-
Widerstandsbolometer mit selektiver Empfindlichkeit Die Erfindung
betrifft ein Widerstandsbolometer mit selektiver Empfindlichkeit, das einen Thermistor,
eine diesem vorgeschaltete Wärmesenke, eine gleichförmige Schicht aus einem Material
geringerWärmeleitfähigkeit zwischen dem Thermistor und der Wärmesenke und eine selektiv
absorbierende Schicht aufweist.
-
Widerstands- oder Thermistorbolometer werden mit großem Erfolg in
Detektoren verwendet, die im mittleren und entfernten Infraroten Verwendung finden.
Diese Bolometer besitzen den großen Vorteil, daß sie nicht auf bestimmte Bereiche
des infraroten Spektralbereichs beschränkt sind. Sie sind ebenfalls im fernen Infraroten
brauchbar, das den Photodetektoren nicht zugänglich ist.
-
Das allgemein für wärmeempfindliche Widerstände verwendete Material
besteht aus einer Mischung von Metalloxyden, wie z. B. Nickel oder Manganoxyden,
die in Form von Widerständen mit sehr hohen negativen Temperaturkoeffizienten geschmolzen
werden.
-
So weit das Anwendungsgebiet von wärmeempfindlichen Widerständen
aus Metalloxyden auch ist, lassen sie doch für bestimmte Verwendungszwecke, insbesondere
in Geräten, in denen die infrarote Strahlung vor dem Auffall auf ein ThermistorboIometer
zerhackt wird, viel zu wünschen übrig. Die Zerhackung der Infrarotstrahlung liefert
ein Wechselstromsignal an Stelle eines Gleichstromsignals, wodurch einfachere und
bessere elektronische Schaltkreise für die Verwertung des Signals anwendbar werden.
Um auf die unterbrochene Strahlung anzusprechen, muß der wärmeempfindliche Widerstand
in dem Bolometer erwärmt und gekühlt werden. Die Kühlung wird bewirkt, indem der
wärmeempfindliche Widerstand oder Thermistor in gut wärmeleitender Beziehung zu
einem relativ großen, auf der Rückseite befindlichen Block aus einem Material von
hoher Wärmeleitfähigkeit, wie z. B. Aluminiumoxyd, Berylliumoxyd und kupferähnlichen
Metallen, gebracht wird. Der an der Rückseite angeordnete Block wirkt als Wärmesenke
und die Geschwindigkeit, mit der der Thermistor anspricht, wird dabei weitgehend
durch das Wärmediffusionsvermögen des Therrnistormaterials bestimmt. Als Folge hiervon
ist die Unterbrechungsfrequenz, die angewendet werden kann, einer bestimmten Beschränkung
unterworfen. Im allgemeinen stellt, sogar unter den günstigsten Umständen, eine
Zeitkonstante von 1 Millisekunde oder einem großen Bruchteil von 1 Millisekunde
die Grenze dar. Vergleichsweise hierzu können die Zeitkonstanten von photoleitenden
Detektoren etwa 1 Mikrosekunde betragen. Mit anderen Worten, es ist ein
Unterschied
in den Zeitkonstanten von mehreren Größenordnungen vorhanden.
-
Die Empfindlichkeit eines Thermistors wird durch dessen Temperaturkoeffizienten
bestimmt, und bei 3000 Kelvin ist eine Widerstandsänderung pro C von 4,2°lo etwa
die obere Grenze. Diese geringe Empfindlichkeit erfordert, obwohl sie für viele
Geräte ausreicht, eine maximale Konzentration der infaroten Strahlungsenergie auf
den Thermistor.
-
Deshalb sind optische Anordnungen von maximalem Wirkungsgrad nötig.
Eine der einfachsten und besten Methoden, die Intensität der Infrarotstrahlung,
die auf ein Thermisterbolometer auffällt, zu vergrößern, besteht darin, das Bolometer
einzubetten. Die Einbettung erfolgt bei bekannten Bolometern in eine Germaniumlinse.
Der sehr große Brechungsindex des Germaniums (n = 4) ermöglicht eine starke Zunahme
der Empfindlichkeit und auch strahlenbrechendes Material mit geringerem Brechungsindex,
wie z. B. Silicium, Bariumtitanat, kristallines Aluminiumoxyd, Material, das ungenau
als Saphir bezeichnet wird, u. dgl. werden für Immersionsbolometer verwendet, um
eine Empfindlichkeitszunahme in verschiedenen Graden zu erhalten. Wenn das strahlenbrechende
Material ein elektrischer Leiter ist, wie z. B. Germanium und Silicium, muß der
Thermistor isoliert werden, was gewöhnlich mittels eines sehr dünnen Films aus Selen
geschieht.
-
Die vorliegende Erfindung hat eine besondere Bedeutung für eingebettete
Thermistorbolometer, wie sie beispielsweise in der USA.-Patentschrift 2 983 888
beschrieben werden.
-
Das Problem, das der Erfindung zugrunde liegt, besteht darin, ein
Widerstandsbolometer zu schaffen, das auf ganz bestimmte Wellenbereiche im infraroten
Strahlenbereich anspricht. Zur Lösung dieser Aufgabe wurde bereits vorgeschlagen,
in Einfallsrichtung der Strahlung gesehen, dem Widerstand eine selektiv absorbierende
Schicht und eine dünne Spiegelschicht vorzuschalten. Die Spiegelschicht hält alle
einfallende Strahlung von dem Widerstand ab und verhindert, daß der Widerstand durch
Eigenabsorption erwärmt wird. Die Erwärmung des temperaturabhängigen Widerstands
oder Thermistors erfolgt bei dieser Anordnung durch die in der absorbierenden Schicht
infolge deren Eigenabsorption erzeugten Wärme. Mit der Erfindung wird eineVereinfachung
des Prinzips angestrebt, demzufolge der Thermistor selbst nur indirekt über die
in einer anderen Schicht absorbierte Wärme, jedoch nicht durch Eigenabsorption,
erwärmt wird.
-
Die Lösung der genannten Probleme erfolgt erfindungsgemäß dadurch,
daß der Thermistor eine Germanium- oder Siliciumfolie ist, die so dünn ausgebildet
ist, daß praktisch keine Eigenabsorption in der Folie auftritt und daß die selektiv
absorbierende Schicht in Strahlungseinfallsrichtung unmittelbar hinter der Folie
angeordnet ist.
-
Die Verwendung von Silicium- und Germaniumfolien als Halbleiter in
Photozellen ist bekannt (deutsche Patentschrift 601088, deutsches Gebrauchsmuster
1784457 und USA.-Patentschriften 2 402 662, 2871330 und 2871427).
-
Demgegenüber handelt es sich bei der Erfindung nicht um eine Ausnutzung
des Halbleitereffektes, sondern um eine Ausnutzung der Temperaturabhängigkeit des
Widerstandes von Silicium und Germanium, wobei dieser Widerstand in Form einer Folie
von solcher Stärke verwendet wird, daß in dem Widerstand praktisch keine Eigenabsorption
stattfindet.
-
Diese Verwendung schließt demnach auch die Verwendung von Silicium-
und Germaniumfolien inBereichen des elektromagnetischen Spektrums aus, in denen
diese auch in dünnen Schichten eine merkliche Eigenabsorption besitzen. Im Infraroten
sind Silicium-und Germaniumfolien weitgehend durchlässig.
-
Unter »praktisch keiner Eigenabsorption« wird dabei verstanden, daß
keine das Meßergebnis beeinflussende Eigenabsorption in dem Widerstand stattfindet.
-
Mit dem Ausdruck selektiv absorbierende Schicht wird eine Schicht
bezeichnet, die selektiv in einem oder in mehreren Bandbreitenbereichen absorbiert.
-
Die Wärmeleitfähigkeit und das Wärmediffusionsvermögen von Silicium
und Germanium ist um Größenordnungen größer als das Wärmeleitvermögen und das Diffusionsvermögen
des normalerweise verwendeten gewöhnlichen Oxydmaterials. Darüber hinaus ist die
spezifische Wärme von Germanium oder Silicium halb so groß wie die des gewöhnlich
verwendeten oxydischen Materials. Durch die erfindungsgemäße Verwendung von Halbleitern
in extrem dünnen Schichten als wärmeempfindliche Widerstände zusammen mit selektiv
absorbierenden Schichten in Bolometern, werden Zeitkonstanten von Mikrosekunden
oder kleinen Bruchteilen einer
Mikrosekunde erreicht, und unter günstigen Bedingungen
nähern sich diese Zeitkonstanten größenordnungsmäßig denen, die bei der Verwendung
von infrarotempfindlichen Photodetektoren verfügbar sind. Es wird dadurch ein gänzlich
neues Anwendungsgebiet für Thermistorbolometer eröffnet, und die verhältnismäßig
großen Zeitkonstanten, die eine starke Beschränkung für die Verwendung des bekannten
Thermistormaterials zur Folge hatten, stellen nicht länger einen Engpaß bei der
Konstruktion der Geräte dar.
-
Die große Reduktion der Zeitkonstante, wie sie mit Germanium oder
Silicium erhalten werden kann, ist nicht mit einer Verminderung der Empfindlichkeit
verbunden. Tatsächlich wird diese noch vergrößert. Germanium hat einen höheren Widerstandstemperaturkoeffizienten
als das beste der oxydischen Materialien, und der Temperaturkoeffizient von Silicium
ist ungefähr zweimal so groß.
-
Während die mit den wärmeempfindlichen Widerständen nach der vorliegenden
Erfindung mögliche kurze Zeitkonstante dazu verwendet werden kann, hohe Strahlungszerhackungsfrequenzen
zu erreichen, ist dies normalerweise nicht nötig und es kann dafür eine größere
Empfindlichkeit mit längeren Zeitkonstanten erhalten werden. Wenn die Zeitkonstanten
erhöht werden, indem der Wärmewiderstand zwischen dem Thermistor und dessen Wärmesenke
erhöht wird, wird die Empfindlichkeit proportional zu der Quadratwurzel aus dem
Wärmewiderstand erhöht. Als Folge der erfindungsgemäßen Maßnahmen sind demgemäß
sowohl, wenn erforderlich, kürzere Zeitkonstanten, als auch, wenn längere Zeitkonstanten
ausreichen, eine Steigerung der Empfindlichkeit erreichbar.
-
Die Steuerung der Thermistorzeitkonstanten kann bewirkt werden, indem
genau dimensionierte Materialschichten mit geringem Wärmeleitvermögen verwendet
werden. Dies wird in den USA.-Patentschriften 2963 673 und 2963 674 beschrieben
und ist natürlich auch in Zusammenhang mit den dünnen Termistoren nach der vorliegenden
Erfindung anwendbar.
-
Es gibt selbstverständlich eine Grenze, wie dünn ein Thermistor hergestellt
werden kann. Diese Grenze wird jedoch einzig und allein durch die Herstellungstechnik
bestimmt und es ist neuerdings möglich, viel dünnere wärmeempfindliche Widerstände
als sie bisher hergestellt wurden, bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung ihrer Gleichförmigkeit
und ihrer zuverlässigen Arbeitsweise zu erzeugen.
-
Die wärmeempfindlichen Widerstände nach der vorliegenden Erfindung
ergeben in Bolometern bessere Resultate. Sie ermöglichen auch eine neue Bolometerart,
die bisher mit den üblichen Thermistormaterialien nicht hergestellt werden konnte.
Dies ist ein selektiv empfindliches Immersionsbolometer. In der USA.-Patentschrift
2 981 913 sind selektiv empfindliche Bolometer beschrieben, in denen die Infratrotstrahlen
durch eine Schicht fallen, die selektiv absorbiert, und deshalb wird der wärmeempfindliche
Widerstand, der in Kontakt mit der Schicht steht, nur durch Infratrotstrahlen, die
in diesen Absorptionsbereich fallen, erhitzt. Bisher konnte diese Arbeitsweise nur
mit nicht eingebetteten Bolometern durchgeführt werden, da das gewöhnlich verwendete
Thermistormaterial in infrarotem Licht durchlässig ist und es deshalb notwendig
war, die Strahlen zuerst
durch die absorbierende Schicht zu leiten.
Diese Verhältnisse werden durch die Maßnahmen nach der vorliegenden Erfindung geändert,
da die dünnen Germaniumschichten im Infraroten von etwa 1,8 bis über 25 Mikron hinaus
durchlässig sind. Die Siliciumthermistoren lassen ebenfalls infrarote Strahlen über
einen weiten Bereich durch, jedoch ist ihre Transparenz nicht so gut oder so gleichmäßig
wie die des Germaniums, was auf die unvermeidliche Gegenwart von geringen Verunreinigungen
in dem Silicium, wie es gegenwärtig erzeugt wird, zurückzuführen ist.
-
Deshalb wird, trotz des höheren Temperaturkoeffizienten des Siliciums,
Germanium für viele Anwendungszwecke, bei denen eine Durchlässigkeit von infrarotem
Licht in weiteren Bereichen erforderlich ist, bevorzugt. Es wird hervorgehoben,
daß unter den genannten Verunreinigungen optische Verunreinigungen verstanden werden.
Verunreinigungen, welche nur den Widerstand verändern, sind unerheblich.
-
Die Infrarotstrahlen laufen gerade durch den dünnen Germanium- oder
Siliciumthermistor und werden selektiv in dem absorbierenden Überzug absorbiert,
der verstärkt werden kann, indem in bekannter Weise zusätzlich ein Spiegelüberzug
vorgesehen ist, der die Strahlen wiederum durch das selektiv absorbierende Medium,
den transparenten Thermistor und die Linse reflektiert. Die vorliegende Erfindung
ermöglicht auf diese Weise in erster Linie ein selektiv empfindliches, eingebettetes
Thermistorbolometer und ermöglicht, das gesamte Gebiet der selektiv empfindlichen
Termistorbolometer, bei denen die Empfindlichkeit durch die Immersion vergrößert
wird, zu erfassen.
-
Im Falle eines eingebetteten Thermistorbolometers dienen die Linsen
in bekannter Weise sowohl als Wärmesenke als auch als optische Linsen, und die selektiv
empfindlichen Überzüge sind erfindungsgemäß auf der der Strahlung abgekehrten Seite
des Thermistors angeordnet. Sie sind also in optischer Hinsicht über ihr spektrales
Absorptionsvermögen hinaus völlig unwirksam. Dies ermöglicht eine größere Anpassungsfähigkeit
unter Verwendung einer größeren Auswahl von Materialien, so daß der gewünschte Absorptionsbereich
beinahe überall in dem verwendbaren Infrarotspektrum erhalten werden kann.
-
An Hand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.
-
Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein selektiv empfindliches,
mit einem eingebetteten Thermistor ausgerüstetes Bolometer; F i g. 2 zeigt ein zusammengesetztes
Infrarotspektrum, wobei zwei typische Absorptionsbanden für verschiedene Materialien
dargestellt sind.
-
In F i g. 1 sind dargestellt eine Linse 1 aus geeignetem Material,
wie z.B. aus Saphir, Germanium, Silicium u. dgl., ein Germanium- oder Siliciumthermistor
2, eine isolierende Schicht 3 (die in den Fällen erforderlich ist, in denen den
elektrischen Strom leitende Linsen, wie z. B. solche aus Germanium, verwendet werden),
ein selektiv absorbierender Überzug 4 und ein spiegelnder Überzug 5. Aus Gründen
der Übersichtlichkeit sind der Thermistor und die verschiedenen Schichten nicht
maßstabsgerecht eingezeichnet. Die Dicken des Thermistors und der Isolierschicht
sind stark vergrößert gezeichnet. Die elektrischen Anschlüsse an dem Thermistor
sind nicht dargestellt, da sie bekannt und genau in der-
selben Weise angeordnet
sind wie bei wärmeempfindlichen Widerständen aus gewöhnlichem metalloxydischem Material.
Die Schichten 2, 3, 4 und 5 sind extrem dünn. Es ist deshalb nicht möglich, sie
genau maßstabsgerecht darzustellen. Sie sind in Fig. 1 etwas voneinander abgerückt
gezeigt. In Wirklichkeit stehen die Schichten in innigem Kontakt miteinander, und
es befindet sich kein Luftraum zwischen ihnen.
-
Bei der nachfolgenden Erörterung der Arbeitsweise des selektiv empfindlichen,
eingebetteten Bolometers wird angenommen, daß beispielsweise die absorbierende Schicht
ein dünner Quarz oder eine Glasschicht ist. Die infraroten Strahlen, die auf die
Linse 1 auffallen, werden von etwa 1,8 bis über 25 Mikron durchgelassen. Der transparente
Thermistor, der aus Germanium bestehen kann, ist über den ganzen Bereich und sogar
über die langen Wellengrenzen dieses Bereiches hinaus durchlässig. Deshalb strahlt
die Infrarotstrahlung von 1,8 bis über 20 Mikron durch den Thermistor durch und
tritt in die absorbierende Schicht 4 ein. In einer Bandbreite von etwa 8 bis 10
Mikron tritt, wie in F i g. 2 dargestellt ist, eine starke Absorption auf, während
die anderen Strahlen die Schicht durchlaufen, auf den Spiegel 5 auftreffen und wiederum
durch die absorbierende Schicht, den Thermistor und außerhalb desselben, durch die
Linse hindurch zurück reflektiert werden. In dem Absorptionsband findet eine weitere
Absorption auf diesem reflektierten Weg statt, und dementsprechend wird die absorbierende
Schicht nur durch die Infrarotstrahlung innerhalb des Absorptionsbandes erwärmt.
Die Temperatur dieser Schicht steigt an, und diese Temperatur wird durch Wärmeleitung
auf den Thermistor übertragen. Auf diese Weise arbeitet das Gerät als selektiv empfindliches
Thermistorbolometer, und die Verwendung einer geeigneten Absorptionsschicht kann
das Bolometer für eine vorbestimmte Bandbreite der Infrarotstrahlung empfindlich
machen; z.B. wenn die Absorptionsschicht 4 ein dünner Film aus einem organischen
Polymeren ist, wird die Absorption im kurzwelligen Bereich bei etwa 2,5 Mikron stattfinden,
wie in F i g. 2 dargestellt ist.
-
Die Zeitkonstante des Systems wird normalerweise durch die absorbierende
Schicht bestimmt, da gewöhnlich die Wärmekapazität des Thermistors so gering und
sein Wärmediffussionsvermögen so hoch sein wird, daß diese Faktoren die Zeitkonstante
nicht einschränken. Mit vielen absorbierenden Schichten ist es nicht möglich, Zeitkonstanten
in der Größe von Mikrosekunden zu erreichen, was mit dem Thermistor allein möglich
ist, wenn dieser nur hinterlegt ist und die Zeitkonstante durch seine Wärmekapazität
und durch sein Wärmediffusionsvermögen bestimmt wird.
-
In den Zeichnungen ist eine halbkugelförmige Immersions- oder Einbettungslinse
dargestellt. Die vorliegende Erfindung ist selbstverständlich in gleicher Weise
auf beliebige Typen von Immersionslinsen einschließlich Hyperimmersionslinsen anwendbar,
bei denen der Thermistor jenseits des Krümmungsmittelpunktes der sphärischen Oberfläche
angeordnet ist. Für bestimmte Instrumente bringen Hyperimmersionslinsen besondere
Vorteile, und es ist ein Vorzug der vorliegenden Erfindung, daß sie bei beliebigen
Arten von eingebetteten Thermistorbolometern anwendbar ist.