CN108072625B - 气体传感器模块 - Google Patents

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Abstract

一种集成到板(2)上的气体传感器模块(1)，包括：至少一个辐射源(3)，至少一个辐射源(3)构造成用于发射辐射；至少一个辐射检测器单元(4)，至少一个辐射检测器单元(4)构造成用于检测所述辐射的至少一部分；辐射腔(5)，辐射腔(5)提供从所述辐射源(3)到所述辐射检测器单元(4)的至少一条辐射路径(X)。所述板(2)设置有凹口(20)，并且所述辐射路径(X)在所述凹口(20)内传播。

Description

气体传感器模块
技术领域
本发明涉及一种气体传感器模块，特别地涉及用于确定测试介质中诸如CO2气体的气体浓度的光学气体传感器模块。
背景技术
US 2009/0039267A1公开了一种用于确定气体浓度的气体传感器装置。根据US2009/0039267 A1，通过使用特定的反射器模块来实现特别紧凑的气体传感器设计。
DE 100 84 211 B4也公开了一种气体传感器装置。此处，气体传感器装置包括光源、用于待确定介质的测量室、过滤装置和测量单元装置。过滤装置由多个过滤器组成，并且测量单元装置包括每个过滤器一个的测量单元，使得包括一个测量单元和一个过滤器的测量装置具有不同的光谱灵敏度。该发明还教导了借助于其他器件来确定测量信号的差异。
发明内容
本发明的目的是详细说明一种具有更紧凑设计的气体传感器模块。
该目的通过根据权利要求1的气体传感器模块实现。据此，提出一种集成到印刷电路板(PCB)载体上的气体传感器模块，该气体传感器模块包括
-至少一个辐射源，该至少一个辐射源构造成用于发射辐射；
-至少一个辐射检测器单元，该至少一个辐射检测器单元构造成检测所述辐射的至少一部分；
-辐射腔，该辐射腔提供从所述辐射源到所述辐射检测器单元的至少一条辐射路径。
上述目的通过以下方式实现：所述板设置有凹口，并且所述气体传感器模块构造(即设计)成使得所述至少一条辐射路径的至少一部分穿过所述凹口传播或传播进入所述凹口。
在本发明的上下文中，对于一些实施方式而言，术语“板”可以指代电路板，优选地指代印刷电路板或其上安装有电路的板，除此之外，术语“板”可以指代卡片。板可以是坚硬的或柔性的。
在本发明的上下文中，对于一些实施方式而言，术语“凹口”可以指穿过板的通孔；对于一些实施方式而言，术语“凹口”可以指代切口。然而，还可以想到的是，凹口是从板的一侧凹陷的凹入部，即非通孔。然而，最优选地，凹口是从板的第一侧延伸到板的第二侧的通孔。在一些实施方式中，当辐射源和/或检测器单元布置在所述凹口的外部时，至少一条辐射路径延伸进入凹口或者穿过凹口传播。在一些实施方式中，凹口可以成形为接收辐射源和/或检测器单元的至少一部分，优选地还接收辐射检测器单元的至少一部分并且/或优选地还接收优选的构造单元的至少一部分，例如反射器舱、辐射过滤装置和/或如下所述的其他构造单元。在一些实施方式中，辐射源和/或检测器单元至少部分地或全部地布置在所述凹口中。
凹口的典型尺寸(在板的方向上)可以在10毫米到100毫米的范围内。切口也可以根据模块的专业用途而更大或更小。
在本发明的上下文中，术语“辐射源”可以是单个源或是例如相同或不同辐射源的链或簇的多个辐射源。辐射源可以是如激光器的窄带源或如灯泡，例如白炽灯泡的宽带源。辐射源优选地是用于确定辐射腔中存在的CO2气体浓度的红外源。
在本发明的上下文中，术语“辐射腔”应被理解为用于测试介质的测量空间或测量室，测试介质是例如包含待测量气体的气体混合物，待测量气体例如是以一定浓度存在于测试介质中的CO2气体。气体传感器模块设计成使得辐射路径被引导穿过测试介质，以便确保能够由辐射检测器单元检测到的吸收和发射效应发生。术语“辐射腔”也可以指光学腔。换句话说，辐射腔是包括辐射路径的空间。
优选地，限定所述辐射腔的边界表面对于由辐射源发射并由检测器单元接收的辐射的至少一部分是至少部分反射的，以便增强由辐射检测器单元接收的辐射的入射强度。在这种情况下，气体传感器模块的灵敏度提高。
因此，本发明基于这样的认识：板可以是凹入的，并且通过凹口产生的额外空间用作用于至少一条辐射路径的至少一部分的空间，即该额外空间是辐射腔的一部分。优选地，所述额外的凹口空间还可以用于至少部分地或全部地容纳气体传感器模块的构造部件。实际上，这种布置降低了气体传感器模块的整体高度，即，使得特别紧凑的设计成为可能。换句话说，组装的气体传感器模块的总体厚度减小。
辐射源和/或检测器单元可以通过将辐射源和/或检测器单元安置在限定凹口的侧边缘面上或通过将辐射源和/或检测器单元安置在凹口的底部上而布置在所述凹口中。边缘面还可以设置有一个或多个台阶，辐射源和/或检测器单元可以布置在台阶上。辐射源和/或检测器单元也可以附接至板的第一侧和/或第二侧并且延伸到凹口中，即延伸到由分别包括板的第一侧和第二侧的平面以及边缘面界定的空间中。
在一些实施方式中，辐射源和/或检测器单元可以以它们延伸超出凹口的边缘面的方式布置在板的第一侧和/或第二侧上。参见下文，这种安装可以被称为“突出”安装。此外，辐射可以在分别正交于板的第一侧和第二侧的两个方向上发射或接收或者从分别正交于板的第一侧和第二侧的两个方向发射或接收。
在一些实施方式中，所述板具有第一侧和第二侧，其中，所述辐射源和所述至少一个检测器单元布置在所述第一侧和所述第二侧的相同侧上，或者布置在板的所述第一侧和所述第二侧的相反侧上。如果所述辐射源和所述至少一个检测器单元布置在相同侧上，则辐射进入凹口时(即，当至少一条辐射路径的一部分延伸进入所述凹口或穿过所述凹口传播时)，该辐射可以被适当布置的反射器朝向检测器单元反射回来。这样的反射器可以是例如布置在凹口中或者布置在板的相对于辐射源的另一侧的辐射舱的一部分的内表面。
辐射源和/或检测器单元可以布置在凹口的相同侧上并且布置在板的相同侧或相反侧上。
然而，优选地，辐射源和/或检测器单元布置在凹口的相反侧上，即它们优选地在板的第一侧和/或第二侧的方向上横跨凹口的间隙径向地间隔开。
在一些实施方式中，所述辐射源和/或所述至少一个检测器单元至少部分地或全部地布置在所述凹口内。这些是特别优选的实施方式，因为将所述构造部件嵌入所述凹口中允许进一步提高气体传感器模块的紧凑度。在一些实施方式中，辐射源可以布置在板的第一侧上，同时至少一个检测器单元布置在板的第二侧上，第二侧与板的第一侧相反。因此，随后，凹口可以为通孔并且辐射直接地或通过一次或更多次反射而被引导成从源穿过凹口到检测器，其中，反射发生在例如辐射舱处。
还可以想到的是，将辐射源和检测器单元都布置在板的相同侧上。在这种情况下，模块设计成使得至少一条辐射路径在凹口内传播，并且至少一条辐射路径通过一次或多次反射被反射回到检测器单元。
此外，还可以想到的是，辐射源和/或检测器单元布置在板的两侧，这可以进一步提高了模块的效率。在一些实施方式中，所述辐射腔由辐射舱限定，其中，所述辐射舱围封所述辐射路径，并且所述辐射舱优选地构造成优选地以其内表面的至少一部分或全部朝向所述至少一个辐射检测器单元反射所述可检测的辐射中的至少一部分。辐射舱可以是光学舱。辐射舱可以容纳辐射源、辐射检测器单元和/或其他可能存在的辐射过滤装置。
在一些实施方式中，所述辐射舱由一个或更多个第一壳体和一个或更多个第二壳体形成。这种模块化设计允许高效益的产品的可靠生产和组装。
在一些实施方式中，第一壳体和第二壳体提供所述内表面，其中，所述内表面至少部分地界定所述辐射腔。辐射腔接下来形成用于感测传感器部件的容腔，以保护其免受机械损伤和环境影响。重要的是，辐射腔被屏蔽以免受杂散辐射的影响，检测器单元可能对杂散辐射较为敏感。此外，辐射腔的内表面可以设计成是反射性的，例如产生用于辐射的镜面，由此，气体传感器模块的效率和灵敏度可以进一步提高，这是因为反射允许可能的辐射路径的数量的增加以及平均辐射路径的延长——即吸收路径增加——由此吸收效果增强，从而导致更强的传感器信号。此外，如果辐射源安置在板平面内，所述反射可以使用板平面外的两侧的辐射路径。
因此，所述辐射腔可以设计成将辐射源的辐射输出聚焦到辐射检测单元上。
在一些实施方式中，所述辐射舱由单个第一壳体和单个第二壳体形成，其中，所述单个第一壳体和所述单个第二壳体设计成具有镜像颠倒的设计。这允许特别有效率的生产和牢固的组装过程。
在一些实施方式中，所述第一壳体和所述第二壳体由金属制成或包括至少部分金属化的内表面。由此可以提供反射性的内表面。
在一些实施方式中，所述第一壳体和所述第二壳体由塑料制成，优选地通过模制技术制成，并且所述第一壳体和所述第二壳体在所述内表面上涂覆有金属涂层，以特别地使得红外反射率最大化。
在一些实施方式中，所述辐射舱至少部分地陷入所述凹口内。所述凹口可以优选地为穿过板的通孔或者板的切口，通孔包围辐射舱。换句话说，凹口可以容纳辐射舱以使得辐射舱安装到板上。使辐射舱陷入所述凹口内允许实现气体传感器模块的总体高度的降低。
辐射源和辐射检测器单元也可以布置在板的相反侧，在凹口的相同侧(即，在横跨板的直接相反的位置)。在这种情况下，凹口可以是狭槽状的，其中，所述狭槽部分地包围所述辐射源和所述辐射检测器单元。优选地，所述辐射舱可以随后延伸穿过所述狭槽以使得辐射路径能够通过沿狭槽的反射从辐射源到达检测器单元。
在一些实施方式中，所述板具有第一侧和第二侧，其中，所述辐射腔被设计成、并且所述至少一个辐射源和所述至少一个辐射检测器单元构造和布置成在板的所述第一侧和所述第二侧——即在板的两侧——建立至少一条辐射路径，由此，由所述至少一个辐射源发射的辐射可以从板的第一侧和第二侧检测到。
优选地，板设置在第一壳体与第二壳体之间。在一些优选实施方式中，第一壳体和第二壳体包括用于将它们彼此紧固的紧固结构。优选地，所述紧固结构构造成产生第一壳体和第二壳体相对于彼此的明确的布置，并且与板的厚度无关。因此辐射腔的几何尺寸不取决于板的厚度(或其变化)，这有利于光学校准；换句话说：舱具有厚度公差。
在一些实施方式中，第一壳体和第二壳体在组装时形成用于接收板的狭槽。
特别优选的实施方式是：第一壳体提供第一表面，第二壳体提供第二表面，其中，分别作为顶表面和底表面的第一表面和第二表面限定狭槽在板的厚度方向上的宽度。为了进一步提高舱与板之间的连接的稳定性，板可以分别地附接至第一壳体和第二壳体的第一表面和第二表面中的任一者。这可以通过诸如胶粘、焊接、螺钉固定或其他连接技术的材料配合连接完成。如果螺栓或凹口在竖直方向上具有比板的厚度更大的延伸，这种板到顶表面或底表面的连接是特别有利的。
给出以下示例：如果舱由第一半壳体和第二半壳体——即底部部分和覆盖部分——组成，底部部分和覆盖部分可以彼此紧固以产生沿舱周向地延伸的狭槽。狭槽可以足够宽以容纳具有任何典型厚度变化的板，同时该PCB附加地附接——例如胶粘——至顶部部分或底部部分的任一者。因此，产生了明确的舱，并且该舱可以容纳具有厚度变化的板。
在一些实施方式中，所述至少一个辐射源是光源，特别是宽带光源或红外光源，诸如白炽灯泡，优选地为LED、MEMS加热板、激光器或其组合。
在一些优选实施方式中，MEMS加热板被用作辐射源。该辐射源的使用允许实现气体传感器模块的特别平坦的设计。
优选地，凹口的侧边缘区域可以设置有台阶，使得MEMS加热板可以方便地安置在凹口中。此外设计台阶可能是有利的，使得舱可以由安置在台阶上的板状壳体形成。因此，该装置的整体高度进一步降低。在本上下文中，台阶可以围绕凹口周向地延伸或者台阶可以仅设置在凹口的两个相反侧上。板状壳体随后安置在凹口上方，使得辐射腔由两块板和凹口的侧面形成，凹口的侧面属于板的一部分。
然而还可以设想的是，MEMS加热板布置在界定凹口的侧面上。
替代地，MEMS加热板布置在包围板的舱上，例如布置在向凹口内突出的突出部上，其中，选择使得MEMS加热板至少部分地突出到凹口内的布置方式。
在一些实施方式中，所述至少一个辐射源安装在保持器内。该保持器可以设置在板上或辐射壳体上。替代地或者附加地，辐射源(以及下文教导的过滤板)可以通过夹持、胶粘、焊接或者热塑铆接或相似的技术紧固。
在一些实施方式中，辐射过滤装置安置在一个或更多个通向相应的检测器单元的至少一条辐射路径中。该辐射过滤元件可以包括多个过滤板中的一者。这种过滤板可以插入到沟槽或者狭槽中——即插入到过滤器保持器中——以用于过滤元件的强制锁定和/或压配合紧固。沟槽或狭槽优选地设置在板附近或者板上，更加优选地设置在辐射腔本身附近或辐射腔本身上。
优选地，过滤板定向为与连接相应的辐射源和与过滤板相关联的检测器的连接线大致成直角。
在一些实施方式中，所述辐射过滤装置和彼此相关联的至少一个检测器单元是分离的单元，即至少间隔1毫米至10毫米的单独的单元。因此，光学系统可以为入射到过滤器上的狭角分布以及有效地检测检测器平面中的辐射两方面而被优化。换句话说，允许将过滤元件安置在辐射腔内的任意位置的实施方式赋予了在关于角度分布和吸收的辐射功率方面的较高的设计自由度，因为在过滤元件之前或之后的辐射路径可以被独立地优化。
在一些实施方式中，至少一个辐射检测器单元是宽带检测器单元。在这种情况下，优选地，辐射过滤装置是窄带过滤装置。因此，只有与气体的检测相关的光谱密度被检测器感测，而其他光谱密度则通过过滤器与检测器屏蔽。还可以想到，检测器单元是窄带检测器，辐射是宽带辐射；在这种情况下，在一些实施方式中，可以省去辐射过滤装置。
在一些实施方式中，所述辐射过滤装置设计成具有过滤平面，并且至少一个检测器单元设计成具有检测器平面，其中，所述辐射过滤装置和彼此相关联的至少一个检测器单元设置成使得过滤平面和检测器平面彼此大致成直角。
特别地，热红外检测器经受由接近检测器隔膜的吸热体(例如常规红外热电堆检测器中的红外过滤板)之间的热传导产生的杂散热信号。通过将红外过滤器安置成相对于彼此成大致90°的角度，并且优选地彼此间隔几毫米，可以降低这种杂散热耦合的影响。
在一些实施方式中，在所述至少一个辐射路径中不设置如本文所述的辐射过滤装置。这允许生产成本低廉的特别简单和牢固的设计。在这种情况下，来自辐射源的辐射可以直接地或经由可能存在的反射性的辐射舱间接地发散到辐射检测器单元上。
一些优选实施方式包括带有两个或更多个检测器的检测器单元。单个检测器可以以彼此间隔开的方式布置。因此，可以形成连接至少一个辐射源和相应的检测器的多个辐射通道。因此，提出了多辐射通道气体传感器模块。可能存在的辐射舱可以成形为为每个通道提供管状壳体结构并且提供用于可能存在的紧固过滤元件的紧固结构。
在一些实施方式中，所述辐射通道设置成从相同的至少一个辐射源大致径向向外延伸。所述辐射通道也可以设置成彼此平行或沿相反方向。
在一些优选实施方式中，辐射过滤装置在至少一个，优选地在每个辐射通道中包括有过滤元件。优选地，过滤元件是板状设计的，其中，板大致布置在以辐射源为中心的虚拟圆上。
在一些实施方式中，所述辐射通道中的至少一者构造为参考辐射通道。这可以通过将特定的检测器或特定的过滤器-检测器对布置在对沿着参考通道传输的参考辐射敏感的参考通道中来实现。此处，参考辐射与待测气体具有不同的相互作用配置；优选地，参考辐射不与待测气体明显地相互作用。
还可以想到的是，参考通道不填充有待测气体。
在一些实施方式中，使用参考通道以便在改变辐射源时重新校准气体传感器模块。因为例如灯泡的辐射源衰退，由此其辐射特性改变，所以这种改变会随着时间推移而发生。为了补偿这种衰退效应，可以使用通过使用参考通道获得的测量结果。
在一些实施方式中，所述辐射舱设置有至少一个或更多个进入开口，该进入开口用于气体的通过，以允许与辐射腔或模块的环境进行气体交换。这种进入开口优选地布置在远离至少一个辐射检测器单元的辐射源的区域中。
进入开口可以至少部分地被通气介质覆盖，其中，优选地，所有进入开口被通气介质完全覆盖。通气介质用作过滤介质，以避免灰尘颗粒和/或水进入辐射腔。典型的通气介质可以是横跨至少一个进入开口的至少一部分的隔膜或类似物。
在一些实施方式中，检测器单元可以包括集成在CMOS框架中的一个或更多个热红外检测器。
然后，红外传感器芯片可以以突出的方式安装在板上：芯片被紧固——例如联结——至板，例如紧固在(机械固体)ASIC部件上。红外感测区域从板的内部边缘突出进入到凹口中，使得可以从顶部和底部光学地达到隔膜。这种双侧的光照允许提高灵敏度。
在一些实施方式中，可以包括若干检测器的检测器单元可以集成到单个芯片上。单个芯片可以，但不必须设置有ASIC部件。这样的ASIC部件可以优选地布置在设置在单个芯片上——即在芯片的中间区域中——的检测器的感测区域之间。替换地，检测器的感测区域可以布置在芯片的前部区域中，而ASIC部件布置在芯片的后部区域中。这样的设计是有利的，因为具有ASIC部件的区域在机械上更稳定，并且因此适合于如本文所述的以突出布置方式附接检测器部件。
在其他实施方式中，每个检测器可以集成到单独的芯片上，换句话说，检测器设置有分离的芯片，全部分离的芯片没有ASIC部件。
在一些实施方式中，可以使用的红外检测器包括诸如隔膜的吸收层，吸收层连接至诸如热电偶或类似物的温度传感器。可以借助于温度传感器感测对吸收层的辐射冲击，其中，上升的温度是接收的红外辐射的量度。
在一些实施方式中，电阻丝可以替代热电偶或附加地集成到红外检测器中。
在一些实施方式中，辐射过滤功能可以集成到检测器单元中和/或辐射源中。该集成过滤功能可以相对于本文所述的单独的辐射过滤装置替代地提供或附加地提供。
在一些实施方式中，检测器单元可以包括例如在Liu等人在PRL104，207403(2010)发表的“具有近统一吸光率的红外空间和频率选择超材料”(Infrared Spatial andFrequency Selective Metamaterial with Near-Unity Absorbance)中所描述的超材料完美吸收器(MPAs)。这些MPAs可以集成到检测器单元中，以作为唯一过滤元件或作为相对于如本文所述的单独的辐射过滤装置的附加过滤元件。附加地或替代地，这样的MPAs也可以集成到辐射源上，即例如Liu等人在PRL107，045901(2011)发表的“用作为选择性热发射器的红外超材料抑制黑体”(Taming the Blackbody with Infrared Metamaterials asSelective Thermal Emitters)所教导的辐射发射器上。
相对于所述单独的辐射过滤装置和/或所述集成过滤元件替代地或附加地，可以使用如DE 100 84 211B4中描述的过滤元件来实现过滤功能。
在一些优选实施方式中，气体传感器模块构造成用于确定测试介质中的气体浓度，优选地CO2气体浓度。特别优选的是双通道的确定CO2的气体传感器模块，其中，用波长在4.1微米至4.5微米范围内、优选地为4.3微米的电磁辐射照射一个辐射通道。该辐射大致在CO2气体的吸收带内。可以用大致在CO2气体的吸收带之外的电磁辐射，例如具有例如3.9微米的波长的电磁辐射供给另一个通道。因此，提供具有CO2通道和参考通道的模块。
在一些实施方式中，第一壳体和第二壳体借助于铆接，特别地借助于超声波铆接而彼此连接。特别优选地，首先优选地通过铆接、特别是超声波铆接将第一壳体和板彼此连接，然后，优选地通过铆接、特别是通过超声波铆接将第二壳体连接至第一壳体。在一些实施方式中，板不直接连接至第二壳体，而是经由第一壳体连接至第二壳体。
附图说明
下面参考附图描述本发明的优选实施方式，附图是为了说明本发明的当前的优选实施方式而不是为了限制本发明。在附图中：
图1以透视俯视图示出了第一壳体的实施方式；
图2以透视俯视图示出了带有中央凹口的板的实施方式；
图3以透视俯视图示出了第二壳体的实施方式；
图4以分解透视俯视图示出了具有根据图1至图3的第一壳体和第二壳体和板的部分组装的气体传感器模块；
图5示出了检测器芯片的实施方式的示意性横截面图；
图6示出了另一检测器芯片的实施方式的示意性横截面图；
图7示出了再一检测器芯片的实施方式的示意性横截面图；
图8示出了穿过根据图4的气体传感器模块的实施方式的示意性和简化的横截面图；
图9示出了气体传感器模块的另一实施方式的横截面图；
图10至图16示出了根据本发明的气体传感器模块的具有不同的辐射源和/或检测器单元布置方式的另外的实施方式。
具体实施方式
现参考图1至图4描述本发明的优选实施方式。附图示出了优选实施方式的按比例的精确图示，即所述附图以可以从附图中读出相对比例的方式示出主题。
在附图的上下文中，示例性地描述了用于确定测试气体中的CO2气体浓度的气体传感器模块，其中，使用红外光作为辐射。因此，使用波长为4.3微米的电磁辐射的检测来提供CO2通道C1，并且使用波长为3.9微米的电磁辐射的检测来提供参考通道C2。应当理解的是，在不脱离本发明的观点的情况下，不同的辐射和检测器以及过滤器设置也可以用于不同的应用。
图1以透视俯视图示出了辐射舱50的第一壳体51的实施方式。
图3以透视俯视图示出了辐射舱50的第二壳体52的实施方式。第一壳体51和第二壳体52是辐射舱50的半壳体组件，两者彼此配合以形成舱，即中空体，其中，辐射腔5是中空体的内部空间。辐射腔5由辐射源室3和辐射通道C1和C2(参见下文和图4)形成。
图2示出了板2的实施方式，板2优选地是具有第一侧21(图中的顶侧)和第二侧22(图中与顶侧相反的底侧)的印刷电路板。
图4示出了处于部分组装状态，更准确地，处于第一半壳体51与模块1的其余部分脱离的状态的气体传感器模块。
从附图中可以看出，板2是大致平坦的板，其在中心具有大致矩形的切口或通孔，并且该切口或通孔在本说明书的上下文中被称为凹口20。凹口20具有圆角区域。凹口20从板2的第一侧21延伸到板2的第二侧22，并且成形为便于容纳辐射舱50。更具体地，板2以界定凹口20的侧部内表面23周向地包围所述辐射舱50。
第一壳体51包括第一容纳部分515(参见图1中的左侧)，第一容纳部分515用于接收布置在第二壳体52上的源保持器31(参见下文以及图3中的左侧)，并且还用于接收辐射源3的连接部件。第二容纳部分511邻接第一容纳部分515。第二容纳部分511界定辐射源室501。第三容纳部分512和第四容纳部分513邻接第二容纳部分511；第三容纳部分512和第四容纳部分513分别界定第一辐射通道C1和第二辐射通道C2的半管状外壳。第五容纳部分516连结第三容纳部分512和第四容纳部分513。第五容纳部分516接收过滤器保持器62(参见下文和图3)。最后，如图1所示，第六容纳部分517设置在第一壳体51的右侧。第六容纳部分517容纳传感器芯片43的一部分(例如，参见图2)。
第二半壳体52提供了与容纳部分511至513以及容纳部分516、571配合的相对的结构，使得辐射腔5的底部侧，即板2的侧22完整。
第一半壳体51和第二半壳体52借助于卡扣紧固结构彼此配合，所述卡扣紧固结构包括卡入钩514和卡入凹口524。卡入式连接件514、524可以设计成可释放的形式。从图中可以看出，卡入钩514从第一侧21穿过凹口20延伸到第二侧22凹口。当彼此紧固时，两个半壳体51、52提供周向延伸的槽(在图中水平定向)，该槽定尺寸和成形成接收板2的侧部内缘区域，该侧部内缘区域提供界定凹口20的所述侧部内表面23。
在一些实施方式中，该周向槽具有适于以合适的夹紧力夹紧所述板内缘区域的宽度(图中的竖直间隙)。
优选地，所述周向槽的宽度(即图中的所述竖直间隙)足够大以应对板2的厚度的变化。特别优选的是，组装过程使得板2例如通过胶粘、焊接、(超声波或热塑性或其他)铆接等，优选地以材料配合的方式仅附接至一个半壳体51或52，而紧固结构(例如卡入钩514和卡入凹口524)适于将第一壳体51和第二壳体52以明确的方式相对于彼此紧固。因此，板2中的厚度变化不影响由壳体51、52限定的辐射腔5的几何形状。这是特别有利的，因为辐射腔的几何形状通常被调节以适应所使用的辐射。
可以使用材料配合的方式的其他连接，诸如胶粘。因此，辐射舱50以强制锁定和形状配合的方式紧固至板2，并且如果需要，附加地以材料配合的方式紧固至板2。
在优选实施方式中，第一壳体51和第二壳体52借助于铆接、特别地借助于超声波铆接彼此连接。特别优选地，首先优选地通过铆接、特别地超声波铆接将第一壳体51和板2彼此连接，然后优选地通过铆接、特别地通过超声波铆接将第二壳体52连接至第一壳体51。
辐射舱50——即第一壳体51和第二壳体52——是由塑料制成的模制件，其在内表面500金属化以获得反射性，内表面500界定辐射腔5。辐射腔5包括在其中布置有辐射源3的腔室501以及辐射通道C1和C2。
提供了从外部延伸到辐射腔5中的进入开口7，使得环境和辐射腔5之间可以进行气体交换。进入开口7布置成远离检测器单元4并且靠近辐射源3。进入开口7被通气介质71覆盖。通气介质71可以是保护辐射腔5免受灰尘颗粒和水的隔膜。
在测量期间，测量辐射腔5中的气体。
在该实施方式中，所述辐射源3是宽带白炽灯泡。源3布置在源保持器31中。源保持器31与第一容纳部分515配合，以便将辐射源3适当地紧固在辐射舱50中。从附图中可以看出，源定向成使得其长度轴线L设置在凹口20中，更具体地在板2的平面(参见图2)内并且附接至矩形凹口20的较短的面中的一者(图2中左侧的较短的面)。
第一辐射通道C1和第二辐射通道C2从辐射源室501延伸，或更精确地，从辐射源室501的与辐射源3相对的端部区域延伸。辐射通道C1和C2限定辐射路径X的大体方向，其中，第一组辐射路径X在离开辐射源室501之后大体上沿着第一辐射通道C1传播，并且第二组辐射路径X在离开辐射源室501之后大体沿着第二辐射通道C2传播。这些辐射路径X包括从源3穿过过滤元件61到检测器单元4的直接辐射路径X和间接辐射路径X。间接辐射路径X包括在内表面500处的至少一个或多个、往往明显多于一个的反射。该构造是有利的，因为它延长了吸收路径并因此提高了模块1的灵敏度。图4示出了在通道C1和C2中的从光源3到红外传感器芯片43的直接辐射路径X。
因此，内表面500可以反射与待测量的气体相互作用的辐射，并且内表面500可以成形为使得源3的辐射功率输出被适当地引导并聚焦到过滤器和检测器装置上。反射能力可以通过使塑料半壳体51、52在其内表面上的金属化来实现。当然，这种内部反射涂层取决于所使用的辐射，因此在不同的实施方式中可以是不同的。因此，通常为可选特征的辐射舱50不仅提供保护布置在舱内的感测部件免受机械损伤和环境影响的优点，辐射舱50还可以用作用于引导适量的辐射穿过气体检测器模块1的聚焦元件。辐射舱50可以有助于将辐射有效地分入不同的辐射通道C1和C2。
第一辐射通道C1和第二辐射通道C2定向成使得它们的纵向轴线从相同的辐射源3径向向外延伸。换句话说，纵向轴线相对于彼此成角度地延伸，并且通常在辐射源3的区域汇合(参见图4)。另外，这些纵向轴线可以彼此平行并且/或它们可以由不同的辐射源提供，辐射源可以发射相同或不同的辐射。
辐射过滤装置6设置在辐射通道C1和C2的远端(即，通道的辐射源端的相反侧)。辐射过滤装置6包括两个过滤板61，每个过滤板61限定过滤平面60并且布置在第二壳体52上的过滤器保持器62中。通常，每个检测器41、42有一个过滤板61。当然，任一构造部件的数量可以更多或更少。过滤板61是窄带过滤器，它们允许在根据待测气体选择的波长范围内的辐射的传输，同时阻挡其他波长范围内的传输。过滤器通带还可以选择成仅传输未与任何大气气体耦合的光，以实现参考通道。过滤板可以实现为光学基板上的干涉涂层。过滤器保持器62与第五容纳部分516配合，以适当地紧固过滤板61。
过滤器保持器62中的过滤板61定向成使得过滤板61布置在延伸穿过过滤器平面中心并且具有作为中心点的辐射源3的圆上。换句话说，分别与第一通道C1和第二通道C2相关联的过滤板61以相对于彼此以成角度的方式设置，并且相对于第一辐射通道C1和第二辐射通道C2的纵向轴线大致成直角。
从图3(和图4)可以看出，第二壳体52在其传感器端(即图的右侧)具有用于接收传感器芯片43的两个凹口64(参见下文)。
在过滤元件61后面布置有具有两个单独的检测器——即第一热红外检测器41和第二热红外检测器42——的辐射检测器单元4。检测器41、42设置在传感器芯片43上。传感器芯片43均包括机械稳定的ASIC端部区域和传感器端部区域。传感器芯片43以其刚性的ASIC端部区域紧固至板2的边缘区域；因此，传感器芯片43大致平行于板平面延伸。然后，传感器芯片43的传感器端部区域作为自由端突出超过板2的侧部内表面23并突出到辐射腔5中。
在每个传感器芯片43的传感器区域中，即在芯片43的突出部段中，布置有悬挂在隔膜45上的常规的热红外传感器44，隔膜45横跨穿过传感器芯片43的基板的通孔。该设计允许从两侧——即顶侧(或在本实施方式中为板2的第一侧21)和相反的底侧——入射的辐射可以由相同的传感器芯片43测量。检测器单元4的这种可以从两侧达到的性质——双侧光照特征——是有利的，因为其允许使用在板2的第一侧21和/或板2的第二侧22上传播的辐射路径X。因此，可用空间得到更有效地利用，从而增强了模块1的紧凑性。
在一些实施方式(未示出)中，传感器芯片43可以设置在板2中的凹口中，或者，传感器芯片43可以成形为使得传感器端部区域进入或靠近凹口20(在竖直方向上)的中间平面。
板2的两侧21、22对于辐射源3是容易达到的，因为在本实施方式中，辐射源3位于凹口20中，更精确地：辐射源3布置成其纵向轴线L在板2的中间平面中。
从图中可以看出，第一辐射通道C1和第二辐射通道C2在垂直于它们的纵向方向的方向上——即横向方向上——延伸到两侧21、22。因此，传感器芯片的安装的突出设计以及辐射源3在载体2的通孔中的布置允许进一步提高气体检测器模块1的效率。这还允许进一步降低模块1的整体高度，从而进一步提高模块1的紧凑性。
从图4的底部部分可以看出，由过滤板61限定的过滤平面60定向成与相应的检测器41、42的检测器平面40成直角。这是有利的，因为可以减少热效应。更具体地，热红外检测器44受到由靠近检测器隔膜45的吸热体(例如常规红外热电堆检测器44、45中的红外过滤板61)之间的热传导产生的杂散热信号的影响。通过将红外过滤器61安置成相对于检测器平面60成直角并且分别与检测器41、42相距几毫米，这种杂散热耦合的影响减小。
可以使用检测器单元4的替代设计。检测器平面设置成竖直于过滤器平面是有利的，但不是必需的。此外，检测器单元4的上述双侧光照特征也是有利的，但不是必需的。
包括辐射源室501的第一通道C1和第二通道C2成形为使得辐射源3的最大辐射输出被分别引导到相应的检测器41、42。
此外，气体传感器模块1包括用于控制不同电子部件，特别是辐射源3和检测器单元4的微处理器8。
根据图1至图4的舱50的典型长度可以在10毫米至100毫米的范围内，优选地在10毫米至50毫米的范围内；舱50的典型宽度可以在5毫米至50毫米的范围内，优选地在5毫米至15毫米的范围内。舱50的典型高度可以小于或等于20毫米，优选地小于或等于10毫米。
图5示出了传感器芯片43的另一实施方式。在这种情况下，传感器芯片43是红外传感器芯片。传感器芯片43设置有包括开口431并且限定检测器平面40(参见图6)的硅基板430。隔膜45横跨开口431。热电偶46布置在限定开口431的基板430的边缘区域中，以便测量由于在设置在隔膜45上的吸收层450上的对红外辐射的吸收而导致的温度变化。
图6示出了传感器芯片43的另一实施方式，其大致类似于根据图5的实施方式，但是在右侧还包括机械稳定的ASIC区域。
图7示出了传感器芯片43的再一实施方式，其中，布置有代替热电偶46的电阻线47，以便检测由于在吸收层450中的对辐射的吸收而升高的温度。
图8示出了气体传感器模块1的实施方式的横截面图。在这种情况下，如上文所述，板2设置有凹口20，其中，灯泡32布置在凹口20内并且在板2的侧面上。舱50布置成封闭凹口20并且覆盖辐射源32和检测器单元4。如上所述，舱50界定辐射腔5，并且舱50由两个组件51和52组成。可以看出，检测器单元4以突出方式布置，使得其感测区域位于凹口20上方并且可以从辐射侧(顶部和底部)达到。因此，辐射可以从辐射腔5的由52限定的下半部分和由51限定的上半部分到达检测器单元4。两个半壳体51、52都是弯曲的。然而，也可以想象到，至少第二半壳体52是平坦的，如同根据图9的实施方式那样。
通常，半壳体51、52的凹形可以为容纳诸如辐射源3和检测器单元4的构造部件提供空间。它还可以设置成用于反射目的的形状，例如，使得尽可能多的辐射路径X聚焦在检测器单元4上。因此，可以有效地测试舱50中的填充有测试气体的空间。
图9示出了气体传感器模块1的另一实施方式的横截面图，其中，板2在其侧面上设置有台阶24。辐射源33和检测器单元4都布置在该台阶24上，因此完全布置在凹口20内。舱50由板状组件51和52形成。因此，通过根据图9的实施方式实现特别平坦的设计。或者，板状组件51、52也可以安置在板内并且在相同的台阶24或替代的台阶(未示出)上。
在图9至图16中，虚线示出了一些示例性的辐射路径X。一些辐射路径是直接路径X，一些辐射路径包括一次反射。当然，多次反射路径X也是可能的。壳体51、52的形状可以适应于辐射源3和检测器单元4的具体布置。
图10示出了气体传感器模块1的另一实施方式的横截面图，其中，第一半壳体51是弯曲的——即它是凹形的——以在其凹形形状中提供辐射腔5的一部分，如同根据图8的实施方式中的壳体51、52那样。辐射源3(此处作为示例，MEMS加热板33被示出)和检测器单元4都设置在板2的第一侧21上并且不延伸到凹口20中。如虚线所示，辐射路径X可以穿过凹口20传播。检测器单元4以突出方式安装，使得检测器单元4可以接收和检测来自两侧——来自顶部和底部——的光。
图11示出了气体传感器模块1的与图10相同的实施方式的横截面，区别在于检测器单元4下降到台阶24上并进入凹口20。
图12示出了图8的实施方式，区别在于辐射源3布置在第一侧21上，而检测器单元4以突出的方式布置在基板2的第二侧22上。
图13示出了图12的实施方式，区别在于检测器单元4不以突出的方式布置，而是设置在相距界定凹口20的侧边缘面一定距离处。
图14示出了图12的实施方式，区别在于辐射源3布置成与检测器单元4直接相反，即布置在凹口20的相同侧上。
图15示出了根据图14的实施方式，区别在于辐射舱50延伸穿过凹口20，这优化了反射。
图16示出了根据图12的实施方式，区别在于后边缘面处的台阶24设置在板2的第二侧22上。
应当理解的是，在根据附图的这些实施方式中，检测器单元4和辐射源3的不同布置可以以不同方式组合。
还应当理解，尽管示出了MEMS加热板33，但是如本文所概述的，可以使用不同的辐射源3。
此外，在任何布置中，辐射源3和检测器单元4中的一者或两者可以以突出安装的方式安装并且/或安装在来自第一侧21或第二侧22的台阶24上，并且/或安装在在第一侧21和第二侧方向22上界定凹口20的侧边缘面处或相距所述侧边缘面一定距离处。
此外，可以想到的是，多于一个辐射源3和多于一个检测器单元4可以例如通过组合如本文所述的实施方式而布置在板2上。
附图标记列表
1 气体传感器模块
2 板
20 2中的凹口
21 2的第一侧
22 2的第二侧
23 20的侧部内表面
24 2中的台阶
3 辐射源
31 源保持器
32 灯泡
33 MEMS加热板
4 辐射检测器单元
40 检测器平面
41 第一辐射检测器
42 第二辐射检测器
43 传感器芯片
430 43的硅基板
431 430内的开口
44 辐射传感器
45 隔膜
450 吸收层
46 热电偶
47 电阻丝
5 辐射腔
50 辐射舱
500 50的内表面
501 用于3的辐射源室
51 50的第一壳体
511 用于3的第二容纳部分
512 用于C1的第三容纳部分
513 用于C2的第四容纳部分
514 卡入钩
515 用于31的第一容纳部分
516 用于62的第五容纳部分
517 用于43和61的第六容纳部分
52 50的第二壳体
524 卡入凹口
6 辐射过滤装置
60 过滤平面
61 过滤元件
62 过滤器保持器
63 用于插入43的凹口
64 52中用于43的凹口
7 进入开口
71 通气介质
8 微处理器
C1、C2 辐射通道
L 3的纵向轴线
X 辐射路径

Claims (24)

1.一种气体传感器模块（1），所述气体传感器模块（1）集成到板（2）上或者包括所述板（2），所述气体传感器模块（1）包括：
- 至少一个辐射源（3），所述至少一个辐射源（3）构造成用于发射辐射；
- 至少一个辐射检测器单元（4），所述至少一个辐射检测器单元（4）构造成检测所述辐射的至少一部分并且包括具有热红外传感器（44）的传感器芯片（43）；
- 辐射腔（5），所述辐射腔（5）提供从所述辐射源（3）到所述辐射检测器单元（4）的至少一条辐射路径（X），
其特征在于，
所述板（2）设置有凹口（20）并且具有第一侧（21）和相反的第二侧（22），所述凹口形成穿过所述板（2）的通孔或切口，
所述气体传感器模块（1）构造成使得所述至少一条辐射路径（X）的至少一部分穿过所述凹口（20）传播或传播进入所述凹口（20），所述至少一条辐射路径（X）在所述板（2）的所述第一侧（21）和/或所述第二侧（22）上传播，其中，所述热红外传感器悬挂在隔膜（45）上，所述隔膜（45）横跨穿过所述传感器芯片的基板的所述通孔或所述切口，并且
所述传感器芯片（43）的红外感测区域从所述板（2）的内部边缘突出进入到所述凹口（20）中，使得从所述板（2）的所述第一侧（21）和/或所述第二侧（22）入射的辐射能够由所述传感器芯片（43）测量。
2.根据权利要求1所述的气体传感器模块（1），其中，所述辐射源（3）和所述至少一个辐射检测器单元（4）布置在所述板（2）的所述第一侧（21）和所述第二侧（22）中的相同侧上，或者布置在所述板（2）的所述第一侧（21）和所述第二侧（22）的相反侧上。
3.根据权利要求1或2所述的气体传感器模块（1），其中，所述辐射源（3）和/或所述至少一个辐射检测器单元（4）至少部分地或全部地布置在所述凹口（20）内。
4.根据权利要求1所述的气体传感器模块（1），其中，所述辐射腔（5）由辐射舱（50）界定；
其中，所述辐射舱（50）围封所述至少一条辐射路径（X）；
并且其中，所述辐射舱（50）构造成朝向所述至少一个辐射检测器单元（4）反射所述辐射的至少一部分。
5.根据权利要求4所述的气体传感器模块（1），其中，所述辐射舱（50）由一个或更多个第一壳体（51）和第二壳体（52）形成；
其中，所述第一壳体（51）和所述第二壳体（52）提供内表面（500），所述内表面（500）至少部分地界定所述辐射腔（5）。
6.根据权利要求4或5所述的气体传感器模块（1），其中，所述辐射舱（50）至少部分地陷入所述凹口（20）中。
7.根据权利要求6所述的气体传感器模块（1），其中，所述辐射源（3）和所述至少一个辐射检测器单元（4）布置在所述板（2）的所述第一侧（21）和所述第二侧（22）中的相同侧上，或者布置在所述板（2）的所述第一侧（21）和所述第二侧（22）的相反侧上，并且
其中，所述辐射腔（5）被设计成、并且所述至少一个辐射源（3）和所述至少一个辐射检测器单元（4）构造和布置成在所述板（2）的所述第一侧（21）和所述第二侧（22）建立至少一条辐射路径（X），由此，由所述至少一个辐射源（3）发射的辐射能够从所述板（2）的第一侧（21）和第二侧（22）检测到。
8.根据权利要求1、2、4或5所述的气体传感器模块（1），其中，所述至少一个辐射源（3）是光源；并且/或
其中，所述至少一个辐射源（3）通过夹持、胶粘、焊接和/或热塑性或超声波铆接安装在保持器（31）中。
9.根据权利要求1或2所述的气体传感器模块（1），其中，辐射过滤装置（6）安置在通向相应的辐射检测器单元（4）的所述至少一条辐射路径（X）中的一者或多者中。
10.根据权利要求9所述的气体传感器模块（1），其中，所述至少一个辐射检测器单元（4）是宽带检测器单元；并且/或者
其中，所述辐射过滤装置（6）是允许在根据待测量的气体选定的波长范围内的辐射的传输的窄带过滤装置，同时所述窄带过滤装置阻挡在其他波长范围内的传输。
11.根据权利要求9所述的气体传感器模块（1），其中，所述辐射腔（5）由辐射舱（50）界定；
其中，所述辐射舱（50）围封所述至少一条辐射路径（X）；
并且其中，所述辐射舱（50）构造成朝向所述至少一个辐射检测器单元（4）反射所述辐射的至少一部分，并且
其中，所述辐射过滤装置（6）设计成具有过滤平面（60），并且所述至少一个辐射检测器单元（4）设计成具有检测器平面（40），并且其中，所述辐射过滤装置（6）和彼此相关联的所述至少一个辐射检测器单元（4）设置成使得所述过滤平面（60）和所述检测器平面（40）彼此大致成直角地定向。
12.根据权利要求1、2、4或5所述的气体传感器模块（1），其中，辐射过滤功能结合到所述辐射检测器单元（4）上和/或所述辐射源（3）上。
13.根据权利要求1、2、4或5所述的气体传感器模块（1），所述的气体传感器模块（1）包括具有两个或更多个检测器（41、42）的辐射检测器单元（4），所述检测器（41、42）以彼此间隔开的方式布置，从而实现多辐射通道的气体传感器模块。
14.根据权利要求1、2、4或5所述的气体传感器模块（1），其中，所述辐射舱（50）设置有用于与环境进行气体交换的至少一个或更多个进入开口（7）。
15.根据权利要求1、2、4或5所述的气体传感器模块（1），其中，所述气体传感器模块构造成用于确定测试介质中的气体浓度。
16.根据权利要求1、2、4或5所述的气体传感器模块（1），其中，所述第一壳体（51）和所述第二壳体（52）借助于铆接彼此连接；并且/或者
其中，所述第一壳体（51）连接至所述板（2）。
17.根据权利要求5所述的气体传感器模块（1），其中，所述辐射舱（50）由单个第一壳体（51）和单个第二壳体（52）形成，其中所述单个第一壳体（51）和所述单个第二壳体（52）成形为具有镜像颠倒的设计，并且/或者
其中，所述第一壳体（51）和所述第二壳体（52）由金属制成或包括至少部分地金属化的内表面（500），并且/或者
其中，所述第一壳体（51）和所述第二壳体（52）由塑料制成并且在第一和第二所述内表面（500）上涂覆有金属涂层。
18.根据权利要求9所述的气体传感器模块（1），其中，所述辐射过滤装置（6）和彼此相关联的所述至少一个辐射检测器单元（4）是彼此间隔开至少1毫米至10毫米的单独的单元。
19.根据权利要求12所述的气体传感器模块（1），其中，所述辐射过滤功能提供允许在根据待测量的气体选定的波长范围内的辐射的传输的窄带过滤器，同时所述窄带过滤器阻挡在其他波长范围内的传输。
20.根据权利要求13所述的气体传感器模块（1），其中，所述辐射通道（C1、C2）设置成从相同的至少一个辐射源（3）大体径向地向外延伸，并且/或者
其中，所述辐射过滤装置（6）在至少一个辐射通道（C1、C2）中包括有过滤元件（61），并且/或者
其中，所述辐射通道（C1、C2）中的至少一者构造成参考辐射通道。
21.根据权利要求20所述的气体传感器模块（1），其中，所述辐射过滤装置（6）在每一个辐射通道（C1、C2）中包括有过滤元件（61）。
22.根据权利要求14所述的气体传感器模块（1），其中，所述至少一个或更多个进入开口（7）布置在远离所述至少一个辐射检测器单元（4）的所述辐射源（3）的区域中；并且/或者
其中，所述至少一个进入开口（7）至少部分地被通气介质（71）覆盖。
23.一种气体传感器模块（1），所述气体传感器模块（1）包括板（2），并且所述气体传感器模块（1）包括：
- 至少一个辐射源（3），所述至少一个辐射源（3）构造成用于发射辐射；
- 至少一个辐射检测器单元（4），所述至少一个辐射检测器单元（4）构造成检测所述辐射的至少一部分，并且包括具有悬挂在隔膜（45）上的热红外传感器（44）的传感器芯片（43），所述隔膜（45）横跨形成穿过所述传感器芯片（43）的基板的通孔或切口的凹口；
- 辐射腔（5），所述辐射腔（5）提供从所述辐射源（3）到所述辐射检测器单元（4）的至少一条辐射路径（X），
其特征在于
所述气体传感器模块（1）构造成使得所述至少一条辐射通道（X）的至少一部分穿过所述凹口（20）传播或传播进入所述凹口（20），并且所述传感器芯片（43）的红外感测区域突出越过所述板（2）的内边缘进入所述凹口（20），使得能够从顶部和底部光学地达到所述隔膜（45）。
24.根据权利要求1或23所述的气体传感器模块（1），其中，所述板（2）为印刷电路板。
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