專利名稱：具有集成信號處理的傳感器模塊的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及到按照權利要求1總概念的傳感器模塊。這種傳感器模塊在DE4331574A1中是已知的。本發(fā)明涉及到特別是可以使用在烹飪機，烤箱和暖氣，例如可以使用在微波爐中的紅外傳感器模塊。
附

圖1表示了如在上述當代技術水平中敘述的簡化框圖。12是原本的射線敏感傳感元件和在電磁發(fā)射的射入方向在其端子上輸出電信號。這例如可以涉及到一種熱點偶。放大器13將傳感元件的電信號放大。為了平衡環(huán)境溫度對傳感元件輸出信號的物理影響，此外還安排了同樣是溫度敏感的參考裝置(14，15)。14是溫度參考傳感器，有益的是安裝在傳感器附近的熱敏電阻和其參數(shù)對應于其溫度進行變化。15是放大器或者是阻抗變換器，這將這種變化轉換為可利用的電信號，電信號與傳感元件的被放大的信號邏輯連接，以便減少環(huán)境溫度對發(fā)射傳感器信號的影響。16是一個差別放大器，這個構成發(fā)射傳感器(12，13)信號與溫度傳感器(14，15)信號的差別和用附加方式輸出一個環(huán)境溫度補償?shù)暮团c對象溫度有關的輸出信號11。
已知的電路有各種缺點溫度補償只對相對小的環(huán)境溫度范圍起最佳作用，因為已知的微型溫度參考元件的特性曲線是典型的線性或者指數(shù)變化的，而且已經(jīng)證明具有大約4次方的關系是特別適合的。信號放大和信號處理是安放在晶體管殼體外邊的印刷電路板上，傳感器芯片和溫度參考傳感器位于晶體管殼體內(nèi)。因為傳感器模塊制造得在空間上比較大，裝配到應用儀器內(nèi)時這可以導致位置的麻煩。此外信號處理結構除了金屬的傳感器殼體之外還會導致，電磁干擾可以使信號畸變。這種影響必須通過昂貴的和復雜的屏蔽措施或者隨后的信號處理加以避免。
本發(fā)明的任務是敘述可以輸出準確溫度補償輸出信號的傳感器模塊，這個輸出信號對應于對象的溫度。此任務是通過權利要求1的特征解決的。從屬權利要求是針對本發(fā)明優(yōu)異的實施形式的。
按照本發(fā)明的傳感器有發(fā)射敏感的傳感元件，傳感信號準備電路，溫度敏感的參考裝置，信號邏輯連接裝置，和必要時用于參數(shù)調(diào)整和校準的各種裝置。傳感信號準備電路，參考裝置和信號邏輯連接裝置是構成在唯一的芯片(專用集成電路)上。用于傳感信號處理的芯片和傳感元件是安放在共同的殼體內(nèi)。此外可以將傳感元件與傳感信號準備電路，參考裝置和信號邏輯連接裝置共同安放在唯一的芯片上。
有益的是例如涉及到商用的T05-或者T018的殼體比較小。在確定的截面上可以構成為截面尺寸不能大于12mm。這可以涉及到圓柱形的殼體，此時圓柱體的直徑不能大于9mm。
將參考裝置用于補償傳感元件的溫度變化。因為通常傳感元件的溫度曲線是非線性的，通過線性的參考裝置不可能滿意地模擬其溫度曲線。已經(jīng)得出在窄的范圍內(nèi)將指數(shù)函數(shù)用于模擬傳感元件的溫度曲線或者在寬的范圍內(nèi)將冪函數(shù)用于模擬傳感元件的溫度曲線是合適的。特別是可以使用平方的或者高次方的冪函數(shù)，以便將按照發(fā)射傳感器產(chǎn)生的信號進行處理和最佳地模擬傳感元件的溫度曲線。從中得出4次方的冪函數(shù)作為優(yōu)異的函數(shù)用于最佳補償傳感元件的溫度曲線。
信號邏輯連接裝置可以有加法裝置或者減法裝置，特別是求和放大器或者求差放大器。選擇這些裝置中的一個一方面按照定性地比較傳感元件的溫度曲線和另外一方面按照參考裝置的溫度曲線以及繼續(xù)按照必要時產(chǎn)生的符號計算進行。如果參考裝置的溫度曲線和傳感元件的溫度曲線本身例如是同方向變化的(例如兩個輸出信號隨著溫度升高而下降)，則可以使用求差放大器，如果符號沒有進行其他符號計算時。如果信號之一，例如參考裝置計算出負的信號時(例如通過阻抗變換器)，則可以使用求和放大器。
不僅環(huán)境溫度對傳感元件信號有影響。電路的容許誤差和電路的損耗功率也影響輸出信號。因此安排了補償裝置用于補償ASIC的損耗功率，同樣校準裝置用于避免容許誤差和偏移量的影響。
為了將傳感器與各種對象進行調(diào)整和匹配同樣可以將有益的數(shù)字編程裝置安排在殼體內(nèi)，用這個裝置可以調(diào)整或者改變傳感器的模擬的或者數(shù)字的參數(shù)。
下面在附圖基礎上敘述本發(fā)明的單個實施形式。附圖表示附圖1一個已知的電路；附圖2a-f按照本發(fā)明的實施形式；
附圖3通過按照本發(fā)明具有光學成像裝置傳感器的截面圖；附圖4按照本發(fā)明的電路設計；附圖5按照本發(fā)明的擴展的電路設計；附圖6a-c通過按照本發(fā)明具有光學成像裝置傳感器的擴展的截面圖；附圖7按照本發(fā)明的擴展的實施形式；附圖8a，b表示典型的殼體結構形式T05(附圖8a)和T018(附圖8b)。
附圖2a-f表示了按照本發(fā)明的傳感器結構的上視圖。在這些圖中如同附圖1同樣的參考符號代表同樣的部件。20是至少包括附圖1上的部件13至16的集成電路。這也可以涉及到一個ASIC。與集成電路20分開安排了傳感元件12，這可以與集成電路20經(jīng)過粘接進行連接。集成電路20經(jīng)過另外的粘接連接與外部接頭11相連接。
附圖2a-c的結構是安排成混合的，作為傳感元件12與集成電路20是分開安排的。圖上表示了各種連接可能性。在這里與接頭11的連接也是用粘接進行的。表示了后面還要敘述的各種連接可能性。
22簡化表示了具有最大直徑為10mm的圓柱形殼體的底板。在殼體上不僅安放集成電路(傳感器信號準備電路，參考裝置，信號邏輯連接裝置)20而且安放混合結構的傳感元件12本身或者共同組合在一個芯片21上。
附圖3表示了通過按照本發(fā)明混合結構傳感器的一個截面。傳感器是用于獲取由對象30發(fā)射的電磁發(fā)射，特別是紅外發(fā)射。傳感器有安裝在外部的光學成像元件或者聚集元件31，這個元件將對象發(fā)出的發(fā)射在傳感器內(nèi)部成像或者在那里聚集。
有益的是殼體22的四周是封閉的。為了使發(fā)射通過殼體有一個窗口32，這至少對于感興趣的電磁發(fā)射的波長范圍是可以通過的。殼體可以使至少部分波長范圍不通過和于是滿足了一個濾波器的功能。否則可以將殼體構成為發(fā)射屏蔽的，如果例如壁或者底板是由導電材料構成的和將窗口部分構成為導電的或者半導電的。
附圖4表示了按照本發(fā)明電路20實施形式的框圖。在附圖2a上表示的ASIC是用20表示的。因此被表示的部件作為集成電路位于芯片上。40是接頭，經(jīng)過接頭接收傳感元件的信號。41a是前置放大器或者也只是阻抗變換器，有益的是具有校準裝置。44a是偏移量-修正器。與被敘述的分支平行還有另外的分支。這個分支在輸入端有一個參考元件14。參考元件與傳感器是熱耦合的，和提供與傳感器溫度對應的信號，有益的是線性的關系。41b也是放大器或者阻抗變換器。
43表示用于特性曲線模擬的元件。這些盡可能準確地模擬在接線柱40上的傳感元件的溫度特性。從中得出傳感元件12(在接線柱上)的溫度曲線是非線性的。因此通過線性的溫度傳感元件14只能部分準確地模擬溫度曲線。所以模擬42對于窄的溫度范圍可以是指數(shù)函數(shù)或者是冪函數(shù)。最好是2階或者4階的冪函數(shù)。平方函數(shù)可以通過平方電路43由溫度參考元件與溫度有關的信號產(chǎn)生。將兩個平方43先后連接導致4階的冪函數(shù)。44b是附加的偏移量-修正。46a和46b是變換器，其目的以后還要敘述。16是邏輯連接裝置，這可以設計成求和放大器，在其中放大度可以編程。這可以涉及到一種實施形式，在其中溫度傳感元件14的溫度曲線是與原本的傳感元件12反方向的，或者在其中溫度曲線是相同的，但是例如在參考分支上將符號反向。
41c可以是濾波電路或者也可以是掃描-和-停止-電路，以便產(chǎn)生帶寬限制的或者時間連續(xù)的輸出信號，這個信號可以低歐姆脫耦。最后可以在輸出端11c溫度補償?shù)亟邮张c準備獲取的電磁發(fā)射對應的電信號。
用變換器46b可以選擇是否應該輸出已經(jīng)溫度補償(開關位置向上)或者沒有補償(開關位置向下)的傳感器信號。在后者情況下有益的是將參考電壓源47與溫度參考電壓的求和放大器的輸入端反向連接，以便使求和放大器保持在一個定義的電勢上。借助于變換器46a可以有選擇地將溫度信號(開關位置向上)或者參考電壓信號(開關位置向下)傳遞給另外的濾波電路或者掃描-和-停止-電路，這樣在輸出端11d可以獲取相應的信號。
可以安排一個補償裝置，以便將上述電部件損耗功率的影響進行補償。損耗功率導致電部件的發(fā)熱，發(fā)熱影響傳感元件的輸出信號。通過上述補償裝置可以將這個避免。因為在芯片上的電子電路的損耗功率可以近似于恒定的，損耗功率可以通過適當?shù)恼{(diào)整偏移量補償44a進行補償。
在另外的實施形式中可以安排有益的編程裝置48。編程裝置經(jīng)過接頭11b從外邊可以存取和可以用于調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)。用編程裝置48可以近似地調(diào)整放大器41a，41b，16的放大系數(shù)，部件44a，44b的偏移量電壓，開關46a，46b的開關位置，參考電壓47，模擬43的參數(shù)，電路41c，41d的濾波系數(shù)。將這些可以固定地(例如經(jīng)過集成的保險絲)或者有選擇地(例如經(jīng)過可以重新寫入的存儲器)調(diào)整和在任何情況下經(jīng)過外部接頭可存取地進行編程。
也可以將編程裝置48設計成調(diào)整或者改變傳感器的電部件電接頭11，11a-11d的次序。從而可以節(jié)省外部接頭11。補償裝置48可以有唯一的接頭或者兩個接頭，將這些可以附加安排在普通的(有益的是模擬的)接頭上。它們可以得到時間順序信號。接頭也可以雙向利用。電路可以有益的有三個和六個接頭11。附圖2a和2d表示了具有三個接頭的實施形式，在其中例如可以涉及到供電電壓，外殼和輸出信號接頭。在這樣的實施形式中也可以有選擇地安排接頭。例如借助于調(diào)制成供電電壓的交流信號進行轉換。附圖2b和2e表示了具有四個接頭的實施形式，例如在這里是供電電壓，輸出信號和模擬的或者數(shù)字的控制輸入。附圖2c和2f表示了具有六個接頭(例如在這里是外殼，感應電壓，已經(jīng)補償?shù)妮敵鲂盘枺刂戚斎?，線性的溫度輸出，極限監(jiān)控輸出)。
可以這樣調(diào)整放大器41a和16的放大，通過放大器41a的放大將傳感元件12和傳感信號處理的特性值的容許誤差進行平衡，而通過放大器16的放大可以將傳感器輸出信號與所希望的數(shù)值范圍相匹配。
傳感器的輸出電壓例如可以在0和5V之間范圍內(nèi)或者在0和3V之間范圍內(nèi)進行調(diào)整。有益的是這樣選擇溫度補償，溫度補償在環(huán)境溫度范圍為-20℃至100℃內(nèi)得出傳感器信號的最佳補償。接頭11a用于傳感器模塊的電壓供應。
附圖5表示了按照本發(fā)明另外的實施形式。在這里進行連續(xù)的數(shù)字信號處理。如在附圖4上將40表示為傳感元件12的接頭。11a是電壓供應接頭。模擬信號是從前置放大器或者阻抗變換器41a，有益的是具有校準裝置，到達數(shù)字電路51(微監(jiān)控器)。數(shù)字電路的輸入端有模擬-/數(shù)字-變換器52-54，這些從輸入放大器41a，從溫度參考元件14和從恒定電壓源47接收模擬信號。附圖4的其他部件是用數(shù)字的裝置代替的。
可以通過公式或者借助于表格代替模擬特性曲線43，輸入值從屬于確定的輸出值。同樣可以將輸出信號通過一個或者多個接頭進行數(shù)字輸出。然后例如可以時間順序地將沒有補償?shù)陌l(fā)射傳感器信號，溫度信號，已經(jīng)補償?shù)陌l(fā)射傳感器信號和參考電壓信號進行傳輸。根據(jù)傳感器使用領域也可以實現(xiàn)閾值詢問，這導致了對于一個準備監(jiān)控的閾值輸出一個是/否-信號。如果監(jiān)控多個閾值時，可以相應地平行輸出多個這樣的信號或者時間順序地輸出這樣的信號。
電壓參考47例如可以構成為能帶隙-電壓參考電路，或者可以有一個穩(wěn)壓二極管。將溫度參考元件14可以構成為PTAT-傳感器形式。
本發(fā)明的其他實施形式表示在附圖6a-c中，它們簡化表示了通過結構形式T05或者比較小的例如T018的殼體的一個截面。殼體有圓柱形狀和有底板62，穿過底板將接頭11引出來。原本的傳感器元件12以及集成電路20是安裝在底板62上，殼體是被罩住的。罩子64，62可以由金屬材料構成的以屏蔽電磁干擾。在殼體壁上安排了窗口63，窗口至少對于感興趣的電磁發(fā)射的波長范圍是可以通過的。此外窗口63可以是導電的或者是半導電的或者有這樣的涂層以屏蔽電磁發(fā)射。有益的是將窗口63安排在圓柱形殼體的上端部。在殼體的內(nèi)部安排了成像-或者射線引導裝置65。例如在被表示的實施形式中涉及到回轉對稱的拋物面反射鏡，拋物面反射鏡將通過窗口進入殼體內(nèi)部的光線引導到傳感器元件12。
代替反射鏡的引導也可以安排一個透鏡66，透鏡將射入的光學聚焦在傳感器元件上(附圖6b)。可以將透鏡安排在殼體內(nèi)部或者安排在傳感器殼體的外邊和此時構成為罩住傳感器殼體的殼體壁的一部分。
為了避免通過殼體的內(nèi)壁的反射引起的信號畸變和成像畸變可以在殼體的內(nèi)壁安排一個遮蔽裝置。
附圖6b和6c表示了實施形式，在其上除了透鏡之外在殼體上安排了光闌67，68，這些是部分階梯式地68安排的，以便在殼體的內(nèi)壁盡可能壓縮信號的反射。有益的是將光闌表面構成為吸收發(fā)射的。此外光闌67，68有避免環(huán)境溫度突然改變對發(fā)射傳感器輸出信號的干擾影響的功能。為此有益的是將光闌用不容易熱傳導的材料制成的。
附圖7表示了用裝配的印刷電路板和用于電耦合插座的本發(fā)明的實施形式。這表示了罩在最大直徑為9mm的圓柱形殼體內(nèi)的上述傳感器模塊，這已經(jīng)安裝在印刷電路板上和經(jīng)過插座可以與至少三個接頭接觸。
附圖8表示了T05-殼體(附圖8a)和T018-殼體(附圖8b)的實施形式。這原則上涉及到圓柱形殼體，在其中圓柱體的直徑為大約8.2mm(T05)或者4.8mm(T018).接頭11安裝在端面上和分布在與圓柱體同心的直徑大約為5.1mm(T05)或者2.5mm(T018)的圓上。按照本發(fā)明的傳感器模塊可以安裝在這樣的殼體中。也可以安裝在一個殼體中，其輪廓小于上述T0-殼體，但是特別應該對應于T0-標準在殼體上安放接頭。
傳感器模塊特別適合于無接觸式溫度測量。傳感器元件12和光學的窗口63或者成像裝置66特別是可以設計成用于獲取或者透過紅外發(fā)射。有益的是用熱電堆測量紅外發(fā)射。
權利要求
1.傳感器模塊，具有一發(fā)射敏感的傳感器元件(12)，這個提供與發(fā)射有關的電輸出信號，一傳感器信號準備電路(13，41a，44a)，其接收傳感器元件(12)的輸出信號和提供與發(fā)射有關的第一個電信號，一溫度敏感的參考裝置(14，41b，43，44b)，其提供與溫度有關的第二個電信號，和一邏輯連接裝置(16)，用于兩個電信號的邏輯連接，其特征為，傳感器信號準備電路(13，41a，44a)，參考裝置(14，15，41b，43，44b)和信號邏輯連接裝置(16)是構成在唯一的芯片(20，21)上，和芯片(20，21)和傳感器元件(12)是安放在一個共同的殼體(22，62，64)內(nèi)。
2.按照權利要求1的傳感器模塊，其特征為，殼體(22，62，64)有導電的或者半導電的壁。
3.按照權利要求1或2的傳感器模塊，其特征為，殼體(22，62，64)是圓柱形的和圓柱體的直徑小于10mm。
4.按照上述權利要求之一的傳感器模塊，其特征為，殼體是結構形式為T05的殼體。
5.按照上述權利要求之一的傳感器模塊，其特征為，傳感器信號準備電路(13，41a，44a)有第一個放大器(41a)。
6.按照上述權利要求之一的傳感器模塊，其特征為，參考裝置(14，15，41b，43，44b)有參考元件(14)和第二個放大器(41b)。
7.按照上述權利要求之一的傳感器模塊，其特征為，參考裝置(14，15，41b，43，44b)有一個或多個平方器(43)。
8.按照上述權利要求之一的傳感器模塊，其特征為，補償裝置(44a)用于補償電部件損耗功率對輸出信號的影響。
9.按照上述權利要求之一的傳感器模塊，其特征為，在殼體(22，62，63)內(nèi)安排了使發(fā)射通過的窗口(64，66)，窗口是導電的或半導電的或者窗口有這樣的涂層。
10.按照上述權利要求之一的傳感器模塊，其特征為，在殼體(22，62，66)內(nèi)安排了光學成像元件(65，66)。
11.按照上述權利要求9和10的傳感器模塊，其特征為，成像元件(65，66)構成殼體(22，62，64)的窗口(63，66)。
12.按照上述權利要求之一的傳感器模塊，其特征為，成像元件(65，66)有透鏡(66)或反射鏡(65)。
13.按照上述權利要求之一的傳感器模塊，其特征為，在殼體(22，62，64)中有益地安排了數(shù)字編程裝置(48，51)，用這個可以調(diào)整傳感器模塊的運行參數(shù)。
14.按照上述權利要求之一的傳感器模塊，其特征為，邏輯連接裝置(16)是模擬的求和放大器。
15.按照權利要求1至13之一的傳感器模塊，其特征為，邏輯連接裝置是數(shù)字的電路(51)，數(shù)字電路經(jīng)過模擬-數(shù)字-轉換器接收傳感裝置(13，41a)和參考裝置(14，15，41b)的信號和輸出數(shù)字的，有益的是時間順序的信號。
16.按照權利要求1至13和15之一的傳感器模塊，其特征為，邏輯連接裝置是數(shù)字的電路(51)，數(shù)字電路輸出是/否-數(shù)值的數(shù)字信號，將這些用于監(jiān)控溫度閾值和/或用于將一個或多個溫度調(diào)節(jié)到一個或多個名義值，其中名義值是可以編程的。
17.按照上述權利要求之一的傳感器模塊，其特征為，傳感器信號準備電路(13，41a，44a)，參考裝置(14，15，41b，43，44b)和邏輯連接裝置(16，51)是作為集成電路構成在芯片上的。
全文摘要
傳感器模塊有發(fā)射敏感的傳感器元件(12),傳感器信號準備電路(13,41a,44a),這個接收傳感器元件(12)的輸出信號和因此提供與發(fā)射有關的第一個電信號,有溫度敏感的參考裝置(14,15,41b,43,44b),這個提供與溫度有關的第二個電信號,和有信號邏輯連接裝置(16)用于將兩個電信號邏輯連接。傳感器信號準備電路(13,41a,44a),參考裝置(14,15,41b,43,44b)和邏輯連接裝置(16)是構成在唯一的芯片(20,21)上和芯片(20,21)和傳感器元件(12)是安放在一個共同的殼體(22,62,64)中的。
文檔編號H05B6/80GK1335935SQ99816342
公開日2002年2月13日 申請日期1999年2月23日 優(yōu)先權日1999年2月23日
發(fā)明者J·施菲爾德克, M·舒爾策 申請人:帕爾金艾光電子股份有限公司