DE2942242A1

DE2942242A1 - Pyroelektrischer detektor

Info

Publication number: DE2942242A1
Application number: DE19792942242
Authority: DE
Inventors: David Appleby
Original assignee: Plessey Handel und Investments AG
Current assignee: BAE Systems Electronics Ltd
Priority date: 1978-10-24
Filing date: 1979-10-18
Publication date: 1980-05-08
Also published as: CH646262A5; FR2440039A1; US4284888A; NL7907759A; DE2942242C2; FR2440039B3

Description

Din]. Ing. Hans-Jürgen V HU »τ Dr. nr. nat. Thomas Borcüüt

Dr. - Ing. Hans Leyh

Lucile-Grohr.-Stroße 33 0 β München 80

Unser Zeichen: A 14 Dr.Be/fi

PLESSEY HANDEL UND INVESTMENTS A.G. Gartenstrasse 2, CH-6300 Zug (Schweiz)

Pyroelektrischer Detektor

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Beschreibung

Das Prinzip der Verwenduny eines Infrarot-Detektors mit einem einzelnen konkaven Spiegel oder einem aus vielen Facetten bestehenden konkaven Spiegel ist an sich bekannt. Eine Weiterbildung dieses Gedankens wurde beschrieben, wobei ein pyroelektrischer Detektor mit zwei Elementen mit einem konkaven
Spiegel verwendet wird und dieser Detektor entweder zwei getrennte Elemente aufweist, die mit einem Differentialverstärker verbunden sind, oder ein Zwillingselement aufweir t,
das auf einer einzelnen Scheibe aus pyroelektrischem Mate rial aufgebaut ist, wobei die Flächen der Elemente von den El» Ktro gebildet werden, von denen wenigstens eine gegenüber der aufzuspürenden Strahlung transparent ist.

Beide beschriebenen Ausführungsformen besitzen erheblich.
Nachteile bei der praktischen Installierung, wie bei AIa: nvorrichtungen gegen Einbruch. Bei der Verwendung eines D< tektors aus einem einzelnen Element ist die Installation nicht nt r
gegenüber einstrahlender modulierter Infrarotstrahlung ei ofinulich, die von einem Eindringling hervorgebracht wird, dej sich durch eine vom Detektor bestrichenen Zone bewegt, sonden auch gegenüber direkter thermischer Einwirkung, die durch Zug aft, adiabatische Temperaturänderungen, die durch Luftdruckfli ctuat.ionen verursacht werden, und Erwärmungseffekte, die durch Schw. ikun<en des umgebenden Lichtes verursacht werden, hervorgebracht verdcn. Die Verwendung eines Detektors aus Zwillingselementen, w 2 si< beschrieben wurde, kann diese potentiellen Quellen von F» ilalarmen stark auf ein Minimum drücken. Wenn jedoch in dej
Praxis verwendete pyroelektrische Materialien, wie pyroe; 2ktr:- sehe keramische Stoffe oder Lithiumtantalat verwendet wei len, kann eine ausreichend hohe Aufspürempfindlichkeit nicht 1 iichi erreicht werden, wenn transparente Elektroden verwendet vorder ,

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damit Umwelteinflüsse zu voller Zufriedenheit ausgeschaltet werden.

Es muß bemerkt werden, daß die Aufspürempfindlichkeit eines Teils eines derartigen Zwillingselements wenigstens einen Faktor von y2 niedriger hat als ein einzelnes Element der gleichen Größe mit äquivalenter Auslegung. Außerdem ist es erwünscht, daß beide Teile des Zwillingselements gegenüber einstrahlender Infrarotstrahlung aktiv sein sollten, da dies die Zonenbestreichung, verglichen mit einem Detektor mit einem Einzelelement, in wirksamer Weise verdoppeln kann. Hierdurch können auch nicht lokalisierte Änderungen der einstrahlenden Infrarotstrahlen innerhalb des Gesichtsbereichs der Installation ausgeschaltet werden, obwohl dieser Effekt von sekundärer Bedeutung ist. Der primäre Nachteil einer Konstruktion, bei welcher beide Teile des Zwillingselements ansprechbar sind, besteht darin, daß bei kurzen Entfernungen ein Eindringling gleichzeitig beide Gesichtsfelder ausfüllen kann und hierdurch ein Ausgangssignal von nahe Null hervorbringt, wodurch der Eindringling unentdeckt bleiben kann.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines pyroelektrischen Detektors, der geeignet ist, bei passiven Infrarot-Alarmeinrichtungen gegen Eindringlinge verwendet zu werden, und welcher im Prinzip im wesentlichen eine volle Ausschaltung von Umwelteinflüssen beim Detektor gestattet, während er für die Zwecke des Aufspürens von Infrarotstrahlung teilweise unausgeglichen ist und eine ausreichende Aufspürleistung als Ergebnis verbesserter Absorption von Infrarotstrahlung besitzt.

Der pyroelektrische Detektor gemäß der Erfindung, enthaltend ein Element aus pyroelektrischein Material mit zwei Bereichen, ist dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Bereiche parallel

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zueinander geschaltet sind, wobei der eine Bereich gegenüber Infrarotstrahlung aktiv und der andere gegenüber Infrarotstrahlung relativ inaktiv ist, und daß ein dritter Bereich vorhanden ist, der gegenüber den anderen beiden Bereichen in Reihe geschaltet ist und entgegengesetzt polarisiert und gegenüber Infrarotstrahlung aktiv ist.

Vorzugsweise ist die Fläche des dritten Bereichs praktisch gleich der kombinierten Fläche der beiden ersten Bereiche.

Vorzugsweise sind die Bereiche der Elemente, die gegenüber Infrarotstrahlung aktiv sind, mit einer Infrarotstrahlung absorbierenden Beschichtung versehen.

Die Beschichtung kann aus Platinschwarz bestehen, das elektrochemisch aufgebracht ist.

Vorzugsweise besitzt jeder Bereich aus dem pyroelektrischen Material eine praktisch konstante Dicke bzw. Stärke und alle drei Bereiche haben vorzugsweise im wesentlichen die gleiche Stärke.

Vorzugsweise ist der Bereich des Elements, der relativ inaktiv gegenüber Infrarotstrahlung ist, mit einer nicht-transparenten Elektrode versehen, die gegenüber Infrarotstrahlung stark reflektiert.

Die nicht-transparente Elektrode kann aus einer Schicht von aufgedampftem Nichrom und Gold bestehen.

Das pyroelektrische Material des Elements kann ein keramisches Material, wie Bleizirkonat-Eisenniobat oder ein Einkristall, wie Lithiumtantalat, sein.

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Vorzugsweise sind die drei Bereiche des Elements unter Anwendung gleicher thermischer Isolierung vom Gehäuse des Detektors aufmontiert.

Vorzugsweise besitzen die Bereiche des Elements, die gegenüber Infrarotstrahlung aktiv sind, ein Flächenverhältnis von etwa 3:2.

Die Erfindung umfaßt auch einen pyroelektrischen Detektor, wie oben genannt, der einen konkaven Spiegel oder einen aus vielen Facetten zusammengesetzten konkaven Spiegel aufweist, um eine erhöhte Flächenbestreichung des Detektors zu schaffen.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird nun als Beispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine Aufsicht auf einen pyroelektrischen Detektor gemäß der Erfindung, der geeignet ist für die Anwendung bei passiven Infrarot-Einbruchsalarmvorrichtungen,

Fig. 2 einen Querschnitt durch die Linie 2-2 von Fig. 1,

Fig. 3 eine vergrößerte Aufsicht auf ein Element aus pyroelektrischem Material, das im Detektor verwendet wird und

Fig. 4 ein äquivalentes Schaltungsdiagramm des Detektors.

Bei dem pyroelektrischen Element 13 sind drei definierte aktive Flächen (A1, A2 und B) vorgesehen, wobei das Element aus einer Scheibe aus pyroelektrischem Material besteht. Die Scheibe wird durch ein isolierendes Substrat 14 gestützt,

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das so ausgelegt ist, daß eine angemessene mechanische Stütze für das pyroelektrische Material und die Verbindungsflächen vorhanden ist und eine maximale thermische Isolierung der aktiven Flächen A1, A2 und B von einem Transistorkopf 15 vorgesehen ist, auf welchem das Element 13 aufgesetzt ist. Die Flächen A1 und B sind mittels einer Infrarotstrahlung absorbierenden Beschichtung 16 aktiv gegenüber Infrarotstrahlung und sind in Fig. 3 schraffiert dargestellt.

Der Teil A2 ist relativ inaktiv, da eine Beschichtung nicht vorhanden ist, wobei Infrarotstrahlung von der Fläche einer aufgesetzten Elektrode 21 reflektiert wird. Ein Verbindungs-F.E.T.-Chip 17 ist mittels eines Epoxydharzes an ein Verbindungsstück 25 geklebt, welches eine Leitungsverbindung 23 mit der Beschichtung 16 auf der Fläche A1 und eine Verbindung mit der Elektrode 21 aufweist. Das Gatter 20 des F.E.T.-Chips ist mit dem Verbindungsstück 25 verbunden und das Chip arbeitet als Impedanzwandler, wobei der Quellwiderstand und die Abflußverbindung mittels Drähten 28 und 29 zu Kopfklemmen 18 bzw. 22 hergestellt werden. Ein Widerstand 19 mit hohem Wert schafft einen Widerstand gegen Streuverluste am Transistorkopf 15, welcher geerdet ist, um an das Gatter 20 des F.E.T.-Chips eine Vorspannung zu legen.

Eine weitere Elektrode 12 an der Rückseite des Elements 13 (dargestellt als punktierte Fläche von Fig. 3) verbindet die Flächen A1 und A2 mit der Fläche B. Eine Elektrode 11 an der oberen Fläche des Elements 13 hat eine Verbindung 24 mit der Beschichtung 16 der Fläche B und ist mit dem Transistorkopf verbunden, der mit einem Draht 27 geerdet ist.

Der gesamte Aufbau ist hermetisch in einem Gehäuse eingeschlossen, das ein Fenster aufweist, welches Infrarotstrahlung durchläßt (nicht dargestellt).

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In der Praxis kann das Elektrodenmaterial der Elektroden 11, 12 und 21 aus aufgedampftem Nichrom und Gold bestehen und die Infrarotstrahlung absorbierenden Beschichtungen 16 können aus elektrochemisch aufgebrachtem Platinschwarz bestehen. Das Substrat 14 kann jedes geeignete Material geringer thermischer Leitfähigkeit sein, z.B. aus Kunststoff oder Glas bestehen. Das Material des pyroelektrischen Elements kann ein keramisches Material, wie Bleizirkonat-Eisenniobat oder ein Einkristall, wie Lithiumtantalat sein. Ein pyroelektrisches Material mit einem eigengeregelten hohen spezifischen Widerstand, wie leitende Bleizirkonat-Eisenniobat-Keramik für pyroelektrische Zwecke (GB-PS 1 514 472) kann auch verwendet werden. In diesem Fall sollte der Chip-Widerstand 19 abwesend sein. Die Polarisierung der Flächen des Elements 13, wie dies durch die Pfeile in Fig. 4 dargestellt ist, könnte leicht durch Verwendung einer vorpolarisierten Scheibe aus pyroelektrischem Material zur Herstellung des Elements erreicht werden.

Die Elektrodenflächen, die in Fig. 1 dargestellt sind, können zur Verwendung in einem passiven Infrarot-Einbruchsalarmgerät entweder mit einem einzelnen konkaven Spiegel mit einer Brennweite von etwa 40 mm oder mit einem Spiegel mit vielen Facetten, z.B. mit neun Zonen einer Brennweite von 30 mm im Winkelabstand von 11,5° geeignet sein. Die für den Detektor aktiven Flächen in einem solchen mehrzonigen System würden jede Spiegelzone in etwa gleicher Weise aufspalten, wobei zwei Unter-Zonen gebildet werden, die einen gesamten Bestreichungswinkel von etwa 100° ergeben.

Es ist wichtig, daß die drei aktiven Bereiche A1, A2 und ü in einer solchen Vorrichtung derart aufgebracht sind, daß sie eine ähnliche Amplitude und einen Phasengang besitzen, der auf niederfrequente thermische Änderungen anspricht, die durch das

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Detektorgehäuse und das Substrat des Elements 14 durchgeleitet werden, um soweit wie möglich Umgebungsänderungen am Detektor auszulöschen. In der Praxis würde die Auslegung des Substrats und des Elements 13 optimiert werden, um dieses Ziel zu erreichen.

Der Grad der Unausgeglichenheit zwischen den Flächen A1 und des Elements, die auf Infrarotstrahlung ansprechen, sollte derart sein, daß eine zufriedenstellende Empfindlichkeit durch diese Flächen zum Aufspüren bei langen Reichweiten beibehalten wird, wobei jedoch ein ausreichend großes Differenzsignal zur Aufspürung bei kurzen Reichweiten erzeugt werden kann. Ein typisches Verhältnis der Flächen B zu A1 von etwa 3:2 würde für diese Zwecke ausreichend sein und typische Größen für diese Flächen könnten 3 mm für B

und 2 mm für A1 betragen, die etwa im Abstand von 3 mm voneinander angeordnet sind.

Die relativen Flächen der jeweiligen Bereiche des Elements sind nicht so wichtig wie die Parameter des pyroelektrischen Materials und die Dicke des pyroelektrischen Materials. Es ist wichtig, daß die Materialparameter und die Dicke der Scheibe aus pyroelektrischem Material relativ konstant über alle drei Bereiche des Elements sind, so daß die Spannung, die von den drei Bereichen entwickelt wird, praktisch gleich ist.

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Λ2,

Leerseite

Claims

Patentansprüche

1. Pyroelektrischer Detektor, enthaltend ein Element aus

pyroelektrischem Material, welches zwei Bereiche hat, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden Bereiche (A1, A2) parallel zueinander geschaltet sind, wobei der eine Bereich (A1) gegenüber Infrarotstrahlung aktiv ist und der andere Bereich (A2) gegenüber Infrarotstrahlung relativ inaktiv ist, und daß ein dritter Bereich (B) vorhanden ist, der zu den beiden anderen Bereichen in Reihe geschaltet ist und entgegengesetzt polarisiert und gegenüber Infrarotstrahlung aktiv ist.

2. Pyroelektrischer Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Fläche des dritten Bereichs (B) praktisch gleich der kombinierten Fläche der beiden anderen Bereiche (A1, A2) ist.

3. Pyroelektrischer Detektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß jeder Bereich (A1, B) des Elements (13), das gegenüber Infrastrahlung aktiv ist, mit einer Infrarotstrahlung absorbierenden Beschichtung (16) versehen ist.

4. Pyroelektrischer Detektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Beschichtung (16) aus elektrochemisch aufgebrachtem Platinschwarz besteht.

5. Pyroelektrischer Detektor nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet , daß jeder der Bereiche (A1, A2, B) des pyroelektrischen Materials (13) eine praktisch konstante Dicke besitzt.

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• a-

6. Pyroelektrischer Detektor nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet , daß alle drei Bereiche (A1, A2, B) praktisch die gleiche Dicke besitzen.

7. Pyroelektrischer Detektor nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet , daß der Bereich (A2) desjenigen Elements, das gegenüber Infrarotstrahlung relativ inaktiv ist, mit einer nichttransparenten Elektrode (21) versehen ist, die gegenüber Infrarotstrahlung stark reflektierend wirkt.

8. Pyroelektrischer Detektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die nicht-transparente Elektrode (21) eine Schicht von aufgedampftem Nichrom und Gold aufweist.

9. Pyroelektrischer Detektor nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß das pyroelektrische Material des Elements (13) ein keramisches Material ist.

10. Pyroelektrischer Detektor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß das keramische Material Bleizirkonat-Eisenniobat ist.

11. Pyroelektrischer Detektor nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet , daß das pyroelektrische Material ein Einkristall ist.

12. Pyroelektrischer Detektor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß der Einkristall aus Lithiumtantalat besteht.

13. Pyroelektrischer Detektor nach den vorhergehenden Ansprüchen,

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dadurch gekennzeichnet, daß die drei Bereiche (Λ1 , Λ2, Ii) des Elements (13) unter Verwenduny ähnlicher thermischer Isolierung (14) vom Gehäuse (1L>) des Detektors aufgebaut sind.

14. Pyroelektrischer Detektor nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet , daß die Bereiche des Elements, die gegenüber Infrarotstrahlung aktiv sind (A1, B) ein Flächenverhältnis von etwa 3:2 besitzen.

15. Pyroelektrischer Detektor nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet , daß er mit einem konkaven Spiegel oder einem aus vielen Facetten bestehenden konkaven Spiegel ausgerüstet ist, um eine größere Flächenbestreichung des Detektors zu gestatten.

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