DE8335469U1

DE8335469U1 - Infrarotstrahlungsdetektor

Info

Publication number: DE8335469U1
Application number: DE19838335469U
Authority: DE
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1982-12-15
Filing date: 1983-12-10
Publication date: 1984-07-19
Also published as: GB2133615B; GB2133615A

Description

G 83 35 469.7 Hamburg, den 8. Mai 1984

N. V.PHILIPS'GLOEILAMPENFABRIEKEN Ml/Br.

Neue Seite 1 :

"Infrarotstrahlungsdetektor"

Die Neuerung betrifft einen Infrarotstrahlungsdetektor mit einem ersten pyroelektrischen Detektorelement zur Erfassung von Infrarotstrahlung und mit einem zweiten pyroelektrischen Detektorelement, welches vom ersten Detektorelement durch einen Zwischenträger getrennt und von diesem gegen Infrarotstrahlung abgeschirmt ist und zum Ausgleich von durch Schwankungen der Umgebungstemperatur im ersten Detektorelement ausgelösten elektrischen Signalen dient.

Infrarotstrahlungsdetektoren mit pyroelektrischen Detektorelementen sind in Bewegungsfühlern verwendbar und dazu werden sie beispielsweise in Fernsehschaltsystemen und in Einbrecheralarmvorrichtungen "erwendet. Ein Mensch erzeugt eine bewegliche Infrarotstrahlungsquelle und seine Anwesenheit ist detektierbar, weil der Detektor die von ihm ausgesandte Strahlung in ein elektrisches Signal umsetzt, das sich zum Beispiel zum Einschalten von Beleuchtung oder zum Auslösen eines Alarms verwenden läßt.

Jedoch durch die Ansprechempfindlichkeit pyroelektrischer Detektoren auf Temperaturänderungen erzeugen Schwankungen in der Umgebungstemperatur unerwünschte Signale, die unerwünschte Schaltvorgänge und falschen Alarm verursachen können. Zur Beseitigung dieses Problems werden bekanntlich zwei pyroelektrische Detektorelemente in einer Nachbaranordnung verwendet. Eines der Elemente, hier mit der Bezeichnung Fühlelement, fänc die zu detektierende Strahlung auf und das andere "Ausgleichs" Element ist davon abgeschirmt, aber beide Elemente sind gleichermaßen emp-

PHD 32 937 ■- 1-1:2-1983

findlich für Schwankungen in der Umgebungstemperatur. Das Ausgleichselement ist derart elektrisch mit dem Fühlelement verbunden, da'ss durch Aenderungen in der Umgebungstemperatur im Fühlelement ausgelöste elektrische Signale unterdrückt werden.

Bei einer Nachbaranordnung der beiden Detektorelemente nach obiger Beschreibung dient ein getrennter Abschirmteil zum Abschirmen des Ausgleichselements. Jedoch ist in der britischen Patentanmeldung GB 2 021 864A ein pyroelektrischer Infrarotstrahlungsdetektor beschrieben, in dem das Fühlelement zwischen der Strahlungsquelle und dem Ausgleichselement angeordnet ist und also das Fühlelement das Ausgleichselement abschirmt. Die zwei Detektorelemente sind durch ein verhältnismässig dickes Substrat voneinander getrennt, das beispielsweise aus keramischem Material hergestellt sein kann und zur Biegungsverhinderung und dabei zur möglichsten Verringerung der unerwünschten Erzeugung piezoelektrischer Signale die verhältnismässig dünnen Detektorelemente an gegenüberliegenden Hauptflächen trägt. Zum Teil wird die Strahlung am Auftreffen auf das Ausgleichselement durch das Fühlelement, aber hauptsächlich durch das Zwischensubstrat gehindert. Im Gegensatz zu einer Nachbaranordnung der Elemente besitzt dieser Detektor ein symmetrisches Blickfeld und benötigt dadurch kein getrenntes Abschirmglied.

Leider fördert die Verwendung eines Zwischen— substrats, das das Detektorelement trägt, die Wärmeleitung vom Fühlelement zum Substrat, und dieser Wärmeverlust aus dem Fühlelement kann die Detektorleistung, insbesondere bei niedrigen Frequenzen, typisch 0,2 ... 3,0Hz, benutzt für Einbrecheralarmvorrichtungen, stark beeinträchtigen. Dazu kann Wärme bei derart niedrigen Frequenzen direkt durch das Substrat zum Ausgleichselement geleitet werden, wodurch die Niederfrequenzleistung des Detektors weiter beeinträchtigt wird, weil dann das Ausgleichselement ein unerwünschtes Signal abgibt, das das einschlägige Signal aus dem Fühlelement unterdrücken kann.

Ein weiterer Nachteil dieses bekannten Detektors

G 03 35 469.7 ."..". HaMbilfg", d^n.* 7. Mai 1984

• till I « » « cw·««

Neue Seite 3 :

besteht darin, daß es unausweichlich eine Fehlanpassung zwischen den Wärmeausdehnungseigenschaften der pyroelektrischen Detektorelemente und dem Zwischensubstrat gibt, woraus Hersteilungsschwierigkeiten entstehen und die Zuverlässigkeit problematisch machen kann.

Neuerungsgemäß ist ein Infrarotstrahlungsdetektor mit den im Eingang erwähnten Eigenschaften dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen den Detektorelementen ein in seiner Höhe vom Swischenträger bestimmter, thermisch isolierender Hohlraum befindet

Überraschenderweise wurde gefunden, daß ein neuerungsgemäßer Infrarotdetektor, insbesondere bei niedrigen Frequenzen eine unerwartet hohe Leistung abgeben kann. Dies muß nicht nur der wirksamen Strahlungsabblockung, d.h. der Abschirmung durch das Fühldetektorelement, sondern auch dem Raum zwischen den Elementen zugeschrieben werden, der nicht nur die Wärmebelastung am Fühlelement wesentlich reduziert und den Übertrag von Wärme-Energie durch Leitung zwischen den beiden Elementen verringert, sondern auch das Problem der Fehlanpassung in Wärmeausdehnung wie bei dem Detektor nach dem Stand der Technik in obiger Beschreibung beseitigt.

Für optimale Leistung muß es nicht möglich sein, daß die Infrarotstrahlung auf das Ausgleichselement fällt, und daher wird bevorzugt, daß das Fühlelement im wesentlichen alle auffallende Strahlung abblockt. Für optimale Abschirmung sind vorzugsweise die Detektorelemente nahe beieinander angeordnet, aber auch wieder nicht so nahe, daß die Wärmeisolierung des Ausgleichselements beeinträchtigt wird. Die Dicke eines jeden Detektorelements und der Abstand zum Trennen der beiden Detektorelemente beträgt vorzugsweise von 150 bis 200 Mikrometer.

Zum Optimieren der vom Fühlelement bewirkten Abschirmung können bestimmte Maßnahmen getroffen werden. Zum Beispiel kann das Fühlelement eine größere Oberfläche als das Ausgleichselement haben, so daß es für Strahlung

PHB 32 937

PHT) 32 9')7 h 1 - 1 '2- 1 9ö3

schwieriger ist, das Ausgleichselement beim Passieren der Ränder des Fühlelements zu erreichen. Weiter kann d^.s Fühlelement zur Vergrösserung der Absorption der auffallenden Strahlung geschwärzt werden. Auch kann es wünschensvert sein, zur Verringerung der Absorption von Strahlung, die dennoch das Ausgleichseletnent erreichen kann, dieses Ausgleichselement mit einer Reflexionsschicht zu versehen.

Die zwei De tektorelemerite können sich in einem Gehäuse befinden, das für zu detektierende Strahlung undurchlässig ist und ein Eintrittsfenster für Strahlung zum Fühlelement aufweist. Das Gehäuse kann evakuiert sein oder eine inerte Atmosphäre, wie z.B, trockenen Stickstoff, enthalten, der den Raum zwischen den zwei Detektorelementen ohne Beeinträchtigung der Wärmsisolierung des Ausgleichselements ausfüllt.

Ein Ausführungsbeispiel der Neuerung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert, in der die einzige Figur ein zum Teil schematischer Querschnitt durch einen neuerungsgemäßen Infrarotdetektor ist.

Der Deutlichkeit halber sei bemerkt, dass die Figur nicht massstabgerecht ist.

Der in der Figur dargestellte Infrarotdetektor enthält zwei pyroelektrische Detektorelemente, die aus einem Körper 1 bzw. 2 aus pyroelektrischem keramischem Material wie Lanthan oder mangandotiertem Zirkontitanat gebildet sind. (Für weitere Einzelheiten über dieses Material sei auf GB-PS 1 5Oi* 283 verwiesen). Der pyroelektrische Körper 1 bzw. 2 eines jeden Elements, der eine Länge von 2 mm, eine Breite von 1 mm und eine Dicke von 1 50/um hat, ist zwischen zwei Nickel-Chrom-Elektroden 3a, 3b bzw. ^a, kte gelegt, die im wesentlichen für Infrarotstrahlung mit einer Wellenlänge durchlässig ist, bei der der Detektor anspricht. Die Detektorelemente sind übereinander montiert, so dass das obere Detektorelement 1 das untere Detektorelement gegen die einfallende zu detektierende Infrarotstrahlung abschirmt. Die zv/ei Elemente sind mit entgegengesetzter Polarität, wie mit den Pfeilen in der Figur angegeben, angeordnet, so dass, wenn die Elemente mit den einander

PHB 32 937 5 1-12-1983

zugewandten Elektroden Jb und ka elektrisch in Serie geschaltet werden, das untere Element 2 die im oberen Detektorelement' 1 durch Aenderungen in der Umgebungstemperatur erzeugte elektrische Signale ausgleicht. Daher bildet das obere Detektorelement 1 das Fühlelement und das untere Detektorelement 2 das Ausgleichselement.

Das Fühlelement 1 wird an einander gegenüberliegenden Enden über dem Ausgleichselement 2 durch einen jeweiligen Draht 5 getragen und bildet so einen Raum 2k zwischen den zwei Elementen. Die Drähte 5 mit einem möglichen Durchmesser von 150/um erstrecken sich über die volle Breite der Detektcrelemente und sind mit einem leitenden Klebstoff 25 befestigt. Die einander zugewandten Elektroden Jb, 4a der Detektorelemente sind daher über die Drähte 5 miteinander elektrisch verbunden.

Die obere Elektrode 3^a des Fühlelements 1 ist über eine Drahtverbindung 7 elektrisch an die Oberfläche 8 der Basis 9 einer Dreileiterdurchführung angeschlossen, die zum Beispiel einen herkömmlichen TO-5—Umriss hat« Zwei

2U dieser Leiter 11a und 11b gehen durch die Basis 9 zur Bildung von Anschlüssen (in der Figur nicht dargestellt), die aus der Oberfläche 8 ragen, und der dritte Leiter 11c ist mit der Oberfläche 8 somit auch mit der oberen Elektrode 3^a des Fühlelements 1 leitend verbunden.

Die zwei Detektorelemente werden durch zwei gleich lange Trägersäulen 12 und I3 im Abstand von der Basis 9 der Durchführung gehalten. Die elektrisch isolieren de Säule 12 kann aus einem keramischen Material, wie z.B. aus Aluminium mit hoher Dichte, hergestellt und zwischen dem Ausgloichseloment 2 und der Basis 9 unter Verwendung eines isolierenden Klebstoffs i'la bzw. 1 ^b befestigt werden Die elektrisch leitende Säule 13 kann aus einem elektrisch leitenden Material oder auf andere Weise aus einem Isoliermaterial wie Aluminium, jedoch mit einer Leitbeschichtung beispielsweise von Gold bestellen. Das obere Ende der Säule 1'3 ist mittels eines leitenden Klebstoffs 15a an dor unteren !elektrode '»b des Fühl elements 2 befestigt und elektrisch damit verbunden, und das untere linde ist mit einem

PHB 32 937 6 1-12-1983

isolierenden Klebstoff 15b an der Oberfläche 8 der Basis 9 befestigt. Der leitende Klebstoff kann hier Ablebond 36/2 (Warenzeichen'), erhältlich bei den Ablestick Laboratories, V.S., sein, und der nichtleitende Klebstoff kann ein herkömmlicher Epoxydklebstoff sein.

Wie schematisch in der Figur dargestellt, ist die untere Elektrode kb des Ausgleichselements 2 über die Säule 13 mit dem Gate eines Feldeffekttransistors T elektrisch verbunden. Zwei Dioden D1 und D2 in paralleler Gegenüberschaltung sind zwischen dem Gate des Transistors T und dem Leiter 11c (über die Oberfläche 8) angeschlossen und bilden so einen Gate-Kriechweg für den Transistor T. Die Source und der Drain des Transistors T sind üb>ar die nicht dargestellten und aus der Oberfläche 8 nach obiger Beschreibung ausragenden Anschlüsse mit den Leitern 11a und 11b verbunden. Die Schaltungsanordnung mit dem Transistor T und den Dioden D1 und D2 können in ein Einkapselungspaket 16, wie z.B. ein Mikrominiaturkapselungs-Kunststoffpaket, aufgenommen sein. Ausserdem können die aus einem derartigen Mikrominiaturpaket ausragenden Anschlussleiter statt der Säulen 12 und 13 zum Tragen der pyroelektrischen Elemente über der Basis 9 verwendet werden, wie diese mit weiteren Einzelheiten in der britischen Patentanmeldung GB 2 102 200 (zur Veröffentlichung am

26. Januar 1983) und in der

britischen Patentanmeldung Nr,. 8220816 (z.Z. noch nicht veröffentlicht) beschrieben sind, die hierin als referenzweise aufgenommen betrachtet werden.

Es sei bemerkt, dass in einer alternativen \nordnung die zwei pyroelektrischen Detektorelemente statt in Serie nach obiger Beschreibung elektrisch parallel geschaltet werden können. In diesem Fall werden die beiden Elemente 1 und 2 mit der gleichen Polaritätsrichtung angeordnet. Im Gegensatz zur Anordnung in der beigefügten Zeichnung würden dabei die Pfeile 6 jetzt in der gleichen Richtung zeigen. Die einander zugewandten Elektroden 3^D und 'la sind wie oben durch die Trägerdrähte elektrisch mi te inarider verbunden, aber jetzt ist die ubere !elektrode

PHB 32 931

1-12-1983

20 25 30 35

3a des Fühlelements 1 elektrisch mit der unteren Elektrode Ub des Ausgleichselements 2 verbunden. Die obere Elektrode 3a oder die untere Elektrode 4b ist elektrisch, zum Beispiel mit einer Drahtverbindung, an die Oberfläche 8 unc" damit an den Leiter 11a der Durchführung 9 angeschlossen und eine jede der einander zugewandten Elektroden Jb und ka. ist mit dem Gate eines Feldeffekttransistors verbunden, der ein Teil der gleichen Schaltungsanordnung mit zwei in paralleler Gegenüberstellung nach obiger Beschreibung ist.

Der in der beigefügten Figur dargestellte Detektor enthält weiter einen herkömmlichen Gehäuseabdeckteil 17» der auf bekannte Weise am Rand der Basis 9 befestigt ist. Das Gehäuse kann evakuiert oder mit einem Gas wie trockenem Stickstoff gefüllt sein, das in bezug auf die im Gehäuse befindliche Einzelteile des Dttektors verhältnismässig inert ist. Die Atmosphäre im Gehäuse füllt selbstverständlich den Raum zwischen den beiden Detektor— elementen ohne Beeinträchtigung der guten Wärmeisolierung zwischen ih.aen.

Der Abdeckteil 17 weist ein Fenster 18 auf,

das für die zu detektierende Strahlung 10 durchlässig ist und zu den Detektorelementen 1 und 2 parallel verläuft. So kann die ausgesandte Strahlung das Fühlelement ' erreichen, wird aber durch das Fühl-element 1 daran gehindert, das Ausgleichselement 2 zu erreichen. Das pyroelektrische, im Fühlelement 1 erzeugte Signal infolge eines Empfangs infraroter Strahlung aus einer Quelle qie einem Einbrecher kann von der beschriebenen Schaltungsanordnung als ein Ausgangssignal detektiert werden. Zum anderen werden durch Schwankungen in uer Umgebungstemperatur erzeugte Signale durch die Erzeugung eines im wesentlichen gleichen, jedoch entgegengesetzten Signals im Ausgleichselement 2 unterdrückt.

Beim oben beschriebenen Infrarotdetektor ist es für auffallende Strahlung möglich, das AUsgleichselcincnt ? durch Passieren der Ränder des darüber liegenden Fühlclements 1 zu erreichen. Zur Beseitigung dieses Problems kann das Fi'ihleloment 1 ein« grössore Oberfläche als das

PHB 32 937 8 1-12-1983

Ausgleichselement 2 haben und, obgleich hierdurch eine Fehlanpassung zwischen den Detektorelementen eingeführt werden kann, wird dieser Nachteil weitgehend durch die bessere Abschirmung des Ausgleichselements ausgeglichen.

Jedoch lässt sich diese Fehlanpassung vermeiden, wenn der pyroelektrisch^ Körper des Fühlelements eine grössere Oberfläche als das Ausgleichselement hat, aber die Elektroden des Fühlelements die Abmessungen der Elektroden des Ausgleichselements haben. Weiter können Massnahmen getroffen werden, bei denen der Strahlungsabblockeffekt des Fühlelements 1 ohne die Einführung einer Fehlanpii^sung vergrössert wird. Beispielsweise kann die obere Elektrode 3a des Fühlelements zum Beispiel mit einer thermisch schwarzer Goldschicht, die die Absorption der auf das Fühlelement 1 auffallenden Strahlung vergrössert. Ausserdem kann es zum möglichsten Verringern der Absorption von Strahlung, die noch das Ausgleichselement 2 erreichen kann, wünschenswert sein, eine Schicht aus reflektierendem Material anzubringen, die zum Beispiel aus einer verhältnis massig dicken oberen Elektrode ^a auf dem Ausgleichselement 2 besteht.

Es wird ohne weiteres klar sein, dass diese Atisflihrungsform und die hier beschriebenen Abwandlungen nur erläuterungshalber erwähnt sind und dass viele andere Aenderungen denkbar sind, ohne aus dem Rahmen der Neuerung herauszutreten.

Claims

Ml/Br. N.V.PHILIPS'GLOEILAMPENFABRIEKEN Neue Schutzansprüche:

1. Infrarotstrahlungsdetektor mit einem ersten pyroelektrischen Detektorelement zur Erfassung von Infrarotstrahlung und mit einem zweiten pyroelektrischen Detektorelement, welches vom ersten Detektorelement durch einen Zwischenträger getrennt und von diesem gegen Infrarotstrahlung abgeschirmt ist and zum Ausgleich von durch Schwankungen der Umgebungstemperatur im ersten Detektorelement ausgelösten elektrischen Signalen dient, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen den Detektorelementen (1, 2) ein in seiner Höhe vom Zwischenträger (5) bestimmter, thermisch isolierender Hohlraum (24) befindet.

2. Infrarotdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Detektorelemente und deren Abstand voneinander ungefähr zwischen 150 ,um und 200 ,um betragen.

3. Infrarotdetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen den zwei Detektorelementen mit einer inerten Atmosphäre gefüllt ist.

4. Infrarotdetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Detektorelement eine Schicht enthält, deren Material die Absorption der auffallenden Strahlung vergrößert.

5. Infrarotdetektor nach einem der vorangehenden Ansrpüchr-, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Detektorelement eine Schicht enthält, deren Material die zu detektierende Strahlung reflektiert.

6. Infrarotdetektor nach einem der vorangehenden Ansprü-PHB 32-937 - 2 -

·· **■ ti m · ·

G 83 35 469 7 Hamburg, den 8. Mai 1984

Ml/Br. N.V.PHILIPS'GLOEILAMPENFABRIEKEN

ehe, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Detektorelement eine größere Oberfläche aufweist als das zweite Detektorelement.

7. Infrarotdetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste bzw. das zweite Detektorelement Elektroden mit im wesentlichen gleicher Oberfläche besitzt.

8. Infrarotdetektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorelemente mit Abstand in einem Gehäuse angeordnet sind, das für die zu erfassende Infrarotstrahlung undurchlässig ist und ein Fenster zur Übertragung der zu erfassenden Infrarotstrahlung auf das erste Detektorelement aufweist.

PHB 32 937