SE432155B - Kopplingsanordning med ett stralningsdetektorelement av pyroelktriskt material - Google Patents

Description

78014-285-0 o och även mot den hastighet, med vilken polarisationsladdningen ändrar sig =É ÉÉ IAatAat' Pyroelektriska element av beskriven typ användes såsom infrarödstrålningsdetek- torer tillsammans med förstärkarorgan. Dessa detektorer kan arbeta så att den er- hållna signalen från förstärkarorganen är direkt relaterad till ändringar i den in- fallande strålningen på elementet. I en annan arbetsmod avbrytes den infallande strålningen med en fast frekvens och den avledda signalen blir en konstant växel- strömsspänning med denna frekvens. En viktig parameter i en detektoranordning inne- fattande ett detektorelement och tillhörande förstärkarorgan är det brus, som kan uppstå från olika källor innefattande temperatur- eller strålningsbrus, Johnson-brus i kristallen, strömbrus i förstärkarorganen och spänningsbrus i förstärkarorganen.

Ett inneboende problem som uppträder vid användning av pyroelektriaka element för detektering av en liten signalstrâlning är effekten av stora ej önskade ingångs- signalstrålningsändringar, t.ex. ändringen i styrka hos solstrålning vid övergång till förhållanden med molnighet, på utgångskretsen och även inverkan av en stadig ändring i temperaturen av storleken 1°C per minut eller även mindre. Då elementet är en anordning med relativt hög impedans är det vanligt att anordna ett fälteffekt- transistorförförstärkarsteg, som bildar en del av den externa kretsen, i närheten av detektorelementet och vid en sådan plötslig ändring i ingångsstrålningen eller vid en stadig ändring i temperaturen av nämnda storleksordning kommer fälteffekttransís- torföríörstärkarsteget att bli mättat. Problemet att begränsa den spänningsökning, som alstras under de nämnda omständigheterna, är att varje element som införas i den externa kretsen inte får ge upphov till en brusfaktor som överstiger den inneboende brusfaktorn i detektorelementet självt.

De flesta försök att reducera mättningseffekten har hittills varit baserade på att reducera värdet på ett högt grindläckmotstând som, är anslutet över detektorele- mentet, och att således reducera lågfrekvenskänsligheten. Denna metod har den grund- läggande naçkdelen av,att öka detektorns brus.

.En kopplingsanordning enligt uppfinningen kännetecknas av ett strålningsdetek- jorelement av pyroelektriskt material, Fälteffekttransistorförstärkarorgan anslutna till detektorelementet och minst en olinjär anordning med ultralåg läckning, vilken anordning har ett motstånd överstigande ett värde av 10 gigaohm enbart mellan noll och ungefär l/2 volts förspänning och är inkopplad i den krets som innehåller fält- effekttransistorförstärkarorganens grindelektrod och detektorelementet, vilken olin- jära anordning tjänar att begränsa variationen i en riktning av ingångssignalen till fälteffekttransistorförstärkarorganen och därigenom förhindra mättning under förhål- landen med stora transienter i ingångsstrålningen eller under förhållanden med pro- gressiva ändringar i ingångsstrålning med låg styrka. ß '78014285-0 I en sådan kopplingsanordning i vilken det pyroelektriska elementet, den olin- I jära anordningen samt fälteffekttransistorförstärkarorganen kan vara utförda i form av diskreta kretselement, som är individuellt inkopplade, eller åtminstone delvis i' form av en hybridmikrokrets, såsom kommer att förklaras i det efterföljande, åstad- kommer den nämnda olinjära anordningen en begränsning av den signal som tas emot av fälteffekttransistorförstärkarorganen under de flesta av de nämnda förhållandena, då hittills mättning i förstärkarorganen har inträffat.

Med en olinjär anordning med ultralâg läckning skall härvid förstås att anord- ningens ström i motriktningen vid en motriktad förspänning av 0,5V skall vara mindre än 20 pA och att anordningens dynamiska motstånd vid förspänningen 0 skall vara större än 109 ohm. Uppfinningen är baserad på att det hittills inte varit möjligt att införa spänningsbegränsande anordningar över det pyroelektriska elementet till följd av att sådana anordningars läckströmmar skulle generera oacceptabelt brus, eller alternativt uttryckt att anordningarnas begränsande impedans är otillräckligt hög för att förhindra försämring till följd av brus som är tillordnat en_sådan impe- dans, men med användning av vissa olinjära anordningar med ultralâg läckning, såsom kommer att beskrivas i detalj i det efterföljande, och med ett inre motstånd som överstiger 1O1oohm vid låga förspänningsnivåer blir problemet med det brus, som är tillordnat ett sådant motstånd, inte längre dominerande och kan accepteras med hän- syn till de fördelar som erhålles genom att förhindra uppträdandet av mättning i fälteffekttransistorförstärkarorganen. Vidare gör anordnandet av den olinjära anord- ningen med pltralåg läckning det inte längre nödvändigt att anordna ett grindläck- motstånd över elementet och detta kan möjliggöra en kostnadsbesparing vid framställ- ningen av vissa detektoranordningar, såsom kommer att beskrivas i det efterföljande.

I vanligen föredragna utföringsfbrmer av anordningen finns ett par diodelement med ultralåg läckning i nämnda krets som innehåller fälteffekttransistorförstärkar- organens grindelektrod och detektorelementet, vilka diodelement är inkopplade i mot- satt riktning och därigenom tjänar att begränsa variationen både i nämnda ena_rikt- ning ooh i den motsatta riktningen. Vidare bildas företrädesvis nämnda par av diod- element av parallellt inkoppiade pn dioder. I en modifikation är emellertid nämnda par av diodelement utbildade som seriekopplade Schottky-diodelement.

Som ett alternativ är det möjligt att-använda två Schottky-dioder vilka är 'kopplade anti-parallellt.

Andra möjligheter för den olinjära anordningen med ultralåg läckning innefattar användning av en eller flera back-dioder eller en eller flera dioder som utgöres av spërrskiktsfälteffekttransistorkonstruktioner i vilka emitter- och kollektorelektro- derna är sammankopplade. n Vid användning av pn-dioder med ultralâg läckning är det givetvis möjligt att koppla dioderna i serie i motsatta riktningar. Det observeras emellertid att den ?a042s5-o . signalbegränsande efftekten kanske inte blir dominefande vid seriekoppling om genom- brottsspänningen i backriktningen är hög.

Vid användning av två diodelement är det inte | alla tillämpningar väsentligt att de individuella diodelementen har identiska karakteristiker. I vissa fall kan det således vara möjligt att använda olika typer av diodelemant i paret av element.

En utföringsform av kopplingsanordningen enligt uppfinningen vilken ingår i en strålningsdetektor, kännetecknas av ett hölje, ett element av pyroelektriskt mate- rial som är beläget inuti höljet så att det kan ta emot strålning som skall detek- teras, vilket element har första och andra elektroder, ett spärrskiktsfälteffekt- transistorelement beläget inuti höljet och med sin grindelektrod ansluten till den första elektroden på elementet av pyroelektriskt material, minst en olinjär anord- ning med ultralåg läckning belägen inuti höljet och elektriskt ansluten mellan nämn- da första elektrod och en anslutning som sträcker sig från höljet, varvid fälteffekt- transistorns emitter- och kollektorelektroder är förbundna med anslutningar som går från höljet, och att den andra elektroden på elementet av pyroelektriskt material är förbunden med en anslutning som går från höljet.

En sådan anordning som i vissa utföringsformer som kommer att beskrivas i det efterföljande har tre anslutningsklämmor och i vissa andra utföringsformer som ock- så kommer att beskrivas i det efterföljande har fyra anslutningsklämmor och kan vara utförd i form av en hybridmikrokrets har en väsentlig fördel, inte bara vad gäller kopplingen, såsom redan har beskrivits i samband med den första aspekten av uppfinningen, utan också vad gäller strukturen. I synnerhet genom att anbringa fälteffekttransistorelementet och den olinjära anordningen med ultralåg läckning i samma hölje som det pyroelektriska elementet behöver eventuella problem med im- pedansanpassning och anpassning av fälteffekttransistorkarakteristiken till det pyroelektriska elementets karakteristik inte uppkomma. Genom att anordna elementen i ett gemensamt hölje reduceras vidare problem med elektrisk störning.

Utföringsformer av uppfinningen kommer nu att beskrivas såsom exempel med hänvisning till bifogade ritningar, där fig 1 visar ett kopplingsschema för en anord- ning enligt den andra aspekten av uppfinningen och bildande ett arrangemang enligt den första aspekten av uppfinningen, fig 2 visar en perspektivvy av en detektoran- ordning av den form som finns i kopplingsanordningen enligt fig 1, fig 3 visar ett kopplingsschema för ett annat arrangemang enligt den första aspekten av upp- finningen, fig Ä visar ett kopplingsschema för en annan anordning enligt den an- dra aspekten av uppfinningen och utgörande ett arrangemang enligt den första aspek- ten av uppfinningen, fig 5 visar ett kopplingsschema för ett annat arrangemang en- ligt den första aspekten av uppfinningen och fig 6 visar ett kopplingsschema för en annan anordning enligt den andra aspekten av uppfinningen och utgörande tt arrangemang enligt den första aspekten av uppfinningen. 7804285-0 Det i fig l visade kopplingsschemat gäller för en anordning som inne- fattar ett detektorelement l av pyroelektriskt material, i föreliggande fall av PLMZT (bly-zirkonat-titanat med lantan och mangan som dopmedel) och är visad såsom en kondensator. För detaljer avseende den pyroelektriska materialsamman- sättningen hänvisas till brittiska patentet GB 1504283. lnkopplade över ele- mentets l elektrodanslutningar är två diodelement 2 och 3 med ultralåg läckning.

Dessa dioder är inkopplade i motsatta riktningar och utgöres i föreliggande ut- föringsform av okapslade pn-diodskivor i en form som normalt finns i Mullards Picoampere dioder typ BAV 45, vilka skivor finns i samma hölje som elementet l.

Inom uppfínningens ram ligger emellertid också en koppling i vilken diodelemen- ten bildas av kommersiellt tillgängliga inkapslade dioder, t.ex. dioder BAV 45 eller av typ DPADl, DPAD2 eller DPAD5 antingen i eller utanför det hölje i vilket det pyroelektriska elementet finns.

En elektrod på elementet 1 är ansluten till grindelektroden i ett spärr- skiktsfälteffekttransistor(JFET)-element 4. I denna utföringsform har JFET-ele- mentet 4 formen av en oinkapslad skiva av en form som normalt förefinnes i seri- erna BF 800-805 och ligger också inuti samma hölje som elementet 1. Inom uppfin- ningens ram ligger emellertid också en koppling i vilken JFET-elementet har for- men av en kommersiellt tillgänglig inkapslad JFET och ligger antingen inuti eller utanför det hölje som innehåller det pyroelektriska elementet.

I föreliggande utföringsform är det pyroelektriska elementet 1, diodelementen 2 och 3 och JFET-elementet 4 anordnade såsom en hybridmikrokrets i ett gemensamt hölje och med tre anslutningsklämmor betecknade 6,7 och 8 i fig 1, varvid klämmorna 6 och 7 är kollektor-respektive emitterklämman på JFET-elementet och klämman 8 går till den andra elektroden på det pyroelektriska elementet 1- . , Vid användning i en komplett kopplingsanordning bildar JFET-elementet ingången till förstärkarorgan, i vilka den höga impedansen på ingångssidan omvandlas till en _ konventionellt låg utgångsímpedans.

Dioderna 2 och 3 tjänar att begränsa ingångssignalen till JFET-elementets' grindelektrod då den ingångsstrålning för, vilken detektorelementet är känsligt, är sådan att en mycket snabb ändring 1 elementets temperatur inträffar eller en stadig ändring i temperaturen med en låg hastighet inträffar och därigenom.förhindrar mätt- ning i förstärkarorganen. Hed de speéiella beskrivna diodelementen kommer spännings- avvikelserna hos elementet att begränsas till ungefär 19,3 volt omkring fortfa- righetstillstândsvärdet. I fallet med relativt långsamma fortgående ändringar i tem- peraturen, t.ex. ändringar som närmar sig 100 per minut eller mera, kommer detek- torn trots att det är ett väsentligt bidrag till bruset till följd av dioderna fort- farande att fungere_sâ ätt iörstärkarorganen"inte mättes, såsom skulle varit fallet om dioderna inte funnits. 7804285-0 f, I fig 2 visas en perspektivvy av en detektoranordning enligt kopplingsschemat i fig 1. Anordningen innefattar ett hölje med en stomme 21 med tre ledningar i TO-S form, som vanligen användes inom halvledartekniken, varvid en ledare 22 är ansluten till stommens metalldel och ledningar 23 och 24 sträcker sig såsom anslutningsstift genom nämnda metalldel och 'år isolerade från densamma genom tätningar metall-till- glas. Stommens metalldel är guldpläterad och på den 'övre ytan 25 finns att U-format plintelement 26 med en tjocklek av ungefär 1 mm och bestående av ett keramiskt mate- rial med en guldbelagd yta. Plintelementet 26 bildar' en bärare för en pyroelektrisk kristall av PLMZT med en tjocklek av ungefär 35 mikron och huvudytor av ungefär 3,5 mm x 3,5 mm. På den undre ytan av elementet 27 finns en elektrod av mikron vilken bildar elektrisk förbindelse med guldbeläggningen på plinten 26 och således med led- ningen 22. På den 'övre ytan av elementet 27 finns en elektrod 28 av nikrom med en generellt rektangulär del på 2,0 mm x 2,0 mm och en mindre rektangulär del 29 uppgå- ende till 0,4 mm x 0,6 mm vid ett hörn. På ytanav delen 29 av elektroden 25 är en JFET-slclva 30 fäst medelst ett ledande epoxiharts. I skivan 30 bildar substratet en del 'av grindelektroden och på den 'övre ytan finns emitter- kollektor- och grind- elektrodelement. Ehnitter- och kollektorelementen 'år anslutna genom trådar 32 och 33 av guld med en diameter av 25 mikron till de övre ytorna av de pelare som bildas av ledningarna 23 och 24. Grindelementet är genom en liknande tråd 34 anslutet till ena sidan av ett diodelement, såsom kommer att beskrivas i det efterföljande.

Nära intill plintelementet 26 finns två keramiska bärare 37 och 38 av storleken 1 mm x 1 mm och 0,3 mm tjocklek, vilka är fästa på ytan 25 av delen 21 genom ett epoxiharts. De 'övre ytorna av bärarna' 37 och 38 'ar metalliserade med guld. Diod- skivor 39 och 40 är fästa genom silver-epoxisldkt vid de metalliserade ytorna av bärarna 36 respektive 37. Dessa diodsldvor vilka är de som 'normal-t användes i Mullards typ BAV 45 har vardera huvudelektroder belägna på motsatta ytor, Trådar 43 och 44 förbinder dioderna i en parallellkrets med motriktade dioder. En annan tråd 45 finns mellan den metalliserade ytan på bäraren 38 och ytan 25 av metalldelen 21.

I praktiken 'år anordningen kompletterad med metallmantel, som 'år fastsvetsad vid kanten av delen 21 och har en fónsterdel, som tillåter passage av strålning som skall-avkännas inom det önskade våglängdsområdet och som faller in mot den 'övre ytan av PIHZT-elementet 27. ' I tidigare kända detektorer med ett pyroelektriskt element, ett JFET-element een ett grinaläemetetåna på 3 x 101 °ehm inträffade mättning i förstärkaren för så låga temperaturändringshastigheter som 0,1°C per minut, medan det med en detektor a_v den i anslutning till fig 2 beskrivna formen inte har visat sig möjligt att åstadkomma mättning i förstärkaren vid temperaturändringshastigheter på 306 per minut och mera.

"I 730428547 Fig 3 visar en kopplingsanordning enligt den första aspekten av uppfinningen innefattande ett pyroelektriskt element 31, diodelement 32 och 33, fälteffekttran- sistorförstärkarorgan 34 samt motstånd R, och R2. I denna krets kan elementen 31,32 och 33, som tillsammans med ett JFET-element bildar en del av de schematiskt visade förstärkarorganen 34, utgöras av en anordning av den form som tidigare be- skrivits i anslutning till fig 1 och 2. Alternativt kan separata komponenter använ- das, varvid t.ex. elementen 31,32 och 33 med avseende på egenskaperna huvudsakligen svarar mot elementen 1,2 och 3 i fig 1.

I den i fig 4 visade kopplingsanordningen svarar ett pyroelektriskt element 51, diodelement 52 och 53 samt ett JFET-element exakt mot de element, som finns i den i fig 2 visade detektoranordningen. Kretsanslutningen är emellertid annorlunda i den meningen att den inkapslade anordningen innefattande nämnda element nu har fyra klämmer 56-59. Klämmorna 56,57 och 58 svarar mot klämmorna 6,7 och 8 i fig 1 och ledningarna 24,23 och 22 i fig 2. Den fjärde klämman 59 är ansluten till ena sidan _ av dioderna 52 och 53 och förbindningarna inuti detektoranordningen innefattande elementen 51-54 är på motsvarande sätt modifierade jämfört med de som är visade i fig 2. _ Dessutom är en kondensator 55 ansluten parallellt med dioderna. Detta arrange- mang gör det möjligt för dioderna och kondensatorn, vilken i vissa utföringsfbrmer kan utelämnas, att anordnas i en återkopplingsväg mellan utgângssidan av ett för- stärkarsteg och det pyroelektriska elementet. Ett kopplingsarrangemang som kan inne- fatta en sådan detektoranordning av den i fig 4 visade formen är visad i fig 5. I denna krets finns JFET-elementet i den schematiskt visade förstärkaren 64.

Kondensatorn 55 då den finns i en anordning enligt fig 4 och/eller en anordning enligt fig 5 användes för att ställa in förstärkningsfaktorn för JFET- förförstärka- ren och detektorkombinationen i samverkan med H1 och R2 (fig 5). I detta ar- rangemant ufiprätthålles spänningen över elementet 51 på O volt. Detta kan ha förde- len av att reducera brus från elementet.

Likspänningsnivân på utgången är proportionell mot logaritmen av modulen av' temperaturändringshastigheten. Detta gör det möjligt att avkönna ett stort omrâde av temperaturändringshastigheter. I en modifierad form då kondensatorn 55 är ersatt med ett högt motstånd kommer växelströmsutgångsspänningen att vara oberoende av frekven- sen upp till gränsfrekvensen, som är given av âterkopplingskomponenterna.

I den i fig 6 visade utföringsformen innefattar strålningsdetektoranordningen ett pyroelektriskt element 71, två seriekopplade Schottky-diodelement 72 och 73 samt ett JFET-element 74. Anordningen har bara tre klämmer 76,77 och 78 och är utförd i form av en hybridmikrokrets liknande den i fig 2 visade anordningen.Schottky-elemen- ten 72 och 73 är seriekopplade rygg mot rygg över elementet 71.

Användningen av seriekopylade Schottky-dioder istället för parallellkopplade

Claims (12)

1. 'ßßli-ZSS-O e Patentkrav l. Kopplingsanordning k ä n n e t e c k n a d av ett strålningsdetektor- element av pyroelektriskt material, fälteffekttransistorförstärkarorgan an- slutna till detektorelementet och minst en olinjär anordning med ultralåg iäckning, vilken anordning har ett motstånd överstigande ett värde av 10 giga- ohm enbart mellan noll och ungefär 1/2 volts förspänning och är inkopplad i den krets som innehåller fälteffekttransistorförstärkarorganens grindelektrod och detektorelementet, vilken olinjära anordning tjänar att begränsa varia- tionen i en riktning av ingångssignalen till fälteffekttransistorförstärkar- organen och därigenom förhindra mättning under förhållanden med stora tran- sienter 1 ingångsstrålningen eller under förhållanden med progressiva ändringar i ingångsstrålning med låg styrka.

2. Kopplingsanordning enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d av att ett par olinjära anordningar i form av diodelement med ultralåg läckning finns i nämnda krets som innehåller fälteffektransistorförstärkarorganens grindelektrod och detektorelementet, vilka diodelement är inkopplade i mot- satt riktning och därigenom tjänar att begränsa variationen både i nämnda ena riktning och i den motsatta riktningen.

3. Kopplingsanordning enligt patentkravet 2, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda par av diodelement bildas av parallellkopplade pn diodelement. Ä.

4. Kopplingsanordning enligt patentkravet 2, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda par av diodelement bildas av seriekopplade Schottky-diodelement.

5. Kopplingsanordning enligt patentkravet 3, k ä n n e t e c k n a d av att diodelementen är kopplade parallellt över detektorelementets elektrodan- slutningar, varvid en av nämnda elektroder är ansluten direkt till fälteffekt- transistororganens grindelektrod.

6. Kopplingsanordning enligt patentkravet 5, k á n n e t e c k n a d av att de parallellkopplade diodelementen finns i en återkopplingsväg mellan ett förstärkarstegs utgångssida och detektorelementet, vilket nämnda förstärkar- steg innehåller fälteffekttransistorförstärkarorganen vid sin ingångssida.

7. Kopplingsanordning enligt patentkravet l ingående i en strålningsdetek- tor k ä n n e t e c k n a d av ett hölje, ett element av pyroelektriskt magerial beläget inuti höljet så att det kan ta emot strålning som skall detekteras, vilket element har första och andra elektroder, ett spärrskiktsrälteffekttransis- torelement beläget i höljet och med sin grindelektrod ansluten till den första elektroden på elementet av pyroelektriskt material, minst en olinjär anordning med ultralåg läckning belägen inuti höljet och elektriskt anslu- ten mellan nämnda första elektrod och en anslutning som sträcker sig från höljet, varvid fälteffekttransistorns emitter- och kollektorelektroder är förbundna med anslutningar som går från höljet och den andra elektroden på elementet av pyroelektriskt material är förbunden med en anslutning som går från höljet.

8. Kopplingsanordning enligt patentkraven 7 och 2, k ä n n e t e c k n a d av att ett par olínjära anordningar i form av pn-skiktdiodelement med ultra- låg läckning är belägna inuti höljet och elektriskt anslutna parallellt i motsatt riktning mellan den första elektroden på elementet av pyroelektriskt material och en anslutning som går från höljet.

9. Kopplingsanordning enligt patentkravet 8, k ä n n e t e c k n a d av att de anti- parallellt anordnade dioderna är inkopplade mellan nämnda första elektrod och en anslutning som vidare är förbunden med den andra elektroden på elementet av pyroelektriskt material.

10. l0. Kopplingsanordning enligt patentkraven 7 och 4, k ä n n e t e c k n a d av att ett par olinjära anordningar i form av Schottky-diodelement med ultralåg läckning är belägna inuti höljet och anslutna i serie mellan den första elektroden på elementet av pyroelektriskt material och en anslutning som vidare är förbunden med den andra elektroden på elementet av pyroelekt- riskt material.

11. ll. Kopplingsanordning enligt patentkravet 9, k ä n n e t e c k n a d av att den första elektroden ligger på en yta av elementet av pyroelektriskt material och att transistorelementet har formen av en skiva som är monterad på en del av nämnda första elektrod, medan substratet i skivan bildar en grindelektrod i transistorn.

12. Kopplingsanordning enligt patentkravet 9, k ä n n e t e c k n a d av att diodelementen förefinnes såsom individuella skivor på minst en bärkropp som är belägen inuti höljet.