Hintergrund der Erfindung:
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein
Infraroterkennungselement, das Halbleiterfasern zum Erkennen einer
Infrarotstrahlendosis durch eine Änderung des elektrischen Widerstandes
aufgrund einer Temperaturänderung durch Infrarotstrahlung nutzt.
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Typische, herkömmliche Infraroterkennungselemente sind
pyroelektrische Elemente, die einen pyroelektrischen Effekt und
eine durch Stapeln von Thermoelementen erhaltene Thermosäule
nutzen. Diese Infraroterkennungselemente sind wie folgt
gekennzeichnet: (a) sie bedürfen keiner Kühlung; (b) ihre
Empfindlichkeit ist wellenlängenunabhängig; und (c) sie können im Vergleich
zu anderen Infraroterkennungselementen zu niedrigen Kosten
hergestellt werden. Daher werden die herkömmlichen
Infraroterkennungselemente vielfach genutzt.
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Diese Infraroterkennungselemente besitzen jedoch eine
relativ lange Reaktionszeit und sind nicht für Anwendungen, die eine
kurze Reaktionszeit benötigen, geeignet. Zusätzlich bestehen
Einschränkungen bezüglich des Erkennens der Position einer
Infrarotquelle. Weiterhin sind die herkömmlichen
Infraroterkennungselemente nach wie vor verhältnismäßig teuer.
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Die Erfinder stellten ein Infraroterkennungselement vor,
das halbleitende Fasern verwendet, deren elektrischer Widerstand
sich ändert, wenn sich die Temperatur ändert (Japanische
Patentanmeldung Nr. Sho.63-222506; veröffentlicht als EP-A-0 358 436,
das ein Dokument gemäß Artikel 54 (3) EPÜ ist).
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Die obigen Halbleiterfasern können zu vergleichsweise
geringen Kosten hergestellt werden. Da die Fasern dünn sind,
besitzen sie eine geringe Wärmekapazität und können schnell auf
Wärmewechsel ansprechen. Daher kann das die Halbleiterfasern
verwendende Infraroterkennungselement die obigen üblichen
Probleme lösen.
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Kürzlich entstanden jedoch strenge Anforderungen an
Infraroterkennungsfunktionen auf vielen Gebieten der
Infraroterkennungselemente.
Um diese Anforderungen zu erfüllen, wurde
intensive Untersuchungen und Entwicklungen vorgenommen, insbesondere
zum Verringern der Ansprechzeit und zum Erhöhen der
Temperaturempfindlichkeit.
Zusammenfassung der Erfindung
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Die Erfinder führten intensive Untersuchungen an
Infraroterkennungselementen durch und fanden, daß die gewünschte
Erkennungsfunktion und insbesondere die Ansprechcharakteristika durch
Verwenden von Halbleiterfasern verbessert werden kann, d.h.
hauptsächlich durch aus Siliziumcarbid hergestellten Fasern mit
einem besonderen spezifischen Widerstand, durch Spezifizieren
der Zusammensetzung der Fasern und durch Anordnen dieser Fasern,
ohne daß sie miteinander in Kontakt stehen, worauf die
vorliegende Erfindung beruht.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein
Infraroterkennungselement zum Erkennen einer Infrarotstrahlendosis durch eine
Änderung des elektrischen Widerstandes von hauptsächlich aus
Siliziumcarbid bestehenden Fasern bei Infrarotbestrahlung zur
Verfügung gestellt.
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Gemäß eines erfindungsgemäßen Aspekts wird ein
Infraroterkennungselement zur Verfügung gestellt, das hauptsächlich aus
Siliziumcarbid hergestellte Monofilamente verwendet, die einen
spezifischen Widerstand von 1.0 x 10&sup5; bis 1.0 x 10³ Ω cm bei
Raumtemperatur und einen Monofilamentdurchmesser von 3 bis 200
um besitzen.
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Gemäß eines weiteren erfindungsgemäßen Aspekts wird ein
Infraroterkennungselement zur Verfügung gestellt, das
hauptsächlich aus Siliziumcarbid bestehende Monofilamente mit einem
spezifischen Widerstand von 1.0 x 10&sup5; bis 1.0 x 10&supmin;¹ Ω cm bei
Raumtemperatur und einem Monofilamentdurchmesser von 3 bis 200 um
nutzt, wobei das Filament die Zusammensetzung besitzt:
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Si: 50 bis 70 Gw%
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C: 28 bis 40 Gw%
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O: 0 bis 10 Gw% und
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Rest (H und/oder Ti oder Zr) : 0 bis 10 Gw%.
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Die Monofilamente beider Aspekte sind zwischen Elektroden
angeordnet, ohne daß die Filamente miteinander in Kontakt stehen.
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Die erfindungsgemäß verwendeten Siliziumcarbidmonofilamente
werden durch Schmelzextrudieren einer Organosiliziumverbindung
gewonnen, wie üblicherweise Polycarbosilan oder eine
Polymerverbindung, die durch Zugeben einer organometallischen Verbindung
(z.B. Titanalkoxid oder Zirkoniumalkoxid) zu Polycarbosilan
gewonnen wurde; das so extrudierte Material wird unschmelzbar in
einer oxydierenden Atmosphäre bei 100 bis 300ºC gemacht; dann
wird das unschmelzbare Material in einer inerten Atmosphäre bei
1.000 bis 1.600ºC gebrannt, wobei die gewünschten
Siliziumcarbidmonofilamente mit einem Durchmesser von 3 bis 200 um erhalten
werden.
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Die Zusammensetzung der so gewonnenen Filamente ist wie
folgt:
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Si: 40 bis 70 Gw%
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C: 20 bis 40 Gw%
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O: 0 bis 20 Gw% und
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Rest (H und/oder Ti oder Zr) : 0 bis 10 Gw%.
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Die Monofilamente besitzen unterschiedliche spezifische
Widerstände, wenn verschiedene Brenntemperaturen in der Brennstufe
verwendet werden.
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Gemäß den Untersuchungsergebnissen der Erfinder wird durch
die später beschriebenen Ausführungsformen deutlich, daß
Monofilamente mit einem spezifischen Widerstand von 1.0 x 10&sup5; bis 1.0
x 10³ Ω cm bei Raumtemperatur ausgewählt werden, um einen
größeren Abfall des spezifischen Widerstandes durch Infrarotstrahlung
zu erhalten, d.h. eine höhere Thermistorkonstante im Vergleich
zu einer dünnen Siliziumcarbidschicht.
Infraroterkennungselemente mit hervorragenden Infrarotdetektionscharakteristika,
beispielsweise einer thermischen Zeitkonstante im Bereich von 5 bis
10 msek., können erhalten werden. Wenn der spezifische
Widerstand diesen obigen Bereich überschreitet, ist ein durch das
Erkennungselement fließender Strom zu gering, um erkannt zu
werden. Wenn jedoch der spezifische Widerstand unterhalb dieses
Bereiches liegt, wird die Thermistorkonstante zu klein, wodurch
die Ansprechcharakteristika herabgesetzt werden.
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Nach anderen erfindungsgemäßen Beobachtungen besitzt das
Infraroterkennungselement, wenn die Zusammensetzung der
Siliciumcarbidfasern auf die folgenden Werte beschränkt ist, noch eine
hervorragende Erkennungsfähigkeit, auch wenn die untere Grenze
des spezifischen Widerstandswertes herabgesetzt ist.
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Wenn beispielsweise Polycarbosilan oder eine durch Zufügen
einer Organometallverbindung zu einem Polycarbosilan gewonnene
Verbindung mit einem aromatischen Kohlenwasserstoff (wie Pech)
eingearbeitet und dann polymerisiert wird, um den
Kohlenstoffanteil zu erhöhen, können die entstehenden Monofilamente
die folgende Zusammensetzung besitzen:
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Si: 50 bis 70 Gw%
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C: 28 bis 40 Gw%
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O: 0 bis 10 Gw% und
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Rest (H und/oder Ti oder Zr) : 0 bis 10 Gw%.
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Der Durchmesser dieser Monofilamente liegt bevorzugt im
Bereich von 3 bis 200 um. Diese erfindungsgemäßen speziellen
Siliziumkarbidfasern haben einen spezifischen Widerstand
innerhalb des Bereiches von 1.0 x 10&sup5; bis 1.0 x 10&supmin;¹ Ω cm bei
Raumtemperatur.
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Die Fasern zeigen hervorragende Erkennungsleistungen sogar
im Bereich niedrigen spezifischen Widerstandes. Wenn sie einen
Durchmesser von 30 um oder weniger besitzen, zeigen sie gute
Wärmeübergangseigenschaft und stellen damit eine noch bessere
Erkennungsleistung zur Verfügung.
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Wenn die Fasern oder Monofilamente in ihrer Anordnung
miteinander verschlungen sind oder in Kontakt zueinander stehen,
besitzen sie verringerten Lichtempfangsbereich und verminderte
Wärmeübergangseigenschaft, das zu Störsignalen führt.
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Die Anordnungen der Fasern und Monofilamente sind im
Einzelnen in den Fig. 1(a) bis 2(b) verdeutlicht.
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Fig. 1(a) zeigt eine Ansicht, die eine Form zeigt, in der
die Filamente F zwischen den Elektroden A angeordnet sind. In
diesem Fall ist der mögliche Kontakt durch in (1) und (2) von
Fig. 1(b) gezeigten Anordnungen unterbunden.
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Die Fig. 2(a) und (b) zeigen eine Form, in dem die
Filamente
F zwischen den Elektroden A und den Elektroden B senkrecht zu
den Elektroden A ausgerichtet sind.
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In diesem Fall kann entweder eine Kombination aus (1) und
(4) und eine Kombination aus (2) und (3) oder eine Kombination
aus (1) und (2) und eine Kombination aus (3) und (4) verwendet
werden.
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Erfindungsgemäß ist der spezifische Widerstand der
Siliziumcarbidfilamente und/oder die Zusammensetzung der Filamente
spezifiziert. Zusätzlich sind die Filamente so angeordnet, daß
sie nicht miteinander in Kontakt stehen. Dadurch kann die
thermische Zeitkonstante des Infraroterkennungselementes erhöht
werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen:
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Fig. 1(a) bis 2(b) sind schematische Ansichten, die die
Anordnung der Siliziumcarbidfilamente gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigen.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen:
Beispiele 1 und 2 und Vergleichsbeispiele 1 und 2
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Polycarbosilane wurden mit verschiedenen Längen
schmelzextrudiert, um Filamente mit zwei verschiedenen Durchmessern zu
erhalten. Diese Filamente werden bei 200ºC über 60 Minuten an
Luft unschmelzbar gemacht und anschließend in einer
Inertgasatmosphäre bei 1.000 bis 1.400ºC über 30 bis 60 Minuten
gebrannt, um vier Siliziumcarbidmonofilamente (Zusammensetzung:
54,5 Gw% Si; 27,2 Gw% C; 17,9 Gw% O; und 0,4 Gw% H) mit den in
Tabelle 1 gezeigten Eigenschaften zu gewinnen.
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Diese Monofilamente wurden jeweils in Stücke von 20 mm
Länge geschnitten; 100 Stücke jeder Gruppe wurden paralell
zueinander, ohne miteinander in Kontakt zu kommen, angeordnet und
eine acht Volt Gleichspannung daran angelegt. Ein Ausgang und
eine Spannungswellenform, die durch Abschirmen von
Hitzestrahlen, die von einem Schwarzkörperofen als Wärmequelle
ausgestrahlt und mittels eines Hochgeschwindigkeitsverschlusses
erzeugt wurden, wurden durch ein Oszilloskop gemessen, um dadurch
eine thermische Zeitkonstante zu bestimmen. Die Ergebnisse sind
in der folgenden Tabelle 1 aufgeführt.
Tabelle 1
Filamentdurchmesser [um]
Spezifischer Widerstand (Raumtemperatur) [Ω cm]
Thermische Zeitkonstante [msek]
Beispiel
Vergleichsbeispiel
unbestimmbar
Beispiele 3 - 7 und Vergleichsbeispiele 3 und 4
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20 Gw% Petroleumpech wurden zu Polycarbosilan hinzugegeben;
die entstandene Mischung wurde bei 300ºC zu einer
Organosiliziumpolymerverbindung mit Polycarbosilan als Hauptbestandteil
erwärmt. Die Organosiliziumpolymerverbindung wurde zu
verschiedenen Längen extrudiert, um Filamente mit drei verschiedenen
Durchmessern zu erhalten. Diese Filamente wurden bei 200ºC über
60 Minuten an Luft unschmelzbar gemacht und dann unter Inertgas
bei 1.200 bis 1.600ºC über 30 bis 60 Minuten gebrannt, um sieben
verschiedene Siliziumcarbidfilamente zu erhalten
(Zusammensetzung: 57,6 Gw% Si; 33,1 Gw% C; 8,8 Gw% O; und 0,5 Gw% H), deren
Eigenschaften in Tabelle 2 aufgeführt sind.
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Die thermischen Zeitkonstanten dieser Proben wurden gemäß
Beispiel 1 gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2
aufgeführt.
Tabelle 2
Filamentdurchmesser [um]
Spezifischer Widerstand temperatur) [Ω cm]
Thermische (Raum-Zeitkonstante [msek]
Beispiel
Vergleichsbeispiel
unbestimmbar
Vergleichsbeispiel 5
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250 in Beispiel 3 gewonnene Faserfilamente werden gebündelt
und teilweise miteinander in Kontakt gebracht, um die thermische
Zeitkonstante zu messen. Die thermische Zeitkonstante betrug 295
msek.
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Gemäß der obigen Ergebnisse besitzen die Proben der
Beispiele vorliegender Erfindung bemerkenswert geringe thermische
Zeitkonstanten, d.h. eine bemerkenswert hohe
Ansprechgeschwindigkeit, verglichen mit denen der Vergleichsbeispiele.
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Es wird aus der voranstehenden Beschreibung und den
Beispielen deutlich, daß die erfindungsgemäßen
Infraroterkennungselemente hervorragende Eigenschaften und besonders kurze
Ansprechzeiten besitzen. Diese Eigenschaften können in einer Reihe
von Anwendungen verwirklicht werden, wodurch bedeutende
industrielle Vorteile erzielbar sind.