PL170509B1 - Detektor piroelektryczny energii całkowitej - Google Patents

Abstract

1 Detektor piroelektryczny energii całkowitej, posiadający cienkąwarstwęmateriału piroelektrycznego umieszczoną pomiędzy dwiema warstwami materiału przewodzącego stanowiącymi elektrody, przy czymjedna zelektrod umieszczonajestnaradiatorze, znamienny tym, ze warstwę piroelektryczną (1) stanowi płytka ceramiki PLZT, natomiast elektrodę przyjmującą promieniowanie (2) stanowi warstwa węgla szklistego.

Description

Przedmiotem wynalazku jest detektor piroelektryczny energii całkowitej. Znajduje on zastosowanie do pomiarów energii sygnału świetlnego, zwłaszcza krótkotrwałych impulsów świetlnych w zakresie widzialnym i podczerwieni.

Przyrządy pomiarowe wykorzystujące pracę detektorów piroelektrycznych służą do wykrywania sygnału modulowanego ze stałą prędkością kątową, do obserwacji sygnałów nieustalonych, np. impulsów laserowych lub do pomiarów całkowitej energii mierzonego sygnału drogą pomiaru ładunku uwolnionego sygnałem nieustalonym.

Efektem piroelektrycznym nazywa się zależność elektrycznej polaryzacji spontanicznej polarnego ciała stałego od temperatury. Gdy cienka płytka z materiału wykazującego efekt piroelektryczny absorbuje promieniowanie, energia tego promieniowania jest zamieniana na ciepło, a związany z tym wzrost temperatury powoduje zmianę wartości elektrycznej polaryzacji spontanicznej materiału, co z kolei wywołuje rozdział ładunków elektrycznych, czyli różnicę potencjałów na powierzchniach tej płytki. Element piroelektryczny nie generuje stałoprądowego sygnału, lecz reaguje i odpowiada tylko na zmiany absorbowanej energii promienistej. W celu oszacowania materiału piroelektrycznego należy określić jego współczynnik piroelektryczny p definiowany jako pochodna polaryzacji spontanicznej Ps względem temperatury T oraz charakterystykę szumową i właściwości dynamiczne, przy czym dla zastosowania w detektorach korzystne są materiały o jak największej wartości p.

Typowy detektor ma budowę warstwową i zawiera cienką płytkę materiału piroelektrycznego umieszczonego między dwiema warstwami materiału przewodzącego stanowiącymi elektrody. Detektor do pomiaru energii całkowitej można skonstruować tak, że elektroda nie absorbująca promieniowania umieszczona jest na radiatorze celem szybszego odprowadzenia zaburzenia termicznego docierającego do tylnej ścianki materiału piroelektrycznego. Ładunek gromadzony przez elektrody przy zmianach temperatury dostarcza wyjściowego sygnału proporcjonalnego do poziomu zaabsorbowanego termicznego promieniowania.

W znanych detektorach piroelektrycznych elektrody wykonane są zwykle ze złota i złota czernionego, natomiast jako materiał piroelektryczny stosuje się warstwy krystaliczne, takie jak: niobian litu, tantalan litu, trójglicerynian sodu lub warstwy polimeru, np. PVDF. Znane są na przykład różnego typu detektory piroelektryczne firm MOLECTRON lub INFRARED ASSOCIATES, w których jako materiał piroelektryczny zastosowana jest warstwa krystaliczna LiTaO 3.

Parametry charakteryzujące detektory piroelektryczne mogą zależeć od właściwości materiału detektora lub od technologii wytwarzania i od wymiarów geometrycznych. Detektory piroelektryczne stosowane są w przyrządach pomiarowych, od których wymagana jest wysoka czułość, szeroki spektralny zakres odpowiedzi i działanie bez konieczności chłodzenia. W

170 509 praktyce element detektora jest czuły na radiacje od ultrafioletu do ponad 300 μm i jest to limitowane jedynie przez transmisję okien i filtrów optycznych.

Detektor piroelektryczny energii całkowitej według wynalazku, posiadający warstwę materiału piroelektrycznego umieszczoną pomiędzy dwiema warstwami materiału przewodzącego stanowiącymi elektrody, przy czym jedna z elektrod umieszczona jest na radiatorze, charakteryzuje się tym, że warstwę piroelektryczną stanowi płytka ceramiki PLZT, natomiast elektrodę przyjmującą promieniowanie stanowi warstwa węgla szklistego.

Korzystnie jest, gdy warstwą piroelektryczną jest ceramika PLZT o strukturze tetragonalnej.

Zastosowanie ceramiki PLZT w detektorach w miejsce dotychczas stosowanych materiałów krystalicznych jest korzystne ze względu na niższy koszt wytwarzania, łatwiejszą obróbkę mechaniczną, brak łupliwości oraz dobre parametry piroelektryczne, w szczególności dużą wartość współczynnika piroelektrycznego p.

Wynalazek jest bliżej objaśniony naprzykładzie pokazanym na rysunku, który przedstawia schematycznie budowę detektora piroelektrycznego.

Detektor posiada warstwę piroelektryczną 1, którą stanowi ceramika PLZT 12/40/60, tzn. mająca 12% atomowych lantanu i 40:60 stosunek procentowy cyrkonu do tytanu. Warstwa ta ma grubość 0,15 mm i powierzchnię 2,5 x 2,5 mm. Współczynnik piroelektryczny tego materiału wynosi p = 5Χ10-⁴ [^/] m²K

Górna powierzchnia warstwy PLZT 1 pokryta jest warstwą węgla szklistego stanowiącą jedną elektrodę 2 - przyjmującą promieniowanie. Druga elektroda 3 umieszczona jest na przeciwległej powierzchni ceramiki PLZT, wykonana ze srebra i przyklejona srebrną pastą przewodzącą do radiatora 4, którym jest płytka miedziana. Do górnej elektrody 2 przyklejone jest doprowadzenie 5 w postaci drucika złotego o średnicy 0,03 mm.

Impuls promieniowania padający na elektrodę 2, którą stanowi warstwa węgla szklistego, jest przez nią absorbowany. Temperatura tej warstwy gwałtownie wzrasta, a zaburzenie termiczne wędruje w głąb warstwy piroelektrycznej 1. Czas, po którym zaburzenie to osiągnie tylną powierzchnię warstwy piroelektrycznej 1 oraz drugą, tylną elektrodę 3, zależy od przewodności termicznej warstwy piroelektrycznej 1. Jeżeli czas trwania impulsu promieniowania jest krótszy od czasu wędrówki zaburzenia termicznego, jedyną drogą opuszczenia elementu przez energię jest czołowa powierzchnia warstwy węgla szklistego stanowiącej pierwszą elektrodę 2. Z porównania przewodności termicznej z przewodnością promieniowania wynika, że ta drugajest pomijalna. Jeżeli elektryczna stała czasowa RC detektorajest długa w porównaniu z czasem trwania impulsu promieniowania, upływ ładunku jest też pomijalny. Zatem ładunek elektryczny powstający w elemencie piroelektrycznym jest proporcjonalny do całkowitej energii absorbowanego impulsu.

Detektor ten może służyć do pomiaru impulsów nie dłuższych niż 5 msek. Wynika to z grubości warstwy piroelektrycznej, ponieważ aby pomiar energii całkowitej impulsu o określonej długości był wiarygodny, płytka PLZT musi być na tyle gruba, aby impuls się zakończył, zanim zaburzenie dotrze do jej tylnej ścianki. W szczególności, dla impulsu o długości 0,1 msek grubość warstwy PLZT powinna być nie mniejsza niż 0,025 mm, dla 1 msek - 0,075 mm, a dla 10 msek - 0,25 mm.

170 509

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz

Cena 2,00 zł

Claims (2)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Detektor piroelektryczny energii całkowitej, posiadający cienką warstwę materiału piroelektrycznego umieszczoną pomiędzy dwiema warstwami materiału przewodzącego stanowiącymi elektrody, przy czym jedna z elektrod umieszczona jest na radiatorze, znamienny tym, że warstwę piroelektryczną (1) stanowi płytka ceramiki PLZT, natomiast elektrodę przyjmującą promieniowanie (2) stanowi warstwa węgla szklistego.
2. 2. Detektor według zastrz. 1, znamienny tym, że warstwą piroelektryczną (1) jest ceramika PLZT o strukturze tetragonalnej.