專(zhuān)利名稱(chēng)：傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求的導(dǎo)言的傳感器。本發(fā)明明確地說(shuō)涉及在環(huán)境溫度波動(dòng)的情況下具有增強(qiáng)屬性的紅外線檢測(cè)器。從DE197 10 946和EP 1 039 280中可了解這類(lèi)傳感器元件和傳感器。
背景技術(shù)：
本發(fā)明明確地說(shuō)涉及輻射傳感器，且此處優(yōu)選地涉及設(shè)計(jì)為借助于紅外線輻射測(cè)量來(lái)測(cè)量溫度的輻射傳感器。在此情況下，實(shí)際的傳感器元件是(具體來(lái)說(shuō))待測(cè)量紅外線輻射所入射到的且以某種方式將所述紅外線輻射轉(zhuǎn)變?yōu)殡妼W(xué)可用信號(hào)(例如電流、電壓、電荷)的那些結(jié)構(gòu)。所述結(jié)構(gòu)可為熱電堆或熱釋電檢測(cè)器(pyrodetector)或輻射熱測(cè)量計(jì)。
明確地說(shuō)，熱電堆具有的特性在于，其電輸出信號(hào)不僅視入射電磁輻射(紅外線范圍中)而定，而且視傳感器元件工作環(huán)境的環(huán)境溫度而定。為了斷開(kāi)散熱器和環(huán)境溫度的傳感器元件，將盡可能多的熱電堆配置于(例如)圖1中所示的熱學(xué)弱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)。實(shí)際的傳感器元件由標(biāo)號(hào)4(4a、4b)表示。其具有熱端4a和冷端4b?？稍跓岫?a上方提供吸收層5a，其(例如)可為黑色，使得其尤其適于吸收入射紅外線輻射(由IR(To)表示)，并因此導(dǎo)致熱端4a的加熱。另一方面，可在冷端4b上方提供反射層5b，所述反射層5b反射入射紅外線輻射，使得冷端4b加熱程度相應(yīng)較小。冷端與熱端之間的溫度差導(dǎo)致一可測(cè)量的電壓差。復(fù)數(shù)個(gè)所述結(jié)構(gòu)可串聯(lián)連接，從而獲得相應(yīng)較高的信號(hào)電壓。
傳感器元件設(shè)置于薄隔膜3上，薄隔膜3本身由形成為框架的襯底1支撐。在此情況下，熱端4a常規(guī)上不會(huì)設(shè)置于框架1上方，而是設(shè)置于框架1的孔口2上方的隔膜3上。這樣，熱端4a與框架1的熱質(zhì)量熱學(xué)隔離，使得入射紅外線輻射可導(dǎo)致比較強(qiáng)烈的加熱，且因此引起較強(qiáng)的信號(hào)。
如果可假定環(huán)境溫度(由傳感器元件的框架1下方的箭頭Tu表示)為常數(shù)，那么需要在框架1上方提供冷接觸點(diǎn)4b，并且，如果且只要其存在于該處，就在隔膜3上提供冷接觸點(diǎn)4b。那么，由碰撞紅外線輻射引起的冷接觸點(diǎn)的加熱較低，因?yàn)槔浣佑|點(diǎn)耦合到框架1的熱質(zhì)量。
另一方面，如果必須假定環(huán)境溫度可迅速改變，則冷接觸點(diǎn)以及熱接觸點(diǎn)優(yōu)選地不是提供于框架1上方，而是如圖1所示提供于框架1中的孔口2上方，使得同樣因此實(shí)現(xiàn)冷接觸點(diǎn)與變化的環(huán)境溫度的分離。在變化的環(huán)境溫度中的傳感器元件或傳感器的典型應(yīng)用領(lǐng)域是現(xiàn)場(chǎng)空氣調(diào)節(jié)(field air conditioning)。這里，可發(fā)生環(huán)境溫度的快速溫度變化，使得傳感器及其組件也可經(jīng)受所述環(huán)境溫度變化的影響。
當(dāng)冷接觸點(diǎn)的溫度條件未界定或改變時(shí)，這通過(guò)根據(jù)物體溫度To實(shí)行的對(duì)紅外線輻射的(直接)測(cè)量而影響(間接)溫度測(cè)量。
為了精確的溫度測(cè)量，溫度分布的動(dòng)態(tài)特性是相關(guān)的。因此，DE 19710 946建議用將更詳細(xì)描述的某種方式配置冷點(diǎn)和熱點(diǎn)的熱容量以及冷點(diǎn)和熱點(diǎn)附近的熱傳導(dǎo)性。建議熱電堆傳感器的熱點(diǎn)關(guān)于外殼不對(duì)稱(chēng)配置，以便實(shí)現(xiàn)僅僅熱點(diǎn)的輻射。通過(guò)從引用文檔已知的測(cè)量方法，希望使得環(huán)境溫度條件對(duì)冷點(diǎn)的影響與其對(duì)熱點(diǎn)的影響相同。
從EP 1 039 280中了解包含熱電堆傳感器的紅外線傳感器。所述傳感器包含一罩，罩中集成有窗口組件。所述窗口組件從內(nèi)部借助于塑料附接到所述罩。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種傳感器，其相對(duì)不容易受傳感器或傳感器元件的環(huán)境溫度變化的影響，且通常相對(duì)不容易受干擾信號(hào)源的影響。
由獨(dú)立權(quán)利要求的特征解決所述目的。獨(dú)立的權(quán)利要求涉及本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
傳感器的外殼可包含底板(其上安裝傳感器元件)以及側(cè)壁和頂板，在多數(shù)情況下所述頂板具備輻射入口窗，待檢測(cè)的輻射通過(guò)所述入口窗入射到外殼內(nèi)的傳感器元件上。側(cè)壁和頂板通常為一體式的類(lèi)似圓筒的組件。輻射入口窗由對(duì)于待檢測(cè)的輻射可透射且通常具有成像特性的材料(透鏡、Fresnel透鏡、柵格、相位片)封閉。所述材料通過(guò)固定構(gòu)件附接到外殼，使得所述固定構(gòu)件不會(huì)設(shè)置于傳感器元件的視場(chǎng)中。
輻射入口窗的材料優(yōu)選地從外部附接到外殼，使得固定構(gòu)件也設(shè)置在外部，或者其特別通過(guò)粘接劑而固定在導(dǎo)向外部的凹槽或凹口或陷型模中。這樣，高度發(fā)射輻射的固定材料將不會(huì)保持在傳感器元件的視場(chǎng)中，使得其發(fā)射的且還視環(huán)境溫度而定的輻射將不會(huì)干擾測(cè)量結(jié)果。
定位于傳感器元件視場(chǎng)中外殼內(nèi)的內(nèi)表面可為發(fā)射率較低的表面。
另外或替代地，設(shè)置在傳感器元件視場(chǎng)中外殼內(nèi)的內(nèi)表面可形成為使得沒(méi)有或僅有少量的來(lái)自外部的輻射由所述內(nèi)表面反射到傳感器元件上。內(nèi)表面可向外部彎曲，即凹入的。然而，凸起彎曲也是可能的。特定在此情況下，配置可使得直接在傳感器元件上方的橫截面面積大于輻射入口窗水平面上的橫截面面積。這樣，確保了不應(yīng)照射在傳感器元件上的從外部進(jìn)入的環(huán)境輻射在外殼內(nèi)被反射，使得其不會(huì)到達(dá)傳感器元件，且因此不會(huì)影響溫度測(cè)量。
傳感器設(shè)計(jì)為測(cè)量紅外線輻射或溫度。例如可在(例如)空氣調(diào)節(jié)中的溫度計(jì)中提供所述傳感器。應(yīng)將包含根據(jù)本說(shuō)明書(shū)的傳感器或傳感器元件的溫度計(jì)理解為本發(fā)明的部分。


下文將參看附圖描述本發(fā)明的個(gè)別實(shí)施例，其中圖1繪示傳感器元件的橫截面圖；和圖2繪示根據(jù)本發(fā)明的傳感器的橫截面圖。
具體實(shí)施例方式
圖2繪示穿過(guò)傳感器垂直平面的橫截面。在傳感器30內(nèi)提供熱敏感的、尤其對(duì)于紅外線輻射(λ＞800nm，優(yōu)選＞2μm)敏感的傳感器元件10。其可(但不必)如上文所述而形成。明確地說(shuō)，其可為熱電堆傳感器元件?？稍趥鞲衅髟?0附近或直接在傳感器元件上提供溫度參考元件37，溫度參考元件37檢測(cè)環(huán)境溫度并將其轉(zhuǎn)換成可用于估計(jì)與補(bǔ)償?shù)碾娦盘?hào)。將傳感器元件10和(在需要時(shí))溫度參考元件37設(shè)置在外殼內(nèi)，在所示實(shí)施例中，所述外殼包含底板33、側(cè)壁31和由輻射可透射材料32封閉的輻射入口窗35。
外殼且尤其是側(cè)壁31可圍繞圓柱軸40呈圓柱地形成。輻射入口窗35可由輻射可透射材料32所形成的成像元件覆蓋。所述成像元件可具有收集或聚焦效應(yīng)。其例如可為相位片、柵格、Fresnel透鏡或普通透鏡。輻射可透射材料32通過(guò)并不位于傳感器元件10的視場(chǎng)中的同定構(gòu)件38而固定到外殼。通常，所述固定構(gòu)件為粘接劑或普通塑料材料，其具有比較高的輻射發(fā)射率，使得其在環(huán)境溫度變化的情況下導(dǎo)致輻射的尤其強(qiáng)烈的變化。如果固定構(gòu)件設(shè)置在傳感器元件10的視場(chǎng)外，那么這些固定構(gòu)件不會(huì)影響測(cè)量信號(hào)。
所述構(gòu)造可使得輻射入口窗的材料從外部附接到外殼，使得固定構(gòu)件38也設(shè)置在外部。明確地說(shuō)，可將所述材料插入外殼外部上的凹槽或凹口34中，例如如圖所示，借助粘接劑或合成樹(shù)脂或一般塑料38而插在凹口34的側(cè)壁與材料32的側(cè)壁之間。那么固定構(gòu)件38將不會(huì)設(shè)置在傳感器10的視場(chǎng)中，使得其不會(huì)助長(zhǎng)對(duì)輻射所發(fā)射的信號(hào)的擾動(dòng)。
根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施例，設(shè)置在傳感器元件10的視場(chǎng)中的內(nèi)表面36可為發(fā)射率較低的或由發(fā)射率較低的材料形成，從而使得外殼尤其是其圓柱部分31也經(jīng)受到的環(huán)境溫度變化僅在較小程度上通過(guò)傳感器內(nèi)部的輻射而傳輸?shù)絺鞲衅髟?0。內(nèi)表面的發(fā)射率可小于理想的黑輻射體的10％，且優(yōu)選小于理想的黑輻射體的3％。
根據(jù)又一實(shí)施例，設(shè)置在傳感器元件視場(chǎng)中的內(nèi)表面36可為球形凹入的。在此情況下，設(shè)計(jì)可使得直接位于傳感器元件10上方的孔口的橫截面面積大于輻射入口窗35的橫截面面積，即，使得內(nèi)表面36在對(duì)稱(chēng)軸40的方向上從傳感器元件10向輻射入口窗35變窄。這樣，來(lái)源于待測(cè)物體以外的輻射成分被反射，使得其不會(huì)到達(dá)傳感器元件10。這由示范性光束路徑42說(shuō)明。光束由傾斜壁36反射，使得其不會(huì)到達(dá)傳感器元件10，而是到達(dá)鄰近于傳感器元件的底部區(qū)域。可用吸收材料(“底部”)41涂覆所述鄰近于傳感器元件的底部區(qū)域，使得不會(huì)發(fā)生多次反射。內(nèi)表面36則為反射性的。
然而，幾何尺寸也可使得其朝向上部側(cè)開(kāi)放或變寬(如圖3中所示)，尤其是在傳感器元件10的視場(chǎng)內(nèi)的外殼內(nèi)提供的內(nèi)表面形成為使得沒(méi)有或僅有少量的來(lái)自外部的輻射經(jīng)由所述內(nèi)表面而反射到傳感器元件上。內(nèi)表面可向外球形彎曲，即凹入的。然而，球形凸起彎曲也是可能的。
內(nèi)表面36可為形成為旋轉(zhuǎn)零件的大的外殼體31的表面。然而，其(例如)也可為壓鑄(die-cast)零件的鏡像內(nèi)表面36，在需要時(shí)，可用金屬罩覆蓋所述零件以便增加機(jī)械穩(wěn)定性，或者內(nèi)表面36可由一分離組件形成，所述分離組件插在外殼內(nèi)部中且獨(dú)立于外部外殼，并形成至少?gòu)膫鞲衅髟?0可見(jiàn)的傳感器空腔的內(nèi)表面36。
39表示傳感器的端子，其用于輸出傳感器元件10的信號(hào)，且在需要時(shí)輸出溫度參考元件37的信號(hào)。在多元件傳感器的情況下，可相應(yīng)地提供復(fù)數(shù)個(gè)電學(xué)分離可讀傳感器元件，所述傳感器元件可安裝于共同框架1上方的共同隔膜3上，或安裝于一共同襯底的分離的凹陷上方的隔膜上。在此情況下，可提供復(fù)數(shù)個(gè)端子。連同傳感器元件或復(fù)數(shù)個(gè)傳感器元件，可在元件本身上或傳感器元件附近安裝另外的電信號(hào)處理電路。
如上文所述，明確地說(shuō)，外殼可為熱傳導(dǎo)的。其可具有純銅的熱傳導(dǎo)率的至少20％、優(yōu)選為至少50％的熱傳導(dǎo)率。
封閉輻射入口窗35的元件32可為優(yōu)選通過(guò)蝕刻制造的相位片。在此情況下，關(guān)于彼此同心配置的區(qū)域性不同厚度導(dǎo)致離開(kāi)相位片的輻射部分的不同路徑，使得由于疊加/干擾而引起傳感器元件上的進(jìn)入輻射以某種方式為波長(zhǎng)選擇性的收集。元件32也可為(或包含)透鏡或Fresnel透鏡或聚焦鏡。
傳感器的外部尺寸可對(duì)應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)化外殼，例如TO5外殼，或者傳感器可包含這種外殼。
傳感器元件可為(或包含)一個(gè)或一個(gè)以上熱電堆。這些熱電堆包含冷接觸點(diǎn)和熱接觸點(diǎn)。熱接觸點(diǎn)可設(shè)置在框架孔口上方的隔膜上。冷接觸點(diǎn)可設(shè)置在框架孔口上方或者在框架上或上方。如參看圖1所描述，可提供吸收和/或反射層。
權(quán)利要求
1.一種用于檢測(cè)電磁輻射尤其是紅外線范圍內(nèi)的電磁輻射的傳感器(30)，其包含一個(gè)或一個(gè)以上傳感器元件(10)，其用于檢測(cè)電磁輻射，外殼(31、33)，所述傳感器元件設(shè)置于其中，和輻射入口窗(35)，其提供于所述外殼中，并由待檢測(cè)的輻射可透射的材料(32)封閉，其特征在于所述可透射材料(32)通過(guò)并未設(shè)置在所述傳感器元件的視場(chǎng)中的固定構(gòu)件(38)而固定到所述外殼。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于所述輻射入口窗的所述材料從外部固定到所述外殼，或固定在所述外殼的導(dǎo)向外部的凹槽或凹口(34)中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的傳感器，其特征在于所述外殼為熱傳導(dǎo)的，且明確地說(shuō)，具有等于純銅的熱傳導(dǎo)率的至少20％、優(yōu)選為至少50％的熱傳導(dǎo)率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的傳感器，其特征在于所述固定構(gòu)件(38)由塑料或粘接劑組成。
5.一種明確地說(shuō)是根據(jù)前述權(quán)利要求中一項(xiàng)或一項(xiàng)以上的用于檢測(cè)電磁輻射尤其是紅外線范圍內(nèi)的電磁輻射的傳感器(30)，其包含一個(gè)或一個(gè)以上傳感器元件(10)，其用于檢測(cè)電磁輻射，外殼(31、33)，所述傳感器元件(10)設(shè)置于其中，和輻射入口窗(35)，其提供于所述外殼中，其特征在于發(fā)射率較低的內(nèi)表面(36)提供于所述外殼內(nèi)所述傳感器元件(10)的視場(chǎng)中。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的傳感器，其特征在于所述內(nèi)表面(36)是反射性的。
7.一種明確地說(shuō)是根據(jù)前述權(quán)利要求1至6中一項(xiàng)或一項(xiàng)以上的用于檢測(cè)電磁輻射尤其是紅外線范圍內(nèi)的電磁輻射的傳感器(30)，其包含一個(gè)或一個(gè)以上傳感器元件(10)，其用于檢測(cè)電磁輻射，外殼(31、33)，所述傳感器元件(10)設(shè)置于其中，和輻射入口窗(35)，其提供于所述外殼中，其特征在于在垂直橫截面方向上向外球形彎曲的內(nèi)表面(36)提供于所述外殼內(nèi)所述傳感器元件(10)的視場(chǎng)中。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的傳感器，其特征在于所述內(nèi)表面(36)界定空腔，所述空腔的橫截面面積在所述輻射入口窗(35)處小于直接在所述傳感器元件(10)上方。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的傳感器，其特征在于所述內(nèi)表面(36)朝向所述輻射入口窗(35)向上圓錐形地延伸。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的傳感器，其特征在于所述內(nèi)表面(36)形成圓柱形表面。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中一項(xiàng)或一項(xiàng)以上所述的傳感器，其特征在于所述內(nèi)表面(36)形成所述外殼內(nèi)的輔助體的表面。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11中一項(xiàng)或一項(xiàng)以上所述的傳感器，其特征在于所述外殼為旋轉(zhuǎn)零件(31)或包含旋轉(zhuǎn)零件(31)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的傳感器，其特征在于所述內(nèi)表面(36)是所述旋轉(zhuǎn)零件的表面。
14.根據(jù)權(quán)利要求7至13中一項(xiàng)或一項(xiàng)以上所述的傳感器，其特征在于所述外殼內(nèi)鄰近于所述傳感器元件(10)的區(qū)域由輻射吸收材料(41)涂覆。
15.一種不含接觸點(diǎn)的溫度測(cè)量裝置，其包含根據(jù)權(quán)利要求1至14中一項(xiàng)或一項(xiàng)以上所述的傳感器。
全文摘要
一種用于檢測(cè)電磁輻射的傳感器(30)包含傳感器元件(10)；外殼(31、33)，所述傳感器元件設(shè)置于其中；和輻射入口窗(35)，其提供于所述外殼中，并由待檢測(cè)的輻射可透射的材料(32)封閉。所述可透射材料(32)通過(guò)并未設(shè)置在所述傳感器元件的視場(chǎng)中的固定構(gòu)件(38)而固定到所述外殼。
文檔編號(hào)G01J5/04GK1961201SQ200580017954
公開(kāi)日2007年5月9日 申請(qǐng)日期2005年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月9日
發(fā)明者亨里克·恩斯特, 赫爾曼·卡拉戈措克魯, 馬丁·豪斯納, 古多·勞克, 尤爾根·席爾茨, 弗萊德·普洛茨 申請(qǐng)人:珀金埃爾默光電子公司