DE2920587A1

DE2920587A1 - Pyroelektrischer infrarot-detektor

Info

Publication number: DE2920587A1
Application number: DE19792920587
Authority: DE
Inventors: Tetuaki Kon; Hiroshi Obara
Original assignee: Kureha Corp
Current assignee: Kureha Corp
Priority date: 1978-05-22
Filing date: 1979-05-21
Publication date: 1979-11-29
Also published as: JPS54151882A; US4258259A; FR2426893A1; DE2920587C2; GB2021761A; FR2426893B1; CA1153082A; GB2021761B

Description

Die Erfindung betrifft einen Infrarot-Detektor, bei dem eine pyroelektrische Vorrichtung vorgesehen ist, die aus einem hochpolymeren Material besteht, und insbesondere betrifft die Erfindung einen Infrarot-Detektor, der in wirksamer Weise elektrische Signale verarbeiten kann, die von der pyroelektrischen Vorrichtung erhalten werden.

Es ist bekannt, daß sich der Polarisationszustand in einer pyroelektrischen Vorrichtung mit Änderungen von deren Temperatur ändert und daß Wärmestrahlung, wie beispielsweise eine Infrarotstrahlung, die der pyroelektrischen Vorrichtung zugeführt wird, dadurch festgestellt wird, daß die Polarisationsänderung aus dieser Vorrichtung als ein elektrisches Signal oder als elektrische Signale gewonnen werden. Die erhaltenen elektrischen Signale entsprechen den Temperaturänderungen der Vorrichtung. Nachdem jedoch die Temperatur in der Vorrichtung sich auf einen konstanten Temperaturwert bei einer stationären Infrarotbestrahlung der Vorrichtung eingestellt hat, können elektrische Signale, die das Vorhandensein oder das Fehlen der Infrarotstrahlung anzeigen, nicht mehr aus dieser Vorrichtung gewonnen werden, übliche Infrarot-Detektoren, die eine pyroelektrische Vorrichtung verwenden, sind im allgemeinen mit einem Unterbrecher oder Zerhacker auf der Einstrahlungsseite ausgerüstet, um eine intermittierende Infrarotstrahlung der bestrahlten Oberfläche der pyroelektrischen Vorrichtung zuzuführen, damit elektrische Signale gewonnen werden können, die eine Infrarotstrahlung feststellen, auch wenn diese stationär ist.

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Die pyroelektrische Vorrichtung weist im allgemeinen eine elektrische Kapazität und eine hohe innere Impedanz auf. Diese Vorrichtung wird im allgemeinen zusammen mit einer Impedanzwandlerschaltung verwendet, die einen Feldeffekttransistor aufweist, um die elektrischen Signale aus der Vorrichtung zu verarbeiten.

Pyroelektrische Vorrichtungen, die aus einer hochpolymeren Substanz bestehen und die sehr gute pyroelektrische Eigenschaften haben, sind bekannt, und deren Anwendung bei Infrarot-Detektoren wurde vorgeschlagen. Die Kombination einer derartigen pyroelektrischen Vorrichtung und einer Impedanzwandlerschaltung, die einen Feldeffekttransistor enthält, kann nicht in v/irksamer Weise die ausgezeichneten pyroelektrischen Eigenschaften der Vorrichtung ausnutzen, und die elektrischen Signale, die von der pyroelektrischen Vorrichtung abgegeben werden, können in Abhängigkeit von der Impedanzschaltung nicht abgegeben werden. Bei einer intermittierenden Infrarotbestrahlung durch den Unterbrecher, die der pyroelektrischen Vorrichtung zugeführt wird, erzeugt die pyroelektrische Vorrichtung ein elektrisches Signal, welches als Vorspannung wirksam ist, sowie elektrische Signale, die der intermittierenden Infrarotbestrahlung entsprechen. Wenn das elektrische Signal, welches als Vorspannungssignal wirksam ist, die Größenordnung der Sperrspannung des n-Feldeffekttransistors erreicht oder sogar tiefer geht, werden die elektrischen AusgangsSignale, die der intermittierenden infraroten Strahlung entsprechen, abgekappt, oder es werden überhaupt keine elektrischen Signale abgegeben. Diese Erscheinung ist insbesondere sehr bedeutend in pyroelektrischen Vorrichtungen mit ausgezeichneten pyroelektrischen Eigenschaften, und deshalb können deren ausgezeichnete Eigenschaften nicht in wirksamer Weise ausgenutzt werden.

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Es ist ein Ziel der Erfindung, einen Infrarot-Detektor zu schaffen, der in der Lage ist, die innere Impedanz einer pyroelektrischen Vorrichtung umzuwandeln und in wirksamer Weise die elektrischen Signale zu verarbeiten, die von einer pyroelektrischen Vorrichtung ausgehen.

Ein weiteres Ziel dieser Erfindung ist es, einen Infrarot-Detektor zu schaffen, der in wirksamer Weise die elektrischen Signale verarbeiten kann, die von einer pyroelektrischen Vorrichtung vorhanden wären, welche ausgezeichnete pyroelektrische Eigenschaften aufweist.

Ferner ist es Ziel der Erfindung, einen Infrarot-Detektor zu schaffen, der die Impedanz in einer einfachen Schaltung umwandeln kann.

Weiterhin ist es Ziel der Erfindung, einen Infrarot-Detektor zu schaffen, der elektrische Signale erzeugen kann, und zwar im Bereich von Gleichspannungssignalen bis zu hochfrequenten Wechselspannungssignalen, wie sie bei pyroelektrischen Vorrichtungen erhalten werden.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, einen Infrarot-Detektor zu schaffen, der verhindert, daß elektrische Signale, die während des Betriebes von der Impedanzwandlerschaltung abgegeben werden, abgekappt werden.

Zusätzlich ist es ein Ziel der Erfindung, einen Infrarot-Detektor zu schaffen, bei dem eine pyroelektrrische Vorrichtung und eine Impedanzwandlerschaltung in kleiner Bauweise zusammengebaut werden können.

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Durch die Erfindung wird ein pyroelektrischer Infrarot-Detektor geschaffen, bei dem die positive Elektrode einer pyroelektrischen Vorrichtung aus einem polymeren Material mit der Gate-Elektrode eines n-Peldeffekttransistors verbunden ist, oder die negative Elektrode der pyroelektrischen Vorrichtung mit der Gate-Elektrode eines p-Feldeffekttransistors verbunden ist.

Die pyroelektrische Vorrichtung aus einem polymeren Material wird in der Weise hergestellt, daß Elektroden auf beiden Seiten eines dünnen Filmes montiert werden, der eine pyroelektrische Eigenschaft hat, wobei dieser Film unter ein Gleichspannungsfeld geschaltet wird. Der Film oder der Bogen aus einem hohen polymeren Material wird dadurch hergestellt, daß ein hochpolarisierendes Monomer polarisiert wird, wie beispielsweise Vinylfluorid, Vinylidenfluorid, Vinylchlorid, Vinylidenchlorid, ChlorofIuorovinyliden, Trifluoräthylen od. dgl., oder durch eine Copolymerisierung eines derartigen Monomers als Grundbestandteil mit einem anderen Monomeren. Ein Film oder ein Bogen, der pyroelektrische Eigenschaften hat, die dadurch erzielt werden, daß diese in ein hohes Gleichspannungsfeld eingeschaltet werden, ein Film oder ein Bogen, der eine ß-Kristallstruktur hat, die dadurch erzielt wurde, daß ein Film oder ein Bogen einachsig oder mehrachsig gespannt wurde, wobei dieser Film aus Vinylidenf luoridcopolymer besteht oder aus einem Copolymer, welches Vinylidenfluorid mit mehr als 60 Gewichtsprozent enthält, sind bevorzugt, da diese ausgezeichnete pyroelektrische Eigenschaften haben.

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Es ist bevorzugt, die pyroelektrische Vorrichtung als dünnen Film oder als dünnes Blatt auszubilden, um die thermische Zeitkonstante zu vermindern. Die pyroelektrische Vorrichtung kann alternativ aus einem dicken Polymer-Film oder Polymer-Bogen hergestellt werden, oder kann dadurch hergestellt werden, daß mehrere pyroelektrische polymere Filme oder Bogen entwederdünn oder dick schachtförmig zusammengesetzt werden. Zusätzlich kann die pyroelektrische Vorrichtung die Form einer Platte oder einer entsprechend gekurvten Kappe haben.

Der verwendete Feldeffekttransistor weist vorzugsweise ein Übergangsschichtgatter auf, und die positive Elektrode der pyroelektrischen Vorrichtung aus einem hochpolymeren Material ist mit der Gate-Elektrode des Transistors verbunden, wenn dieser einen η-Kanal hat, d. h. wenn dieser ein η-Feldeffekttransistor ist. Die negative Elektrode der pyrc elektrischen Vorrichtung ist mit der Gate-Elektrode des Transistors verbunden, wenn dieser einen p-Kanal hat, d. h_ wenn es sich hierbei um einen p-Feldeff ekttransistor handelt. Die positive Elektrode der pyroelektrischen Vorrichtung ist diejenige Elektrodenplatte auf der Seite, die positiv aufgeladen wird, wenn die Temperatur in der Vorrichtung ansteigt, und zwar durch eine infrarote Bestrahlung dieser Vorrichtung. Die negative Elektrode der pyroelektrischen Vorrichtung ist diejenige Elektrode auf der Seite, die negativ aufgeladen wird, wenn die Temperatur der Vorrichtung bei einer Infrarotbestrahlung ansteigt. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird ein Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate (MOS)-Feldeffekttransistor anstatt des Übergangs.schicht-Gate-Transistors in einer ähnlichen Anordnung verwendet.

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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Zerhacker oder Unterbrecher für den Infrarot-Detektor vorgesehen, um eine intermittierende Infrarotbestrahlung zu erzeugen. Wenn jedoch das zu überwachende Objekt ein sich bewegendes Objekt ist, kann die von diesem sich bewegenden Objekt ausgehende Wärmestrahlung ohne derartige Unterbrecher oder Zerhacker beobachtet werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen in der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Infrarot-Detektors,

Fig. 2 ein Schaltbild für den in Fig. 1 dargestellten Infrarot-Detektor,

Fig. 3 eine grafische Darstellung der Charakteristik des bei dem Infrarot-Detektor verwendeten Feldeffekttransistors
und

Fig. 4 ein Schaltbild für ein anderes bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Infrarot-Detektors.

Es sei nunmehr auf die Fig. 1 bis 3 Bezug genommen. Eine flache und scheibenförmige pyroelektrische Vorrichtung 2 ist auf einer Unterlage 1 befestigt und weist auf beiden Oberflächen eines hochpolymeren Filmes 3 ausgebildete Elektroden 4 und 5 auf, die durch eine Dampfabscheidung ausgebildet sind oder die aufgeklebt sind. Der hochpolymere

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Film ist vorzugsweise aus einem pyroelek.trischen Polyvinylidenfluorid-Film hergestellt. Der Film ist ein dünner Film und weist eine Dicke von einigen /u bis zu 10 Ai auf, um die thermische Zeitkonstante zu vermindern, und zwar in dem Fall, in dem ein schnelles Ansprechen erforderlich ist. Die Elektroden 4 und 5 sind als Filme so dünn wie der Film 3 ausgebildet, wobei die Elektrode 4 auf der mit Infrarotstrahlen 6 bestrahlten Seite vorzugsweise eine transparente Elektrode ist. Der Film 3 ist derart angeordnet, daß die positiven Ladungen an der Elektrode 4 ausgebildet werden und die negativen Ladungen an der Elektrode 5, wenn Temperaturänderungen in der pyroelektrischen Vorrichtung 2 entstehen. Der Träger 1 besteht im allgemeinen aus einem Material, welches sowohl wärme- als auch elektrischisolierend ist. Am Träger 1 ist ferner ein Halbleiterchip 7a befestigt, und zwar ein n-Feldeffekttransistor 7, und ferner sind Widerstände 8 und 9 vorgesehen. Der Transistor 7 ist ein Übergangsschicht-Gate-Feldeffekttransistor, bei welchem die Gate-Elektrode G mit dem Widerstand 8 und der Elektrode 4 verbunden ist. Die Source-Elektrode S ist mit dem Widerstand 9 verbunden und mit dem Ausgangsanschluß 10. Die Drain-Elektrode D ist mit einer Spannungsquelle 11 verbunden. Ein Erdanschluß 12 ist mit den Widerständen 8'und 9 und der Elektrode 5 verbunden. Durch diesen Aufbau ist die Impedanzwandelschaltung, die aus den Widerständen 8 und 9 und dem Feldeffekttransistor 7 besteht eine Source-Folgeschaltung, die wirksam ist, um die hohe Innenimpedanz der pyroelektrischen Vorrichtung in eine niedrige Innenimpedanz in einer äquivalenten Weise umzuwandeln. Die Kreisanschlüsse sind in Fig. 1 nicht dargestellt. Die pyroelektrische Vorrichtung 2 und der Halb-

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leiterchip 7a werden von einem Gehäuse 13 abgedeckt und geschützt, und die Oberseite des napfförmigen Gehäuses

13 weist ein Fenster 14 auf, so daß die Infrarotstrahlen

in das Innere des Gehäuses 13 eintreten können. Das Fenster

14 ist ein transparentes Glas oder eine transparente Linse. Unterbrecher oder Zerhacker können, falls es notwendig ist, oberhalb des Fensters 14 vorgesehen sein, um eine intermittierende Infrarotstrahlung aus der Strahlung 6 herzustellen.

Bei diesem Infrarot-Detektor 15 wird eine Spannung von einer äußeren Spannungsquelle 16 im Betrieb.den Anschlüssen 11 und 12 zugeführt, und elektrische Signale, die den Temperaturänderungen der Vorrichtung 2 bei einer Bestrahlung mit Infrarotstrahlen 6 entsprechen, werden vom Transistor 7 über die Anschlüsse 10 und 12 abgegeben.

Obwohldie pyroelektrische Vorrichtung 2 aus einer polymeren Substanz besteht, wie beispielsweise Polyvinylidenfluorid, und hohe pyroelektrische Eigenschaften aufweist, können elektrische Sign?le, die den eingestrahlten Infrarotstrahlen entsprechen, am Transistor 7 zwischen den Anschlüssen 10 und 12 auch dann abgenommen werden, wenn die Vorrichtung 2 hohe pyroelektrische Eigenschaften hat,und zwar dadurch, daß die pyroelektrische Vorrichtung 2 und der Feldeffekttransistor 7 miteinander derart verbunden werden, daß die Elektrode 4 als positive Elektrode der pyr©elektrischen Vorrichtung 2 mit der Gate-Elektrode G des Transistors 7 verbunden wird, wie es Fig. 2 zeigt. Wenn jedoch der Infrarot-Detektor anders geschaltet ist, als in Fig. 2 gezeigt, wobei die Elektrode 5 mit der Gate"-Elektrode des Transistors 7 verbunden ist, und die Elek-

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trode 4 mit der Erdungsseite, können keine elektrischen Signale, die der Infraroteinstrahlung entsprechen, von der Source-Elektrode S des Transistors 7 abgegeben werden, beispielsweise auch in den Fällen nicht, in denen der infrarote Eingang relativ groß ist, insbesondere mehr als 50 Ai W/cm . Es wird angenommen, daß diese Erscheinung dadurch bewirkt wird, daß durch eine intermittierende Infrarotstrahlung der pyroelektrischen Vorrichtung 2 ein Gleichstromsignal zusätzlich zu Wechselstromsignalen, die der intermittierenden Infrarotstrahlung entsprechen, von der pyroelektrischen Vorrichtung 2 erzeugt werden, wobei das Gleichstromsignal als Vorspannungssignal am Transistor wirksam ist* Wie Fig. 3 zeigt, hat der n-Feldeff ekttransistor 7 eine negative Sperrspannung V in seiner Charakteristik, und das Gleichspannungssignal als Vorspannung ssignal geht weiter ins Negative als dieses Sperrspannung ssignal V . Die Erzeugung eines derartigen Gleichspannungssignals durch die Vorrichtung 2 trotz der intermittiere.jden Infrarotbestrahlung dieser Vorrichtung 2 kann auf die Tatsache zurückgeführt werden, daß unstabile Ladungskomponenten in der pyroelektrischen Vorrichtung 2 vorhanden sind. Dies bedeutet, daß der Film3 und die Komponenten beim Temperaturanstieg der Vorrichtung 2 gemeinsam abgeben können. Durch die Verbindung der Elektrode 4 als die positive Elektrode mit der Gate-Elektrode G des Transistors 7 wird, wenn das Gleichspannungssignal als Vorspannungssignal der Gate-Elektrode G des Transistors 7 zugeführt wird, dieses Gleichspannungssignal immer mit einem Wert erzeugt, der größer ist als die Sperrspannung V des Transistors 7 auf der Seite der positiven Spannung. Dadurch wird der Transistor 7 nicht gesperrt und kann elektrische Signale abgeben, die der intermittierenden Infra-

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rotstrahlung entsprechen, und zwar zwischen den Anschlüssen 10 und 12, ohne daß ein Abkappen stattfindet.

Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform, bei der ein p-Feldeffekttransistor verwendet wird. In Fig. 4 ist die Gate-Elektrode G des p-Feldeffekttransistors 41 mit der Elektrode 5 der pyroelektrischen Vorrichtung 2 verbunden, während andererseits die Elektrode 4 der pyroelektrischen Vorrichtung 2 mit den Widerständen 8 und 9 eines Erdungsanschlusses 12 verbunden ist. Dadurch, daß die pyroelektrische Vorrichtung 2 und die Impedanzwandlerschaltung, die aus den Widerständen 8 und 9 und dem p-Feldeffekttransistor 41 besteht, derart geschaltet sind, werden elektrische Signale, die der intermittierenden infraroten Strahlung entsprechen, vorzugsweise zwischen dem Anschluß 10 des Transistors 41 und dem Erdungsanschluß 12 abgegeben, ohne daß der Transistor 41 durch das Gleichstromsignal als Vorspannungssignal gesperrt wird, welches beim Betrieb von der pyroelektrischen Vorrichtung 2 in der gleichen Weise abgegeben wird, wie im vorstehenden Fall bei dem n-Feldeffekttransistor.

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Claims

Ja · OEUT?-Γ«Τ. · SCHÖN · HERTEL PATENTANWÄLTE DR. WOLFGANG MÜLLER-BORE (PATENTANWALTVON 1927-1975) DR. PAUL DEUFEL. DIPL.-CHEM. DR. ALFRED SCHÖN. DIPL.-CHEM. WERNER HERTEL. DIPL.-PHYS. Hl/Gei.-K 1332 2105.?$ KUREHA KAGAKU KOGYO KABUSHIKI KAISHA, Tokio / Japan Pyroelektrischer Infrarot-Detektor Patentansprüche

1. Pyroelektrischer Infrarot-Detektor, dadurch gekenn ζ e i ch η e t, daß die positive Elektrode einer pyroelektrischen Vorrichtung aus einem polymeren Material mit der Gate-Elektrode eines n-Feldeffekttransistors verbunden ist oder daß die negative Elektrode der pyroelektrischen Vorrichtung mit der Gate-Elektrode eines p-Feldeffekttransistors verbunden ist.

2. Infrarot-Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die pyroelektrisehe Vorrichtung einen Film aufweist und Elektroden, die auf beiden Seiten des Filmes befestigt sind.

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MÜNCHEN" 86- SIEBERTSTH. 4 · POSTFACH 860720 · KABEL: MTTEBOPAT · TEIi. (089) 474005 · TELEX 5-24235

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3. Infrarot-Detektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Film aus einem Polyvinylidenf luorid-Film besteht, der pyroelektrische Eigenschaften hat.

4. Infrarot-Detektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Film aus einem Polyvinylfluorid-Film besteht, der pyroelektrische Eigenschaften hat.

5. Infrarot-Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldeffekttransistor ein Übergangsschicht-Gate-Transistor ist.

6. Infrarot-Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldeffekttransistor als Source-Elektroden-Folgetransistor verwendet wird.

7. Infrarot-Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die pyroelektrische Vorrichtung und der Feldeffekttransistor in einem Gehäuse eingebaut sind.

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