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Wärmestrahlungsdetektor" Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmestrahlungsdetektor
und insbesondere auf einen für infrarote Strahlung empfindlichen Detektor, der eine
der Strahlung entsprechende elektrische Spannung erzeugt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmestrahlungsdetektor
dieser Art in Bezug auf seine Empfindlichkeit zu verbessern und seine Zeitkonstante
herabzusetzen.
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Der Wärmestrahlvngsdetektor nach der Erfindung besteht aus mindestens
einem Thermoelement, dessen warme Verbindungsstelle die Strahlung empfängt, während
die kalte Verbindungsstelle an einen wärmeverbrauchenden Körper, also eine Wärmesenke,
angeschlossen ist. Zur Lösung der genannten Aufgabe sieht die Erfindung einen dünnen,
von dem wärmeverbrauchenden Körper gehaltenen und einen Hohlraum in die-.
sem
überspannenden Tragfilm, mindestens einen elektrisch leitenden, von dem Film gehaltenen
Wärme sammler oberhalb des Hohlraums und mindestens zwei aus verschiedenen Metall
len bestehende, auf dem Film angeordnete thermeclektrische Glieder vor, von denen
jedes mfi seinem einen Ende an den Wärmesammler angeschlossen und mit seinem anderen
Ende thermisch leitend mit dem Wärmeverbraucher verbunden ist.
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Weitere wesentliche Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden
Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele und sind in den Patentansprüchen definiert.
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Die Zeichnung veranschaulicht zwei Ausführungsbeispiele. Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Thermoelements vom üblichen Aufbau, Fig.
2 eine erfindungsgemäß gestaltete Thermosäule in Draufsicht, Fig2A eine Variante
der Thermosäule nach Fig. 2, Fig. 3 einen Schnitt nach Linie 3-3 in Pig. 2 und Fig.3A
einen Schnitt nach Linie 3A-3A in Fig. 2A.
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Im Schema nach Fig. 1 sind zwei Ausgangsleitungen 10 elektrisch mit
metallenen- Segmenten 12 und 14 verbunden, deren Metalle so gewählt sind, daß eine
thermoelektrische Kraft erzeugt wird. Die Segmente 12 und 14 können
aus
irgendwelchen Metallen bestehen, zusammengenommen diese Eigenschaft haben, beispielsweise
aus Wismut und Antimon. Die Metalle sind physisch in einem Bereich 16 miteinander
verbunden, der als die warme Verbindungsstelle des Thermoelements bezeichnet werden
kann. Um den Empfang infraroter Strahlung zu verbessern, hat es sich als zweckmäßig
erwiesen, den dafür empfindlichen Bereich 18 der warmen Verbindungsstelle i6 zu
schwärzen. Im Betrieb erzeugt der strahlungsempfindliche Bereich 18 der warmen Verbindungsstelle
16 eine Spannung gegenüber der kalten Verbindungsstelle 20, wobei die letztere thermisch
stabil auf einer relativ konstanten Temperatur gehalten wird, während der empfindliche
Bereich 18 durch ankommende Strahlung erwärmt wird. Im typischen Fall ist die Ausgangsspannung
an den Leitungen 10 proportional dem Maß der Erwärmung, die ihrerseits direkt der
gesamten Strahlung entspricht, die auf den strahlungsempfindlichen Bereich 18 einwirkt.
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Auf dieser Grundlage aufbauend sei nunmehr die Ausführungsform der
Erfindung nach Fig. 2-- und 3 näher erläutert. Die darin dargestellte Thermosäule
besteht aus einem wärmeverbrauchenden oder kalten Körper 22, der - thermisch gesprochen-eine
Wärmesenke darstellt. Der Körper 22 ist in der Mitte mit einem Hohlraum 23 versehen.
Er besteht aus thermisch gut leitendem Material und ste-t---eine relativ große Masse
im Vergleich mit den übrigen Elementen der
nachstehend beschriebenen
Thermosäule dar. Oberhalb der einen Außenfläche des Körpers 22, der in Hinblick
auf seine Eigenschaft als Wärmesenke nachstehend kurz als Wärmeverbraucher bezeichnet
werden soll, ist ein Tragfilm 24 angeordnet, der sich über den Hohlraum 23 hinweg
erstreckt. Als Material für den Tragfilm 24 hat sich Aluminiumoxyd als geeignet
erwiesen, weil sich Filme aus diesem Material leicht aufbringen und mit den Teilen
des Wärmeverbrauchers 22, welche den Hohlraum 23 umgeben, gut durch Epoxyharze oder
andere Harze mit Klebkraft verbinden lassen. Der Tragfilm 24 aus Aluminiumoxyd kann
außerordentlich dünn sein. Seine Dicke liegt beispielsweise in der Größenordnung
von 1000 i. Trotz dieser relativ sehr geringen Dicke liefert der Film aus Aluminiumoxyd
die mechanische Festigkeit, die nötig ist, um einen dauerhaften und gegen Stoß unempfindlichen
Detektor zu schaffen. Der Film aus Aluminiumoxyd hat überdies die Aufgabe, den Wärmeverbraucher
22 elektrisch gegen die Thermosäule zu isolieren, zugleich aber zwischen der Thermosäule
und dem Wärmeverbraucher eine thermisch leitende Verbindung herzustellen.
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Die in Fig. 2 und 3 dargestellte Thermosäule besteht aus relativ
dünnen Segmenten. Auf diese Weise erhält die Thermosäule den erwünschten isothermischen
Charakter.
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Zur Herstellung der Thermosäule dienen Aufdampfverfahren, mittels
deren die einzelnen Bestandteile der Säule hergestellt
werden.
Nachdem der Tragfilm 24 auf den Wärmeverbraucher 22 aufgebracht worden ist, wird
eine durch Photoätzen hergestellte Maske über den Film 24 gelegte um darauf eine
Oberfläche abzugrenzen, die eine strahlungsempfindliche Bläche bildet und nachstehend
als Wärme sammler oder Kollektor 26 bezeichnet wird. Ein Verdampfungsverfahren üblicher
Art wird dann angewendet, um auf der genannten Oberfläche einen dünnen Film aus
gut leitendem Material, beispielsweise Silber oder Gold, niederzuschlagen, der den
Kollektor 26 bildet. Die Verfahren des Photoätzens und Verdampfens begrenzen die
Dimensionen des Kollektors 26 scharf. Beim nächsten Schritt wird der Kollektor 26
und ein Abschnitt des Films 24 wiederum maskiert und ein erstes thermoelektrisches
Material 28, beispielsweise Antimon, auf den in'Fig. 2 rechts erscheinenden Teil
des Tragfilms 24 aufgedampft. Hierauf wird eine zweite Maske aufgelegt, die den
Kollektor 26 und die Schicht aus dem ersten thermoelektrischen Material 28 überdeckt,
und es wird sodann ein zweites thermoelektrisches Material 30, beispielsweise Wismut,
auf den in Fig. 2 links erscheinenden Bereich des Tragfilms 24 àufgedampft.
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Die Filme 28 und 30 bilden im Sinne der obigen Ausführungen die beiden
thermoelektrischen Segmente oder Glieder zur Erzeugung der thermoelektrischen Kraft.
Der Aluminiumoxydfilm 24, der die thermoelektrischen Glieder 28, 30 gegen den wärmeverbrauchenden
Körper 22 elektrisch isoliert, stellt andererseits eine thermisch leitende Verbindung
zwischen den
Gliedern 28, 30 einerseits und dem wärmeverbrauchenden
Körper 22 andererseits her. Nach diesen Arbeitsschritten besteht die Thermosäule
in Reihenschaltung aus einem thermoelektrischen Glied 28, einem Kollektor 26 und
einem thermoelektrischen Glied 30. In Bezug auf die Arbeitscharakteristika hat es
sich als erwünscht erwiesen, dem Kollektor 26 eine Dicke von ungefähr 500 i zu geben,
während die thermoelektrischen Glieder zweckmäßigerweise eine Dicke von ungefähr
3000 bis 4000 i erhalten. Im übrigen wird für eine gut elektrisch leitende Verbindung
an der Stelle 32 zwischen dem Kollektor 26 und den beiderseitigen thermoelektrischen
Gliedern 28 und 30 gesorgt.
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In der bevorzugten Ausführung besteht der Detektor nach der Erfindung.
nicht nur aus einem einzigen Thermoelement, sondern gemäß Fig. 2 aus einer Vielzahl
derartiger Elemente, die in Reihe geschaltet sind und eine Thermosäule bilden. Diese
Säule besteht gemäß Fig. 2 aus einer Vielzahl einzelner thermo elektrischer Elemente
in Reihenschaltung.
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Die Säule enthält somit eine Vielzahl von wärmeempfindlichen Kollektorelementen
26, von denen jedes mit entsprechenden Bereichen des wärmeverbrauchenden Körpers
22 durch Segmente der voneinander verschiedenen thermoelektrischen Glieder 28 und
30 verbunden ist. Benachbarte thermoelektrische.
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Elemente 28 und 30 sind gemäß Fig. 2 beiderseits des in der Mitte
angeordneten Kollektors 26 elektrisch miteinander verbunden,
und
zwar durch aufgedampfte Fortsätze 29. Die Anordnung besteht somit aus einer Vielzahl
einzelner Thermoelemente in Reihenschaltung, so daß die Ausgangsspannung gleich
der Summe der an jedem einzelnen Thermoelement erzeugten Spannungen ist und die
Empfindlichkeitder Gesamtanordnung erheblich heraufgesetzt wird.
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Besonders gute Ergebnisse sind bei Verwendung von Kollektoren aus
Gold und Silber und thermoelektrischen Metallen 30 und 28 aus Wismut und Antimon
erzielt worden. Doch sei bemerkt, daß jedes thermisch gut leitende Material für
die Kollektoren verwendbar ist und andere Metalle als die genannten, sofern sie
zusammen nur eine thermoelektrische Kraft von nennenswerter Größe erzeugen, verwendbar
sind, um befriedigende Ergebnisse zu erhalten. Was den wärmeverbrauchenden Körper
22 betrifft, so haben sich Kupfer und Aluminium als zweckmäßig erwiesen.
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Oberhalb der Außenfläche jedes einzelnen Kollektorelements 26 ist
eine poröse Schicht 40 aus oxydiertem Wismut angeordnet. Die Schicht 40 aus porösem
Wismut besteht aus einer Vielzahl von Wismutpartikeln, wobei die Oberfläche jedes
Partikels von einem Überzug aus Wismutoxyd umhüllt ist. Das Material stellt somit
elektrisch einen Isolator dar. Dieses aus Wismut gefertigte Material bietet der
ankommenden Strahlung eine poröse Oberfläche dar, die praktisch die gesamte ankommende
Strahlung auffängt und sich daher annähernd
wie ein schwarzer Körper
verhält. Außerdem hat das aus Wismut gefertigte poröse Material, welches die Schicht
40 bildet, weitere vorteilhafte Eigenschaften. Denn es ist mechanisch stabil, haftet
gut am Kollektor 26 und verleiht dem gesamten Gebilde zusätzliche Steifigkeit und
Pestigkeit.
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Im ganzen genommen absorbiert das Material, aus dem die Schicht 40
besteht, die Strahlung gleichförmig über das Spektrum mit Einschluß des infraroten
Bereichs. Das aus oxydierten Wismutpartikeln bestehende Material ist elektrisch
nicht leitend und kann daher, wie bei 42 in Fig. 2 angedeutet, sich über alle Detektorbereiche
erstrecken, ohne dabei elektrische Kurzschlüsse herzustellen. Daher ist ein derartiges
Material vor allem von Vorteil, wenn es sich nicht um einzelne Thermoelemente handelt,
sondern um Thermosäulen.
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Ein zweckmäßiges Verfahren zum Aufbringen der Wismutoxydschicht 40
auf den Kollektor 26 besteht darin, daß das Gebilde in eine Vakuumkammer gebracht
wird, in der es durch geeignete mechanische Mittel bewegt werden kann. Auf den Boden
der Vakuumkammer wird dann ein kleines metallenes Gefäß gebracht, und metallenes
Wismut wird in dieses Gefäß direkt unterhalb der Thermosäule eingefüllt. Aus der
Vakuumkammer wird alsdann die Luft bis auf einen Restdruck unterhalb von 10 mm Hg
abgesaugt. Bei diesem Druck ist in der Kammer immer noch restlicher Sauerstoff anwesent.
Das Wismut
wird sodann so weit erhitzt, daß ein Wismutrauch entsteht,
der in der Kammer aufsteigt und die Außenfläche der Thermosäule umhüllt. Der Wismutrauch
enthält die oben beschriebenen kleinen Partikel, die dann an der Außenfläche der
Thermosäule haften. Es wurde gefunden, daß in dieser Weise in annähernd 1 bis 20
Sekunden eine relativ gleichförmige poröse Schicht auf der Außenfläche der Thermosäule
erzeugt werden kann. Eine Dicke von etwa 20 Mikron ist im allgemeinen genügend.
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Die aus dem porösen Wismut bestehende Schicht 40 ist einerseits elektrisch
nicht leitend und andererseits thermisch sehr gut leitend. Es wurde gefunden, daß
infrarote Strahlung, die an der Außenfläche dieser Schicht aus Wismut empfangen
wird, thermisch mit großer Geschwindigkeit auf den Kollektor 26 übertragen wird,
so daß die Zeitkonstante der Thermosäule sehr klein wird.
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Es wurde ferner gefunden, daß der relativ dunne, thermisch gut leitende
Kollektor 26, wenn er der'Strahlung ausgesetzt wird, wünschenswerte isothermische
Eigenschaften hat. Nachdem der Kollektor 26 einen Strahlungspuls aufgenommen hat,
wird er somit innerhalb seines gesamten Körpers innerhalb einer relativ kurzen Zeit
gleichförmig in seiner Temperatur angehoben. Diese räumliche isothermische Gleichförmigkeit
liefert ein Ausgangssignal, das direkt und genau dem Energiebetrag der empfangenen
Strahlung entspricht.
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Bei der Ausführung nach Fig. 2A und 3A sind zusätzliche Mittel vorgesehen,
um den Wärmeaustausch zwischen den thermoelektrischen Gliedern 28 und 30 und dem
wärmeverbrauchenden Körper 22 zu erhöhen. Dazu dient in dieser weiteren Ausführungsform
der Erfindung thermisch gut leitendes Metall, vorzugsweise Silber oder Gold, das
in Form einer relativ dicken Schicht 50 auf die thermoelektrischen Glieder 28, 30
und den wärmeverbrauchenden Körper 22 und/oder auf den Tragfilm 24 aufgedampft ist.
Auf diese Weise stellt das Metall 50 eine thermische Verbindung zwischen den thermoelektrischen
Gliedern einerseits und dem wärmeverbrauchenden Körper 22 andererseits her.
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Gemäß Fig. 2A können einzelne Stücke des Metalls 50 derart angeordnet
werden, daß sie benachbarte thermoelektrische Glieder 28, 30 beiderseits des zugeordneten
Kollektors 26 übergreifen. Eine photogeätzte Maske kann verwendet werden, um die
Form und Abmessungen der Stücke 50 genau zu definieren. Die Metallstücke 50 bilden
eine thermoelektrische Verbindung zwischen den thermoelektrischen Gliedern 28, 30
und dem wärmeverbrauchenden Körper 22. Strahlung, die auf die thermoelektrischen
Glieder trifft und in ihnen Wärme erzeugt, wird schnell an den wärmeverbrauchenden
Körper 22 abgeleitet, so daß die kalten Verbindungen der hermosäule in thermisch
stabilem Zustand gehalten werden.
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Ein der Erfindung gemäß gestalteter Detektor ist
vorzüglich
zur Verwendung in Miniaturanordnungen geeignet, zeichnet sich durch hohe Zuverlässigkeit
und geringe Zeitkonstante aus und ist besonders brauchbar in Fällen, wo es sich
darum handelt, genaue Temperaturmessungen wiederholbar -unter verschiedenen Bedingungen
der Umgebung zu erhalten, wobei auf die Komplikationen verzichtet werden kann,die
mit der Verwendung von tiefgekühlten und vorgespannten Infrarot-Detektoren verbunden
sind. Im übrigen wurde gefunden, daß Vorrichtungen nach der Erfindung besonders
widerstandsfähig gegen mechanische Stöße und Vibrationen sind.