德国专利DE102004028022A1 Sensor

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专利摘要:
Ein Sensor (30) zum Erfassen elektromagnetischer Strahlung hat ein Sensorelement (10), ein Gehäuse (31, 33), in dem das Sensorelement angeordnet ist, und ein mit einem für die zu erfassende Strahlung durchlässigen Material (32) verschlossenen Strahlungseintrittsfenster (35) im Gehäuse. Das durchlässige Material (32) ist mit einer nicht im Gesichtsfeld des Sensorelements liegenden Befestigungseinrichtung (38) am Gehäuse befestigt.
公开号:DE102004028022A1
申请号:DE200410028022
申请日:2004-06-09
公开日:2005-12-29
发明作者:Henrik Ernst；Martin Dr. Hausner；Hermann KARAGÖZOGLU；Guido Lauck；Fred Plotz；Jürgen Dr. Schilz
申请人:PerkinElmer Optoelectronics GmbH and Co KG；
IPC主号:G01J5-04

专利说明:
[0001] DieErfindung betrifft einen Sensor nach den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche. Siebetrifft insbesondere Infrarotdetektoren mit verbessertem Verhaltenbei Schwankungen der Umgebungstemperatur. Solche Sensorelementeund Sensoren sind aus der DE197 10 946 und aus der EP1 039 280 bekannt.
[0002] Insbesonderebetrifft die Erfindung Strahlungssensoren, und vorzugsweise hierbeisolche, die der Temperaturmessung mittels Infrarotstrahlungsmessungdienen. Die eigentlichen Sensorelemente sind dabei diejenigen Strukturen,auf die konkret die zu messende Infrarotstrahlung einfällt unddie diese in bestimmter Weise in elektrisch verwertbare Signale,beispielsweise Strom, Spannung, Ladung, umsetzen. Es kann sich hierbeium Thermopiles oder auch um Pyrodetektoren oder Bolometer handeln.
[0003] InsbesondereThermopiles haben die Eigenschaft, dass ihr elektrisches Ausgangssignalnicht nur von der auf sie einfallenden elektromagnetischen Strahlung(im Infrarotbereich) abhängt,sondern auch von der Umgebungstemperatur, in der das Sensorelementarbeitet. Um die Sensorelemente von Wärmesenken und von der Umgebungstemperaturweitestmöglichabzukoppeln, werden Thermopiles auf thermisch schlecht leitendenStrukturen aufgebaut, wie sie beispielsweise in 1 gezeigt sind. Das eigentliche Sensorelementist durch die Bezugsziffern 4 (4a, 4b)bezeichnet. Es weist ein warmes Ende 4a und ein kaltesEnde 4b auf. Überdem warmen Ende 4a kann eine Absorptionsschicht 5a liegen,die beispielsweise dunkel gefärbtist, sodass in ihr die ein fallende Infrarotstrahlung (symbolisiertdurch IR(To)) besonders stark absorbiert wird und so zu einer Erwärmung deswarmen Endes 4a führt.Es kann andererseits überdem kalten Ende 4b eine Reflexionsschicht 5b liegen,die die einfallende Infrarotstrahlung reflektiert, sodass sich daskalte Ende 4b entsprechend weniger erwärmt. Aus dem Temperaturunterschiedzwischen kaltem und warmem Ende ergibt sich eine abgreifbare Spannungsdifferenz.Mehrere dieser Strukturen könnenin Serie geschaltet sein, sodass sich dementsprechend eine höhere Signalspannungergibt.
[0004] DieSensorelemente liegen auf einer dünnen Membran 3, dieihrerseits von einem als Rahmen ausgebildeten Träger 1 getragen wird.Die warmen Enden 4a liegen dabei regelmäßig nicht über dem Rahmen 1,sondern auf der Membran 3 über der Öffnung 2 des Rahmens 1.Dadurch ist das warme Ende 4a von der thermischen Massedes Rahmens 1 thermisch entkoppelt, sodass die einfallendeInfrarotstrahlung eine vergleichsweise hohe Erwärmung und damit ein hohes Signalbewirken kann.
[0005] Wenndavon ausgegangen werden kann, dass die Umgebungstemperatur (symbolisiertdurch Pfeile Tu unter dem Rahmen 1 des Sensorelements) konstantist, ist es wünschenswert,die kalten Kontakte 4b überdem Rahmen 1 und, wenn und soweit dort vorhanden, auf derMembran 3, vorzusehen. Dann ist eine Erwärmung derkalten Kontakte durch die einfallende Infrarotstrahlung gering,da die kalten Kontakte mit der thermischen Masse des Rahmens 1 gekoppeltsind.
[0006] Wennandererseits davon auszugehen ist, dass sich die Umgebungstemperaturschnell ändern kann,ist es vorzuziehen, die kalten Kontakte wie die warmen Kontakt nicht über demRahmen 1 vorzusehen, sondern – wie in 1 gezeigt – über der Öffnung 2 im Rahmen 1,sodass insoweit auch eine Entkopplung der kalten Kontakte von dersich ändernden Umgebungstemperaturerfolgt. Ein typisches Einsatzgebiet für Sensorelemente bzw. Sensorenbei sich ändernderUmgebungstemperatur ist das Gebiet der Klimatechnik. Dort können schnelleTemperatursprüngeder Umgebungstemperatur auftreten, so dass auch der Sensor und seineKomponenten diese Umgebungstemperaturänderungen erfahren können.
[0007] Wenndie Temperaturverhältnissedes kalten Kontakts undefiniert sind oder sich ändern, leidet darunter die(mittelbare) Temperaturmessung überdie (unmittelbare) Messung der Infrarotstrahlung, die nach Maßgabe einerObjekttemperatur To erzeugt wird.
[0008] Zurgenauen Temperaturmessung sind die dynamischen Eigenschaften derTemperaturverteilung relevant. Hierzu schlägt die DE 197 10 946 vor, die Wärmekapazitäten derKaltstellen und der Warmstellen sowie die Wärmeleitfähigkeit in der Umgebung derKaltstellen und der Warmstellen in bestimmter, näher ausgeführter Weise auszugestalten. Eineunsymmetrische Anordnung der Warmstellen des Thermopile-Sensorsbezüglichdes Gehäuses wirdvorgeschlagen, um lediglich die Bestrahlung der Warmstellen zu erreichen.Durch die aus der genannten Druckschrift bekannten Maßnahmensoll erreicht werden, dass die Beeinflussung der Kaltstellen durch denUmgebungstemperaturgang die gleiche ist wie diejenige der Warmstellen.
[0009] Ausder EP 1 039 280 istein Infrarotsensor mit Thermopile-Sensor bekannt. Der Sensor weist eineKappe auf, in der ein Fensterbauteil eingearbeitet ist. Von derInnenseite her ist das Fensterbauteil mit Kunststoff an der Kappebefestigt.
[0010] Aufgabeder Erfindung ist es, einen Sensor anzugeben, der gegen Änderungender Umgebungstemperatur des Sensors bzw. des Sensorelements undallgemein gegen störendeSignalquellen vergleichsweise unempfindlich ist.
[0011] DieseAufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Abhängige Patentansprüche sindauf bevorzugte Ausführungsformender Erfindung gerichtet.
[0012] DasGehäuseeines Sensors kann eine Bodenplatte aufweisen, auf der das Sensorelementangebracht ist, sowie Seitenwändeund eine Decke, wobei zumeist letztere ein Strahlungseintrittsfensteraufweist, durch das die zu erfassende Strahlung auf das Sensorelementim Inneren des Gehäusesfällt.Die Seitenwändeund die Decke sind häufigein einstückiges,zylinderähnlichesBauteil. Das Strahlungseintrittsfenster ist mit einem für die zuerfassende Strahlung durchlässigenMaterial verschlossen, das häufig abbildendeEigenschaften hat (Linse, Fresnel-Linse, Gitter, Phasenplatte).Dieses Material wird mit einer Befestigungseinrichtung so am Gehäuse befestigt, dassdie Befestigungseinrichtung nicht im Gesichtsfeld des Sensorelementsliegt.
[0013] Vorzugsweisewird das Material des Strahlungseintrittsfensters außen am Gehäuse befestigt, sodassauch die Befestigungseinrichtung außen liegt, oder es wird ineiner nach außengerichteten Nut oder Vertiefung oder Gesenk des Gehäuses befestigt, insbesondereverklebt. Auf diese Weise verbleibt das stark strahlungsemittierendeBefestigungsmaterial nicht im Gesichtsfeld des Sensorelements, sodassdie von ihm ausgehende, auch umgebungstemperaturabhängige Strahlungdas Messergebnis nicht verfälscht.
[0014] Dieim Gesichtsfeld des Sensorelements liegenden Innenflächen imGehäusekönnengering emittierende Flächensein.
[0015] Zusätzlich oderstattdessen könnendie im Gehäuseinnerenim Gesichtsfeld des Sensorelements liegenden Innenflächen sogeformt sein, dass keine oder nur wenig Strahlung von außen über die Innenflächen aufdas oder die Sensorelemente reflektiert wird. Die Innenflächen können nachaußen gewölbt, alsokonkav geformt sein. Aber auch konvexe Wölbungen sind möglich. DieAnordnung kann dabei insbesondere so sein, dass die Querschnittsfläche unmittelbar über demSensorelement größer ist alsauf Höhedes Strahlungseintrittsfensters. Dadurch wird sichergestellt, dassvon außeneintretende Umgebungsstrahlung, die eigentlich nicht auf das Sensorelementabgebildet werden soll, im Inneren des Gehäuses so reflektiert wird, dasses nicht auf das Sensorelement gelangt und so ebenfalls nicht die Temperaturmessungstört.
[0016] DerSensor dient der Messung von Infrarotstrahlung bzw. der Temperaturmessung.Er kann bspw. in einem Thermometer etwa in der Klimatechnik angewendetwerden. Ein Thermometer mit einem wie in dieser Beschreibung beschriebenenSensor bzw. Sensorelement wird auch als Teil der Erfindung angesehen.
[0017] Nachfolgendwerden Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen einzelne Ausführungsformender Erfindung beschrieben, es zeigen:
[0018] 1 denQuerschnitt durch ein Sensorelement, und
[0019] 2 denQuerschnitt durch einen erfindungsgemäßen Sensor,.
[0020] 2 zeigteinen Sensor in einem Schnitt durch eine vertikale Ebene. Im Innerendes Sensors 30 ist ein Sensorelement 10 vorgesehen,das wärmeempfindlichist, insbesondere fürInfrarotstrahlung (λ > 800 nm, vorzugsweise > 2 μm). Es kann, muss aber nichtwie oben beschrieben ausgebildet sein. Es kann sich insbesondereum ein Thermopile-Sensorelement handeln. Neben dem Sensorelement 10 oder direktauf dem Sensorelement angebracht befindet sich ein Temperaturreferenzelement 37,das die Umgebungstemperatur erfasst und in ein elektrisches Signalwandelt, das zur Auswertung und Kompensation herangezogen werdenkann. Sensorelement 10 und gegebenenfalls Temperaturreferenzelement 37 befindensich im Inneren eines Gehäuses,das in der gezeigten Ausführungsformeine Bodenplatte 33 aufweist, Seitenwände 31 und ein Strahlungseintrittsfenster 35,das von einem strahlungsdurchlässigen Material 32 verschlossenist.
[0021] DasGehäuseund insbesondere die Seitenwand 31 kann zylindrisch umeine Zylinderachse 40 herum aufgebaut sein. Das Strahlungseintrittsfenster 35 kannvon einem Abbildungselement verschlossen sein, das aus strahlungsdurchlässigem Material 32 besteht.Das Abbildungselement kann sammelnde bzw. fokussierende Wirkunghaben. Es kann sich beispielsweise um eine Phasenplatte, um einGitter, um eine Fresnel-Linse oder eine allgemeine Linse handeln.Das strahlungsdurchlässigeMate rial 32 ist mit einer nicht im Gesichtsfeld des Sensorelements 10 liegendenBefestigungseinrichtung 38 am Gehäuse befestigt. Üblicherweiseist die Befestigungseinrichtung ein Klebstoff oder ein allgemeinerKunststoff mit vergleichsweise hoher Strahlungsemissivität, sodass dieserauch besonders stark Strahlungsänderungen beiUmgebungstemperaturänderungenhervorruft. Diese beeinflussen das Messsignal nicht, soweit die Befestigungseinrichtungsich außerhalbdes Gesichtsfelds des Sensorelements 10 befindet.
[0022] DerAufbau kann so sein, dass das Material des Strahleneintrittsfenstersvon außenam Gehäuse befestigtwird, sodass die Befestigungseinrichtung 38 ebenfalls außen liegt.Insbesondere kann das Material in eine Nut oder Vertiefung 34 ander Außenseite desGehäuseseingelegt und darin verklebt werden, beispielsweise wie gezeigtzwischen der Seitenwand der Vertiefung 34 und der Seitenwanddes Materials 32 durch einen Klebstoff oder Kunstharz oderallgemeinen Kunststoff 38. Dieser befindet sich dann nicht imGesichtsfeld des Sensors 10, sodass er auch nicht zur Signalstörung durchabgegebene Strahlung beitragen kann.
[0023] Ineiner weiteren Ausführungsformder Erfindung könnendie im Gesichtsfeld des Sensorelements 10 liegenden Innenflächen 36 geringemittierend sein bzw. aus gering emittierendem Material bestehen,sodass sich Änderungender Umgebungstemperatur, die auch das Gehäuse und insbesondere der zylindrischeTeil 31 hiervon erfahren, nur in geringem Umfang durchAbstrahlung im Inneren des Sensors dem Sensorelement 10 mitteilen.Die Innenflächenkönneneine Emissivitätvon weniger als 10%, vorzugs weise weniger als 3% derjenigen einesidealen schwarzen Strahlers aufweisen.
[0024] Ineiner weiteren Ausführungsformkönnen dieInnenflächen 36,die im Gesichtsfeld des Sensorelements liegen, global konkav geformtsein. Hierbei kann die Gestaltung so sein, dass die Querschnittsfläche der Öffnung unmittelbar über demSensorelement 10 größer istals die Querschnittsflächedes Strahlungseintrittsfensters 35, also so, dass sichdie Innenflächen 36 vomSensorelement 10 zum Strahlungseintrittsfenster 35 hinin Richtung Symmetrieachse 40 einziehen. Dadurch werdenStrahlungskomponenten, die von jenseits des zu messenden Objektsstammen so reflektiert werden, dass sie nicht auf das Sensorelement 10 einfallen.Dies ist durch einen beispielhaften Strahlengang 42 angedeutet.Der Strahl wird an der schrägenWand 36 so reflektiert, dass er nicht auf das Sensorelement 10 trifft,sondern auf einen Bodenbereich neben dem Sensorelement. Der Bodenbereichneben dem Sensorelement kann durch ein absorbierendes Material ("Sumpf') 41 belegtsein, sodass Mehrfachreflexionen nicht auftreten. Die Innenflächen 36 sinddabei dann spiegelnd ausgelegt.
[0025] DieGeometrie kann aber auch so sein, dass sie sich (in 3)nach oben öffnetbzw. ausweitet, insbesondere wenn die im Gehäuseinneren im Gesichtsfelddes Sensorelements liegenden Innenflächen so geformt sind, dasskeine oder nur wenig Strahlung von außen über die Innenflächen aufdas oder die Sensorelemente reflektiert wird. Die Innenflächen können globalnach außengewölbt,also konkav geformt sein. Aber auch global konvexe Wölbungensind möglich.
[0026] DieInnenflächen 36 können Flächen eines massivenGehäusekörpers 31 sein,der beispielsweise als Drehteil gestaltet sein kann. Es kann sichaber auch beispielsweise um die verspiegelten Innenflächen 36 einesSpritzgrußteilshandeln, das zur Erhöhungder mechanischen Stabilitätgegebenenfalls noch mit einer metallischen Kappe überzogenwerden kann, oder die Innenflächen 36 können durchein separates Bauteil gebildet sein, das unabhängig vom äußeren Gehäuse in das Gehäuseinnereeingesetzt wird und jedenfalls aus Sicht des Sensorelements 10 dieInnenwände 36 desSensorinnenraums bildet.
[0027] 39 sinddie Anschlüssedes Sensors zur Ableitung der Signale des Sensorelements 10 undgegebenenfalls des Temperaturreferenzelements 37. Wennes sich um einen Mehrelementsensor handelt, können dementsprechend mehrereelektrisch getrennt abfragbare Sensorelemente vorgesehen sein, dieauf einer gemeinsamen Membran 3 über einem gemeinsamen Rahmen 1 oderauf einer Membran überseparaten Gruben eines gemeinsamen Trägers angebracht sein können. Eskönnendann auch mehrere Anschlüssevorgesehen sein. Zusammen mit dem Sensorelement oder Mehrfachsensorelementen können weiterhinelektronische Signalverarbeitungsschaltkreise entweder auf den Elementenselbst oder neben dem Sensorelement angebracht sein.
[0028] Insbesonderewie oben beschrieben kann das Gehäuse wärmeleitend sein. Es kann eineWärmeleitfähigkeitaufweist, die mindestens 20%, vorzugsweise mindestens 50% derjenigenvon reinem Kupfer beträgt.
[0029] Dasdas Strahlungseintrittsfenster 35 verschließende Element 32 kanneine vorzugsweise durch Ätzengebildete Phasenplatte sein. Hier führen bereichsweise unterschiedlicheDicken, die zueinander konzentrisch angeordnet sind, zu Gangunterschiedender die Phasenplatte verlassenden Strahlungsteile, sodass aufgrund Überlagerung/Interferenzeine Sammlung der eintretenden Strahlung in gewisser Weise wellenlängenselektivauf dem Sensorelement stattfindet. Das Element 32 kannauch eine Linse oder eine Fresnelllinse oder ein fokussierenderSpiegel sein oder aufweisen.
[0030] DerSensor kann in seinen Außenabmessungeneinem standardisierten Gehäuseentsprechen, bspw. einem TO5-Gehäuse,oder er kann ein solches Gehäuseaufweisen.
[0031] DasSensorelement kann ein oder mehrere Thermopiles sein bzw. aufweisen.Diese haben kalte und warme Kontakte. Die warmen Kontakte können aufeiner Membran überder Öffnungeines Rahmens liegen. Die kalten Kontakte können über der Öffnung des Rahmens oder aufbzw. überdem Rahmen liegen. Es könnenAbsorptions- und/oder Reflexionsschichten wie Bezug nehmend auf 1 beschriebenvorgesehen sein.

权利要求:
Claims (15)
[1] Sensor (30) zum Erfassen elektromagnetischerStrahlung insbesondere im IR-Bereich, mit einem oder mehrerenSensorelementen (10) zum Erfassen elektromagnetischer Strahlung, einemGehäuse(31, 33), in dem das Sensorelement angeordnetist, und einem mit einem fürdie zu erfassende Strahlung durchlässigen Material (32)verschlossenen Strahlungseintrittsfenster (35) im Gehäuse, dadurchgekennzeichnet, dass das durchlässige Material (32)mit einer nicht im Gesichtsfeld eines Sensorelements liegenden Befestigungseinrichtung(38) am Gehäusebefestigt ist.
[2] Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dassdas Material des Strahlungseintrittsfensters von außen am Gehäuse oderin einer nach außengerichteten Nut oder Vertiefung (34) des Gehäuses befestigtist.
[3] Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,daß dasGehäusewärmeleitendist und insbesondere eine Wärmeleitfähigkeitaufweist, die mindestens 20%, vorzugsweise mindestens 50% derjenigenvon reinem Kupfer beträgt.
[4] Sensor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,dass die Befestigungseinrichtung (38) ein Kunststoff oderein Klebstoff ist.
[5] Sensor (30), insbesondere nach einem oder mehrerender vorherigen Ansprüche,zum Erfassen elektromagnetischer Strahlung insbesondere im IR-Bereich,mit einem oder mehreren Sensorelementen (10) zum Erfassenelektromagnetischer Strahlung, einem Gehäuse (31, 33),in dem das Sensorelement (10) angeordnet ist, und einemStrahlungseintrittsfenster im Gehäuse (35), dadurchgekennzeichnet, dass im Gehäuseinnerenim Gesichtsfeld des Sensorelements (10) gering emittierendeInnenflächen(36) liegen.
[6] Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dassInnenflächen(36) spiegelnd sind.
[7] Sensor (30), insbesondere nach einem oder mehrerender Ansprüche1 bis 6, zum Erfassen elektromagnetischer Strahlung insbesondereim IR-Bereich, mit einem oder mehreren Sensorelementen (10)zum Erfassen elektromagnetischer Strahlung, einem Gehäuse (31, 33),in dem das Sensorelement (10) angeordnet ist, und einemStrahlungseintrittsfenster (35) im Gehäuse, dadurch gekennzeichnet,dass im Gehäuseinnerenim Gesichtsfeld des Sensorelements (10) Innenflächen (36)liegen, die in einem vertikalen Schnitt global nach außen gewölbt sind.
[8] Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dassdie Innenflächen(36) einen Innenraum definieren, dessen Querschnittsfläche am Strahlungseintrittsfenster(35) kleiner ist als unmittelbar über dem Sensorelement (10).
[9] Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dassdie Innenflächen(36) nach oben hin zum Strahlungseintrittsfenster (35)konisch zulaufen.
[10] Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,dass die Innenflächen(36) eine Zylinderoberfläche bilden.
[11] Sensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis10, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenflächen (36) eine Oberfläche einesHilfskörpers imGehäuseinnerensind.
[12] Sensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse ein Drehteil (31)ist oder aufweist.
[13] Sensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,dass die Innenflächen(36) eine Oberfläche desDrehteils sind.
[14] Sensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis13, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich im Gehäuseinnerenneben dem Sensorelement (10) mit einem strahlungsabsorbierendenMaterial (41) belegt ist.
[15] BerührungslosesTemperaturmessgerätmit einem Sensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis14.

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