Pin-kompatibler Infrarotlichtdetektor mit verbesserter

thermischer Stabilität

Die Erfindung betrifft einen Pin-kompatiblen

Infrarotlichtdetektor mit verbesserter thermischer Stabilität und insbesondere einen Infrarotlichtdetektor mit einem

Signalverstärker, der Pin-kompatibel ist.

Ein Infrarotlichtdetektor zum Detektieren von Wärmestrahlung weist beispielsweise einen pyroelektrischen Sensorchip in

Dünnschichtbauweise mit zwei Elektrodenschichten und einer zwischen den Elektrodenschichten angeordneten pyroelektrischen Schicht aus pyroelektrisch sensitivem Material auf. Dieses

Material ist ferroelektrisches Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) . Zum Auslesen, Verstärken, Verarbeiten und/oder Weiterleiten eines aufgrund von Wärmestrahlung vom Sensorchip erzeugten

elektrischen Signals ist eine Signalverstärkerschaltung

vorgesehen. Das elektrische Signal ergibt sich aus einer

Ladungsverschiebung von der einen Elektrodenschicht via die pyroelektrische Schicht zu der anderen Elektrodenschicht, so dass an den Elektrodenschichten eine Differenzspannung und/oder Ladung abgreifbar ist/sind.

Herkömmlich werden pyroelektrische Infratosensoren mit Hilfe einer „Source Follow" Schaltung ausgelesen, wobei die Spanuung, die zwischen zwei Elektroden induziert wird, mittels eines hochohmigen Widerstands beispielsweise von 10-100Giga Ohm und einem Sperrschicht-Feldeffekttransistor verstärkt wird. Der hochohmige Widerstand in dieser Schaltung in Kombination mit den relativ hohen Kapazitaeten der pyroelktrsichen

Infrarotsensoren führt zu sehr großen elektrischen

Zeitkonstanten (τ _β ι =R * C _P i _xe i) . Viele Gasdetektionsgeräte , die auf einen nichtdispersiven Infrarot-Absorptionsanalysator basieren (NDIR) , benutzen pyroelktrische Infrarotsensoren zur Messung der Gaskonzentration. Diese Gasdetektionsgeräte haben jedoch im „Source Follow" Mode den Nachteil, dass, wenn sie einer Erwärmung und/oder einer Vibration mit einem hohen

Zeitgradienten, beispielsweise einem unerwünschten thermischen Schock und/oder einer unerwünschten Erschütterung, ausgesetzt sind, sie eine hohe elektrische Zeitkonstante haben. Diese hohe elektrische Zeitkonstante im „Source Follow" Mode führt zu einer langen „Downtime" von einigen Sekunden, während dessen das Gasmessgerät unerwünscht nicht messen kann. Die

Unempfindlichkeit der Gasdetektionsgeräte gegen diese

unerwünschten Beeinträchtigungen, beispielsweise aufgrund des unerwünschten thermischen Schocks und/oder der unerwünschten Erschütterung, wird als thermische Stabilität bezeichnet.

Der Sensorchip weist mit seiner pyroelektrischen Schicht eine hohe Kapazität auf, wobei zum Verstärken der an den

Elektrodenschichten anliegenden Ladungen ein

Transimpedanzverstärker bekannt ist. Der

Transimpedanzverstärker ist herkömmlich auf Basis eines

Operationsverstärkers aufgebaut. Der Operationsverstärker hat einen invertierenden und einen nichtinvertierenden Eingang, wobei der Ausgang des Operationsverstärkers via einen

Widerstand an den invertierenden Eingang gegengekoppelt ist. Der Sensorchip ist mit seiner einen Ele.ktrodenschicht an den invertierenden Eingang angeschlossen und liegt mit seiner anderen Elektrodenschicht auf Masse. Der nichtinvertierende Eingang liegt ebenfalls auf Masse.

Herkömmlich ist das Ausgangssignal des Transimpedanzverstärkers in der Regel nicht kompatibel mit einer nachgeschalteten

Ausleseelektronik, die in Kombination mit einer „Source Follow" Schaltung verwendet wird. Der Grund liegt darin, dass der

Transimpedanzverstärker einen elektrischen Strom als

Ausgangssignal bereitstellt, wohingegen die „Source Follow" Schaltung eine elektrische Spannung als Ausgangssignal

bereitstellt. Dies hat zur Folge, dass Infrarotsensoren, die auf eine „Source Follow" Ausleseelektronik basieren, nicht problemlos gegen Infrarotsensoren, die auf eine

Transimpedanzwandlerschaltung basieren, ausgetauscht werden können. Der Austausch von den Infrarotsensoren würde eine Modifikation der nachgeschalteten Ausleseschaltung erfordern, was mit einer kostenintensiven Modifikation der gesamten

Leiterplatte einhergehen würde. Wünschenswert wäre ein Pinkompatibler Infrarotlichtdetektor, der auf einen

Transimpedanzverstärker basiert, wobei beim Austausch mit einem Infrarotsensor basierend auf eine „Source Follow" Schaltung eine Modifikation einer Ausleselektronik, nicht erforderlich wäre .

Aufgabe der Erfindung ist es einen Infrarotlichtdetektor mit einem Transimpedanzverstärker zu schaffen, der Pin-kompatibel zu einem Infrarotsensor basierend auf eine „Source Follow" Schaltung ist, so das eine Modifikation einer Ausleselektronik, die dem Infrarotsensor basierend auf die „Source Follow" nachgeschaltet ist, nicht erforderlich ist, wobei der

Infrarotsensor eine hohe thermische Stabilität hat.

Der erfindungsgemäße Infrarotlichtdetektor weist mindestens einen Sensorchip, der ein aus einem pyroelektrisch sensitiven Material hergestelltes Schichtelement sowie eine Basiselektrode und eine Kopfelektrode aufweist, an die das Schichtelement zum Abgreifen von den im Schichtelement durch deren Bestrahlung mit Licht erzeugten elektrischen Signalen angeschlossen ist, und einen Transimpedanzverstärker zum Verstärken der Signale mit einem Operationsverstärker auf, der mit einer

Versorgungsspannungsquelle mit einer positiven

Versorgungsspannung asymmetrisch betrieben ist und an dessen invertierenden Eingang die Basiselektrode angeschlossen ist, wobei an der Versorgungsspannungsquelle ein auf Masse gelegter Spannungsteiler mit einem Teilknoten versehen ist, an den eine Teilspannung anliegt, die kleiner als die Versorgungsspannung ist, und der mit dem nichtinvertierenden Eingang sowie der Kopfelektrode elektrisch gekoppelt ist. Durch das Vorsehen des Spannungsteilers und der Kopplung des Teilknotens mit der

Kopfelektrode und dem nichtinvertierenden Eingang liegt an der Kopfelektrode und an dem nichtinvertierenden Eingang die

Teilspannung an. Dadurch ist in dem Infrarotlichtdetektor von dem Teilknoten eine von der Teilspannung gebildete Referenzspannung bereitgestellt, mit der ein Ausgangssignal des Transimpedanzverstärkers beaufschlagt ist, wodurch es

ermöglicht ist, dass das Ausgangssignal des

Transimpedanzverstärkers direkt an einem herkömmlichen

Schaltkreis zur Signalverarbeitung anliegt, der im Voltage-Mode betrieben wird, ohne dass dabei die Schaltung an den

Infrarotlichtdetektor anzupassen wäre. Somit passen der

Infrarotlichtdetektor und weitere herkömmliche mit dem

Infrarotlichtdetektor geschaltete

Signalverarbeitungsschaltungen Pin-kompatibel zusammen. Dadurch kann der Infrarotlichtdetektor mit seinem

Transimpedanzverstärker und seinem pyroelektrischen Sensorchip zusammen mit herkömmlichen Signalverarbeitungsschaltungen im Voltage-Mode betrieben werden. Ferner hat der erfindungegemäße Infrarotlichtdetektor überraschenderweise eine hohe thermische Stabi lität .

Es ist bevorzugt, dass der Spannungsteiler eine Mehrzahl an in Reihe geschalteten und auf Masse gelegten Teilwiderständen aufweist. Bevozugtermaßen weist der Spannungsteiler zwei der

Teilwiderstände auf, zwischen denen der Teilknoten angesiedelt ist. Dadurch ist der Wert der Teilspannung in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung und in Abhängigkeit des Verhältnisses der Widerstandswerte der Teilwiderstände definiert. Jeder der Teilwiderstände hat bevorzugtermaßen denselben Widerstandswert, wodurch der Wert der Teilspannung halb so groß wie der der Versorgungsspannung ist.

Außerdem ist es bevorzugt, dass der Transimpedanzverstärker einen Gegenkopplungswiderstand aufweist, der zwischen den invertierenden Eingang und einem Ausgang des

Operationsverstärkers gestaltet ist, wobei der

Gegenkopplungswiderstand einen Wert von 100 ΜΩ bis 100 GQ hat. An dem Ausgang des Operationsverstärkers liegt ein

Ausgangssignal des Transimpedanzverstärkers an, das sich als verstärktes Signal ergibt, das an dem invertierenden Eingang bezogen auf den Teilknoten anliegt. Durch das Schalten des Sensorchips und des nichtinvertierenden Eingangs auf den Teilknoten ist das Verstärkungssignal an dem Ausgang des

Operationsverstärkers derart, dass es geeignet ist von

herkömmlichen Signalverarbeitungsschaltungen weiterverarbeitet zu werden.

Es ist außerdem bevorzugt, dass der Transimpedanzverstärker einen Gegenkopplungskondensator aufweist, der parallel zu dem Gegenkopplungswiderstand zwischen den invertierenden Eingang und dem Ausgang des Operationsverstärkers geschaltet ist, wobei der Gegenkopplungskondensator eine Kapazität von 0,01 pF bis 10 pF, besonders bevorzugt von 0,1 pF bis 1 pF, hat. Der

Infrarotlichtdetektor weist bevorzugt mindestens zwei der

Sensorchips auf, an die jeweils einer der

Transimpedanzverstärker angeschlossen ist, wobei die

Transimpedanzverstärker in Parallelschaltung an die

Versorgungsspannungsquelle und an den Teilknoten angeschlossen sind.

Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Infrarotlichtdetektors anhand der beigefügten schematischen Zeichnung erläutert. Es zeigt die Figur ein schematisches Schaltbild des Infrarotlichtdetektors.

Wie es aus der Figur ersichtlich ist, weist ein

Infrarotlichtdetektor 1 einen ersten Sensorchip 3 und einen zweiten Sensorchip 4 auf, wobei die Sensorchips 3, 4 jeweils ein pyroelektrisches Schichtelement 5, 8 aufweisen. Auf den Infrarotlichtdetektor 1 einfallendes Licht 2 trifft auf die Sensorchips 3, 4, wobei in den pyroelektrischen

Schichtelementen 5, 8 Ladungen verschoben werden.

Die Sensorchips 3, 4 weisen jeweils eine Basiselektrode 6, 9 und eine Kopfelektrode 7, 10 auf, wobei zwischen der

Basiselektrode 6,9 und der Kopfelektrode 7, 10 jeweils das pyroelektrische Schichtelement 5, 8 angeordnet und abgegriffen ist. Die in den Sensorchips 3, 4 durch das einfallende Licht 2 verschobenen Ladungen ergeben ein Signal, das zu verstärken ist. Die Verstärkung des Signals wird für den ersten Sensorchip 3 mit einem ersten Transimpedanzverstärker 11 und für den zweiten Sensorchip 4 mit einem zweiten Transimpedanzverstärker 12 bewerkstelligt. Zur Versorgung des Infrarotlichtdetektors 1 ist eine

Versorgungsspannungsquelle 13 vorgesehen, die bezogen auf eine Masse 14 eine positive Versorgungsspannung bereitstellt. An die Versorgungsquelle 13 ist ein Spannungsteiler 15 angeschlossen, der von einem ersten Teilwiderstand 16 und einem zweiten

Teilwiderstand 17 gebildet ist, wobei die Teilwiderstände 16, 17 in Reihe und auf die Masse 14 geschaltet sind. Dadurch ergibt sich zwischen dem ersten Teilwiderstand 16 und dem zweiten Teilwiderstand 17 ein Teilknoten 18, an dem bezogen auf die Masse 14 eine Teilspannung anliegt. Der erste

Teilwiderstand 16 und der zweite Teilwiderstand 17 haben jeweils denselben Widerstandswert, so dass die Teilspannung halb so hoch ist wie die Versorgungsspannung.

Die Transimpedanzverstärker 11, 12 weisen jeweils einen

Operationsverstärker 19, 25 auf, der einen nichtinvertierenden

Eingang 20, 26 und einen invertierenden Eingang 21, 27 sowie einen Ausgang 22, 28 hat. Zwischen dem invertierenden Eingang

21, 27 und dem Ausgang 22, 28 sind in Parallelschaltung ein

Gegenkopplungswiderstand 23, 29 und ein

Gegenkopplungskondensator 24, 30 vorgesehen, wobei von dem

Gegenkopplungswiderstand 23, 29, dem Gegenkopplungskondensator

24, 30 und dem Operationsverstärker 19, 24 der

Transimpedanzverstärker 11, 12 gebildet ist. Die Basiselektrode 6, 9 eines jeden Sensorchips 3, 4 ist an den jeweiligen invertierenden Eingang 21, 27 angeschlossen,

wohingegen die Kopfelektrode 7, 10 zusammen mit dem

nichtinvertierenden Eingang 20, 26 an den Teilknoten 18

angeschlossen sind. Die Operationsverstärker 19, 25 sind von der Versorgungsspannungsquelle 13 asymmetrisch betrieben, wobei einer der Versorgungsanschlüsse der Operationsverstärker 19, 25 mit der Versorgungsspannungsquelle 13 und der andere der Versorgungsanschlüsse der Operationsverstärker 19, 25 mit der Masse 14 verbunden sind.

Bevorzugt haben die Gegenkopplungskondensatoren 24, 30 eine Kapazität von 0,01 pF bis 10 pF, besonders bevorzugt von 0,1 pF bis 1 pF. Die elektrische Zeitkonstante ist als i _e i

=RGegenkopplungswiderstand * Ccegenkoppiungskondensator definiert. Verglichen mit einer herkömmlichen „Source Follow" Schaltung ist die

Zeitkonstante reduziert, bei gleich großen Widerstandswerten um das Verhältnis Cpj_ _xe i ZU Coegenkopplungskondensator ·

Erfindungsgemäß sind die Sensorchips 2, 4 mit den

Transimpedanzverstärkern 11, 12 verschaltet, so dass Pin- Kompatibilität zu einer Ausleseschaltung im herkömmlichen „Source Follow" Mode gegeben ist. Zusätzlich hat der

Infrarotlichtdetektor 1 durch seine erfindungsgemäße

Ausgestaltung eine hohe thermische Stabilität.

Bezugs zeichenliste

1 Infrarotlichtdetektor

2 einfallendes Licht

3 erster Sensorchip

4 zweiter Sensorchip

5, 8 pyroelektrisches Schichtelement

6, 9 Basiselektrode

7, 10 Kopfelektorde

11 erster Transimpedanzverstärker

12 zweiter Transimpedanzverstärker

13 Versorgungsspannungsquelle

14 Masse

15 Spannungsteiler

16 erster Teilwiderstand

17 zweiter Teilwiderstand

18 Teilknoten

19, 25 Operationsverstärker

20, 26 nichtinvertierender Eingang 21, 27 invertierender Eingang

22, 28 Ausgang

23, 29 Gegenkopplungswiderstand

24, 30 Gegenkopplungskondensator