CN101952698A - 传感器帽组合件传感器电路 - Google Patents

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CN101952698A CN2008801060252A CN200880106025A CN101952698A CN 101952698 A CN101952698 A CN 101952698A CN 2008801060252 A CN2008801060252 A CN 2008801060252A CN 200880106025 A CN200880106025 A CN 200880106025A CN 101952698 A CN101952698 A CN 101952698A
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弗莱德·普洛茨
古多·劳克
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Abstract

一种传感器帽组合件(10)包括：辐射屏蔽部分(11、12)，其具备辐射进入开口(14)；以及辐射透射式透镜(13)，其从外部安装到所述屏蔽部分。所述透镜是厚度(T)与直径(D)的比率T/D大于0.10且优选大于0.15的厚透镜。

Description

传感器帽组合件传感器电路
技术领域
本发明涉及根据独立项的前言的传感器帽组合件、具有此帽组合件的传感器和具有此传感器的电路。从DE102004028022中得知此些帽组合件和传感器。
背景技术
研究中的传感器是用于经由电磁辐射的加热效应且相应地经由合适的感测材料或材料组合上的电击而检测电磁辐射(尤其是IR辐射)的辐射传感器。自然，通过很小的传感器窗的弱辐射的加热效应较小，且因此传感器的灵敏度一直是个问题。辐射入口窗的大小且因此可收集的辐射的量受到传感器外壳的许可大小的限制，且受到安装和其它机械要求的限制。
同一申请人的DE102004028022揭示一种用于检测电磁辐射(尤其在红外范围中)的传感器，其包括一个或一个以上用于检测电磁辐射的传感器元件、其中安置传感器元件的外壳，以及提供于外壳中且由附接到外壳的外部且待检测辐射可透射的材料封闭的辐射入口窗。所述可透射材料通过固定构件固定到外壳，所述固定构件不安置在传感器元件的视野中。所述封闭材料可为透镜形状的。
DE10321649、DE102004032022、JP2001194227、JP2004226216、JP2005195435、JP2006058228、JP2006058229、JP2006153675、JP2006177848、JP2006203040、JP2006292552、JP2006300748、JP2006329950、KR20040016525、KR20040016526、US2004031924、US2006016995、WO2006122529代表其它现有技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种帽组合件、传感器以及针对待检测的辐射带来或具有增加的灵敏度的电路。
此目的是根据独立项的特征来实现。附属项是针对本发明的优选实施例。
一种传感器帽组合件包括：辐射屏蔽外壳部分，其具备辐射进入开口，以及辐射透射式透镜，其从外部安装到所述外壳部分且封闭所述开口。所述透镜是透镜厚度与透镜直径的比率大于0.10且优选大于0.15且更优选甚至大于0.2的厚透镜。
附接到外壳外部的厚透镜具有较强的聚焦作用，且因此在安装到外部的情况下把将从外部击中外壳的辐射折射到开口中，使得将有效孔径增加到大于物理孔径。由于辐射收集且因此灵敏度由有效开口面积决定，且所述面积随开口直径的平方而变，因此有效直径增加1.2将使得信号和随之的灵敏度增加约50％。薄透镜或菲涅耳透镜均不提供此效应，因为由于其相当平坦的外观，其不增加距外壳的距离，且因此不能够将辐射折射到开口中。由于噪声信号分量并不主要取决于有效开口，因此增加的信号强度不会引起增加的噪声水平，使得S/N比率也增加。
优选的是，透镜直径比辐射进入开口的直径大(例如)至少1.1或1.2或1.3倍。ABarlow评论：如果我们使用短语“至少”，那么我们需要界定最小数目。或者可能改变短语且使用“在从1.1到1.3的范围内”。
无论是否与透镜形状组合(但优选可与透镜形状组合)，开口的横截面直径或面积大于所述外壳的管状部分的内壁界定的横截面区域的面积的60％或70％，且/或小于所述面积的90％或80％。
所描述的尺寸设计允许合理大小设计的进入开口，因此提供合理的灵敏度，同时还提供充分的边缘以用于固持和固定透镜部件。
附图说明
在以下内容中，将参看附图描述本发明的优选实施例，其中
图1展示传感器帽组合件的横截面图，
图2展示经安装厚透镜的边缘部分的放大横截面图，
图3展示透镜的实施例，
图4展示传感器的横截面图，
图5展示电路的侧视图，以及
图6到9展示传感器帽组合件的其它实施例。
具体实施方式
一般来说，本说明书中的相同参考标号将表示相同组件。本说明书中描述的特征将被认为可彼此自由组合，除非技术原因不支持组合。
图1展示传感器帽组合件10的横截面图。辐射屏蔽部分11、12具备开口14。提供透镜13来用于覆盖开口14。透镜是厚透镜，其透镜厚度LT与透镜直径LD的比率大于0.15，优选大于0.25。透镜、辐射屏蔽部分和开口可全部具有圆形横截面形状，且其可为同心的。19指示此布置的中轴。优选的是，透镜13的光轴和辐射屏蔽部分11、12的纵轴重合。透镜13具有向外指向表面13o和向内指向表面13i。
辐射屏蔽部分可包括管状部分11和固持部分12。管状部分11可具有圆形横截面，且轴19可为管状部分11的纵向对称轴。固持部分12可从管状部分的内壁朝向内部(即，朝向轴19)延伸。固持部分12可包括开口14。
单独来说，固持部分12可具有平坦环形状。
透镜13从外部安装到辐射屏蔽部分11、12，使得其封闭开口14。其可通过例如机械扣件、粘合剂等合适的固定构件附接到光屏蔽部分。
透镜的固定构件可较大部分或完全处于待收容的传感器元件的视野外。特定来说，可将其提供于管状部分11与固持部分12之间的外部隅角区15中。
透镜13可具有两个凸面(即，向内指向表面13i和向外指向表面13o两者均为凸的)，或者其可具有一凸面和大致平坦的表面，其中其可为向内指向表面13i。当提供两个凸面时，其可具有不同的曲率半径。而且，具有较小曲率半径的一者优选为向外指向表面13o。
图2展示用于解释本发明的作用的经安装厚透镜的边缘部分的放大视图。21表示垂直(即，平行于对称轴19)入射光的光程。其表示恰在固持部分12的内部上部隅角12a周围通过的路径。所描绘的路径21展示路径21的向外部分21o位于(如果未折射的话)将击中固持部分12的区中。然而，在入射在透镜13上之后，辐射朝向光轴19衍射而包含与透镜13外部的方向的角度α。从入射点朝向隅角12a行进通过透镜的高度H的同时，辐射还朝向对称轴行进距离Δ。关系Δ＝H·tan(α)适用。角度α取决于表面13o的曲率。高度H由各种因素决定，例如透镜几何形状、安装位置等。
本发明的作用在于将被屏蔽的辐射21o衍射到开口14中，使得窗的有效开口14增加Δ。为了增加所描述的作用(获得较大Δ)，需要大的角度α和大的高度H。为此，需要厚透镜，即，具有至少外表面13o的比较小的曲率半径的透镜。曲率半径可小于管状部分11的内径HD(图1和图4中的水平方向)。
22表示固定构件，例如胶水或某种粘合剂。其可提供于辐射屏蔽部分11、12的一个或一个以上凹穴中和/或透镜13中。此些凹座可提供于水平部分中(固持部分12的向外表面和/或其相对的透镜表面)和/或垂直部分中(管状部分11的内表面和/或其相对的透镜表面)。还可提供流体密封件(水密、气密)。此密封件可由固定构件22本身提供。
图2展示透镜的内表面13i平坦或至少具有比外表面13o大得多的曲率半径的实施例。提供固持部分12以用于在垂直方向上提供透镜的经界定安装位置。透镜将经安装以使得透镜的焦平面相对于外壳处于预定位置，使得经聚焦的辐射以所需的聚焦状态击中提供于总体传感器中的传感器元件。
11a表示管状部分11的突出部分。其可在向外方向上(即，沿着图1和图2中的轴19向上)突出越过透镜13的外边缘。突出部分11a可形成用于透镜的中心对准构件，因为其内部圆周横截面形状可匹配或至少部分触碰透镜13的外部轮廓。然而，突出部分11a也可比图1和2所示的情况突出地多得多。其可突出到超过透镜13的最高标高以用于为透镜提供针对机械冲击的某种保护，且其甚至可突出更多以用于提供对来自不想要的斜方向的辐射的辐射屏蔽。
总而言之，固持部分12为透镜13提供轴向方向上(图1和图2中的轴19)的经界定安装位置，而突出部分11a提供径向方向上(图1和图2中的水平方向)的经界定安装位置。由此，将透镜安装到组合件中变得容易且快速，但是不够精确。
图3展示透镜13的各种横截面形状。31是具有两个凸面13o和13i的透镜。其在平面37中彼此相交。总体透镜厚度由通过向外指向凸部分提供的第一组件LT1以及通过向内指向凸部分提供的第二组件LT2决定。透镜直径LD是图3a中的透镜31的水平延伸部分。在将相对于透镜直径LD设定透镜厚度LT时，可单独取LT1或者取LT1与LT2的总和。
图3b展示透镜13的另一实施例。此实施例是具有不同曲率半径的表面的透镜32，特殊情况在于内表面13i为平坦的且因此具有无限的曲率半径。35(线37与表面13i之间的部分)是板部分(与总体透镜形成为单件)，其具有在其轮廓方面对应于透镜的总体轮廓且具有厚度PT的圆柱形外表面。在此实施例中，透镜厚度LT可为单独的凸部分的厚度LT1，或者其可为LT1与PT的总和。图3b的透镜32对应于图2所示的透镜。
图3c展示又一实施例，其具有两个凸面13o和13i以及位于其间的板区段35。而且，此处相对于透镜直径LD将设定的透镜厚度LT可为单独的凸外部部分的厚度，或者其可为外部凸部分厚度与板部分厚度。
图3d最终展示在(出于某些原因)需要长焦距的情况下具有凹内表面13i的实施例。在此些实施例中，再次，相对于透镜直径将设定的透镜厚度LT可为单独的凸部部分的厚度LT，或者其可为凸部分厚度LT加上板厚度PT。
图3c和3d展示透镜33和34，其具有适合于直接放置于固持部分12的向外指向表面上的平坦环边缘部分36。通过此环边缘部分36，可建立机械连接。
在图3中所示的所有实施例中，透镜13的在固持部分12的外部平面上方或隅角12a上方的最高标高(在垂直方向上——轴19)也可取为将相对于透镜直径LD设定的透镜厚度LT。
一般来说，根据本发明，外表面13o的曲率半径和可能提供的板部分35的厚度PT可用于根据以上陈述的公式确立值Δ。内表面13i的形状可经选择以获得最终所需的焦距。
如果提供板部分35，那么其厚度可为开口15的直径的至少5％或至少10％或至少15％。
图4展示总体传感器40的横截面。其包括如上所述的传感器帽组合件10。此外，基板41支承一个或一个以上可形成于自身衬底42上的感测元件43。虚线46表示透镜13的焦平面，其应与传感器元件43成预定关系，优选使得传感器元件位于焦平面46中或与其相距经界定的距离。45表示电触点。44表示用于电源供应、信号处理、数据存储、程序执行、A/D转换、多路复用等中的一者或一者以上的电气和电子电路(数字和/或模拟)。可提供辅助传感器(例如)以用于感测传感器40内的周围温度。
13是类似于图3d所示的实施例而形成的透镜。传感器帽组合件10的轴19可垂直于基板41的表面和/或焦平面46。
47表示来自将检测其存在和位置的检测目标(例如，人)的辐射。在良好近似中，可假定入射辐射为平行的，如平行虚线47示意性地表示。透镜13将辐射聚焦到聚焦平面46中，传感器元件43位于此处。依据入射的方向，透镜将辐射聚焦到焦平面46中的不同点上。依据传感器元件43的分布和提供，可输出特征信号。电路44可根据个别传感器元件43作出信号评估，可进行信号整形和信号处理、模拟/数字转换、信号编码等。
可以规则阵列提供传感器元件43，例如n行和m列的方形阵列，n和m为整数。传感器或行和列的数量取决于所需的空间分辨率。同样，阵列可为六边形的或专用于待成像的特定扇区，或为不规则的。
开口直径或面积OD可为外壳内径或面积HD的至少60％或至少70％。其可小于外壳直径或面积HD的90％或小于其80％。通过此尺寸设计，固持部分12具有充分大的开口14，且同时允许透镜13的可靠固定。开口14、管状部分11和透镜13全部可具有圆形横截面，且可彼此同心布置。透镜13的向内指向安装部分的在辐射屏蔽部分或管状部分11的下部边缘上方的安装高度MH(即，在基板表面上方的高度)可小于外壳直径HD的1.5倍，优选小于HD。由此，可建置相当紧凑的传感器。可根据本发明使用的厚透镜允许强聚焦作用和如此的短焦距，且相应地允许具有相当低高度的外壳。
传感器元件可为或包括任何种类(尤其是热电堆、高温检测器或辐射热测量计)的热检测器。传感器43可具有红外范围(波长例如＞800nm、＜20μm)内的灵敏度，且尤其是灵敏度最大值。透镜13可具有辐射过滤性质。其辐射透射性可具有红外范围内(波长例如＞800nm、＜20μm)的最大值。
传感器帽组合件10在基板41处的固定可为流体密封的。其可通过胶合或粘合剂或通过螺钉机构或通过夹持或通过其组合来实现。
图5展示具有如上所述的传感器40的电路50。电路具有例如印刷电路板等电路衬底51。除了传感器40之外，其还包括电路元件52、连接构件53和布线54。传感器40可具有与电路衬底51的表面成预定关系的光轴。图5指示传感器40的光轴19垂直于印刷电路板51的表面的实施例。但也可经由传感器的安装位置来调整其它角度。光轴可平行于电路衬底51的表面。
接触构件53可为连接器，或结合垫、或焊接垫等。
电路52可再次用于信号整形和信号评估以用于提供高电平检测信号。可提供盖55以用于覆盖整个电路，但具有传感器40可经由其接收辐射的开口。可为接触构件53提供另一开口。
图6到9展示传感器帽组合件11的又一些实施例。
在图6中，屏蔽部分具有管状部分11，其在其透镜侧端(图中的顶端)具有放大的内径部分61。透镜容纳于所述放大内径部分中。从正常内径部分65到放大内径部分61的过渡可如图示为一个阶梯结构62，或可包括多个阶梯63或斜壁部分64，如点线指示。通过此构造，透镜将由正常内径部分65提供的物理孔径增加到可与放大内径部分一样大的较大孔径。66表示用于在管状部分11处固定透镜13的胶水或粘合剂。67表示一个隅角，厚透镜围绕所述隅角使辐射折射以用于提供孔径放大效果。所述隅角对应于图2中的隅角12a。
在图7中，透镜13在其透镜侧端处具有大于屏蔽部分11的管状部分的内径的直径LD，且至少部分覆盖管状部分11的顶部切割表面71。透镜直径可为管状部分11的外径TD，或可较小。透镜可具有延伸到管状部分中的部分72，其可具有与其内壁成形态配合的关系。通过此构造，透镜13将由管状部分11的顶端处的内径提供的物理孔径增加到可依据进一步的参数而与透镜的直径一样大的较大孔径。
透镜还可具有大于管状部分的外径(TD)的直径，如图8所示。因此，透镜在向外方向(水平远离图中的轴19)上延伸越过管状部分的外边缘。通过此构造，透镜将由管状部分的顶端处的内径提供的物理孔径增加到可依据进一步的参数而大于管状部分的外径且可与透镜的直径一样大的较大孔径。
透镜可具有延伸到管状部分内部的部分，其可具有与其成形态配合的关系。同样，透镜可具有在轴向方向上沿着管状部分的外部延伸的部分81，其可具有与其成形态配合的关系。这些延伸部分可提供对透镜的中心对准。透镜可具有斜壁部分82，其从透镜外径朝向管状部分的外壁延伸。
图9展示另一实施例。其中，辐射屏蔽部分11、12为管。所述管的顶部开口形成辐射进入开口，且容纳待安装到管内部的透镜。
在图6到图9的所有实施例中，透镜13的固定及其厚度确定可如早先所述来进行。但在所有所示的实施例中，除了胶水或粘合剂以外或替代于胶水或粘合剂，可将透镜夹持到管状部分的开口中。垂直对接壁也可替代于已经提到的机构或除了所述机构以外还具有螺纹构造。
传感器帽和传感器本身可适合在低温下使用，优选在160℃以下。一个传感器元件的视野可小于40°或小于30°。此可通过合适的光学布局或通过突出部分11a的屏蔽辐射而实现。透镜可由透明树脂或玻璃制成，或包括透明树脂或玻璃。透镜还可由例如硅或锗等无机半导体材料制成，或包括无机半导体材料。透镜可优选在其内表面13i处根据所需灵敏度而包括波长选择涂层。透镜还可优选在其外表面13o处包括反射减少涂层。
管状部分可具有圆形横截面形状或其它横截面形状。管状部分可为转动工件或铸造体。透镜的外部轮廓或外部轮廓的若干部分可对应于管状部分的横截面形状。
透镜直径的上限值可为10mm、8mm或5mm。下限值可为1mm或3mm或5mm。传感器帽组合件的总体高度可具有15mm或10mm的上限值。

Claims (19)

1.一种传感器帽组合件(10)，其包括：
辐射屏蔽部分(11、12)，其具备辐射进入开口(14)，以及
辐射透射式透镜(13)，其从外部安装到所述屏蔽部分以用于覆盖所述开口，
所述传感器帽组合件特征在于
所述透镜是厚度(LT)与直径(LD)的比率LT/LD大于0.10且优选大于0.15的厚透镜。
2.根据权利要求1所述的组合件，其中所述屏蔽部分具有管状部分(11)和从所述管状部分的内壁朝向所述管状部分的内部延伸的固持部分(12)，所述开口提供于所述固持部分中。
3.根据权利要求2所述的组合件，其中所述管状部分具有突出越过所述固持部分的外表面的突出部分(11a)。
4.根据权利要求2或3所述的组合件，其中所述透镜配合到所述管状部分中。
5.根据权利要求4所述的组合件，其中所述透镜的径向向外部分通过固定构件(22)结合到所述屏蔽部分，优选结合到所述管状部分。
6.根据权利要求2到5中的一个或一个以上权利要求所述的组合件，其中所述管状部分具有圆形横截面，且所述开口以所述管状部分的轴(19)为中心。
7.根据权利要求2到6中的一个或一个以上权利要求所述的组合件，其中所述管状部分的内表面和所述透镜的外圆周具有匹配的轮廓。
8.根据前述权利要求中的一个或一个以上权利要求所述的组合件，其中所述透镜具有不同曲率的两侧(13i、13o)，其中较强弯曲侧面向所述组合件的外部。
9.根据权利要求6所述的组合件，其中所述透镜具有面向所述组合件的内部的内侧(13i)，所述内侧具有至少两倍于外侧(13o)的曲率半径的曲率半径，且优选为平坦的，其中所述透镜经由其第一侧部分结合到所述固持部分。
10.一种优选根据前述权利要求中的一个或一个以上权利要求所述的传感器帽组合件(10)，其包括：
辐射屏蔽部分(11、12)，其具备辐射进入开口(14)，以及
辐射透射式透镜(13)，其从外部安装到所述屏蔽部分，
所述传感器帽组合件特征在于
所述屏蔽部分具有管状部分(11)和从所述管状部分的内壁朝向所述管状部分的内部延伸的固持部分(12)，所述开口提供于所述固持部分中，其中
所述开口的面积大于由所述管状部分的所述内壁界定的区域的面积的36％或49％，且或小于所述面积的90％或80％。
11.根据前述权利要求中的一个或一个以上权利要求所述的组合件，其中所述屏蔽部分(11、12)具有管状部分(11)，所述管状部分(11)在其透镜侧端具有放大内径部分，所述透镜容纳于所述放大内径部分中。
12.根据前述权利要求中的一个或一个以上权利要求所述的组合件，其中所述透镜具有大于所述屏蔽部分(11、12)的管状部分的内径的直径，且至少部分覆盖所述管状部分的顶部切割表面。
13.根据权利要求12所述的组合件，其中所述透镜具有大于所述屏蔽部分(11、12)的管状部分的外径(CD)的直径，且在向外方向上延伸越过所述管状部分的外边缘。
14.根据权利要求12或13所述的组合件，其中所述透镜具有与所述管状部分的所述内壁和/或外壁相对的部分。
15.根据权利要求1所述的组合件，其中所述辐射屏蔽部分(11、12)为管，其开口形成所述辐射进入开口(14)且容纳所述透镜(13)。
16.根据前述权利要求中的一个或一个以上权利要求所述的组合件，其包括以下特征中的一者或一者以上：
其适合在低温下使用，优选在160℃以下；
一个传感器元件的视野小于30°；
所述透镜由例如硅或锗等无机半导体材料制成，或包括所述无机半导体材料；
所述透镜优选在其内侧包括波长选择性或抗反射涂层。
17.一种传感器(40)，其包括衬底(41)、包括一个或一个以上传感器元件(43)的感测部分(42、43)以及电触点(45)，
所述传感器特征在于进一步包括
根据前述权利要求中的一个或一个以上权利要求所述的帽组合件(10)。
18.根据权利要求17所述的传感器，其特征在于以下特征中的一者或一者以上：
所述感测部分相对于所述透镜的焦平面(46)成预定关系且优选同平面安置。
19.一种电路(50)，其包括电路衬底(51)、安装在所述衬底上的一个或一个以上电路元件(52)、电触点构件(53)以及在所述衬底上在所述电路元件和/或所述触点构件之间的布线(54)，
所述电路特征在于进一步包括
安装在所述电路衬底上的根据权利要求17和18中的一个或一个以上权利要求所述的传感器(40)。
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