrix sensor according to claim 2, characterized by that the film consists of polyvinylidene difluoride (PVDF).

4. Matrix sensor according to claim 1, 2 or 3, characterized in that a ground electrode ( M ) is provided between the superimposed first and second bodies ( 2 , 3 ).

5. Matrix sensor according to one of claims 1 to 4, characterized in that the holes ( 5 ) at least at these locations for the radiation (St) permeable points of the body or the film ( 2 ).