DE3785429T2

DE3785429T2 - Wärmestrahlungsdetektor.

Info

Publication number: DE3785429T2
Application number: DE3785429T
Authority: DE
Inventors: Andrew Alfred Turnbull
Original assignee: Marconi Co Ltd
Current assignee: BAE Systems Electronics Ltd
Priority date: 1986-12-05
Filing date: 1987-12-01
Publication date: 1995-09-07
Anticipated expiration: 2007-12-02
Also published as: JPS63149525A; GB8629109D0; EP0272731B1; JPH083443B2; US4806762A; EP0272731A3; GB2198879A; DE3785429D1; EP0272731A2

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf einen Wärmestrahlungsdetektor zur Detektion von Strahlung in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich mit Detektionsmitteln mit einer temperaturabhängigen Kennlinie zur Detektion thermischer Energie und mit in bezug auf die Einfallsrichtung der zu detektierenden Wärmestrahlung einer dielektrischen Schicht und einer den Detektionsmitteln vorangehenden elektrischen Widerstandsschicht, worin die elektrische Widerstandsschicht unmittelbar angrenzend an die dielektrische Schicht angeordnet ist und einen erheblichen Netto-Wirkwiderstand pro Flächeneinheit hat, so daß die Widerstandsschicht in dem genannten Wellenlängenbereich einen wesentlichen Teil der einfallenden Strahlung absorbiert, und worin die optische Dicke der dielektrischen Schicht im wesentlichen ein Viertel einer in dem Wellenlängenbereich selektierten Wellenlänge ist.
Ein Problem bei Wärmestrahlungsdetektoren ist, genug von der einfallenden Strahlung zu absorbieren. Zum Beispiel haben pyroelektrische Materialien, die für Detektoren guter Qualität geeignet sind, typischerweise ziemlich geringe Absorption über wenigstens einen Teil des Wellenlängenbereichs für den es wünschenswert ist, solche Detektoren zu schaffen, außerdem, je dünner der Detektor ist, (ein Merkmal welches wünschenswert ist, um insbesondere sowohl Wärmekapazität als auch seine Wärmeleitung zur Umgebung zu reduzieren), umso geringer wird die Gesamtabsorption der einfallenden Strahlung durch das pyroelektrische Material sein. Ein konventioneller Weg zur Verbesserung der Absorption ist, "Schwarzes" (Schwärzung) aufzutragen; jedoch haben geeignete Materialien die Nachteile, daß sie schwierig aufzubringen sind und schlechte Haftfähigkeit besitzen.
Ein Detektor der eingangs genannten Gattung, worin die Detektionsmittel ein Element aus pyroelektrischem Material umfassen, ist bekannt aus der Britischen Patentanmeldung 8 50 82 04, veröffentlicht als GB-A-2 17 30 83.
In einer Form eines darin beschriebenen Infrarotdetektors wird der dielektrische Film durch einen flexiblen Film gebildet, der die Detektionsmittel trägt und im Wellenlängenbereich 8-14 Mikrometer im wesentlichen transparent ist und der etwa ein Viertel einer selektierten Wellenlänge stark ist, bei der die Absorption der einfallenden Strahlung durch die Widerstandsschicht ein Maximum haben soll. Durch das thermisch gute Ankoppeln der Detektionsmittel an die Widerstandsschicht und aufgrund des flexiblen Films, der für den Detektor den mechanischen Vorteil geringer Anfälligkeit für Mikrophonie und geringer lateraler Wärmeleitung hat, ist die Absorption von einfallender Strahlung beträchtlich verbessert. In einer Ausführungsform des Detektors ist die Widerstandsschicht zwischen dem flexiblen Film und den Detektionsmitteln angeordnet, und ihr Widerstand pro Flächeneinheit ist in Abhängigkeit von dem Brechungsindex des flexiblen Films angepasst, um die Absorption der einfallenden Strahlung durch die Schicht im Bereich der selektierten Wellenlänge zu optimieren.
In einer anderen Ausführungsform ist die Widerstandsschicht auf der von den Detektionsmitteln entfernten Seite des flexiblen Films angeordnet und zwischen dem flexiblen Film und den Detektionsmitteln ist eine reflektierende, elektrisch leitende Schicht zwischengefügt.
Diese Detektoren liefern eine gute Gesamt-Einfallsstrahlungs-Absorptionskennlinie im interessierenden Wellenlängenbereich bei einem sehr hohen Absorptionskoeffizient, bei der selektierten Wellenlänge. Die Absorptionskurve ist jedenfalls stark gespitzt und an beiden Seiten dieser Wellenlänge fällt der Absorptionskoeffizient scharf ab. Die Rate mit der er fällt steigt mit dem Brechungsindex der dielektrischen Schicht.
Während dieses Absorptionsansprechen auch für bestimmte Anwendungen des Detektors akzeptabel ist, wäre es für andere Anwendungen für den Detektor wünschenswert, eine Optimierung der Absorptionskennlinie für ein breites Wellenband auszulegen, und es ist Ziel der Erfindung, solch einen Detektor zu schaffen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Wärmestrahlungsdetektor der eingangs genannten Gattung dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor auf der gleichen Seite wie die Detektionsmittel eine zweite dielektrische Schicht wie die erste dielektrische Schicht und optisch dazu in Serie aufweist, mit der Widerstandsschicht zwischen der ersten und zweiten dielektrischen Schicht, und daß die zweite dielektrische Schicht eine optische Dicke im wesentlichen gleich einem Viertel der selektierten Wellenlänge hat.
Es ist festgestellt worden, daß der Detektor durch Verwendung einer zweiten dielektrischen Viertelwellenlängen-Schicht in dieser Weise eine optimierte Absorptionskennlinie für eine breites Wellenband um die selektierte Wellenlänge hat und daß diese optimierte Absorption im wesentlichen konstant und maximiert über dieses Wellenband ist.
Vorzugsweise erstreckt sich eine im wesentlichen reflektierende, elektrisch leitende Schicht entlang den ersten und zweiten dielektrischen Schichten über die Oberfläche der Detektionsmittel.
Mit einer solchen Struktur wird die Bandbreite für hohe, im wesentlichen konstante Absorption stark vergrößert, verglichen mit der, die z. B. von der dielektrischen Einzelschichtstruktur des in der vorgenannten Britischen Patentanmeldung 8 50 82 04 beschriebenen Geräts geschaffen wird. Die Strahlungsabsorptionskurve des Detektors entsprechend der Erfindung zeigt eine im wesentlichen konstante Peak-Absorption, welche, obwohl nicht mehr 100% bei der selektierten Welllenlänge, 100% sehr dicht erreicht, typischerweise mehr als 98% für einen weiten Dickenbereich der dielektrischen Schichten und des Widerstandes des Widerstandsschicht. Wichtiger jedoch ist, daß die Absorptionskurve eine ziemlich konstante Absorption um diesen Level herum über einen Bereich von Wellenlängen um die selektierte Wellenlänge zeigt, anstatt einen starken Abfall an jeder Seite der selektierten Wellenlänge zu haben, wie früher festgestellt. Zum Beispiel kann die Absorption bei einer selektierten Wellenlänge von 8 Mikrometern über eine Bandbreite von annähernd 5 Mikrometer bis 15 Mikrometer bei einem hohen Level sein, mit einem graduellen Abfall über 15 Mikrometer hinaus. Am anderen Ende der Bandbreite liegt ein steiler Abfall mit einem Absorptionsminimum nahe Null, typischerweise um 2%, abhängig von der Dicke der dielektrischen Schicht z.B. um 4 Mikrometer vor einem Wiederanstieg bei kürzeren Wellenlängen vor. Dieses Tal in der Absorptionskurve ermöglicht eine zweckmäßige Diskriminierung des Detektoransprechens auf einen Wellenlängenbereich der Strahlung zwischen z. B. 5 bis 15 Mikrometern und der kürzeren, nah-infraroten Wellenlängen. Dies ist besonders nützlich bei Anwendungen des Wärmedetektors für Eindringlings-Detektionsabsichten, wo die Strahlungswellenlängen zwischen etwa 6,5 und 12 Mikrometern liegen. In Verbindung mit einem als "Tageslicht"-Filter wirkenden Siliziumfenster, was bei etwa 6,5 Mikrometer Strahlungswellenlänge abschneidet und jenseits von 10 Mikrometer Strahlungswellenlänge in die Transmission abfällt, wird angenommen, daß der Wärmedetektor bei geeigneter Auswahl der selektierten Wellenlänge über den interessierenden Bereich ein im wesentlichen konstant hohes Level der Strahlunsabsorptions erfährt. Für einen gegebenen Dickenwert der dielektrischen Schichten, kann der Abfall der Absorption für längere Wellenlängen, entsprechend der selektierten Wellenlänge und dem Brechungsindex der eingesetzten Materialien, durch Vergrößerung des Widerstandswertes der Widerstandsschicht reduziert werden. Außerdem ist festgestellt worden, daß wenn der Widerstand dieser Schicht über einen festen Wert hinaus erhöht wird, ein zweites Tal in der Absorptionswelle bei etwa der selektierten Wellenlänge zu erscheinen beginnt. Für optimale Absorption über den Wellenlängenbereich 6,5 Mikrometer bis 12 Mikrometer sind der Dickenwert der dielektrischen Schichten, der entsprechend einer selektierten Wellenlänge von 8 Mikrometern gewählt wurde zwischen 90 und 160 Ohm pro Flächeneinheit und der Widerstandswert der Widerstandsschicht vorzugsweise zwischen 100 und 150 Ohm pro Flächeneinheit als besonders günstig festgestellt worden.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfaßt eine der dielektrischen Schichten einen flexiblen Film, der die Detektionsmittel trägt. Dieser Film kann ein Plastikmaterial, z. B. Polyimid-Material, aufweisen und in seiner Konstruktion und seiner Trägerwirkung ähnlich wie der in der vorgenannten Britischen Patentanmeldung 8 50 82 04 beschriebene sein. Der flexible Film kann auch zum Tragen einer leitenden Schicht, die eine elektrische Verbindung zu den Detektionsmitteln schafft, verwendet werden. Das Tragen der Detektionsmittel durch einen flexiblen Film ermöglicht es dem Detektor eine besonders geringe Anfälligkeit für Mikrophonie ebenso wie eine geringe laterale Wärmeleitung zu besitzen.
Der flexible Film ist vorteilsweise so arrangiert, daß er direkt vom freien Raum überlagert wird und der ankommenden Strahlung zugewandt ist.
In dieser Ausführungsform kann die andere dielektrische Schicht irgendein geeignetes dielektrisches Material aufweisen. In dieser Hinsicht sind Zinksulfid oder Germanium als sehr erfolgreich festgestellt worden.
In anderen Ausführungsformen können die erste und die zweite dielektrische Schicht beide Zinksulfid oder Germanium oder jeweils Zinksulfid und Germanium aufweisen. In diesen Fällen kann der Detektor auf irgendeine zweckmäßige Art auf das Substrat aufgebracht werden, z. B. ähnlich zu den in den Britischen Patent-Beschreibungen 2 12 52 14 und 2 15 07 47 beschriebenen.
Die Detektionsmittel umfassen vorzugsweise ein Element aus pyroelektrichem Material.
Die oben beschriebene, reflektierende Schicht, die über einer Oberfläche der Detektionsmittel liegt, kann dann günstigerweise eine Elektrode für das pyroelektrische Element bilden und hat vorzugsweise einen geringen Widerstand, z. B. um ein Ohm pro Flächeneinheit. Dort sei eine weitere Elektrode über der entgegengesetzten Oberfläche des pyroelektrischen Elements angeordnet.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun mittels eines Beispiels beschrieben unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen, die schematisch und nicht maßstabsgetreu sind und in denen: --
Figur 1 ein Querschnitt einer ersten Ausführungsform eines pyroelektrichen Detektors gemäß der Erfindung ist;
Figur 2 ein Graph ist, der die Strahlungsabsorptionskennlinie des Detektors von Figur 1 veranschaulicht;
Figur 3 ein Querschnitt einer zweiten Ausführungsform eines pyroelektrichen Detektors gemäß der Erfindung ist;
Figur 4 ein Graph ist, der die Strahlungskennlinie des Detektors von Figur 3 veranschaulicht;
Figur 5 ein Querschnitt einer dritten Ausführungsform eines pyroelektrichen Detektors gemäß der Erfindung ist; und die
Figuren 6 bis 8 Graphen sind, die die Strahlungsabsorptionskennlinien des pyroelektrichen Detektors von Figur 5 für verschiedene Werte dielektrischer Schichtdicke und Widerstandsschicht-Widerstandes veranschaulichen.
In den Zeichnungen wurden dieselben Bezugszahlen zur Bezeichnung ähnlicher und / oder entsprechender Teile der verschiedenen Ausführungsformen benutzt.
Unter Bezugnahme auf Figur 1 umfaßt der Wärmestrahlungsdetektor ein Element 10 aus pyroelektrichem Material, getragen durch einen flexiblen dielektrischen Film 12 aus Polyimidplastik-Material. Der Detektor ist an Strahlung angepaßt, die einfallend in der Richtung des Pfeils 14 detektiert werden soll. Der flexible Film 12, der dafür dem pyroelektrischen Element 10 in der Richtung ankommender Strahlung vorangestellt ist, transmittiert einen wesentlichen Teil der einfallenden Strahlung im Betriebswellenbereich des Detektors. Temperaturänderungen innerhalb des pyroelektrichen Elements 10, verursacht durch Absorption von thermischer Energie, die aus der ankommenden Strahlung stammt, resultieren in Ladungen, die an entgegengesetzten Vorderseiten des Elements, nämlich den oberen und unteren Hauptoberflächen, wie in Figur 1 gezeigt, produziert werden. Die Ladungen werden mittels elektrisch leitender Kontaktelektroden 15 und 16, die auf den oberen bzw. unteren Oberflächen angeordnet sind, detektiert. Da sich auf den Oberflächen von Element 10 Ladungen nur entwickeln, während die Temperatur des Elements Änderungen unterzogen ist, muß die auf den Detektor einfallende Strahlung sich mit der Zeit ändern, um detektiert werden zu können. Diese Änderung mit der Zeit kann versehentlich in Strukturen der Fall sein, wo der Detektor auf Änderungen in einer sich nicht ändernden Umgebung ansprechen soll, wie z. B. bei einem Eindringlings-Detektor, wo das Bild des Eindringlings über den Detektor rastert; das kann alternativ durch Rastern des Detektors über eine betrachtete Szene oder durch Zerhacken der ankommenden Strahlung erreicht werden. Da das pyroelektrische Element 10 (insbesondere wenn es sehr dünn ist) generell sehr wenig der einfallenden Strahlung über wenigstens einen Teil des Betriebswellenlängenbereichs absorbiert, wird die Strahlungsabsorption zur Steigerung der Sensitivität des Detektors mittels des flexiblen Films 12, der in Verbindung mit zusätzlichen Schichten zwichen dem Film und dem Element 10 betrieben wird und eine Widerstandsschicht zwischen dem Film und dem Element 10 aufweist, verbessert. Die Dicke des Films wird gewählt, um die Reflexion der einfallenden Strahlung zu reduzieren und besitzt eine optische Dicke, d. h. das Produkt seines Brechungsindex und der physikalischen Dicke, die im wesentlichen ein Viertel einer selektierten Wellenlänge ist, um die größte Bandbreite über die die Reflexion reduziert ist zu schaffen. Die selektierten Wellenlänge wird bestimmt, während man sich vor Augen hält, daß die Reflexion normalerweise scharf bis zu einem Maximum ansteigt, wenn die Wellenlänge der einfallenden Strahlung vom selektierten Wert auf die Hälfte des selektierten Wertes abfällt, aber mit steigender Wellenlänge nur allmählich ansteigt, und auch die spektrale Absorptionskennlinie des pyroelektrischen Materials von Element 10 in Betracht zieht. Die selektierte Wellenlänge wird so gewählt, daß sie innerhalb oder eventuell leicht unter der unteren Grenze des Wellenlängenbereichs liegt, über den es gewünscht wird, den Detektor zu betreiben.
Wie in Figur 1 gezeigt, ist auf der Unterseite des Films 12, das ist auf der dem Element 10 zugewandten Seite, dort eine elektrische Widerstands- Metallschicht 17 von etwa 0,1 Mikrometer und mit einem geeigneten Widerstand pro Flächeneinheit direkt angeordnet, um Strahlung wesentlich zu absorbieren. Unmittelbar an die untere Oberfläche der Widerstandsschicht 17 angrenzend und dem Element 10 zugewandt ist eine weitere dielektrische Schicht 18 aus Zinksulfid angeordnet, die auch eine solche physikalische Dicke besitzt, daß ihre optische Dicke im wesentlichen gleich einem Viertel der selektierten Wellenlänge ist. Aufgedampftes Zinksulfid ist mit Produktionstechniken, die für pyroelektrische Detektoren eingesetzt werden verträglich und sein Brechungsindex kann bis zu einem genügend hohen Wiederholungsgrad gesteuert werden. Die untere Oberfläche dieser dielektrischen Schicht 18 erstreckt sich angrenzend an die Kontaktelektrode 15. Diese Elektrode besteht aus einer Spiegelmetall-Elektrode mit einem Widerstandswert von annähernd einem Ohm pro Flächeneinheit.
Da die Zinksulfidschicht 18 im wesentlichen elektrisch isolierend ist, ist eine dünne Metallelektrode mit einem Widerstand von etwa zwanzig Ohm pro Flächeneinheit zwischen der Schicht 18 und der Elektrode 15, in Kontakt mit der letzteren angeordnet. Die Elektrode 19 besitzt eine Verlängerung, die sich über die Kante der Schicht 18 und über die Unterseite der Schicht 17 wie gezeigt erstreckt, über die durch das Element 10 generierte Ladungen zu einem Detektionskreis geleitet werden.
Das pyroelektrische Element 10 kann auf die in der Europäischen Patentanmeldung EP 41 297 A beschriebene Art unter angemessener Verwendung eines zweiten flexiblen Films (nicht gezeigt), z. B. aus Polyimid, angrenzend an die Elektrode 16 aufgetragen werden, so daß das Element dazwischen eingezwängt ist und durch diesen zusätzlichen Film und Film 12 getragen wird. Der zweite Film trägt eine Leiterbahn, die die Elektrode 16 kontaktiert. Das pyroelektrische Material des Elements 10 kann z. B. aus PLMZT (Blei-Lanthan-Mangan-Zirkonium-Titanat) sein und kann Hauptoberflächen haben, mit einer Seitenlänge von 0,5 mm im Quadrat und einer Dicke von 20 Mikrometern, die durch Abpolieren einer dickeren Scheibe des Materials erhalten wurden. Die Elektroden 16, 19 und 15 können aus gesputterter Nickel / Chrom-Legierung sein, wobei die letzte mit Gold überzogen ist um eine wesentliche Reflektivität zu schaffen. Die Widerstandsschicht 17 kann auch aus Nickel / Chrom-Legierung, erzeugt durch Aufdampfen von Gesputtertem auf den flexiblen Film 12 bestehen. Die dielektrische Zinksulfidschicht 18 ist auf der Widerstandsschicht durch Aufdampfen aufgetragen, gefolgt von der Elektrodenschicht 19, aufgetragen über die freiliegende Fläche der Schicht 18 und in Bahnform über die Schicht 17, um eine Unteranordnung zu bilden. Das pyroelektrische Element 10 wird zusammen mit seinen Elektrodenschichten 15 und 16 als eine separate Unteranordnung gestaltet und anschließend durch Bonden an die erste Unteranordnung angefügt. Gutes Bonden und elektrischer und thermischer Kontakt zwischen den Elektroden 15 und 19 kann durch Verwendung einer ultradünnen Schicht aus Klebstoff dazwischen erreicht werden.
Die Wärmekapazität der Zinksulfidschicht 18 ist im Vergleich zu der des pyroelektrischen Elements vernachlässigbar. Im Fall eines Detektors, für den es erwünscht ist, die Strahlungsabsorption durch die Widerstandsschicht bei Wellenlängen um 8 Mikrometer zu maximieren, ist die vorgenannte selektierte Wellenlänge zu 8 Mikrometer zu nehmen. Unter der Annahme, daß die Brechungsindizes (n) des Polyimid-Materials des Films 12 und des Zinksulfid-Materials der Schicht 18 annähernd 1,8 bzw. 2,3 sind, werden die Dicken der Schichten 12 und 18 entsprechend zu 1,11 Mikrometer bzw. 0,87 Mikrometer gewählt, so daß ihre optischen Dicken dann im wesentlichen gleich einem Viertel der selektierten Wellenlänge, das sind 2 Mikrometer sind.
Die Widerstandsschicht 17 hat einen geeigneten Netto-Wirkwiderstand pro Flächeneinheit zur wesentlichen Absorption von Strahlung. In einem Beispiel ist der Wirkwiderstand der Schicht 17 zu 150 Ohm pro Flächeneinheit gewählt worden, was als besonders vorteilhaft gefunden worden ist.
Mit dieser Struktur ist das pyroelektrische Element 10 thermisch gut an die Widerstandsschicht 17 gekoppelt.
Die so erhaltene Absorptionskennlinie des Wärmedetektors ist in Figur 2 veranschaulicht. Was das in dieser Figur gezeigte Absorptions-Ansprechen und diese in den Figuren 4 und 6 bis 8, die sich auf alternative, zu beschreibende Ausführungsformen beziehen, anbetrifft, ist die Absorption prozentual gegen die Wellelänge aufgetragen und es wurde angenommen, daß die ankommende Strahlung im wesentlichen senkrecht zu der freiliegenden Oberfläche des Films 12 und den Hauptoberflächen der anschließenden Schichten der Detektorstruktur ist, welche alle parallel zu dieser freiliegenden Oberfläche sind. Aus der in der Figur 2 gezeigten Absorptionskurve ist zu sehen, daß der Detektor ein im wesentlichen konstantes Strahlungsabsorptionslevel hat, welches 100% sehr dicht erreicht und typischerweise um 98% für einen weiten Bereich ankommender Strahlungswellenlängen von annähernd 6 Mikrometern bis 14 Mikrometern und darüber hinaus liegt, somit stattet es den Detektor mit einer sehr weiten, hohen Absorptionsbandbreite aus. Für Wellenlängen kleiner als 6 Mikrometer fällt die Absorption, eine deutliche Abschneide-Charakteristik bietend, scharf ab und stürzt praktisch auf Null bei 4 Mikrometern, dies ist die halbe selektierte Wellenlänge, bevor sie mit Verkürzen der Wellenlänge wieder ansteigt. Absorption unerwünschter Wellenlängen, die kürzer als 4 Mikrometer sind, kann günstigerweise vermieden werden durch geeignete Wahl eines Fensters hinter dem der Detektor aufgestellt ist, welches angemessene spektrale Charakteristiken hat, um nur Strahlung mit Wellenlängen von 4 Mikrometern und größer zu transmittieren, somit wird das Detektor-Ansprechen nur für Strahlung größer als 4 Mikrometer übertragen. Zum Beispiel kann der Detektor in Verbindung mit einem Siliziumfenster, was als Tageslichtfilter wirkt und welches eine Abschneide-Charakteristik vor Einsatz bei etwa 6,5 Mikrometern und einen Abfall in die Transmission für Wellenlängen über 10 Mikrometern hinaus zeigt, benutzt werden. Daher ist die Absorptions-Charakteristik des Detektors sehr gut an das Fenster mit dem höchsten Absorptionslevel angepasst, was im Wellenlängenbereich dem hohen Transmissionslevel-Bereich des Fensters entspricht und optimales Ansprechen des interessierenden Wellenlängenbereichs schafft. Die Dicke des dielektrischen Films 12 und der dielektrischen Schicht 18 und daher die Auswirkung auf die selektierte Wellenlänge und der Widerstand der Schicht 17 können innerhalb von Grenzen variiert werden, um ähnliche Ergebnisse zu erbringen und erlauben somit gewisse Toleranzen in der Fertigung. Das Tal in der Absorptionskurve verlagert sich entlang der Wellenlängenachse entsprechend der selektierten Dickenwerte. Für vorgegebene Dickenwerte der Schicht 12 und der Schicht 18 kann der Abfall in der Absorption für Wellenlängen größer als etwa 10 Mikrometer durch Erhöhung des Widerstandswertes der Schicht 17 reduziert werden. Es ist jedoch festgestellt worden, daß wenn der Widerstandswert über einen bestimmten Wert hinaus erhöht wird, ein zweites Tal in der Absorptionskurve nahe der selektierten Wellenlängenregion zu erscheinen beginnt. Die zufriedenstellensten Ergebnisse sind für Eindringlings-Detektionsabsichten erzielt worden und die, in denen der interessierende Wellenlängenbereich zwischen etwa 5 und 15 Mikrometern liegt, mit Widerstandswerten der Schicht 17 zwischen 90 und 160 Ohm pro Flächeneinheit und Werten der selektierten Wellenlänge (und daher Dicken von Schicht 12 und 13) zwischen 5,5 und 9,5 Mikrometern. Innerhalb dieser Werte wird eine hohe Absorption von mehr als 90% über einen weiten Wellenlängenbereich, z. B. eine Bandbreite von 9 Mikrometern erreicht.
Figur 3 ist ein Querschnitt einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, worin dieselben Bezugszahlen wie in Figur 1 für entsprechende Teile verwendet wurden. Der Wärmedetektor ist allgemein ähnlich zu dem von Figur 1, außer daß die zweite dielektrische Schicht 18 in dieser Ausführungsform anstatt Germanium (mit einem Brechungsindex von annähernd 4,0) Zinksulfid aufweist und das die Elektrodenschicht 19, weil Germanium bestimmte Leitungseigenschaften zeigt, weggelassen ist und die als Elektrode verwendete Widerstandsschicht 17 elektrisch an die Spiegelelektrode 15 durch die Schicht 18 angeschlossen ist, wobei die Schicht 17 eine Verlängerung aufweist, die zu einem Detektionskreis führt. Außerdem ist der Detektor auf eine ähnliche Art konstruiert, wobei die Germaniumschicht 18 auf der Spiegelelektrode 15 abgelagert und stattdessen einen Teil der pyroelektrischen Element-Unteranordnung bildet. Diese Unteranordnung ist an die Widerstandsschicht 17 gebondet, die unter Verwendung einer ultradünnen Schicht aus Klebstoff auf dem flexiblen Film 12 geformt ist.
Figur 4 veranschaulicht die charakteristische Absorptionskurve eines Beispiels dieser Ausführungsform. In diesem Beispiel ist der Widerstand der Widerstandsschicht 17 wieder zu 150 Ohm pro Flächeneinheit und die physikalische Dicke des Films 12 zu 1,11 Mikrometern gewählt worden, entsprechend einer selektierten Wellenlänge von 8 Mikrometern. Die physikalische Dicke der zweiten dielektrischen Schicht 18 aus Germanium ist jedoch eher zu 0,5626 Mikrometern als zu 0,5 Mikrometern zu wählen, welches die zu einer optischen Dicke von einem Viertel der selektierten Wellenlänge entsprechende physikalische Dicke ist, unter der Annahme, daß der Brechungsindex von Germanium annähernd 4,0 beträgt, um die Möglichkeit eines bestimmten Variationsgrades in den erlaubten Dicken der dielektrischen Schichten zu veranschaulichen.
Wie aus der Figur zu ersehen ist, zeigt der Detektor eine sehr hohe und im wesentlichen konstante Absorption, die über einen weiten Wellenlängenbereich von annähernd 5,5 bis 11 Mikrometer 100% erreicht, mit einem scharfen Abfall auf eine Absorptionsminimum bei etwa 4,5 Mikrometer, wobei dieses Minimum von dem 4 Mikrometer-Punkt leicht verschoben ist, d.h. um die Hälfte der selektierten Wellenlänge, in anbetracht dessen, daß die optischen Dicken der Schicht 18 nicht exakt gleich einem Viertel der selektierten Wellenlänge sind.
In bezug auf die Ausführungsformen der unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 3 beschriebenen Wärmedetektoren kann eine Anzahl von Detektoren kombiniert werden, um ein Linearfeld mit dem flexiblen Film 12 für alle Detektoren gemeinsam und mit einem kleinen, zwischen angrenzenden Detektoren geschaffenen Gap zu bilden.
Eine weitere Ausführungsform des Wärmedetektors gemäß der Erfindung ist im Querschnitt in Figur 5 gezeigt. Wieder sind dieselben Bezugszahlen wie in Figur 1 und 3 für entsprechende Teile benutzt. Der Hauptunterschied mit dieser Ausführungsform ist, daß der flexible, das pyroelektrische Element tragende Film 12 nicht verwendet wird. Stattdessen kann der Wärmedetektor von unten direkt auf einem starren, isolierenden Substrat oder abgetrennt von einem Substrat auf z. B. allgemein ähnliche Verfahren wie die in den Britischen Patent-Beschreibungen 2 12 52 14 und 2 15 07 47 beschriebenen, gehalten werden mit elektrischer Verbindung an die Elektroden 15 und 16, hergestellt durch elektrisch an die Elektrode 16 und die Kante der Elektrode 15 gekoppelte Leiter. Daher wird die Kontaktschicht 19 in Figur 1 unnötig.
Der flexible Film 12 ist durch eine Schicht 52 aus Zinksulfid oder Germanium ersetzt, die im wesentlichen co-ausgedehnt zur Widerstandsschicht 17 ist, diese Schicht 52 hat dielektrische Eigenschaften und eine optische Dicke, die im wesentlichen gleich einem Viertel der selektierten Wellenlänge ist. Die zweite dielektrische Schicht 18 kann auch entweder aus Zinksulfid oder Germanium sein, wie unter Bezug auf die Ausführungsformen der Figuren 1 und 3 beschrieben. Der Detektor ist auf eine ähnliche Art wie die früheren Detektor-Ausführungsformen hergestellt und die obige Beschreibung bezieht sich, soweit sie Komponenten davon betrifft, gleichermaßen auf diese Ausführungsform. Das pyroelektrische Element 10 kann größer als die früher beschriebenen sein, z. B. 2 mm x 1 mm x 150 Mikrometer. Der Detektor ist insbesondere geeignet für die Verwendung in einem Eindringlings-Detektorsystem.
Die Figuren 6 bis 8 veranschaulichen jeweils die charakteristischen Absorptionskurven eines Beispiels dieser Ausführungsform eines Wärmedetektors für eine Vielfalt von unterschiedlichen Widerstandswerten der Widerstandsschicht 17. In diesem Beispiel ist die selektierte Wellenlänge zu 6,44 Mikrometern gewählt und sowohl die Schicht 52 als auch die Schicht 18 weisen Zinksulfidmaterial auf (Brechungsindex annähernd 2,3) mit einer physikalischen Dicke von 0,7 Mikrometern und demzufolge einer optischen Dicke von 1,6 Mikrometern, entsprechend einem Viertel der selektierten Wellenlänge. Die wesentlich reflektierende Spiegelelektrode 15 hat einen Widerstandswert von 1,0 Ohm pro Flächeneinheit wie vorher.
Die Figuren 6 bis 8 zeigen jeweils die Absorptionskurven für den Detektor mit der Widerstandsschicht 17 mit Widerstandswerten von 100 Ohm pro Flächeneinheit, 120 Ohm pro Flächeneinheit und 150 Ohm pro Flächeneinheit. Wie man sieht, zeigen alle drei Varianten eine breitere Bandbreite für eine Absorption bei hohem Level um die selektierte Wellenlänge. Für die Widerstandsschicht mit einem Widerstand von 100 Ohm pro Flächeneinheit der Figur 6 tritt im wesentlichen konstante Absorption bei etwa 95-97% über den Bereich von annähernd 5 Mikrometern bis 10 Mikrometern auf. Unter 10 Mikrometern fällt die Absorption scharf ab und erreicht Null bei 3 Mikrometern, bevor sie wieder ansteigt. Für Wellenlängen größer als 10 Mikrometer sinkt die Absorption aber nur schwach und ist bei 14 Mikrometern noch bei einem hohen Level von etwa 80%. Aus den Figuren 7 und 8 ist zu ersehen, daß wenn der Widerstand der Widerstandsschicht 17 auf 120 Ohm pro Flächeneinheit bzw. auf 150 Ohm pro Flächeneinheit ansteigt, ein höheres Absorptionslevel für die längeren Wellenlängen erreicht wird. Das Tal in den Absorptionskurven bleibt ungefähr das gleiche in allen Fällen mit dem Absorptionsminimum bei 3 Mikrometern. Jedoch zeigen die Figuren 7 und 8, daß wenn der Widerstandswert erhöht wird, ein zweites Tal nahe bei der selektierten Wellelänge, d. h. 6,44 Mikrometer zu erscheinen beginnt. Über 150 Ohm pro Flächeneinheit wird der Wellenlängenbereich zwischen annähernd 5 und 11 Mikrometern nicht weiter betrachtet, da er im wesentlichen konstant ist und dieser Wert daher näherungsweise als die obere Grenze für zufriedenstellendes Ansprechen betrachtet wird. Für Widerstandswerte kleiner als 100 Ohm pro Flächeneinheit ist festgestellt worden, daß die Absorptionskurve um die selektierte Wellenlänge einen Peak zeigt und für längere Wellenlängen steiler abfällt als in den in den Figuren 6 bis 8 gezeigten Fällen, dies verringert die Bandbreite über die ein im wesentlichen konstant hohes Absorptionslevel erzielt wird. Die untere Grenze für den Widerstand der Widerstandsschicht 17 für ein zufriedenstellendes Ansprechen wird daher für annähernd 90 Ohm pro Flächeneinheit gehalten. Wenn die selektierte Wellenlänge größer als 6,44 Mikrometer gewählt und daher die Dicke der Schichten 52 und 18 entsprechend erhöht wurde, werden ähnliche Absorptionsergebnisse erzielt, aber mit der im großen und ganzen entlang der Wellenlängenachse so verschobenen Absorptionskurve, daß der im wesentlichen konstant hohe Absorptionslevel-Wellenlängenbereich und der Minimum-Absorptionspunkt bei dementsprechend proportional höheren Wellenlängen auftritt. Umgekehrt wird, wenn die selektierte Wellenlänge kleiner als 6,44 Mikrometer gewählt wird, die Absorptionskurve im entgegengesetzten Sinn verschoben.
Für optimale Absorption über den Wellenlängenbereich 6,5 Mikrometer bis 12 Mikrometer liegen die zufriedenstellensten Dicken der dielektrischen Schichten 52 und 18 zwischen annähernd 0,7 Mikrometer und 1,0 Mikrometer, entsprechend zu selektierten Wellenlängen von 6,4 bzw. 9,2 Mikrometern, aber auch Dicken, die selektierten Wellenlängen zwischen 5,5 und 9,5 Mikrometern entsprechen, können mit akzeptablen Resultaten genutzt werden.
Bezugnehmend auf all die oben beschriebenen Ausführungsformen kann das pyroelektrische Element 10 von quadratischer, kreisförmiger oder rechteckiger Form sein. Auch andere pyroelektrische Materialien als PLMZT können verwendet werden. Des weiteren können andere geeignete, Wärme detektierende Mittel als ein pyroelektrisches Element in einer Ausführungsform der Erfindung eingesetzt werden, z. B. ein dielektrische Element, dessen Kapazität sich mit der Temperatur ändert und die Änderungen der Kapazität gemessen werden.

Claims

1. Wärmestrahlungsdetektor zur Detektion von Strahlung in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich mit Detektionsmitteln, die eine temperaturabhängige Kennlinie haben, zur Detektion von Wärmeenergie und mit, relativ zur Einfallsrichtung zu detektierender Wärmestrahlung, einer dielektrischen Schicht und einer den Detektionsmitteln vorangehenden elektrischen Widerstandsschicht, wobei die elektrische Widerstandsschicht unmittelbar benachbart zur dielektrischen Schicht angeordnet ist und einen erheblichen Gesamtwirkwiderstand pro Quadratfläche hat, so daß die Widerstandsschicht in dem genannten Wellenlängenbereich einen wesentlichen Teil der einfallenden Strahlung absorbiert, und wobei die optische Dicke der dielektrischen Schicht nahezu ein Viertel einer in dem Wellenlängenbereich selektierten Wellenlänge ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor eine zweite dielektrische Schicht auf der gleichen Seite der Detektionsmittel wie die erste dielektrische Schicht und optisch in Reihe mit ihr umfaßt, mit der Widerstandsschicht zwischen der ersten und der zweiten dielektrischen Schicht, und daß die zweite dielektrische Schicht eine optische Dicke hat, die nahezu gleich einem Viertel der selektierten Wellenlänge ist.

2. Wärmestrahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine im wesentlichen reflektierende elektrisch leitende Schicht sich über die der ersten und der zweiten dielektrischen Schicht zugewandte Oberfläche der Detektionsmittel erstreckt.

3. Wärmestrahlungsdetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste dielektrische Schicht Zinksulphid oder Germanium enthält.

4. Wärmestrahlungsdetektor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite dielektrische Schicht Zinksulphid oder Germanium enthält.

5. Wärmestrahlungsdetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine der dielektrischen Schichten einen flexiblen Film enthält, der die Detektionsmittel trägt.

6. Wärmestrahlungsdetektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der flexible Film ein Polyimidmaterial enthält.

7. Wärmestrahlungsdetektor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der flexible Film auch eine elektrisch leitfähige Schicht trägt, die eine elektrische Verbindung mit den Detektionsmitteln verschafft.

8. Wärmestrahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der flexible Film so angeordnet ist, daß ihm unmittelbar freier Raum vorangeht und er einfallender Strahlung zugewandt ist.

9. Wärmestrahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der andere dielektrische Film Zinksulphid enthält.

10. Wärmestrahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der andere dielektrische Film Germanium enthält.

11. Wärmestrahlungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektionsmittel ein Element aus pyroelektrischem Material umfaßt.

12. Wärmestrahlungsdetektor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Schicht von einer Elektrode für das pyroelektrische Element gebildet wird, die einen niedrigen Widerstandswert hat.

13. Wärmestrahlungsdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Wellenlängenbereich ungefähr zwischen 5 und 15 Mikrometern liegt.

14. Wärmestrahlungsdetektor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand der Widerstandsschicht ungefähr zwischen 90 und 160 Ohm pro Quadratfläche beträgt.