DE102011103818A1

DE102011103818A1 - Infrarot-Sensoranordnung und deren Verwendung

Info

Publication number: DE102011103818A1
Application number: DE102011103818A
Authority: DE
Inventors: Stefan Rössinger; Michael Basel; Tobias Schäpertöns
Original assignee: Meas Deutschland GmbH
Current assignee: TE Connectivity Sensors Germany GmbH
Priority date: 2011-06-01
Filing date: 2011-06-01
Publication date: 2012-12-06
Also published as: US9052235B2; DE112012002312A5; WO2012163539A1; US20140291521A1; CN103797345A; CN103797345B

Abstract

Infrarot(IR)-Sensoranordnung mit: – einem IR-Sensorelement (4), das einen strahlungssensitiven Bereich aufweist, der IR-Strahlen erfasst, – einem ersten optischen Element (6), welches in eine Einstrahlrichtung gesehen vor dem IR-Sensorelement (4) angeordnet ist, wobei das optische Element (6) eines oder mehrere der nachfolgend genannten Glieder aufweisen kann: – eine brechende Fläche, – einen Spiegel, – eine Blende – einen wellenlängenabhängigen Filter wobei durch das erste optische Element (6) und die Größe des IR-Sensorelements als ein beabsichtigtes Gesichtsfeld (7) des IR-Sensorelements (4) die Schar der von außen eingestrahlten IR-Strahlen festgelegt wird, die – soweit als Teil des ersten optischen Elements (6) eine brechende Fläche vorhanden ist, nur einmal durch diese brechende Fläche hindurchtreten, – soweit als Teil des ersten optischen Elements (6) ein Spiegel vorhanden ist brechende Fläche vorhanden ist, nur einmal an diesem Spiegel reflektiert werden, – soweit als Teil des ersten optischen Elements (6) eine Blende vorhanden ist, nur einmal durch diese Blende hindurchtreten, – soweit als Teil des ersten optischen Elements (6) ein wellenlängenabhängiger Filter vorhanden ist, nur einmal durch diese wellenlängenabhängigen Filter hindurchtreten, – auf den strahlungssensitiven Bereich treffen und, – zwischen dem optischen Element und dem Auftreffen auf den strahlungssensitiven Bereich nicht an einer Oberfläche reflektiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Infrarot(IR)-Sensoranordnung mit

– einem IR-Sensorelement, das einen strahlungssensitiven Bereich aufweist, der IR-Strahlen erfasst,
– einem ersten optischen Element, welches in eine Einstrahlrichtung gesehen vor dem IR-Sensorelement angeordnet ist, wobei das optische Element eines oder mehrere der nachfolgend genannten Glieder aufweisen kann:
– eine brechende Fläche,
– einen Spiegel,
– eine Blende
– einen wellenlängenabhängigen Filter
wobei durch das erste optische Element und die Größe des IR-Sensorelements als ein beabsichtigtes Gesichtsfeld des IR-Sensorelements die Schar der von außen eingestrahlten IR-Strahlen festgelegt wird, die
– soweit als Teil des ersten optischen Elements eine brechende Fläche vorhanden ist, nur einmal durch diese brechende Fläche hindurchtreten,
– soweit als Teil des ersten optischen Elements ein Spiegel vorhanden ist brechende Fläche vorhanden ist, nur einmal an diesem Spiegel reflektiert werden,
– soweit als Teil des ersten optischen Elements eine Blende vorhanden ist, nur einmal durch diese Blende hindurchtreten,
– soweit als Teil des ersten optischen Elements ein wellenlängenabhängiger Filter vorhanden ist, nur einmal durch diese wellenlängenabhängigen Filter hindurchtreten,
– auf den strahlungssensitiven Bereich treffen und,
– zwischen dem optischen Element und dem Auftreffen auf den strahlungssensitiven Bereich nicht an einer Oberfläche reflektiert werden.

Ferner betrifft die Erfindung eine Verwendung einer solchen Infrarot-Sensorandordnung.
Bei solchen Infrarot-Sensoranordnungen, die z. B. für Bewegungsmelder und die berührungslose Temperaturmessung (Pyrometrie) verwendet werden, sind oft optische Elemente (z. B. Linsen, Spiegel, Blenden o. ä.) zur Einschränkung des Gesichtsfeldes des Infrarot-Sensors vorgesehen. Ebenso werden planare Schutzfenster oder -folien benutzt um v. a. Spiegeloptiken vor Umwelteinflüssen zu schützen.
Eine typische Infrarot-Sensoranordnung zur Pyrometrie umfasst ein IR-Sensorelement (z. B. ein Thermopile-Strahlungssensor, pyroelektrischer Strahlungssensor, Bolometer o. ä.), optische Elemente zur Fokussierung (Linsen, Spiegel etc.), Blenden, Filter etc., sowie ein ggf. mehrteiliges Gehäuse, in dem, bzw. als Teil dessen die verschiedenen Elemente zusammengefasst werden.
Typisch für diese Art Sensoren (siehe 2) sind ein TO-Gehäuse 1 mit Bodenplatte 2 (auch ”Header” genannt) und Kappe 3, in denen ein Sensorelement 4, z. B. ein Thermopile-Chip, meistens ein Referenzsensor 5 zur Messung der Gehäusetemperatur und ein optisches Element 6, z. B eine Linse, eine Blende bzw. ein planes Fenster, vorgesehen sind. Die Linse und das IR-Sensorelement definieren nach den Gesetzen der Strahlenoptik ein Gesichtsfeld 7 des Sensors. Innerhalb dieses Gesichtsfeldes liegende Strahlen 8 gelangen durch einfache Transmission zum Sensorelement 4. Außerhalb des beabsichtigten Gesichtsfeldes liegende Strahlen 9a gelangen durch einfache Transmission nicht zum Sensorelement 4. Dennoch können außerhalb des beabsichtigten Gesichtsfeldes liegende Strahlen 9b durch Mehrfachreflexionen innerhalb des optischen Elementes 6 zum Sensorelement 4 gelangen und so ggf. Messungen verfälschen.
Eine IR-Sensoranordnung mit oder ohne Linse gibt die US 4,626,686 an. Hier wird ein Thermopile-Strahlungssensor von hinten in einen Tubus montiert, wobei die Rückseite des Sensor-Gehäuses nicht mit dem Tubus verbunden wird. Vor dem Strahlungssensor (dem Strahlungseinfall entgegen) wird erst eine Blende und dahinter eine Linse bzw. ein planes Fenster montiert. Die Blende ist somit zwischen Sensorelement und Linse bzw. Fenster platziert. Alles zusammen wird in einem ggf. mehrteiligen Tubus montiert.
Derartige Sensoranordnungen weisen verschiedene Nachteile auf:
Häufig verwendete IR-transparente Materialien für Linsen und Fenster haben relativ hohe Brechungsindices n (z. B. Silizium n ≈ 3.46, Germanium n ≈ 4,0, Polyethylen n ≈ 1,7), welche starke Reflexionen an den Grenzschichten verursachen können. Einfallende IR-Strahlung kann u. U. innerhalb des optischen Elements mehrfach reflektiert werden. Durch solche Mehrfachreflektionen kann IR-Strahlung, die eigentlich außerhalb des berechneten Gesichtfeldes liegt, zum Sensorelement gelangen. Dieser Effekt kann auch bei Spiegeloptiken auftreten, welche mit einem Schutzfenster versehen sind. Dann treten die Mehrfachreflexionen zwar nicht innerhalb des optischen Elements selbst auf, aber möglicherweise innerhalb der Kombination von Spiegel und Schutzfenster.
Die optischen Elemente der Infrarot-Sensoranordnung verhalten sich thermisch anders als das eigentliche Sensorelement (z. B. Thermopile-Chip), d. h. sie heizen sich auf (kühlen sich ab) relativ zum eigentlichen Sensorelement. Dies ergibt zusätzliche thermische Effekte, die ebenfalls Messungen verfälschen können. Unglleichmäßiges Aufheizen (oder Abkühlen) der optischen Elemente kann durch Wärmeleitung bzw. Konvektion der Umgebungsmedien oder auch durch die Wärmestrahlung des zu messenden Objektes hervorgerufen werden.
Auch das Gehäuse selbst des eigentlichen Sensors (z. B. ein Thermopile-Chip im TO-5-Gehäuse) kann inhomogen aufgeheizt (abgekühlt) werden. Die Ursachen (Wärmeleitung, Konvektion, Wärmestrahlung) können thermische Effekte (z. B. zusätzliche IR-Strahlung) verursachen, welche die Messung verfälschen können.
Eine weitere bekannte Sensoranordnung gibt die US 4,797,840 an. Dort wird ein Tubus vor einen pyroelektrischen Sensor angeordnet, um das Gesichtsfeld einzuschränken. Um zu verhindern, dass sich der Tubus selbst erwärmt und dann IR-Strahlung emittiert, ist dieser innen verspiegelt. Damit wird zwar einer der Nachteile verringert. Die Verspiegelung kann allerdings Mehrfachreflexionen verursachen, so dass auch unerwünschte Strahlung aus nahezu jedem Winkel (außerhalb des Gesichtsfeldes) zum Sensorelement geführt werden kann.
US 5,018,872 gibt an, wie ein Sensorgehäuse einer IR-Sensoranordnung mittels eines Wärmeausgleichskörpers („heat sink”) thermisch homogener ausgebildet werden kann. Das Gesichtsfeld wird mittels einer Blende und einem Schutzfenster bestimmt. Mehrfachreflexionen können nicht völlig ausgeschlossen werden.
Eine thermisch an das Sensorgehäuse angekoppelte Strahlfalle wird in WO 201004505 beschrieben. Diese liegt jedoch zwischen Linse bzw. Spiegel und Sensorelement. Dieses verringert das Problem der inhomogenen Aufheizung des Gehäuses, nicht jedoch andere der vorgenannten Nachteile.
DE 10 2004 030 418 zeigt den Aufbau eines Sensorgehäuses, in welchem einige Teile mit den Sensorchip auf Waferebene verbunden werden. Dieser Verbund wird dann in ein Kunststoff- oder Keramikgehäuse eingesetzt. Hier sind zwar alle im Waferverbund hergestellten Teile wirksam thermisch gekoppelt (thermisch homogen). Allerdings ist die externe Blende thermisch sowohl konstruktiv als auch über die Materialwahl Kunststoff oder Keramik nur unvollständig mit dem Sensorchip gekoppelt. Es können also verfälschende thermische Effekte auftreten. Die Optik des Waferverbundes einschließlich der externen Blende kann auch Mehrfachreflexionen nicht völlig ausschließen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht also darin, eine Infrarot-Sensoranordnung bereitzustellen, bei der die im Zusammenhang mit dem Stand der Technik erläuterten Probleme wenigstens teilweise gelöst sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Sensor nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen und der hiernach folgenden Beschreibung angegeben.
Dabei ist ausgehend von der eingangs beschriebenen IR-Sensoranordnung vorgesehen, dass einem in der Einstrahlrichtung in einem Abstand (a) vor dem ersten optischen Element (6) angeordneten zweiten optischen Element (10), das eines oder mehrere der nachfolgend genannten Glieder aufweisen kann:

– eine brechende Fläche,
– einen Spiegel,
– eine Blende
– einen wellenlängenabhängigen Filter

– durch das erste und das zweite optische Element hindurchtreten,
– auf den strahlungssensitiven Bereich treffen,
– zwischen dem zweiten optische Element und dem ersten optischen Element sowie zwischen dem ersten optischen Element und dem Auftreffen auf den strahlungssensitiven Bereich nicht an einer Oberfläche reflektiert werden,
– soweit als Teil des ersten optischen Elements eine brechende Fläche vorhanden ist, nur einmal durch diese brechende Fläche hindurchtreten,
– soweit als Teil des ersten optischen Elements ein Spiegel vorhanden ist brechende Fläche vorhanden ist, nur einmal an diesem Spiegel reflektiert werden,
– soweit als Teil des ersten optischen Elements eine Blende vorhanden ist, nur einmal durch diese Blende hindurchtreten,
– soweit als Teil des ersten optischen Elements ein wellenlängenabhängiger Filter vorhanden ist, nur einmal durch diese wellenlängenabhängigen Filter hindurchtreten,
– soweit als Teil des zweiten optischen Elements eine brechende Fläche vorhanden ist, nur einmal durch diese brechende Fläche hindurchtreten,
– soweit als Teil des zweiten optischen Elements ein Spiegel vorhanden ist brechende Fläche vorhanden ist, nur einmal an diesem Spiegel reflektiert werden,
– soweit als Teil des zweiten optischen Elements eine Blende vorhanden ist, nur einmal durch diese Blende hindurchtreten,
– soweit als Teil des zweiten optischen Elements ein wellenlängenabhängiger Filter vorhanden ist, nur einmal durch diese wellenlängenabhängigen Filter hindurchtreten.

Der durch den Abstand definierte Raum wird genutzt, um zwischen dem ersten optischem Element und dem zweiten optischen Element eine Strahlfalle auszubilden, welche zumindest einen Teil der IR-Strahlen, die nach dem zweiten optische Element für einen Durchtritt durch ein Glied des ersten optischen Elements, soweit ein Glied des ersten optischen Elements, das durchtreten werden kann, vorhanden ist, oder für eine Reflektion an einem Spiegel des ersten optischen Elements, soweit ein Spiegel vorhanden ist, an einer zwischen dem zweiten optischen Element und dem ersten optischen Element angeordneten Oberfläche reflektiert werden müssten, absorbiert.
Eine erfindungsgemäße Infrarot(IR)-Sensoranordnung erhöht die Messgenauigkeit der IR-Sensoranordnung, indem der Einfluss von Streustrahlung auf das IR-Sensorelement verringert bzw. völlig verhindert wird. Weit außerhalb des Gesichtsfelds liegende Streustrahlen werden in der Strahlfalle absorbiert und damit wirkungslos. Gleichzeitig wird das Gesichtsfeld so weit eingeschränkt, dass alle die optischen Elemente passierenden Strahlen ohne störende Mehrfachreflexionen in den Bereich des IR-Sensorelements gelangen. Über eine geeignete Abstimmung von Art und Abstand des ersten und zweiten optischen Elements kann dieser Effekt fast beliebig verfeinert werden.
Bei der erfindungsgemäßen Infrarot-Sensoranordnung werden IR-Sensorelemente eingesetzt, die einen strahlungssensitiven Bereich aufweisen. Die den strahlungssensitiven Bereich bildenden Elemente sind in der Regel in einer Ebene, bzw. in mehreren parallelen Ebenen angeordnet. Als Einstrahlrichtung wird deshalb insbesondere die senkrecht auf diese Ebenen stehende Richtung verstanden. Das IR-Sensorelement kann insbesondere als ein aus dem Stand der Technik bekannter Thermopile-Strahlungssensor, pyroelektrischer Strahlungssensor, oder als ein ebenfalls aus dem Stand der Technik bekanntes Bolometer ausgebildet sein.
Die erfindungsgemäße IR-Sensoranordnung weist ein erstes und ein zweites optisches Element auf. Das erste und das zweite optische Element können gleichartig ausgeführt sein. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das zweite optische Element jedoch als Blende ausgebildet und bildet somit eine einfache Durchtrittsöffnung, durch die die IR-Strahlen durchtreten können.
Die erfindungsgemäß eingesetzten optischen Elemente können aus einem oder mehreren Bauteilen bestehen und/oder eine Durchtrittsöffnung bilden. Im einfachsten Fall wird das optische Element durch eine Blende gebildet, durch die die IR-Strahlen im wesentlichen ohne Änderung ihres Strahlengangs durchtreten. Die Durchtrittsöffnung einer solchen Blende kann auch durch ein Schutzfenster oder eine Schutzfolie verschlossen sein, die aber den Strahlengang der IR-Strahlen nicht wesentlich ändern. In einer anderen Ausführungsform kann ein optisches Element als Element mit einer brechenden Fläche, insbesondere als Element mit zwei brechenden Flächen, insbesondere bevorzugt als Linse ausgebildet sein, die den Strahlengang der durch sie hindurchtretenden IR-Strahlen ändert. In einer anderen Ausführungsform kann das optische Element durch einen oder mehrere Spiegel gebildet werden, an denen die IR-Strahlen reflektiert werden. Ist das optische Element als Blende ausgeführt, so treten die IR-Strahlen durch die Durchtrittsöffnung und ggf. das die Blende zu Schutzzwecken verschließende Schutzfenster, bzw. die Schutzfolie der Blende hindurch. Ist das optische Element als Linse ausgebildet, so tritt die IR-Strahlung durch die Linse hindurch. Weist das optische Element einen oder mehrere Spiegel auf, so wird die IR-Strahlung an dem einen oder den mehreren Spiegeln reflektiert. Es ist auch möglich, das optische Element aus einer Kombination, beispielsweise aus mehreren Spiegeln und einer Linse zu bilden, so dass ein IR-Strahl durch die Spiegel reflektiert wird und durch die Linse durchtritt.
Das erste optische Element und die Größe des IR-Sensorelements legen als ein beabsichtigtes Gesichtsfeld des IR-Sensorelements die Schar der von außen eingestrahlten IR-Strahlen festgelegt wird, die

– soweit als Teil des ersten optischen Elements eine brechende Fläche vorhanden ist, nur einmal durch diese brechende Fläche hindurchtreten,
– soweit als Teil des ersten optischen Elements ein Spiegel vorhanden ist brechende Fläche vorhanden ist, nur einmal an diesem Spiegel reflektiert werden,
– soweit als Teil des ersten optischen Elements eine Blende vorhanden ist, nur einmal durch diese Blende hindurchtreten,
– soweit als Teil des ersten optischen Elements ein wellenlängenabhängiger Filter vorhanden ist, nur einmal durch diese wellenlängenabhängigen Filter hindurchtreten,
– auf den strahlungssensitiven Bereich treffen und,
– zwischen dem optischen Element und dem Auftreffen auf den strahlungssensitiven Bereich nicht an einer Oberfläche reflektiert werden.

Nicht zum beabsichtigten Gesichtsfeld gehören damit beispielsweise

– IR-Strahlen, die nicht auf den strahlungssensitiven Bereich des IR-Sensorelements treffen oder
– IR-Strahlen, die in einem Winkel in eine ggf. im ersten optischen Element vorgesehene Linse eintreten, der dazu führt, dass die IR-Strahlen innerhalb der Linse mehrfach reflektiert werden, dann aber auf den strahlungssensitiven Bereich des Ir-Sensorelements treffen oder
– IR-Strahlen, die in einem Winkel auf einen ggf. im ersten optischen Element vorgesehenen Spiegel treffen, der dazu führt, dass die IR-Strahlen an diesem oder ggf. weiteren im ersten optischen Element vorgesehenen Gliedern (Spiegel, Linsen, Filter, Schutzfenster etc.) mehrfach reflektiert werden, dann aber auf den strahlungssensitiven Bereich des IR-Sensorelements treffen.

Das zweite optische Element legt ein beschränktes Gesichtsfeld des IR-Sensorelements fest, dass als die Schar der von außen eingestrahlten IR-Strahlen verstanden wird, die

– durch das erste und das zweite optische Element hindurchtreten, auf den strahlungssensitiven Bereich treffen,
– zwischen dem zweiten optische Element und dem ersten optischen Element sowie zwischen dem ersten optischen Element und dem Auftreffen auf den strahlungssensitiven Bereich nicht an einer Oberfläche reflektiert werden,
– soweit als Teil des ersten optischen Elements eine brechende Fläche vorhanden ist, nur einmal durch diese brechende Fläche hindurchtreten,
– soweit als Teil des ersten optischen Elements ein Spiegel vorhanden ist brechende Fläche vorhanden ist, nur einmal an diesem Spiegel reflektiert werden,
– soweit als Teil des ersten optischen Elements eine Blende vorhanden ist, nur einmal durch diese Blende hindurchtreten,
– soweit als Teil des ersten optischen Elements ein wellenlängenabhängiger Filter vorhanden ist, nur einmal durch diese wellenlängenabhängigen Filter hindurchtreten,
– soweit als Teil des zweiten optischen Elements eine brechende Fläche vorhanden ist, nur einmal durch diese brechende Fläche hindurchtreten,
– soweit als Teil des zweiten optischen Elements ein Spiegel vorhanden ist brechende Fläche vorhanden ist, nur einmal an diesem Spiegel reflektiert werden,
– soweit als Teil des zweiten optischen Elements eine Blende vorhanden ist, nur einmal durch diese Blende hindurchtreten,
– soweit als Teil des zweiten optischen Elements ein wellenlängenabhängiger Filter vorhanden ist, nur einmal durch diese wellenlängenabhängigen Filter hindurchtreten.

Nicht zum beschränkten Gesichtsfeld gehören damit beispielsweise IR-Strahlen, die das zweite optische Element in einer Weise verlassen, dass sie zwischen Durchtritt durch das zweite optische Element und dem Durchtritt durch das erste optische Element an einer weiteren Oberfläche reflektiert werden müssten, um durch das erste optische Element durchzutreten.
Bei einer dem Stand der Technik entsprechenden Anordnung aus einem IR-Sensorelement (4) und einem ersten optischen Element (6) bestehend aus einer Silizium-Linse (unbeschichtet) (ohne zweitem optischen Element und ohne Strahlfalle), 2, würden ca. 80% der auf das IR-Sensorelement fallenden Leistung aus dem durch den Kegelstumpf (7) markierten, beabsichtigten Gesichtsfelds stammen. Etwa 20% der auf das IR-Sensorelement fallenden Leistung gelangt von außerhalb dorthin, bsp. Strahlen (9b), und verfälscht das Messergebnis.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann bei der erfindungsgemäßen Anordnung aus einem IR-Sensorelement, einem ersten optischen Element, einem zweitem optischen Element und einer Strahlfalle, 1, ca. 95% der auf das IR-Sensorelement fallenden Leistung aus dem durch den Kegelstumpf markierten, beabsichtigten Gesichtsfelds stammen, In einem solchen Ausführungsbeispiel gelangt etwa 5% oder weniger der auf das IR-Sensorelement fallenden Leistung von außerhalb dorthin, Bsp. Strahlen werden größtenteils in der Strahlfalle absorbiert, und das Messergebnis wird nur geringfügig verfälscht.
Insbesondere bevorzugt ist die Strahlfalle so ausgebildet, dass sie die durch einen auf ihre Oberfläche auftreffenden IR-Strahl eingebrachte Energie aufnimmt und von der Oberfläche, an der IR-Strahl auftrifft, fortleitet, ohne diese Oberfläche zu erwärmen. Dies kann beispielsweise durch eine Strahlfalle erreicht werden, die zumindest zum Teil aus einem gut Wärme leitenden Material, beispielsweise einem Metall, beispielsweise Aluminium, Kupfer, Magnesium, Zink oder aus einem Halbleiter, beispielsweise Silizium oder aus einem in der Halbleitertechnologie verwendeten Keramikwerkstoff besteht. Die Strahlfalle kann auch so ausgebildet sein, dass sie die durch einen auf ihre Oberfläche auftreffenden IR-Strahl eingebrachte Energie zumindest zum Teil aufnimmt und ableitet und sich die Oberfläche nur durch einen Teil der eingestrahlten Energie erwärmt.
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen das erste und das zweite optische Element einen kreisförmigen oder elliptischen Außenumfang auf. In einer solchen bevorzugten Ausführungsform weist die Strahlenfalle insbesondere einen kreisförmigen oder elliptischen Durchgangskanal auf, wobei das erste optische Element an einem Ende und das zweite optische Element an dem zweiten Ende des kreisförmigen oder elliptischen Durchgangskanal angeordnet ist. Insbesondere bevorzugt ist der Durchmesser des kreisförmigen Durchgangskanals größer als der Durchmesser des ersten optischen Elements und größer als der Durchmesser des zweiten optischen Elements. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Durchgangskanal zwischen dem ersten und zweiten optischen Element vollständig als kreisförmiger oder elliptischer Durchgangskanal ausgebildet. In einer alternativen Ausführungsform sind an dem Ende des Durchgangskanal, an dem das erste optische Element angeordnet ist und/oder an dem Ende des Durchgangskanals, an dem das zweite optische Element angeordnet ist Übergangsflächen vorgesehen, die beispielsweise in Form eines Kegelstumpfs einen Übergang von einem kleineren Durchmesser des ersten, bzw. zweiten optischen Elements zu dem größeren Durchmesser des Durchgangskanals schaffen.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind in einem optischen Element oder beiden optischen Elements Linse und/oder Spiegel vorgesehen, die als Strahlenbündel mit einer ersten Querschnittsfläche eintreffende IR-Strahlen auf einen strahlungssensitiven Bereich des IR-Sensorelements mit einer zweiten, kleineren Querschnittsfläche fokussieren können.
Die erfindungsgemäße IR-Sensoranordnung weist eine zwischen dem ersten optischem Element und dem zweiten optischen Element ausgebildete Strahlfalle auf, die zumindest einen Teil der IR-Strahlen, die nach ihrem Durchtritt durch das zweite optische Element für einen Durchtritt durch das erste optische Element zumindest an einer Oberfläche reflektiert werden müssten, absorbiert. Des Weiteren kann die Oberfläche der Strahlfalle Strukturen aufweisen, die die Absorption verbessern, z. B. Aufrauhung, Riffelung, Pyramiden, Trapeze, sie kann als Gewinde ausgeführt sein etc.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform Ist das IR-Sensorelement in einem einen Innenraum bildenden Gehäuse angeordnet. Insbesondere bevorzugt ist ein Bauelement des Gehäuses eine das IR-Sensorelement tragende Bodenplatte. Ein derartiges Gehäuse schützt das IR-Sensor-Element, erlaubt es die unmittelbare Umgebung des IR-Sensor-Elements besonders zu gestalten, beispielsweise ein Füllgas oder Vakuum vorzusehen und erlaubt fertigungsseitig eine gute Handhabung des IR-Sensor-Elements, ohne dass diese Gefahr läuft, beschädigt zu werden, da in nachfolgenden Herstellungsschritten lediglich das Gehäuse gehandhabt werden muss. Die Anordnung des IR-Sensor-Elements auf einer Bodenplatte erlaubt es, Anschlussleitungen für das IR-Sensor-Element durch diese Bodenplatte durchzuführen. Insbesondere bevorzugt ist das Gehäuse als TO-, LCC- oder CSP-Gehäuse ausgebildet (TO = Transistor Outline; LCC = Leadless Ceramic Chip Carrier; CSP = Chip Scale Package).
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Material oder die Kombination von Materialien der Bodenplatte einen Wärmeleitungskoeffizient von mehr als 1 W/mK auf, insbesondere bevorzugt von mehr als 10 W/mK.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das optische Element als mit dem Gehäuse verbundenes Bauteil ausgebildet. Dies erlaubt es, das für die Erfassung der IR-Strahlen wichtige Einstellungen der geometrischen Anordnung des optischen Elements relativ zum IR-Sensor-Element in einem frühen fertigungstechnischen Schritt einzustellen und festzulegen, ohne Gefahr zu laufen, dass dieses geometrische Verhältnis in späteren Fertigungsschritten beeinträchtigt wird. Alternativ kann das Gehäuse auch durch ein planes Fenster abgeschlossen werden. In einem solchen Fall kann das optische Element beabstandet von dem Gehäuse angeordnet sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Referenzsensor vorgesehen, der insbesondere bevorzugt gemeinsam mit dem IR-Sensor-Element an der Bodenplatte angeordnet wird oder im IR-Sensor-Element integriert ist. Der Referenzsensor erlaubt eine besonders einfache und genaue Kalibrierung des IR-Sensor-Elements in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur. Dabei ist die Anordnung auf einer gemeinsamen Bodenplatte, bzw. im IR-Sensorelement integriert fertigungstechnisch von besonderem Vorteil.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die optisch und thermisch wirkenden Elemente über einen Wärmeausgleichskörper miteinander gekoppelt. Der Wärmeausgleichskörper kann ein- oder mehrteilig ausgebildet sein. Ein Wärmeausgleichskörper kann lokale Temperaturunterschiede der einzelnen Bauteile, beispielsweise des IR-Sensor-Elements, der optischen Elemente und der Strahlfalle verringern, sodass lediglich die Strahlung innerhalb des Gesichtsfelds bei der Messung berücksichtigt wird, und keine durch lokale Erwärmung erzeugte „innere Strahlung” das Messergebnis verfälscht. Dazu ist es von besonderem Vorteil, wenn die optisch und die thermisch wirkenden Elemente über einen Wärmeausgleichskörper miteinander gekoppelt sind. Beispielsweise führt die von der Strahlfalle absorbierte IR-Strahlung dazu, dass sich die Strahlfalle erwärmen kann und wiederum eigene IR-Strahlen abstrahlen kann. Wird die Strahlfalle an einen Warmeausgleichskorper angekoppelt, bzw. bildet die Strahlfalle einen Teil des Wärmeausgleichskörpers, so kann die durch die Absorption von IR-Strahlung aufgenommene Energie zumindest zum Teil über den Wärmeausgleichskörper abgeleitet werden, ohne dass sich die Strahlfalle erwärmt und eigene IR-Strahlung („innere Strahlung”) erzeugt.
Als optisch wirkende Elemente werden dabei Elemente verstanden, die eine Oberfläche aufweisen, auf die IR-Strahlung auftrifft oder durch die IR-Strahlung hindurchtritt, insbesondere das IR-Sensor-Element und die optische relevanten Bauteile des optischen Elements verstanden. Thermisch wirkende Elemente einer IR-Sensor-Anordnung sind insbesondere jeder Massekörper, der Wärmestrahlung abgeben kann. Der in der bevorzugten Ausführungsform vorgesehene Wärmeausgleichskörper kann dazu verwendet werden, ein als Blende ausgebildetes zweites optisches Element und/oder die Strahlfalle auszubilden. Vorteile dieser Ausführungsform werden bereits erreicht, wenn einige der optisch und thermisch wirkenden Elemente über einen Warmeausgleichskorper miteinander gekoppelt sind. Besonders bevorzugt sind alle optisch und thermisch wirkenden Elemente über einen Warmeausgleichskörper miteinander gekoppelt.
In einer Ausführungsform, bei welcher das IR-Sensor-Element in einem Gehäuse angeordnet ist, welches mit einer das IR-Sensor-Element tragenden Bodenplatte verschlossen ist, ist der Wärmeausgleichskörper vorzugsweise außerhalb des Gehäuses angeordnet, insbesondere aber thermisch leitend mit der Bodenplatte und ggf. mit weiteren Bereichen des Gehäuses gekoppelt. In einer alternativen Ausführungsform kann das Gehäuse einen Teil des Wärmeausgleichskörpers bilden.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Wärmeausgleichskörper Bestandteile aus Aluminium, Kupfer, Magnesium und/oder Zink auf und ist insbesondere bevorzugt vollständig aus einem dieser Materialien hergestellt. Es hat sich gezeigt, dass diese Bestandteile eine besonders gute Homogenisierung der Temperatur bewirken. Diese Materialien lassen sich zusätzlich gut verarbeiten. Als Materialien für den Wärmeausgleichskörper kommen grundsätzlich gut Wärme leitende Materialien in Frage, z. B. Metalle aber auch Halbleiter, z. B. Silizium, und im Halbleiterbereich verwendete Keramikwerkstoffe. Als gut Wärme leitende Materialien werden insbesondere Materialien mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 10 W/mK, insbesondere bevorzugt von mehr als 20 W/mK verstanden. Derartige Wärmleitfähigkeits-Werte können auch von hochwärmeleitfähigen Kunststoffen erreicht werden. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Wärmeausgleichskörper eine Wandstärke von größer als 1,5 mm auf. Dies verstärkt zusätzlich die Wärmeleitung.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind zumindest Teile der Oberflächen, auf die IR-Strahlen auftreffen oder durch die IR-Strahlen durchtreten mit einer IR-Strahlendurchlässigen, schmutzabweisenden Schicht beschichtet. Derartige Schichten können aus PE (Polyethylen), Polypropylen (PP), PTFE (Polytetrafluorethylen) oder Poly-Para-Xylene (PPX) gebildet werden. Eine derartige Beschichtung ist unter der Bezeichnung „Parylene” von der Firma Specialty Coating Systems, 7645 Woodland Drive, Indianapolis, Indiana, 46278, USA, erhältlich
Die erfindungsgemäße Infrarot-Sensoranordnung wird bevorzugt in einem Temperaturmessgerät verwendet. Ein solches Temperaturmessgerät kann ein so genanntes Pyrometer sein, das zur berührungslosen Messung der Temperatur an schwer zugänglichen Oberflächen oder Strom führenden (unter Spannung stehenden) Bauteilen dient. Pyrometer sind auch als Messgeräte zur schnellen Bestimmung der Körpertemperatur weit verbreitet.
Nachfolgend wir die Erfindung anhand einer lediglich Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
1: ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung in einer schematischen Schnittdarstellung und
2: ein Beispiel einer bekannten Infrarot-Sensoranordnung.
Die in 1 dargestellte IR-Sensoranordnung verwendet als Basis den bereits in 2 beschriebenen IR-Sensor 4 auf einer Bodenplatte 2 im TO (Transistor Outline)-Gehäuse 1. Dieser wird mit einem mehrteiligen Wärmeausgleichskörper („heat sink”) 12, 13 ummantelt. Der Wärmeausgleichskörper 12, 13 besteht aus einem gut wärmeleitfähigen Material (z. B. Messing, Aluminium, Kupfer etc.), ist dickwandig ausgeführt (Wandstärke > 1,5 mm). Die IR-Sensoranordnung ist so konstruiert, dass sowohl die Bodenplatte 2 und die Oberseite der Linse 3, 6 des TO-Gehäuses 1 als auch die beiden Teile des Wärmeausgleichskörpers 12, 13 eine gute thermische Verbindung 14a–c haben. Diese gute thermische Verbindung 14a–c kann z. B. durch Quetschen oder Schrauben 14a bzw. durch Pressen 14b, c erfolgen.
In den oberen Wärmeausgleichskörper 12 sind eine Blende 10 und eine Strahlfalle 11 integriert, so dass auch diese thermisch gut angekoppelt sind. Dieses bewirkt, dass im Gesichtsfeld liegende Strahlen 8 weiterhin zum Sensorelement 4 gelangen. Auch können weiterhin Strahlen 9a, die durch einfache Transmission nicht auf das Sensorelement 4 gelangen, in das Gehäuse gelangen. Allerdings können Strahlen mit größerem Einfallswinkel 9b, die über Mehrfachreflexion zum Sensorelement gelangen könnten, nicht mehr direkt auf die Linse 6 treffen. Sie werden in der Strahlfalle 11 absorbiert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4626686 [0006]
US 4797840 [0010]
US 5018872 [0011]
WO 201004505 [0012]
DE 102004030418 [0013]

Claims

Infrarot(IR)-Sensoranordnung mit: – einem IR-Sensorelement (4), das einen strahlungssensitiven Bereich aufweist, der IR-Strahlen erfasst, – einem ersten optischen Element (6), welches in eine Einstrahlrichtung gesehen vor dem IR-Sensorelement (4) angeordnet ist, wobei das optische Element (6) eines oder mehrere der nachfolgend genannten Glieder aufweisen kann: – eine brechende Fläche, – einen Spiegel, – eine Blende – einen wellenlängenabhängigen Filter wobei durch das erste optische Element (6) und die Größe des IR-Sensorelements als ein beabsichtigtes Gesichtsfeld (7) des IR-Sensorelements (4) die Schar der von außen eingestrahlten IR-Strahlen festgelegt wird, die – soweit als Teil des ersten optischen Elements (6) eine brechende Fläche vorhanden ist, nur einmal durch diese brechende Fläche hindurchtreten, – soweit als Teil des ersten optischen Elements (6) ein Spiegel vorhanden ist, nur einmal an diesem Spiegel reflektiert werden, – soweit als Teil des ersten optischen Elements (6) eine Blende vorhanden ist, nur einmal durch diese Blende hindurchtreten, – soweit als Teil des ersten optischen Elements (6) ein wellenlängenabhängiger Filter vorhanden ist, nur einmal durch diesen wellenlängenabhängigen Filter hindurchtreten, – auf den strahlungssensitiven Bereich treffen und, – zwischen dem optischen Element und dem Auftreffen auf den strahlungssensitiven Bereich nicht an einer Oberfläche reflektiert werden, – einem in der Einstrahlrichtung in einem Abstand (a) vor dem ersten optischen Element (6) angeordneten zweiten optischen Element (10), das eines oder mehrere der nachfolgend genannten Glieder aufweisen kann: – eine brechende Fläche, – einen Spiegel, – eine Blende – einen wellenlängenabhängigen Filter wobei durch das zweite optische Element als ein beschränktes Gesichtsfeld (7) des IR-Sensorelements (4) die Schar der von außen eingestrahlten IR-Strahlen festgelegt wird, die – durch das erste und das zweite optische Element (6) hindurchtreten, – auf den strahlungssensitiven Bereich treffen, – zwischen dem zweiten optischen Element (10) und dem ersten optischen Element (6) sowie zwischen dem ersten optischen Element und dem Auftreffen auf den strahlungssensitiven Bereich nicht an einer Oberfläche reflektiert werden, – soweit als Teil des ersten optischen Elements (6) eine brechende Fläche vorhanden ist, nur einmal durch diese brechende Fläche hindurchtreten, – soweit als Teil des ersten optischen Elements (6) ein Spiegel vorhanden ist brechende Fläche vorhanden ist, nur einmal an diesem Spiegel reflektiert werden, – soweit als Teil des ersten optischen Elements (6) eine Blende vorhanden ist, nur einmal durch diese Blende hindurchtreten, – soweit als Teil des ersten optischen Elements (6) ein wellenlängenabhängiger Filter vorhanden ist, nur einmal durch diesen wellenlängenabhängigen Filter hindurchtreten, – soweit als Teil des zweiten optischen Elements (10) eine brechende Fläche vorhanden ist, nur einmal durch diese brechende Fläche hindurchtreten, – soweit als Teil des zweiten optischen Elements (10) ein Spiegel vorhanden ist, nur einmal an diesem Spiegel reflektiert werden, – soweit als Teil des zweiten optischen Elements (10) eine Blende vorhanden ist, nur einmal durch diese Blende hindurchtreten, – soweit als Teil des zweiten optischen Elements (10) ein wellenlängenabhängiger Filter vorhanden ist, nur einmal durch diese wellenlängenabhängigen Filter hindurchtreten, wobei zwischen dem ersten optischem Element (6) und dem zweiten optischen Element (10) eine Strahlfalle (11) ausgebildet ist, welche zumindest einen Teil der IR-Strahlen absorbiert, welche um auf das IR-Sensorelement (4) zu gelangen nach dem zweiten optischen Element (10) für einen Durchtritt durch ein Glied des ersten optischen Elements (6), soweit ein Glied des ersten optischen Elements (6), das durchtreten werden kann, vorhanden ist, oder für eine Reflektion an einem Spiegel des ersten optischen Elements (6), soweit ein Spiegel vorhanden ist, an einer zwischen dem zweiten optischen Element (10) und dem ersten optischen Element (6) angeordneten Oberfläche reflektiert werden müssten.
IR-Sensoranordnung nach Anspruch 1, bei welcher die optisch und thermisch wirkenden Elemente über einen einteiligen oder mehrteiligen Wärmeausgleichskörper (12, 13) miteinander gekoppelt sind.
IR-Sensoranordnung nach Anspruch 2, bei welcher der Referenzsensor (5), die Bodenplatte (2), sowie die optischen Elemente (6) im bzw. am Wärmeausgleichskörper (12, 13) ausgebildet sind.
IR-Sensoranordnung nach Anspruch 2 oder 3, bei welcher der Wärmeausgleichskörper (12, 13) Bestandteile aus Aluminium, Kupfer, Magnesium und/oder Zink aufweist.
IR-Sensoranordnung nach Anspruch 2, 3 oder 4, bei welcher der Wärmeausgleichskörper (12, 13) eine Wandstärke größer 1,5 mm aufweist.
IR-Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das IR-Sensorelement (4) in einem einen Innenraum bildenden Gehäuse (1) angeordnet ist, wobei ein Bauelement des Gehäuses eine das IR-Sensorelement (4) tragende Bodenplatte (2) ist.
IR-Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das Gehäuse (1) als TO-LCC- oder CSP-Gehäuse ausgebildet ist.
IR-Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das erste optische Element (6) als Teil des Gehäuses an den Innenraum angrenzt.
IR-Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher ein Referenzsensor (5) vorgesehen ist, der insbesondere gemeinsam mit dem IR-Sensorelement (4) an der Bodenplatte (2) angeordnet.
IR-Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher ein Referenzsensor (5) vorgesehen ist, der insbesondere im Wärmeausgleichskörper (12, 13) angeordnet.
Verwendung einer IR-Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Temperaturmessgerät.