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Die Erfindung betrifft einen Detektor für thermische
Strahlung, aufweisend eine Einrichtung mit einer
temperaturabhängigen Charakteristik zur Detektion thermisoher Energie
bzw. Wärmeenergie, wobei die Detektoreinrichtung von zu
mindest einer flexiblen Folie getragen wird, die im
wesentlichen für den Wellenlängenbereich der im Einsatz oder
Betrieb zu erfassenden Strahlung transparent ist, und wobei
bezüglich der Einfallsrichtung der Wärmestrahlung, die zu
detektieren ist, diese flexible Folie der
Detektoreinrichtung vorsteht oder vorgesetzt ist. Die Erfindung betrifft
ferner eine Axlordnung derartiger Detektoren.
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Ein Detektor der im einleitenden Satz dargelegten Art,
in dem die Detektoreinrichtung ein Element aus
pyroelektrischem Material umfabt, ist aus der europäischen
Patentanmeldung EP-A-0041297 bekannt. In einer Form eines darin
beschriebenen Infrarotdetektors wird das Element aus
pyroelektrischem Material von zwei flexiblen Kunststoffolien
aus Polyimidmaterial getragen und zwischen diesen gehalten,
die etwa 0,85 um dick sind und angenähert 80% einfallender
Strahlung im Wellenlängenbereich von 8 bis 14 um
hindurchlassen, wobei hier der Detektor für zu detektierende
Infrarotstrahlung ausgelegt ist, die auf eine der Kunststoffolien
auftrifft. Die Kunststoffolien tragen elektrisch leitende
Schichten, um elektrische Axischlüsse für das pyroelektrische
Element vorzusehen. Diese Anordnung ermöglicht, dab der
Detektor eine speziell geringe Suszeptibilität bezüglich des
Mikrophoneffektes sowie auch eine niedrige laterale
thermische Leitfähigkeit aufweist.
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Ein Problem bei thermischen Strahlungsdetektoren
besteht darin, von der einfallenden Strahlung eine
ausreichende Menge zu absorbieren. Beispielsweise weisen für
Detektoren guter Qualität geeignete pyroelektrische Materialien
typischerweise über zumindest einen Teil des
Wellenlängenbereichs, für den derartige Detektoren vorgesehen werden
sollen, eine eher niedrige Absorption auf; ferner gilt, dab
je dünner der Detektor ist (ein Merkmal, das anzustreben ist,
um speziell die Wärmekapazität sowie seine Wärmeleitfähigkeit
an die Umgebung herabzusetzen), um so geringer wird die
Gesamtabsorption
der einfallenden Strahlung durch das
pyroelektrische Material sein. Ein konventioneller Weg zur
Verbesserung der Absorption bestand darin, eine Schwärzung "black"
aufzutragen; jedoch weisen geeignete Materialien den
Nachteil auf, hinsichtlich der Auftragung wizweckmäßig zu sein
und eine schlechte Haftung zu zeigen.
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Der Artikel "The application of thin film absorber
coatings to enhance the sensitivity of fast pyroelectric
detectors" von Peter C. LaDelfe et al., SPIE, Band 380
(1983), Seiten 266 bis 273, bezieht sich auf die Aufbringung
einer dreilagigen Beschichtung auf einen pyroelektrischen
Detektor, die aus einer dielektrischen Lage oder Schicht
besteht, die sandwichartig zwischen zwei Metallschichten
eingelagert ist, wobei dies von Hilsum und Silberg
entwickelt wurde (gemäß Beschreibung in "Infrared Absorption
of Thin Metal Films" und "Infrared Absorption of
Threelayer Filns", Journal of the Optical Society of America,
Band 44 (1954), Seiten 188 bis 191 und Band 47 (1957),
Seiten 575-578; vgl. auch "Reflection and Transmission
Interference Filters" von L.N. Hadley und D.M. Dennison,
Journal of the Optical Society of America, Band 37 (1947),
Seiten 457-465, wobei in den oben erwähnten beiden späteren
Artikeln desselben Journals hierauf Bezug genommen wurde).
Im Artikel von LaDelfe et al. wird auf die Arbeiten von
Annis und Simpson ("Absorption of Radiation in PLZT
Pyroelectric Detectors", Infrared Physics, Band 14 (1974),
Seiten 199-205) Bezug genommen, die die theoretischen
Arbeiten von Hadley & Dennison, Hilsum und Silberg auf eine
dreilagige Struktur angewandt haben, in der das
Dielektrikum, das sandwichartig zwischen den beiden metallischen
Schichten eingelagert war, das pyroelektrische Material
selbst war und eine Dicke von 10 bis 15 um aufwies,
wodurch im typischen Betriebsbereich eine optische Dicke von
grob zweieinhalb Wellenlängen vorgegeben wurde. Ladelfe
et al. wiederum brachten eine zweilagige Beschichtung auf,
die aus einer Metallschicht und einer Antireflexionsschicht
bestand und auf Chips aus pyroelektrischem Material von
0,25 mm Dicke aufgetragen wurde.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein
Detektor für thermische Strahlung angegeben, der Strahlung in
einem selektrierten Wellenlängenbereich detektiert,
aufweisend Einrichtungen, die eine temperaturabhängige
Charakteristik zur Detektion von Wärmeenergie aufweisen, wobei die
Detektoreinrichtungen von zumindest einer flexiblen oder
biegsamen Folie getragen werden, die in diesem
Wellenlängenbereich im wesentlichen transparent ist, und in welchem
diese eine flexible Folie den Detektoreinrichtungen
bezüglich der Einfallsrichtung der zu detektierenden
Wärmestrahlung vorsteht bzw. vorgestellt ist, dadurch gekennzeichnet,
dar der Detektor eine elektrisch mit Widerstand behaftete
Schicht (kurz Widerstandsschicht) aufweist, die einen reinen
oder Cesamtwirkwiderstand pro Flächenquadrat (auch
Flächenwirkwiderstand) von im wesentlichen 377/(1+n²) Ohm pro
Flächenquadrat aufweist, wobei n der Brechungsindex dieser
einen flexiblen Folie ist, und die unmittelbar angrenzend
an die flexible Folie zwischen der flexiblen Folie und den
Detektoreinrichtungen angeordnet ist, um so einfallende
Strahlung in diesem Wellenlängenbereich zu absorbieren,
daß die Detektoreinrichtungen thermisch an die
Widerstandsschicht angekoppelt sind und daß die optische Dicke im
wesentlichen transparenten dielektrischen Materials, das
den Detektoreinrichtungen vorgestellt ist und diese eine
flexible Folie umfaßt, ein Viertel einer selektierten
Wellenlänge in diesem Wellenlangenbereich beträgt.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein
Detektor für thermische Strahlung oder Wärmestrahlung
angegeben, der Strahlung in einem selektierten
Wellenlängenbereich detektiert, aufweisend Einrichtungen, die eine
temperaturabhäzigige Charakteristik zur Detektion von thermischer
Energie aufweisen, in welchem (dem Detektor) die
Detektoreinrichtungen von zumindest einer flexiblen Folie getragen
werden, die in diesem Wellenlängenbereich im wesentlichen
transparent ist, und in welchem diese eine flexible Folie
bezüglich der Einfallsrichtung von zu detektierender
thermischer Strahlung den Detektoreinrichtungen vorgestellt ist,
dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor eine einen
elektrischen
Widerstand bietende Schicht (kurz Widerstandsschicht)
umfaßt, die unmittelbar angrenzend an die von den
Detektoreinrichtungen abgewendte oder ferne Seite dieser einen
flexiblen Folie angeordnet ist und einen reinen oder
Gesemtwirkwiderstand pro Flächenquadrat (kurz
Flächenwirkwiderstand) derart aufweist, um die einfallende Strahlung
in diesem Wellenlängenbereich zu absorbieren, daß eine
reflektierende elektrisch leitende Schicht, die einfallende
Strahlung im Bereich der thermischen Strahlung reflektiert,
im wesentlichen sich gemeinsam mit der Widerstandsschicht
erstreckend oder mit gemeinsamer Ausdehnung mit dieser
Widerstandsschicht zwischen dieser einen flexiblen Folie
und den Detektoreinrichtwigen angeordnet ist, und daß die
Detektoreinrichtungen thermisch an die Widerstandsschicht
gekoppelt sind, und daß die optische Dicke des im
wesentlichen transparenten den Detektoreinrichtungen vorgestellten
dielektrischen Materials, das diese eine flexible Folie
umfaßt, ein Viertel einer selektierten Wellenlänge in diesem
Wellenlängenbereich beträgt.
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Zweckmäßigerweise ist die optische Dicke dieser einen
flexiblen Folie so groß wie ein Viertel der selektierten
Wellenlänge. Dies vermeidet Schwierigkeiten wie "Crazing"
(Weißfärbung durch Mikrorisse), mit deren Auftreten zu
rechnen wäre, falls eine Schicht eines geeigneten
dielektrischen Materials, die typischerweise brüchig bzw. spröde
ist, auf einer flexiblen Folie abzuscheiden oder aufzubringen
wäre, um die gesamte optische Dicke auf ein Viertel der
selektierten Wellenlänge zu bringen.
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Die Erfindung beinhaltet die gefundene Beobachtung,
daß eine flexible Folie, die dazu verwendet wird, die
Detektoreinrichtungen zu tragen, und die den mechanischen
Vorteil eines geringen Mikrophoneffektes und den thermischen
Vorteil einer niedrigen thermischen Leitfähigkeit erbringen
kann, auch als Teil oder vorzugsweise für die Gesamtheit
der Dicke einer optischen Viertelwellenlängenschicht in
Kombination mit einer elektrischen Widerstandsschicht
verwendet werden kann, um die Absorption der einfallenden
thermischen Strahlung zu verbessern. Die Widerstandsschicht weist
einen Gesamtwirkwiderstand pro Flächenquadrat
(Netto-Flächenwirkwiderstand) derart auf, daß sie einen wesentlichen
Anteil der einfallenden Strahlung im Wellenlängenbereich
absorbiert. Die selektrierte Wellenlänge ist die, bei der
die Absorption der einfallenden Strahlung durch die
Widerstandsschicht im wesentlichen auf einem Maximum liegen soll.
Falls die elektrische Widerstandsschicht elektrisch parallel
zu einer oder mehreren angrenzenden weiteren Schichten oder
Lagen ist, die eine gewisse elektrische Leitfähigkeit
aufweisen, dann sollte entweder der Widerstand pro
Flächenquadrat bzw. der Flächenwiderstand der weiteren Schicht(en)
ausreichend hoch sein, um den Wirkwiderstand oder effektiven
Widerstand pro Flächenquadrat der zuerst genannten
elektrischen Widerstandsschicht im wesentlichen nicht zu reduzieren,
oder der Widerstand pro Flächenquadrat bzw.
Flächenwiderstand der elektrischen Widerstandsschicht so selektiert
werden, daß in Kombination mit der weiteren Schicht bzw. den
weiteren Schichten deren Gesamtwirkwiderstand pro
Flächenquadrat einen geeigneten Wert aufweist, um Strahlung im
gewünschten Betriebswellenlängenbereich im wesentlichen zu
absorbieren. Ein die Erfindung verkörpernder Detektor kann
relativ einfach hergestellt werden, und die Mittel, die dazu
verwendet werden, die Absorption der Strahlung zu
verbessern, bedingen die Hinzufügung von nur einer relativ
geringen thermischen Kapazität zum Detektor.
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Die selektierte Wellenlänge kann so sein, daß sie im
wesentlichen die Absorption einfallender Strahlung durch
den Detektor über den Wellenlängenbereich maximiert.
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Es ist anzumerken, daß die Patentanmeldung GB
2 100 058 A einen Detektor für thermische Strahlung
offenbart, der ein Element aus pyroelektrischem Material umfaßt,
das von und zwischen zwei flexiblen Folien aus Polyimid
getragen ist, die jeweils eine Dicke von etwa 1 um aufweisen,
und der ferner eine Schicht oder Lage zur Absorption
einfallender Strahlung umfaßt, die zwischen einer der flexiblen
Folien und dem pyroelektrischen Element angeordnet ist,
wobei die absorbierende Schicht aus Antimon mit 50 nm Dicke
bestehen kann. In diesem Detektor ist jedoch die
absorbierende Schicht direkt angrenzend an eine sich mit ihr
ausdehnende elektrisch leitende weitere Schicht, die aus
Aluminium mit etwa 0,5 um Dicke bestehen kann. Die
letztgenannte Schicht weist einen sehr niedrigen Widerstand pro
Flächenquadrat oder Flächenwiderstand auf, so daß der
effektive Gesamtwiderstand pro Flächenquadrat der
absorbierenden Schicht zumindest ebenso gering ist. Demgemäß
wird die Absorption einfallender Strahlung durch die
absorbierende Schicht von Prozessen abhängen, die nicht in
Zusammenhang mit der elektrischen Leitfähigkeit der
Schicht stehen.
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In der Art Detektor gemäß dem zweiten Aspekt der
Erfindung kann die Widerstandsschicht bezüglich der
Einfallsrichtung zu detektierender thermischer Strahlung
unmittelbar an einen ihr vorausgestellten Freiraum angrenzen,
und in diesem Fall weist die Widerstandsschicht
Zweckmäßigerweise einen Flächenwiderstand im wesentlichen gleich
der charakteristischen oder Kennimpedanz des Freiraums auf.
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Vorzugsweise ist die gesamte thermische Kapazität der
Schicht oder Schichten und des Teils dieser einen flexiblen
Folie, der sich gemeinsam mit diesen ausdehnt, sehr viel
geringer als die thermische Kapazität der
Detektoreinrichtungen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann in einem
Detektor, in welchem die Detektoreinrichtungen eine
Oberfläche angrenzend an die Schicht aufweisen, die zwischen
den Detektoreinrichtungen und dieser einen flexiblen Folie
angeordnet sind, und in welchem die Schicht sich über im
wesentlichen die Gesamtheit dieser Oberfläche der
Detektoreinrichtungen und im wesentlichen über zumindest einen Teil
deren Umfang hinaus erstreckt, diese Schicht den
Detektoreinrichtungen an dieser Oberfläche der
Detektoreinrichtungen thermische Energie aus der auf jeden Bereich der
Widerstandsschicht auftreffenden Strahlung zufuhren. Die oben
erwähnte Patentanmeldung GB 2 100 058 A offenbart einen
Detektor für thermische Strahlung, in welchem die thermische
Energie den Detektoreinrichtungen (in diesem Fall einem
pyroelektrischen Element) aus auf einen betriebswirksuen
Oberflächenbereich des Detektors, der wesentlich größer als
eine angrenzende Seite oder Fläche des pyroelektrischen
Elements ist, auftreffender Strahlung zugeführt wird. Gemäß
diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet die
gefundene Beobachtung, daß die in einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zwischen den
Detektoreinrichtungen und der flexiblen Folie angeordnete Schicht sich
im wesentlichen über zumindest einen Teil des Umfangs der
angrenzenden Seite der Detektoreinrichtungen erstrecken
kann und dazu verwendet werden kann, um den
Detektoreinrichtungen auf dieser Seite thermische Energie aus
Strahlung zuzuführen, die auf eine betriebswirksame
Oberflächenregion auftrifft, die groößer als diese Seite ist.
Wenn die zwischen den Detektoreinrichtungen und der
flexiblen Folie angeordnete Schicht eine Widerstandsschicht
ist, bildet die Ausdehnung dieser Schicht generell die
betriebswirksame Oberflächenregion des Detektors, und es
kann wärmeenergie aus der auf einen Teil der Schicht, der
nicht über den Detektoreinrichtungen liegt, auftreffenden
Strahlung den Detektoreinrichtungen längs der flexiblen
Folie sowie auch längs der Schicht selbst lateral oder
seitlich zugeführt werden. Ist die zwischen den
Detektoreinrichtungen und der flexiblen Folie angeordnete Schicht
eine elektrisch leitende Schicht, wird die
betriebswirksame Oberflächenregion des Detektors generell durch die
Ausdehnung der Widerstandsschicht auf der entgegengesetzten
Seite der flexiblen Folie gebildet. Thermische Energie aus
der auf die Widerstandsschicht auftreffenden Strahlung muß
in jedem Fall durch die flexible Folie gehen, und im Fall
von auf einen Teil der Widerstandsschicht, der nicht über
den Detektoreinrichtungen liegt, auftreffender Strahlung,
kann sie sich seitlich oder lateral einfacher entlang der
elektrisch leitenden Schicht als entlang der
Widerstandsschicht zu den Detektoreinrichtungen hin ausbreiten.
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Eine Detektoranordnung kann mehrere im wesentlichen
gleicher, im wesentlich gleichförmig beabstandeter derartiger
Detektoren umfassen, bei welcher diese eine flexible Folie
allen Detektoren gemeinsam ist und bei welcher der Spalt
oder Abstand zwischen den jeweiligen Schichten, die
zwischen den Detektoreinrichtungen und dieser einen flexiblen
Folie angeordnet sind, von benachbarten Detektoren
wesentlich geringer als der Spalt zwischen deren jeweiligen
Detektoreinrichtungen ist.
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Zweckmäßigerweise umfassen in einem die Erfindung
verkörpernden Detektor die Detektoreinrichtungen ein Element
aus pyroelektrischem Material.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun
beispielhalber unter Bezugnahme auf die schematischen
Zeichnungen, die nicht maßstabsgetreu sind, erläutert. Es zeigen:
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FIG. 1 einen Querschnitt eines ersten
Ausführungsbeispiels, in welchem eine Widerstandsschicht zwischen
Detektoreinrichtungen und einer tragenden flexiblen Folie
angeordnet ist;
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FIG. 2 einen Querschnitt eines zweiten
Ausführungsbeispiels, in welchem eine leitende Schicht zwischen den
Detektoreinrichtungen und einer flexiblen Trägerfolie
angeordnet ist und eine Widerstandsschicht auf der anderen
Seite der flexiblen Folie angeordnet ist;
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FIG. 3 und 4 weitere Ausführungsbeispiele gemäß
denjenigen der FIG. 1 bzw. 2, wobei hier die zwischen den
Detektoreinrichtungen und der flexiblen Folie angeordnete
Schicht sich über den Umfang der angrenzenden Seite der
Detektoreinrichtungen hinaus erstreckt;
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FIG. 5 einen Querschnitt eines Teils einer
Detektoranordnung, auf die die Erfindung angewandt ist; und
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FIG. 6 eine Ansicht von oben auf den Teil der
Anordnung, die in FIG. 5 gezeigt ist.
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Gemäß FIG. 1 umfaßt ein Detektor für thermische
Strahlung ein Element 1 aus pyroelektrischem Material, das von
zumindest einer flexiblen Folie 2 getragen wird. Der
Detektor ist auf zu detektierende Strahlung ausgelegt, die in
Richtung des Ffeils 3 einfallen soll, wobei die flexible
Folie 2 (die folglich dem pyroelektrischen Element 1
vorausgestellt
ist) einen wesentlichen Hauptteil einfallender
Strahlung im Betriebswellenlängenbereich des Detektors
hindurchläßt. Wenn die Temperatur des pyroelektrischen
Elements 1 sich infolge der Absorption von thermischer
Energie aus der einfallenden Strahlung ändert, werden
Ladungen an den entgegengesetzten Seiten des Elements in
diesem Fall der oberen und unteren Hauptoberfläche (wie
gezeichnet) 4 bzw. 5 erzeugt und können über (nicht
dargestellte) elektrische Anschlüsse, die an diesen Seiten
vorgesehen sind, detektiert werden; die Oberflächen 4
und 5 sind in diesem Ausführungsbeispiel mit jeweiligen
Elektrodenschichten 6 und 7 versehen. Da die Ladungen
an den Seiten oder Flächen 4 und 5 nur während der Änderung
der Temperatur des Elements 1 erzeugt werden, muß sich die
auf den Detektor einfallende Strahlung zeitlich ändern,
damit sie detektiert werden kann. Dies kann dann naturgemäß
bzw. inhärent der Fall sein, wenn der Detektor auf
Änderungen in einer sich sonst im wesentlichen nicht ändernden
Umgebung wie z.B. in einem Einbruchs-Detektor ansprechen
soll; ferner kann dies alternativ dadurch erzielt werden,
daß der Detektor einer scannenden Bewegung über eine
betrachtete Szene unterzogen wird, oder indem die einfallende
Strahlung zerhackt oder unterbrochen wird.
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Da das pyroelektrische Element 1 (insbesondere, wenn
es sehr dünn ist) sowie auch die flexible Folie 2 generell
sehr wenig von der einfallenden Strahlung über zumindest
einen Teil des Betriebswellenlängenbereichs absorbieren
können, ist anzustreben, die Absorption der Strahlung zu
erhöhen, um die Empfindlichkeit des Detektors zu steigern.
Dies kann erfolgen, indem die Dicke der flexiblen Folie 2
so gewählt wird, daß die Reflexion einfallender Strahlung
reduziert wird, und indem zwischen dem pyroelektrischen
Element 1 und der flexiblen Folie 2 eine elektrisch
widerstandsbehaftete Schicht 8 (kurz Widerstandsschicht) mit
einem geeigneten Widerstand pro Flächenquadrat
(Flächenwiderstand) vorgesehen wird, um Strahlung im wesentlichen
zu absorbieren. Die Reflexion ist bei Wellenlängen minimal,
für die die optische Dicke der Schicht 2, d.h. das Produkt
deren physischer Dicke und deren Brechungsindex n ein
ungerades Vielfaches von Viertelwellenlängen ist, und ist
maximal bei Wellenlängen, für die die optische Dicke ein
geradzahliges Vielfaches von Viertelwellenlängen ist. Die
größte Bandbreite, über die die Reflexion reduziert wird,
wird erzielt, indem die optische Dicke im wesentlichen
gleich einem Viertel einer selektierten Wellenlänge gemacht
wird; die Wellenlänge wird zweckmäßig folgendermaßen
selektiert:
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(i) im Auge behaltend, daß die Reflexion recht
rapide auf ein Maximum ansteigt, wenn die Wellenlänge der
einfallenden Strahlung vom selektierten Wert auf die Hälfte
des selektierten Wertes abfällt, jedoch sehr viel weniger
rapide ansteigt, wenn die Wellenlänge vom selektierten Wert
zunimmt, und
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(ii) die spektrale Absorptionscharakteristik des
pyroelektrischen Materials in Betracht ziehend; ferner daß ein
gewisser Anteil der Strahlung, der von der Widerstandsschicht
nicht absorbiert werden wird, jedoch von dieser durchgelassen
wird, dann vom pyroelektrischen Material absorbiert werden
kann.
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Hinsichtlich dem obigen Punkt (i) kann die
selektierte Wellenlänge beispielsweise geringfügig unter der unteren
Grenze des Wellenlängenbereiches liegen, in dem der Detektor
betrieben werden soll. Andere Faktoren wie die
Spektralcharakteristik eines Fensters, hinter dem der Detektor
angebracht ist, können auch in Betracht gezogen werden.
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Da Strahlung von der Widerstandsschicht absorbiert
wird, ist es selbstverständlich erforderlich, daß das
pyroelektrische Element gut thermisch an diese Schicht
angekoppelt ist, damit die Temperatur des Elementes sich durch
die thermische Energie der absorbierten Strahlung verändert.
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Eine theoretische Analyse zeigt, daß die Absorption A
von Strahlung bei der selektierten Wellenlänge durch eine
Widerstandsschicht, der dielektrisches Material mit einer
optischen Dicke eines Viertels dieser Wellenlänge vorgestellt
ist, durch den Ausdruck
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A = 4 c n² /(c+1+n²)²
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gegeben ist, wobei n der Brechungsindex des dielektrischen
Materials und c = 377/R beträgt, wobei R der Widerstand
pro Flächenquadrat der Widerstandsschicht ist. Eine
verbesserte Absorption sollte daher erzielbar sein, wenn der
Widerstand pro Flächenquadrat der Widerstandsschicht
abhängig vom Brechungsindex des dielektrischen Materials
ausgelegt wird, und sollte insbesondere maximal sein, wenn gilt
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Ropt = 377/(1+n²).
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In diesem Fall vereinfacht sich der Ausdruck für die
Absorption zu
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Amax = n²/(1+n²).
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Falls n = 1,8, beträgt der Wert für Ropt etwa 90 Ohm
pro Flächenquadrat, und der Wert von Amax beträgt etwa
76%.
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Die obige theoretische Analyse gilt streng nur dann,
wenn auf die Widerstandsschicht unmittelbar Freiraum folgt.
Folgt jedoch auf die Widerstandsschicht ein weiteres
Material, das beispielsweise ein pyroelektrisches Element umfaßt,
wird sich der tatsächliche Wert von A mit der Wellenlänge
zwischen abwechselnden lokalen Maxima und Minima (deren
Beabstandung in der Wellenlänge beispielsweise abhängig von
der Dicke des pyroelektrischen Elements sein wird) ändern,
wobei die Maxima auf der theoretischen Kurve für A liegen.
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Das pyroelektrische Element 1 kann auf die in der
oben erwähnten europäischen Patentanmeldung EP-A-0041297
beschriebenen Weise angebracht werden, wobei
zweckmäßigerweise eine zweite flexible Folie (nicht dargestellt)
angrenzend an die Unterseite 5 des pyroelektrischen Elements
so verwendet wird, daß das Element sandwichartig zwschen
den Folien eingebunden ist. Das pyroelektrische Material
kann beispielsweise PLMZT sein, und das Element 1 kann
beispielsweise Hauptoberflächen aufweisen, die quadratisch mit
einer Seitenkante von 0,5 mm sind, und kann eine Dicke von
20 um aufweisen, wobei das Element durch Herunterpolieren
bzw. Herunterschieifen einer dickeren Materialscheibe
gewonnen wird. Die flexible Folie bzw. die flexiblen Folien
können aus Polyimid-Material bestehen. Im Fall eines
Detektors, Für den die Strahlungsabsorption durch die
Widerstandsschicht bei einer Wellenlänge von 8 um maximiert
werden soll, wobei ein Wert für n von 1,8 angenommen wird,
sollte die Dicke der flexiblen Folie 2 1,1 um betragen.
Die Elektrodenschichten 6 und 7, die zweckmäßigerweise
vorgesehen werden, falls das pyroelektrische Material eine
Keramik ist, um einen guten elektrischen Kontakt auf den
Oberflächen des pyroelektrischen Elements vorzusehen,
können aus einer aufgesputterten Nickel/Chrom-Legierung
bestehen. Die Widerstandsschicht 8 kann auch aus einer
Nickel/Chrom-Legierung bestehen, die durch Evaporation
oder Sputtern auf der flexiblen Folie 2 aufgebracht wird,
bevor das pyroelektrische Element mit seinen darauf
aufgebrachten Elektroden auf die Folie gebracht wird. Ein guter
elektrischer und Wärmekontakt zwischen der Elektrode 6
und der Widerstandsschicht 8 können durch Benetzen der
Oberflächen mit einem organischen Lösemittel erzielt
werden, das dann unter Permeieren durch die Folie 2
verdampfen wird.
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Die obige Analyse vernachlässigte den Effekt der
unmittelbar an die elektrische Widerstandsschicht 8
angrenzenden und sich gemeinsam mit dieser ausdehnenden
Elektrodenschicht 6 auf den Flächenwiderstand der Schicht 8.
Vorzugsweise sollte entweder der Flächenwiderstand der
Elektrodenschicht 6 ausreichend hoch sein, um nicht den
Gesamtwirkwiderstand pro Flächenquadrat der elektrischen
Widerstandsschicht 8 herabzusetzen (was für Hochimpedanz-
Detektoreinrichtungen wie ein pyroelektrisches Element ganz
akzeptabel sein kann), oder der Widerstand pro
Flächenquadrat von der Schicht 8 per se sollte derart sein, daß
parallel zur Schicht 6 liegend ihr Gesamtwirkwiderstand pro
Flächenquadrat (ihr effektiver Flächenwiderstand) einen
geeigneten Wert aufweist, um die Strahlung im wesentlichen
zu absorbieren.
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FIG. 2 ist ein Querschnitt eines zweiten
Ausführungsbeispiels der Erfindung, wobei dieselben Bezugszeichen wie
in FIG. 1 für entsprechende Bestandteile verwendet sind.
In diesem Ausführungsbeispiel ist eine elektrisch leitende
im wesentlichen reflektierende Schicht 9 zwischen dem
pyroelektrischen Element 1 und der flexiblen Folie 2
vorgesehen, und es ist eine elektrische Widerstandsschicht 10 in
gemeinsamer Ausdehnung mit der Schicht 9 auf der anderen
Seite der Folie 2 angeordnet. Infolgedessen kann
einfallende thermische Strahlung, die von der Widerstandsschicht 10
hindurchgelassen wird, statt absorbiert zu werden, zur
weiteren Absorption durch die Schicht 10 von der Schicht 9
zurückreflektiert werden; die optische Dicke der Folie 2
beträgt wiederum ein Viertel der selektierten Wellenlänge.
Wenn wie in diesem speziellen Ausführungsbeispiel der
Widerstandsschicht 10 unmittelbar ein elektrischer Freiraum
vorgeschaltet ist, ist der Widerstand pro Flächenquadrat
der Widerstandsschicht zweckmäßigerweise gleich der
Kennimpedanz des Freiraums, d.h. im wesentlichen 377 Ohm. Es
wird angenommen, daß für die reflektierende Schicht 9 ein
Flächenwiderstand in der Größenordnung von 1 Ohm angemessen
niedrig sein sollte. Dieses Ausführungsbeispiel kann auf
ähnliche Weise wie das der FIG. 1 hergestellt werden; die
reflektierende Schicht 9 umfaßt zweckmäßigerweise eine
Nickel/Chrom-"Seed"-Schicht (Zuchtkeim- oder
frlstallkeimschicht), die mit einer Goldschicht beschichtet ist
(beide durch Vakuum-Abscheidung hergestellt).
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Im Ausführungsbeispiel der FIG. 1 kann ein elektrischer
Anschluß an die obere Elektrodenschicht 6 hergestellt werden,
indem die elektrische Widerstandsschicht 8 mit einer
Verlängerung ausgebildet wird, um einen derartigen Anschluß
vorzusehen. Die Abmessungen dieser Verlängerung können als
Kompromiß zwischen der Minimierung der Wärmeleitfähigkeit
(um den Verlust thermischer Energie vom Detektor zu
reduzieren) und der Minimierung von Johnson-Rauschen infolge
des Anschlusses selektiert werden. Ein elektrischer
Widerstand für den Anschluß (beispielsweise zu einem Verstärker)
grob in der Größenordnung von 1 kohm kann zweckmäßig sein.
Im Ausführungsbeispiel der FIG. 2 kann ein ähnlicher Anschluß
durch eine weitere elektrische Widerstandsschicht auf der
flexiblen Folie 2 vorgesehen werden (auf deren unterer
Oberfläche in der Zeichnung), wobei diese einen
Kantenbereich der elektrisch leitenden Schicht 9 überlappt. In
jedem Ausführungsbeispiel kann ein elektrischer Anschluß
an die untere Elektrodenschicht 5 beispielsweise in der
in der oben erwähnten europäischen Patentanmeldung
EP-A-0041297 erläuterten Weise vorgesehen werden.
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Im Vergleich zum Ausführungsbeispiel der FIG. 1
beinhaltet das Ausführungsbeispiel der FIG. 2 den Nachteil,
daß die thermische Strahlungsenergie, die in der
Widerstandsschicht 10 absorbiert wird, durch die flexible Folie 2
geleitet werden muß, um die Detektoreinrichtung (das
pyroelektrische Element 1) zu erreichen, jedoch den Vorteil, daß
es eine höhere Absorption der einfallenden Strahlung
erzielen kann. Obgleich ein Kunststoffmaterial, das
typischerweise für die flexible Folie verwendet wird, eine niedrige
Wärmeleitfähigkeit aufweist, ist die Dicke der Folie im
allgemeinen so gering (typischerweise etwa 1 um), daß die
Wärmeleitfähigkeit recht hoch ist, und insgesamt wird
angenommen, daß der Vorteil im allgemeinen gegenüber dem
Nachteil überwiegen wird.
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In den Ausführungsbeispielen der FIG. 1 und 2 ist die
Fläche bezüglich der einfallenden Strahlung, wobei auf der
Fläche dem pyroelektrischen Element 1 von der einfallenden
Strahlung thermische Wärme zugeführt wird, im wesentlichen
gleich der Fläche der oberen Hauptoberfläche 4 des
pyroelektrischen Elements. Es kann wünschenswert sein, daß
die thermische Energie von Strahlung erfaßt wird, die auf
eine größere Fläche auftrifft. Die FIG. 3 und 4 zeigen zwei
weitere Ausführungsbeispiele, die jeweils denjenigen der
FIG. 1 bzw. 2 entsprechen, wobei dies der Fall ist. Die
Widerstandsschicht 8A im Ausführungsbeispiel der FIG. 3
und die leitende Schicht 9A im Ausführungsbeispiel der
FIG. 4 sowie die sich mit dieser ausdehnende
Widerstandsschicht 10A dieses Ausführungsbeispiels erstrecken sich
über die Gesamtheit der Oberfläche 4 des pyroelektrischen
Elements und wesentlich über deren Umfangsbegrenzung hinaus,
in diesem dargestellten Fall zumindest auf zwei
gegenüberliegenden Seiten der Umfangsbegrenzung (d.h. in der
Zeichnung nach links und nach rechts). Das pyroelektrische
Element kann bezüglich der Schicht bzw. Schichten im
wesentlichen zentral oder mittig liegen, jedoch ist dies
keinesfalls kritisch. Es ist jedoch wichtig, daß die
Wärmeenergie aus auf einen Teil des Detektors fern oder
abgewandt von den Detektoreinrichtungen auftreffender Strahlung
den Detektoreinrichtungen durch Wärmeleitung über eine
Distanz zugeführt werden sollte, die im wesentlichen
geringer als die Wärmediffusionsdistanz ist (die von der
maximalen Betriebsfrequenz des Detektors abhängt), wie
dies in der oben erwahnten Patentanmeldung GB 2 100 058 A
diskutiert ist. Die Schicht bzw. Schichten brauchen nicht
dieselbe Form wie die angrenzende Oberfläche des
pyroelektrischen Elements aufzuweisen. Ist beispielsweise das
letztgenannte Element quadratisch (wie oben erwähnt),
können die Schichten rechteckig oder kreisförmig sein. Die
Ausführungsbeispiele der FIG. 3 und 4 können auf ähnliche
Weise wie diejenigen der FIG. 1 und 2 hergestellt werden.
Im Ausführungsbeispiel der FIG. 3 kann es, da die
elektrische Widerstandsschicht 8A sich über die
Elektrodenschicht 6 hinaus erstreckt, wünschenswert sein, daß
letztere Schicht einen relativ hohen Flächenwiderstand
aufweist, so daß der Gesamtwirkwiderstand pro Flächenquadrat
der elektrisch leitenden Schicht 8A sich über die Schicht 8A
hinweg nicht stark ändert.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, in dem die
zwischen den Detektoreinrichtungen der flexiblen Folie
angeordnete Schicht sich wesentlich über die
Umfangsbegrenzung einer angrenzenden Oberfläche der Detektoreinrichtungen
erstreckt, kann speziell geeignet zur Ausbildung einer An-
Ordnung aus Detektoren sein, insbesondere, wenn gewünscht
wird, daß der Spalt oder Abstand zwischen zwei
aneinandergrenzenden Detektoren gering ist. Die FIG. 5 und 6 zeigen
jeweils eine Querschnittsansicht bzw. eine Ansicht von oben
auf die Unterseite eines Teils einer linearen Anordnung von
Detektoren, die jeweils in der in FIG. 3 gezeigten Form
vorliegen; die drei gezeigten Detektoren umfassen jeweils
ein pyroelektrisches Element 11, 21 bzw. 31 und jeweilige
Widerstandsschichten 18A, 28A bzw. 38A und werden von einer
gemeinsamen flexiblen Folie 2 getragen. jeweils zwei
benachbarte Widerstandsschichten sind durch einen jeweiligen
schmalen Spalt 40 voneinander getrennt. Die Spalte können
durch Evaporation des Widerstandsmetalls durch eine Maske
oder durch Photolithographie und Ätzung einer
kontinuierlichen Widerstandsbeschichtung für die vollständige
Anordnung hergestellt werden.
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Die pyroelektrischen Elemente können jeweils Quadrate
mit 0,5 mm Seitenlänge sein, und die Widerstandsschichten
können 0,5 mm x 0,6 mm groß sein, d.h. zu einer
durchschnittlichen Überlappung von 50 um auf jeder der beiden
gegenüberliegenden Seiten des zugehörigen
pyroelektrischen Elements führen; der Spalt zwischen benachbarten
Widerstandsschichten kann 20 um breit sein.
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Es können in einem Ausftihrungsbeispiel der Erfindung
andere Detektoreinrichtungen als ein pyroelektrisches
Element, beispielsweise ein dielektrisches Element, verwendet
werden, dessen Kapazität sich mit der Temperatur ändert,
wobei die Änderungen der Kapazität gemessen werden.
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Obgleich in den Ausführungsbeispielen der Erfindung,
die unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert wurden,
die flexible Folie 2 das gesamte im wesentlich transparente
dielektrische Material darstellt, das den
Detektoreinrichtungen vorgestellt ist, kann dieses Material,(dessen gesamte
optische Dicke einem Viertel der selektierten Wellenlänge
entspricht) ebenso weiteres oder anderes dielektrisches
Material umfassen, wobei die Dicke der flexiblen Folie
entsprechend reduziert wird. Beispielsweise kann eine Schicht
aus einem weiteren dielektrischen Material im Vakuum auf
die flexible Folie auf deren Seite im Vakuum abgeschieden
werden, die von der Seite abgewandt oder fern ist, auf der
die thermischen Detektoreinrichtungen angeordnet sind. Falls
dieses weitere dielektrische Material einen höheren
Brechungsindex
als denjenigen des Materials der flexiblen Folie
aufwiese, würde dies bedeuten, daß die gesamte physische
Dicke des dielektrischen Materials herabgesetzt werden
würde. Dies könnte in Ausführungsbeispielen von Vorteil
sein, bei denen die Widerstandsschicht auf der von den
Detektoreinrichtungen abgewandten Seite der flexiblen
Folie liegt, und zwar dadurch, daß die Weglänge für die
Übertragung von thermischer Energie von der
Widerstandsschicht zu den Detektoreinrichtungen reduziert würde
(wobei selbstverständlich die Wärmeleitfähigkeit des
weiteren dielektrischen Materials mit in Betracht zu ziehen
ist). Jedoch führt die Aufbringung oder Abscheidung einer
dünnen Schicht relativ brüchigen oder spröden
dielektrischen Materials auf einer flexiblen Folie leichter dazu,
daß die dünne Schicht auf- oder abbricht oder die oben
erwähnte Weißfärbung durch Mikrorisse zeigt.