WO2012163539A1 - Infrarot-sensor - Google Patents

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WO2012163539A1
WO2012163539A1 PCT/EP2012/002328 EP2012002328W WO2012163539A1 WO 2012163539 A1 WO2012163539 A1 WO 2012163539A1 EP 2012002328 W EP2012002328 W EP 2012002328W WO 2012163539 A1 WO2012163539 A1 WO 2012163539A1
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WO
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optical element
sensor
once
mirror
pass
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PCT/EP2012/002328
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English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan RÖSSINGER
Tobias SCHÄPERTÖNS
Michael BASEL
Original Assignee
Meas Deutschland Gmbh
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Publication date
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Priority to US14/123,049 priority patent/US9052235B2/en
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    • H01L31/02325—Optical elements or arrangements associated with the device the optical elements not being integrated nor being directly associated with the device

Definitions

  • the invention relates to an infrared (IR) sensor device comprising:
  • an IR sensor element having a radiation-sensitive region detecting IR rays
  • a first optical element which is arranged in front of the IR sensor element, viewed in an irradiation direction, wherein the optical element may have one or more of the following elements:
  • the set of externally irradiated IR rays is set
  • CONFIRMATION COPY if a wavelength-dependent filter is present as part of the first optical element, pass only once through these wavelength-dependent filters,
  • the invention relates to a use of such an infrared sensor array.
  • optical elements e.g., lenses, mirrors, or the like
  • planar protective windows or foils are used by v.a. Mirror optics to protect against environmental influences.
  • a typical infrared sensor arrangement for pyrometry comprises an IR sensor element (eg a thermopile radiation sensor, pyroelectric radiation sensor, bolometer or the like), optical elements for focusing (lenses, mirrors etc.), diaphragms, filters, etc., as well as a possibly Multi-part housing, in which, or as part of which the various elements are combined.
  • IR sensor element eg a thermopile radiation sensor, pyroelectric radiation sensor, bolometer or the like
  • optical elements for focusing e.g., mirrors etc.
  • diaphragms e.g., filters, etc.
  • Multi-part housing e.g., Multi-part housing, in which, or as part of which the various elements are combined.
  • Typical of these types of sensors are a TO package 1 with bottom plate 2 (also called “header") and cap 3, in which a sensor element 4, e.g. a thermopile chip, usually a reference sensor 5 for measuring the housing temperature and an optical element 6, z.
  • a sensor element 4 e.g. a thermopile chip, usually a reference sensor 5 for measuring the housing temperature and an optical element 6, z.
  • B a lens, a diaphragm or a plane window, are provided.
  • the lens and the IR sensor element define a field of view 7 of the sensor according to the laws of the beam optics.
  • Within this field of view lying rays 8 pass through simple transmission to the sensor element 4.
  • Outside the intended field of view lying rays 9a pass through simple transmission not to the sensor element 4. Nevertheless, lying outside the intended field of view rays 9b pass through multiple reflections within the optical element 6 to the sensor element 4 and thus possibly distort measurements.
  • An IR sensor arrangement with or without lens US 4,626,686 a Thermopile radiation sensor is mounted from the back into a tube, with the back of the sensor housing is not connected to the tube.
  • a shutter and behind a lens or a plane window Before the Radiation sensor (the radiation incidence opposite) is first mounted a shutter and behind a lens or a plane window. The diaphragm is thus placed between the sensor element and the lens or window. Everything together is mounted in a possibly multipart tube.
  • Incident IR radiation may u.U. be reflected multiple times within the optical element.
  • IR radiation which is actually outside the calculated field of view, can reach the sensor element.
  • This effect can also occur in mirror optics, which are provided with a protective window. Although the multiple reflections do not occur within the optical element itself, but possibly within the combination of mirror and guard window.
  • the optical elements of the infrared sensor array behave thermally differently than the actual sensor element (e.g., thermopile chip), i. they heat up (cool down) relative to the actual sensor element. This results in additional thermal effects, which can also falsify measurements. Uneven heating (or cooling) of the optical elements can be caused by heat conduction or convection of the surrounding media or by the heat radiation of the object to be measured.
  • the actual sensor element e.g., thermopile chip
  • the housing itself of the actual sensor can be heated in an inhomogeneous manner (cooled down).
  • the causes heat conduction, convection, thermal radiation
  • thermal effects e.g., additional IR radiation
  • a thermal trap coupled to the sensor housing is described in WO 201004505. However, this is between the lens or mirror and sensor element. This reduces the problem of inhomogeneous heating of the housing, but not other of the aforementioned disadvantages.
  • DE 10 2004 030 418 shows the structure of a sensor housing in which some parts are connected to the sensor chip on the wafer level. This composite is then inserted into a plastic or ceramic housing. Although all parts produced in the wafer composite are effectively thermally coupled (thermally homogeneous). However, the external diaphragm is thermally both structurally and coupled via the choice of material plastic or ceramic incomplete with the sensor chip. It can thus occur distorting thermal effects. The optics of the wafer assembly including the external aperture can not completely rule out multiple reflections.
  • the object of the present invention is thus to provide an infrared sensor arrangement in which the problems explained in connection with the prior art are at least partially solved.
  • a second optical element (10) arranged in the direction of irradiation at a distance (a) in front of the first optical element (6) can have one or more of the following elements:
  • the second optical element as a limited field of view of the IR sensor element, the family of externally irradiated IR rays is set, the
  • wavelength-dependent filter if a wavelength-dependent filter is present as part of the first optical element, pass only once through these wavelength-dependent filters,
  • a wavelength-dependent filter is present, only once pass through these wavelength-dependent filter.
  • the space defined by the gap is used to form between the first optical element and the second optical element a beam trap which comprises at least a portion of the infrared rays passing through the second optical element for passage through a member of the first optical element.
  • a beam trap which comprises at least a portion of the infrared rays passing through the second optical element for passage through a member of the first optical element.
  • An infrared (IR) sensor arrangement increases the measurement accuracy of the IR sensor arrangement by reducing or completely preventing the influence of stray radiation on the IR sensor element.
  • the field of view is limited to such an extent that all the rays passing through the optical elements reach the region of the IR sensor element without disturbing multiple reflections.
  • IR sensor elements which have a radiation-sensitive area.
  • the elements forming the radiation-sensitive region are generally arranged in one plane or in several parallel planes. The direction of irradiation is therefore understood in particular to be the direction perpendicular to these planes.
  • the IR sensor element can be designed, in particular, as a thermopile radiation sensor known from the prior art, a pyroelectric radiation sensor, or as a bolometer also known from the prior art.
  • the IR sensor arrangement according to the invention has a first and a second optical element.
  • the first and second optical elements may be made similar.
  • the second optical element is formed as a diaphragm and thus forms a simple passage opening through which the IR rays can pass.
  • the optical elements used according to the invention can consist of one or more components and / or form a passage opening.
  • the optical element is formed by a diaphragm through which the IR rays pass substantially without changing their beam path.
  • the passage opening of such a diaphragm can also be closed by a protective window or a protective film, but not significantly change the beam path of the IR rays.
  • an optical element may be formed as an element with a refractive surface, in particular as an element with two refractive surfaces, particularly preferably as a lens, which changes the beam path of the IR rays passing through them.
  • the optical element may be formed by one or more mirrors on which the IR Rays are reflected.
  • the IR rays pass through the passage opening and possibly the protective window closing the diaphragm for protection purposes, or the protective film of the diaphragm.
  • the optical element is designed as a lens, the IR radiation passes through the lens.
  • the optical element has one or more mirrors, the IR radiation is reflected at the one or more mirrors. It is also possible to form the optical element from a combination, for example, of a plurality of mirrors and a lens, so that an IR beam is reflected by the mirrors and passes through the lens.
  • the first optical element and the size of the IR sensor element define, as an intended field of view of the IR sensor element, the family of externally irradiated IR-rays which
  • wavelength-dependent filter if a wavelength-dependent filter is present as part of the first optical element, pass only once through these wavelength-dependent filters,
  • IR-rays which enter at an angle into a possibly provided in the first optical element lens, which causes the IR-rays are reflected multiple times within the lens, but then hit the radiation-sensitive region of the Ir sensor element or
  • IR-rays which impinge at an angle on a mirror possibly provided in the first optical element, which leads to the IR-rays at this or possibly further elements provided in the first optical element (mirrors, lenses, filters, Protective window, etc.) are reflected multiple times, but then hit the radiation-sensitive area of the IR sensor element.
  • the second optical element determines a limited field of view of the IR sensor element, which is understood as the family of IR radiated from the outside, the
  • wavelength-dependent filter if a wavelength-dependent filter is present as part of the first optical element, pass only once through these wavelength-dependent filters,
  • a wavelength-dependent filter is present, only once pass through these wavelength-dependent filter.
  • IR rays that leave the second optical element in such a way that they would have to be reflected between the passage through the second optical element and the passage through the first optical element on a further surface by the first light field do not belong to the restricted field of view to pass through optical element.
  • FIG. 80% of the power incident on the IR sensor element originates from the intended field of view marked by the truncated cone (7). About 20% of the power falling on the IR sensor element gets there from outside, eg. Rays (9b), and falsifies the measurement result.
  • a first optical element in the inventive arrangement of an IR sensor element, a first optical element, a second optical element and a beam trap, Fig. 1, about 95% of the power falling on the IR sensor element from the marked by the truncated cone , intended visual field.
  • about 5% or less of the power falling on the IR sensor element gets there from outside, e.g., rays are mostly absorbed in the beam trap, and the measurement result is only slightly falsified.
  • the beam trap is adapted to receive the energy introduced by an IR beam impinging on its surface and to propagate from the surface to which IR beam impinges without heating that surface.
  • This can be achieved, for example, by a jet trap which consists at least in part of a material which conducts heat well, for example a metal, for example aluminum, copper, magnesium, zinc or a semiconductor, for example silicon or a ceramic material used in semiconductor technology.
  • the beam trap can also be designed so that it at least partially absorbs and dissipates the energy introduced by an IR beam incident on its surface and heats the surface only by a part of the radiated energy.
  • the first and second optical elements have a circular or elliptical outer circumference.
  • the radiation trap in particular has a circular or elliptical passageway, wherein the first optical element is disposed at one end and the second optical element at the second end of the circular or elliptical passageway.
  • the diameter of the circular through-channel is greater than the diameter of the first optical element and larger than the diameter of the second optical element.
  • the passageway between the first and second optical elements is completely formed as a circular or elliptical passageway.
  • transition surfaces are provided at the end of the passageway on which the first optical element is arranged and / or at the end of the passageway on which the second optical element is arranged, the transition, for example in the form of a truncated cone of a smaller Create diameter of the first, or second optical element to the larger diameter of the passage channel.
  • lens and / or mirror are provided, which can focus as incoming radiation beam with a first cross-sectional area on a radiation-sensitive region of the IR sensor element having a second, smaller cross-sectional area.
  • the IR sensor arrangement according to the invention has a beam trap which is formed between the first optical element and the second optical element and which comprises at least a portion of the IR beams which, after passing through the second optical element, pass through the first optical element at least at one Surface should be reflected, absorbed.
  • the surface of the jet trap may have structures that enhance absorption, e.g. Roughening, corrugation, pyramids, trapezoids, they can be designed as a thread etc.
  • the IR sensor element is arranged in a housing forming an interior space.
  • a component of the housing is preferably a base plate carrying the IR sensor element.
  • Such a housing protects the IR sensor element, makes it possible to make the immediate environment of the IR sensor element particularly, for example to provide a filling gas or vacuum and allows the production side good handling of the IR sensor element, without this risk runs to be damaged because in subsequent manufacturing steps, only the housing must be handled.
  • the arrangement of the IR sensor element on a bottom plate makes it possible to perform connection lines for the IR sensor element through this bottom plate.
  • the material or the combination of materials of the bottom plate has a heat conduction coefficient of more than 1 W / mK, particularly preferably more than 10 W / mK.
  • the optical element is formed as a component connected to the housing. This makes it possible to set and set important for the detection of the IR rays settings of the geometric arrangement of the optical element relative to the IR sensor element in an early manufacturing step, without running the risk that this geometric relationship is affected in later manufacturing steps .
  • the housing can also be closed by a plane window. In such a case, the optical element may be spaced from the housing.
  • a reference sensor is provided, which is particularly preferably arranged together with the IR sensor element on the bottom plate or integrated in the IR sensor element.
  • the reference sensor allows a particularly simple and accurate calibration of the IR sensor element as a function of the ambient temperature.
  • the optically and thermally acting elements are coupled together via a heat balance body.
  • the heat balance body may be formed one or more parts.
  • a heat balance body can reduce local temperature differences of the individual components, for example the IR sensor element, the optical elements and the beam trap, so that only the radiation within the field of view is taken into account during the measurement, and no "internal radiation" generated by local heating produces the measurement result
  • the optically and thermally acting elements are coupled to one another via a heat balance body.
  • the IR radiation absorbed by the beam trap causes the beam trap to heat up and in turn be able to emit its own IR rays
  • the jet trap is coupled to a heat balance body, or if the jet trap forms part of the heat balance body, then the energy absorbed by the absorption of IR radiation can be dissipated at least in part via the heat balance body without the jet fall e heated and own IR radiation (“internal radiation”) generated.
  • elements which have a surface on which IR radiation impinges or passes through the IR radiation are understood as optically active elements.
  • Thermally acting elements of an IR sensor arrangement are, in particular, any mass body which can emit heat radiation.
  • the heat balance body provided in the preferred embodiment can be used to form a second optical element designed as a diaphragm and / or the beam trap. Advantages of this embodiment are already achieved when some of the optically and thermally acting elements are coupled together via a heat balance body. Particularly preferably, all optically and thermally acting elements are coupled together via a heat balance body.
  • the heat balance body is preferably arranged outside the housing, but in particular thermally conductive with the bottom plate and possibly Coupled with other areas of the housing.
  • the housing may form part of the heat balance body.
  • the heat balance body comprises components of aluminum, copper, magnesium and / or zinc and is particularly preferably made entirely of one of these materials. It has been shown that these components cause a particularly good homogenization of the temperature. These materials can also be processed well.
  • materials for the heat balance body are basically good heat conductive materials in question, eg. Metals but also semiconductors, e.g. Silicon, and used in the semiconductor field ceramic materials.
  • materials having a thermal conductivity of more than 10 W / mK, in particular preferably more than 20 W / mK are understood to be good heat-conducting materials. Such thermal conductivity values can also be achieved by highly heat-conductive plastics.
  • the heat balance body has a wall thickness of greater than 1.5 mm. This additionally strengthens the heat conduction.
  • At least parts of the surfaces where IR-rays impinge or pass through the IR-rays are coated with an IR-radiation-permeable, dirt-repellent layer.
  • Such layers can be made of PE (polyethylene), polypropylene (PP), PTFE (polytetrafluoroethylene) or poly-para- Xylenes (PPX) are formed.
  • PE polyethylene
  • PP polypropylene
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • PPX poly-para- Xylenes
  • the infrared sensor arrangement according to the invention is preferably used in a temperature measuring device.
  • a temperature measuring device may be a so-called pyrometer, which is used for non-contact measurement of the temperature on hard-to-reach surfaces or current-carrying (live) components. Pyrometers are also widely used as measuring devices for rapid determination of body temperature.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a sensor arrangement according to the invention in a schematic sectional view
  • FIG. 2 shows an example of a known infrared sensor arrangement.
  • the IR sensor arrangement shown in FIG. 1 uses as base the IR sensor 4 already described in FIG. 2 on a bottom plate 2 in the TO (transistor outline) housing 1. This is provided with a multipart heat sink 12
  • the heat balance body 12, 13 is made of a good thermally conductive material (eg brass, aluminum, copper, etc.), is thick-walled (wall thickness> 1, 5mm) .
  • the IR sensor assembly is constructed so that both the bottom plate 2 and the upper side of the lens 3, 6 of the TO housing 1 and the two parts of the heat balance body 12, 13 have a good thermal connection 14a-c
  • This good thermal connection 14a-c can be achieved, for example, by squeezing or screwing 14a or by pressing 14b, c take place.
  • a diaphragm 10 and a jet trap 1 1 are integrated, so that they are thermally coupled well. This causes rays lying in the field of view 8 to continue to reach the sensor element 4. Furthermore, furthermore, beams 9a, which do not reach the sensor element 4 by simple transmission, can reach the housing. However, rays with a larger angle of incidence 9b, which could reach the sensor element via multiple reflection, can no longer strike the lens 6 directly. They are absorbed in the beam trap 11. ⁇

Abstract

IR-Sensoranordnung verwendet mit einem 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.) und ist dickwandig ausgeführt (Wandstärke 5mm). 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. 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.

Description

INFRAROT - SENSOR
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,
BESTÄTIGUNGSKOPIE - 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 Fig. 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. Ungleichmäßiges 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 wobei durch das zweite optische Element als ein beschränktes Gesichtsfeld des IR- Sensorelements die Schar der von außen eingestrahlten IR-Strahlen festgelegt 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.
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), Fig. 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, Fig. 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 Wärmeausgleichskörper 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 Wärmeausgleichskörper miteinander gekoppelt sind. Besonders bevorzugt sind alle optisch und thermisch wirkenden Elemente über einen Wärmeausgleichskörper 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-Strahlen- durchlässigen, 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:
Fig. 1 : ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung in einer schematischen Schnittdarstellung und
Fig. 2: ein Beispiel einer bekannten Infrarot-Sensoranordnung.
Die in Fig. 1 dargestellte IR-Sensoranordnung verwendet als Basis den bereits in Fig. 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 ,5mm). 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 1 1 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. 

Claims
„Patentansprüche:"
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 (1 1) 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.
5. IR-Sensoranordnung nach Anspruch 2, 3 oder 4, bei welcher der Wärmeausgleichskörper (12, 13) eine Wandstärke größer 1 ,5 mm aufweist.
6. 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.
7. IR-Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das Gehäuse (1) als TO-LCC- oder CSP-Gehäuse ausgebildet ist.
8. IR-Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das erste optische Element (6) als Teil des Gehäuses an den Innenraum angrenzt.
9. 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.
10. 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.
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