專利名稱：傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種根據獨立權利要求的導言的傳感器。本發明明確地說涉及在環境溫度波動的情況下具有增強屬性的紅外線檢測器。從DE197 10 946和EP 1 039 280中可了解這類傳感器元件和傳感器。
背景技術：
本發明明確地說涉及輻射傳感器，且此處優選地涉及設計為借助于紅外線輻射測量來測量溫度的輻射傳感器。在此情況下，實際的傳感器元件是(具體來說)待測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變為電學可用信號(例如電流、電壓、電荷)的那些結構。所述結構可為熱電堆或熱釋電檢測器(pyrodetector)或輻射熱測量計。
明確地說，熱電堆具有的特性在于，其電輸出信號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境的環境溫度而定。為了斷開散熱器和環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中所示的熱學弱傳導結構。實際的傳感器元件由標號4(4a、4b)表示。其具有熱端4a和冷端4b。可在熱端4a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加熱程度相應較小。冷端與熱端之間的溫度差導致一可測量的電壓差。復數個所述結構可串聯連接，從而獲得相應較高的信號電壓。
傳感器元件設置于薄隔膜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常規上不會設置于框架1上方，而是設置于框架1的孔口2上方的隔膜3上。這樣，熱端4a與框架1的熱質量熱學隔離，使得入射紅外線輻射可導致比較強烈的加熱，且因此引起較強的信號。
如果可假定環境溫度(由傳感器元件的框架1下方的箭頭Tu表示)為常數，那么需要在框架1上方提供冷接觸點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4b。那么，由碰撞紅外線輻射引起的冷接觸點的加熱較低，因為冷接觸點耦合到框架1的熱質量。
另一方面，如果必須假定環境溫度可迅速改變，則冷接觸點以及熱接觸點優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，使得同樣因此實現冷接觸點與變化的環境溫度的分離。在變化的環境溫度中的傳感器元件或傳感器的典型應用領域是現場空氣調節(field air conditioning)。這里，可發生環境溫度的快速溫度變化，使得傳感器及其組件也可經受所述環境溫度變化的影響。
當冷接觸點的溫度條件未界定或改變時，這通過根據物體溫度To實行的對紅外線輻射的(直接)測量而影響(間接)溫度測量。
為了精確的溫度測量，溫度分布的動態特性是相關的。因此，DE 19710 946建議用將更詳細描述的某種方式配置冷點和熱點的熱容量以及冷點和熱點附近的熱傳導性。建議熱電堆傳感器的熱點關于外殼不對稱配置，以便實現僅僅熱點的輻射。通過從引用文檔已知的測量方法，希望使得環境溫度條件對冷點的影響與其對熱點的影響相同。
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。所述窗口組件從內部借助于塑料附接到所述罩。
發明內容
本發明的目的是提供一種傳感器，其相對不容易受傳感器或傳感器元件的環境溫度變化的影響，且通常相對不容易受干擾信號源的影響。
由獨立權利要求的特征解決所述目的。獨立的權利要求涉及本發明的優選實施例。
傳感器的外殼可包含底板(其上安裝傳感器元件)以及側壁和頂板，在多數情況下所述頂板具備輻射入口窗，待檢測的輻射通過所述入口窗入射到外殼內的傳感器元件上。側壁和頂板通常為一體式的類似圓筒的組件。輻射入口窗由對于待檢測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。所述材料通過固定構件附接到外殼，使得所述固定構件不會設置于傳感器元件的視場中。
輻射入口窗的材料優選地從外部附接到外殼，使得固定構件也設置在外部，或者其特別通過粘接劑而固定在導向外部的凹槽或凹口或陷型模中。這樣，高度發射輻射的固定材料將不會保持在傳感器元件的視場中，使得其發射的且還視環境溫度而定的輻射將不會干擾測量結果。
定位于傳感器元件視場中外殼內的內表面可為發射率較低的表面。
另外或替代地，設置在傳感器元件視場中外殼內的內表面可形成為使得沒有或僅有少量的來自外部的輻射由所述內表面反射到傳感器元件上。內表面可向外部彎曲，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，確保了不應照射在傳感器元件上的從外部進入的環境輻射在外殼內被反射，使得其不會到達傳感器元件，且因此不會影響溫度測量。
傳感器設計為測量紅外線輻射或溫度。例如可在(例如)空氣調節中的溫度計中提供所述傳感器。應將包含根據本說明書的傳感器或傳感器元件的溫度計理解為本發明的部分。
下文將參看附圖描述本發明的個別實施例，其中圖1繪示傳感器元件的橫截面圖；和圖2繪示根據本發明的傳感器的橫截面圖。
具體實施例方式
圖2繪示穿過傳感器垂直平面的橫截面。在傳感器30內提供熱敏感的、尤其對于紅外線輻射(λ＞800nm，優選＞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，其可為熱電堆傳感器元件。可在傳感器元件10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檢測環境溫度并將其轉換成可用于估計與補償的電信號。將傳感器元件10和(在需要時)溫度參考元件37設置在外殼內，在所示實施例中，所述外殼包含底板33、側壁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。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通過并不位于傳感器元件10的視場中的同定構件38而固定到外殼。通常，所述固定構件為粘接劑或普通塑料材料，其具有比較高的輻射發射率，使得其在環境溫度變化的情況下導致輻射的尤其強烈的變化。如果固定構件設置在傳感器元件10的視場外，那么這些固定構件不會影響測量信號。
所述構造可使得輻射入口窗的材料從外部附接到外殼，使得固定構件38也設置在外部。明確地說，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脂或一般塑料38而插在凹口34的側壁與材料32的側壁之間。那么固定構件38將不會設置在傳感器10的視場中，使得其不會助長對輻射所發射的信號的擾動。
根據本發明的又一實施例，設置在傳感器元件10的視場中的內表面36可為發射率較低的或由發射率較低的材料形成，從而使得外殼尤其是其圓柱部分31也經受到的環境溫度變化僅在較小程度上通過傳感器內部的輻射而傳輸到傳感器元件10。內表面的發射率可小于理想的黑輻射體的10％，且優選小于理想的黑輻射體的3％。
根據又一實施例，設置在傳感器元件視場中的內表面36可為球形凹入的。在此情況下，設計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，使得內表面36在對稱軸40的方向上從傳感器元件10向輻射入口窗35變窄。這樣，來源于待測物體以外的輻射成分被反射，使得其不會到達傳感器元件10。這由示范性光束路徑42說明。光束由傾斜壁36反射，使得其不會到達傳感器元件10，而是到達鄰近于傳感器元件的底部區域。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域，使得不會發生多次反射。內表面36則為反射性的。
然而，幾何尺寸也可使得其朝向上部側開放或變寬(如圖3中所示)，尤其是在傳感器元件10的視場內的外殼內提供的內表面形成為使得沒有或僅有少量的來自外部的輻射經由所述內表面而反射到傳感器元件上。內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。
內表面36可為形成為旋轉零件的大的外殼體31的表面。然而，其(例如)也可為壓鑄(die-cast)零件的鏡像內表面36，在需要時，可用金屬罩覆蓋所述零件以便增加機械穩定性，或者內表面36可由一分離組件形成，所述分離組件插在外殼內部中且獨立于外部外殼，并形成至少從傳感器元件10可見的傳感器空腔的內表面36。
39表示傳感器的端子，其用于輸出傳感器元件10的信號，且在需要時輸出溫度參考元件37的信號。在多元件傳感器的情況下，可相應地提供復數個電學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，可提供復數個端子。連同傳感器元件或復數個傳感器元件，可在元件本身上或傳感器元件附近安裝另外的電信號處理電路。
如上文所述，明確地說，外殼可為熱傳導的。其可具有純銅的熱傳導率的至少20％、優選為至少50％的熱傳導率。
封閉輻射入口窗35的元件32可為優選通過蝕刻制造的相位片。在此情況下，關于彼此同心配置的區域性不同厚度導致離開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入輻射以某種方式為波長選擇性的收集。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應于標準化外殼，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)一個或一個以上熱電堆。這些熱電堆包含冷接觸點和熱接觸點。熱接觸點可設置在框架孔口上方的隔膜上。冷接觸點可設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。
權利要求
1.一種用于檢測電磁輻射尤其是紅外線范圍內的電磁輻射的傳感器(30)，其包含一個或一個以上傳感器元件(10)，其用于檢測電磁輻射，外殼(31、33)，所述傳感器元件設置于其中，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)通過并未設置在所述傳感器元件的視場中的固定構件(38)而固定到所述外殼。
2.根據權利要求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向外部的凹槽或凹口(34)中。
3.根據權利要求1或2所述的傳感器，其特征在于所述外殼為熱傳導的，且明確地說，具有等于純銅的熱傳導率的至少20％、優選為至少50％的熱傳導率。
4.根據權利要求1、2或3所述的傳感器，其特征在于所述固定構件(38)由塑料或粘接劑組成。
5.一種明確地說是根據前述權利要求中一項或一項以上的用于檢測電磁輻射尤其是紅外線范圍內的電磁輻射的傳感器(30)，其包含一個或一個以上傳感器元件(10)，其用于檢測電磁輻射，外殼(31、33)，所述傳感器元件(10)設置于其中，和輻射入口窗(35)，其提供于所述外殼中，其特征在于發射率較低的內表面(36)提供于所述外殼內所述傳感器元件(10)的視場中。
6.根據權利要求5所述的傳感器，其特征在于所述內表面(36)是反射性的。
7.一種明確地說是根據前述權利要求1至6中一項或一項以上的用于檢測電磁輻射尤其是紅外線范圍內的電磁輻射的傳感器(30)，其包含一個或一個以上傳感器元件(10)，其用于檢測電磁輻射，外殼(31、33)，所述傳感器元件(10)設置于其中，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表面(36)提供于所述外殼內所述傳感器元件(10)的視場中。
8.根據權利要求7所述的傳感器，其特征在于所述內表面(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.根據權利要求7所述的傳感器，其特征在于所述內表面(36)朝向所述輻射入口窗(35)向上圓錐形地延伸。
10.根據權利要求7所述的傳感器，其特征在于所述內表面(36)形成圓柱形表面。
11.根據權利要求1至10中一項或一項以上所述的傳感器，其特征在于所述內表面(36)形成所述外殼內的輔助體的表面。
12.根據權利要求1至11中一項或一項以上所述的傳感器，其特征在于所述外殼為旋轉零件(31)或包含旋轉零件(31)。
13.根據權利要求12所述的傳感器，其特征在于所述內表面(36)是所述旋轉零件的表面。
14.根據權利要求7至13中一項或一項以上所述的傳感器，其特征在于所述外殼內鄰近于所述傳感器元件(10)的區域由輻射吸收材料(41)涂覆。
15.一種不含接觸點的溫度測量裝置，其包含根據權利要求1至14中一項或一項以上所述的傳感器。
全文摘要
一種用于檢測電磁輻射的傳感器(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，并由待檢測的輻射可透射的材料(32)封閉。所述可透射材料(32)通過并未設置在所述傳感器元件的視場中的固定構件(38)而固定到所述外殼。
文檔編號G01J5/04GK1961201SQ200580017954
公開日2007年5月9日 申請日期2005年6月8日 優先權日2004年6月9日
發明者亨里克·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 申請人:珀金埃爾默光電子公司