CN1985158B - 传感器元件 - Google Patents

Abstract

一种用于检测尤其在红外线范围内的电磁辐射的传感器元件(10)，包括：一个或一个以上热敏感部分(4a、4b)，其提供在衬底(1-3)上；和一个或一个以上影响层(5a、5b)，其用于影响将要检测的所述电磁辐射的吸收和/或反射。所述热敏感部分和/或所述影响层根据所述影响层的热特性优选地不对称地配置在所述衬底上。

Description

传感器元件

技术领域

本发明涉及一种根据独立权利要求的导言的传感器元件。本发明明确地说涉及在环境温度波动的情况下具有增强属性的红外线检测器。从DE 197 10 946和EP 1 039 280中可了解这类传感器元件和传感器。 

本发明明确地说涉及辐射传感器，且此处优选地涉及设计为借助于红外线辐射测量来测量温度的辐射传感器。在此情况下，实际的传感器元件是(具体来说)待测量红外线辐射所入射到的且以某种方式将所述红外线辐射转变为电学可用信号(例如电流、电压、电荷)的那些结构。所述结构可为热电堆或热释电检测器(pyrodetector)或辐射热测量计。 

背景技术

明确地说，热电堆具有的特性在于，其电输出信号不仅视入射电磁辐射(红外线范围中)而定，而且视传感器元件工作环境的环境温度而定。为了断开散热器和环境温度的传感器元件，将尽可能多的热电堆配置于(例如)图1中所示的热学弱传导结构。实际的传感器元件由标号4(4a、4b)表示。其具有热端4a和冷端4b。可在热端4a上方提供吸收层5a，其(例如)可为黑色，使得其尤其适于吸收入射红外线辐射(由IR(To)表示)，并因此导致热端4a的加热。另一方面，可在冷端4b上方提供反射层5b，所述反射层5b反射入射红外线辐射，使得冷端4b加热程度相应较小。冷端与热端之间的温度差导致一可测量的电压差。复数个所述结构可串联连接，从而获得相应较高的信号电压。 

传感器元件设置于薄隔膜3上，薄隔膜3本身由形成为框架的衬底1支撑。在此情况下，热端4a常规上不会设置于框架1上方，而是设置于框架1的孔口2上方的隔膜3上。这样，热端4a与框架1的热质量热学隔离，使得照射来的红外线辐射可导致比较强烈的加热，且因此引起较强的信号。 

如果可假定环境温度(由传感器元件的框架1下方的箭头Tu表示)为常数，那么需要在框架1上方提供冷接触点4b，并且，只要其存在于该处，就在隔膜3上提供冷接触点4b。那么，由照射来的红外线辐射引起的冷接触点的加热较低，因为冷接触点耦合到框架1的热质量。 

另一方面，如果必须假定环境温度可迅速改变，则冷接触点以及热接触点优选地不是提供于框架1上方，而是如图1所示提供于框架中的孔口2上方，使得同样因此实现冷接触点与变化的环境温度的分离。在变化的环境温度中的传感器元件或传感器的典型应用领域是通过将要测量的物体的红外线辐射进行间接温度测量的领域(例如，空气调节)。 

当冷接触点的温度条件未界定或变化时，这通过根据物体温度To实行的对红外线辐射的(直接)测量而影响(间接)温度测量。在一些温度传感器应用中，举例来说，冷接触点因此提供在隔膜3上的孔口2上方。 

为了精确的温度测量，温度分布的动态特性是相关的。因此，DE 19710 946建议用将更详细描述的某种方式配置冷点和热点的热容量以及冷点和热点附近的热传导性。建议热电堆传感器的热点关于外壳不对称配置，以便实现仅仅热点的辐射。通过从引用文档已知的测量方法，希望使得环境温度条件对冷点的影响与其对热点的影响相同。 

发明内容

本发明的目的是提供一种传感器元件和一种传感器，其相对不容易受传感器或传感器元件的环境温度变化的影响，且通常相对不容易受干扰信号源的影响。 

由独立权利要求的特征解决所述目的。独立的权利要求涉及本发明的优选实施例。 

根据本发明的传感器元件(优选为热电堆)用以尤其在红外线范围(λ＞800nm，优选地＞2μm，更优选地＞25μm)内检测电磁辐射，且具有设置在衬底上的一个或一个以上热敏感区。另外，提供影响层以影  响在热敏感区中或附近的电磁辐射的吸收和/或反射。也根据影响层中的一者或一者以上的热特性来确定热敏感区在衬底上的配置。所观察的影响层的热特性可为热传导率、热容量、辐射吸收率、辐射反射率和辐射发射率。 

只要热敏感区吸收辐射且因此变热，就可将其视为热敏感区。将辐射(尤其是红外线辐射)直接转换为电特性而没有热效应的区可视为等同于热敏感区。 

在根据本发明的传感器元件中，传感器元件的热敏感区，尤其是热电堆结构的热点和/或冷点，可在衬底上配置成关于传感器元件且尤其是衬底或其一部分(例如，框架或隔膜)的对称轴或对称点不对称。在此情况下，希望配置的不对称性可平衡不对称的热特性，其中也可如上所述考虑影响层的特性。 

可如上所述来配置根据本发明的传感器元件。无论如何，其包括热敏感区和用于影响将要检测的电磁辐射的吸收和/或反射的影响层。可根据传感器元件或其组件(例如，衬底、框架、隔膜、热敏感区)的热特性来确定影响层的配置、设计和厚度。 

可如上所述来配置根据本发明的传感器元件。希望所述元件检测尤其在红外线范围内的电磁辐射，且包括：提供在衬底上的一个或一个以上区域，其用以根据将要检测的电磁辐射产生电输出信号；和与第一区域相比对于将要检测的电磁辐射较不敏感的一个或一个以上第二区域，其电输出信号与第一区域的电输出信号组合。优选地，第二区域不提供热相依信号(heat-dependent signal)，而是仅提供对应于环境温度的信号，其至少在性质上或部分地如同来自第一区域的温度相依信号成分而进行。来自第一和第二区域的信号可以反相的形式进行交换，以便获得信号总和，在维持信号的温度变化的同时从所述信号总和中至少部分地减去温度变化。以此方式，温度变化可直接在传感器元件上得以近似地电补偿。 

在本发明的申请日，同一申请人申请了标题为“传感器”(“Sensor”)的另一申请案，此处以完全的程度引用其内容。所引用的申请案的正式文件号为DE＿＿＿＿。该申请案中描述的特征可与本文描述的本发明组合，且可能的组合应被理解为本申请案中描述的本发明的一部分。 

附图说明

下文参看附图描述本发明的个别实施例，附图中： 

图1展示传感器元件的横截面图； 

图2是根据本发明的传感器元件的平面图； 

图3A和3B是根据本发明的另一传感器元件的平面。 

具体实施方式

图1展示可对其应用本发明的传感器元件。传感器元件10具备热电堆，所述热电堆可包括复数个冷接触点与热接触点的串联连接。冷接触点由4b表示，且热接触点由4a表示。可在热接触点4a上方提供吸收层5a，且可在冷接触点4b上方提供反射层5b。吸收层5a促使吸收根据物体的物体温度To而产生和发射的红外线辐射IR(To)。反射层5b反射所述辐射。以此方式，由于入射的辐射引起的加热在热端4a处被促进而其在冷端处被抑制。暖端以及冷端提供在框架1的孔口2上方在覆盖孔口2的隔膜3上。图1所示的传感器元件的横截面尺寸可为几毫米。框架的高度可为几百微米。首先大体上描述个别传感器元件。 

然而，本发明也可应用于多元件传感器，即应用于包括复数个传感器元件且设置成彼此紧密接近以结合投射元件而获得空间分辨率的传感器。框架1的孔口2通常直线地终止(请参看图2的平面图，在右下角)。孔口2可呈矩形或正方形。然而，圆形或椭圆形孔口也可为本发明的主题。传感器元件的对称轴由7d表示。其可为孔口2的对称轴。所述对称可为旋转对称(例如每90°)或镜面对称(左/右)。 

图2展示热电堆的冷和热接触点的配置，或大体上来说，传感器元件的热敏感部分4a、4b的配置。可以看到，其并不形成为关于对称轴  7a、7b或对称点7c对称。所述不对称配置大体上来说希望平衡传感器元件的不对称的热特性，且尤其希望平衡影响层5a、5b的不对称的热特性，在此情况下尤其是热传导率。反射层5b可为薄铝层，然而其具有相对较高的热传导率，使得由于变化的环境温度引起的热“冲击”相对较快地“到达”冷接触点。 

相反，吸收层5a具有相对较低的热传导率，使得由于变化的环境温度引起的温度变化相对较慢地到达热接触点。这种在环境温度的动态温度变化的情况下具有某一效果的不对称性可通过冷或热接触点的不对称配置而平衡。举例来说，根据图2，反射层5b下方的冷接触点4b不设置成与热接触点4a距框架1相同距离。一般来说，冷接触点可提供在隔膜3上比热接触点4a距框架1更大的平均距离。反射层的较好的热传导率被距供应环境温度的框架1的较大距离补偿。 

也就是说，根据传感器元件的热特性尤其是其动态热特性，且尤其是框架和/或隔膜和/或影响层和/或热敏感部分本身的热特性，而在衬底上配置热敏感部分。所检查的热特性可为热传导率、热容量、辐射吸收率、辐射反射率、辐射发射率。特别考虑影响层的热传导率和热容量。 

至于结果，这可导致反射层下方的热敏感部分与框架之间的平均距离大于吸收层下方的热敏感部分与框架1之间的平均距离。 

热敏感部分的配置可为使得其被设置在动态过程期间出现的等温线上。等温线可(例如)通过数值模拟(例如有限元方法)而确定。接着可将个别热敏感部分定位在所述等温线上。因此，在环境温度快速变化的情况下，热接触点以及冷接触点经历近似相同的温度发展。此处术语“快速”意味着温度变化比可由于传感器元件的热时间常数而去除热量发生得更快。然而，这可绝对地导致有用信号发生信号变化。但无论如何，个别热敏感部分同时经受“热冲击”，使得动态效应的影响并不是在较长时间周期内拖沓，而是在短时期内发生且接着不久再次减弱。 

为了平衡上述热不对称性，可作为对于热敏感表面的位置的选择的 替代或补充，确定影响表面本身的定位和尺寸设计。为了抑制影响表面中的热传导率，影响表面可具备热传导屏障，例如狭长切口形障碍物的形状的热传导屏障，其优选地与温度梯度近似成直角(＞60°)地延伸。 

另外，可提供平衡上述热不对称性的影响表面几何排列。举例来说，可能希望将一个反射层移动到紧密接近热区域4a的地方(至少到紧密接近热端的地方)，以便使用反射表面的良好热传导率来供应冷区域也感应到的热量，借此来减少不对称性。 

也可提供用以为补偿目的而(例如)有意地供应或去除热量的平衡表面8。举例来说，图2中展示热传导层8，其也可设置在吸收层5a下方。以此方式，准许热量有意地流动，这平衡了由于环境温度变化引起温度梯度而发生的热流的对称性。补偿层可具有小于10μm的厚度。其可包括一种或一种以上金属材料。其热传导率可能较高，且优选地大于10，更优选地大于50W/m/K。 

图3是传感器元件的另一实施例的平面图。与先前附图中相同的标号表示相同组件。1a表示上方伸展有隔膜3的框架1的内边缘。可以看到，在此实施例中，对应于图1的冷接触点的接触点设置在框架1上方而不是由框架1包围的孔上方。根据图3的实施例也可经修改使得所有接触点均设置在孔上方。 

传感器元件的表面包括分别引发电信号的不同区域41a、41b、42a、42b。有一个或一个以上用以根据将要检测的电磁辐射来产生电输出信号的第一区域41a、41b。其可为包括热和冷接触点4a、4b的热电堆，且可提供吸收层和(如果需要)反射层5a、5b。与第一区域相比，第二区域42a、42b对于将要检测的电磁辐射不敏感或至少较不敏感。然而，其电输出信号的温度变化在数量上且/或局部地等于来自第一区域41的信号的温度变化。 

 来自第一区域的信号与来自第二区域的电信号组合，优选地其以反相的形式组合(即，在电压信号的情况下)，使得来自第一区域的信号的 温度变化与来自第二区域的信号的温度变化以反相的形式发生。温度变化因而将彼此完全或部分地抵消(取决于其相等的程度)。对应于辐射并源自第一区域的信号不会被来自第二区域的较弱或不存在的辐射信号补偿或仅仅被其极少地补偿，从而作为总体结果，获得针对温度变化而被补偿的辐射信号。 

优选地，第一以及第二区域分别包括一个或一个以上热敏感部分4a、4b、44a、44b。在第二区域中，可通过将复数个或全部热敏感部分44a、44b设置在框架1上方使得其热学上良好地耦合到环境并相对于由于入射辐射引起的热学加热而短路，或通过以适当方式(例如，用反射层)将其覆盖而避免其由于辐射吸收而加热，来获得减小的辐射敏感性。 

图3A展示针对第二区域42a、42b的两个组合的选项：热敏感区域44b的一个部分(对应于通常称为“冷接触点”的材料接合处)设置在框架1上方，且接触点44b的另一部分(对应于通常称为“热接触点”的材料接合处)设置在防止辐射吸收(例如，通过具有反射性)的交叉阴影线覆盖物45下方。以此方式，可确保第二区域的输出信号的辐射相依性较低或几乎为零。唯一保持的是第二区域的输出信号对环境温度的相依性。所述环境温度相依信号可接着与由邻接的紧密标记指示的第一区域的输出信号在从第一到第二区域的弯折的接合处交换，使得来自第一区域的辐射相依信号保持或多或少不受影响，而来自第一和第二区域的环境温度相依信号或多或少彼此抵消。因此，在接触点6处产生针对温度变化而被补偿的输出信号。 

本实施例的第二区域可在某种程度上被视为温度参考元件，然而其包含输出信号被直接用于补偿的补充特征。当然，其也可经由自身的端口被开发出来并用于其它目的。 

在优选实施例中，第一区域和第二区域分别包括一个或一个以上辐射敏感部分4a、b、44a、b，其成对地对称配置。图3A展示在此方面对称的配置。其关于垂直对称轴7a且关于水平对称轴7b对称。此处对称  可包含关于框架1和隔膜3的对称配置；图3A中也对此进行了示意表示。对称配置导致第一区域以及第二区域的热敏感部分以几乎相同的方式经受环境温度变化的影响，使得其也提供几乎相同的温度变化。所述配置的对称因此用以建立来自第一和第二区域的信号的温度变化的对称性。 

在图3A的第一区域41a、41b中，冷和热接触点4b、4a以上述方式由反射表面5b或吸收表面5a覆盖。如果冷接触点4b设置在框架上方，由于冷接触点因而近乎与环境的热质量形成短路，所以可省略反射表面5b。当第一区域的辐射敏感部分的冷接触点位于孔上方时，第二区域中的冷接触点44b出于对称的原因也可配置在孔上方。因而，其应由覆盖物45覆盖以防止由于辐射吸收而引起的加热且因此防止来自第二区域的辐射相依输出信号。 

图3A和3B分别展示两个第一区域和两个第二区域。然而，根据本申请案，(例如)可仅提供一个第一区域和一个第二区域。 

热敏感部分4a、b、44a、b可为如图1中配置在彼此顶部上的轨条指示的且图3中由粗线或细线指示的不同合适的传导或半导体材料的接触点。两种材料可为(例如)铝和多晶硅。其可形成热电堆，明确地说与吸收和反射层连接且以不同的方式与热质量或散热片耦合或隔离。在单元件传感器中以及在多元件传感器中，可提供更加复杂的电路以便进行多路复用，可能进行信号与阻抗转换或类似操作(如有需要)。一般来说，可相应地在传感器外壳中提供更加强化的组件(未图示)，例如 

-模拟/数字转换器，其用于数字信号处理和输出，和/或 

-存储器，其尤其用于将要传输到外部并将在外部被使用的一个或一个以上传感器元件的测量值、中间结果和/或先前确定的已存储的校正数据，和/或 

-优选地可经由端口进行调节而(例如)用于线性化和/或阻抗转换和/或放大的信号产生或校验电路，和/或 

-信号处理器，其用于信号处理(例如，环境温度补偿、空间分辨率的情况下进行图案识别)，和/或 

-尤其在多元件传感器中的并联/串联转换，和/或 

-针对参考元件37的信号产生和/或信号处理和/或信号输出，和/或 

-与外部之间的数据接口(尤其是数字式的)，例如I²C接口，和/或 

-合适数目的端口。 

传感器可对应于在外部尺寸方面标准化的外壳(例如，TO5外壳)。 

Claims (15)

1.一种用于检测在红外线范围内的电磁辐射的传感器元件(10)，其包括

多个热敏感部分(4a、4b)，其设置在衬底(1-3)上，所述衬底(1-3)包括框架(1)和提供在所述框架的孔口(2)上方的隔膜(3)；和

一个或一个以上影响层(5a、5b)，其用于影响将要检测的所述电磁辐射的吸收和/或反射，

其特征在于

所述热敏感部分(4a、4b)相对于所述衬底(1-3)的对称轴(7a、7b)或对称点(7c)不对称地配置在所述衬底上，所述影响层包括反射层和吸收层，反射层下方的热敏感部分与框架之间的平均距离大于吸收层下方的热敏感部分与框架之间的平均距离，反射层的较好的热传导率被距供应环境温度的框架的较大距离补偿。

2.根据权利要求1所述的传感器元件，其特征在于

所述热敏感部分(4a、4b)包括均提供在所述框架的所述孔口上方的所述隔膜上的热(4a)和冷(4b)接触点，且

所述热和/或所述冷接触点相对于所述框架的所述孔口的对称轴(7a、7b)或对称点(7c)不对称地配置。

3.根据权利要求2所述的传感器元件，其特征在于

所述影响层(5a、5b)包括提供在一个或一个以上热接触点(4a)上方的一个所述吸收层(5a)和提供在一个或一个以上冷接触点(4b)上方的一个所述反射层(5b)，

根据框架和/或隔膜和/或影响层和/或热敏感部分本身的热特性，而在衬底上配置热敏感部分，所检查的热特性可为热传导率、热容量、辐射吸收率、辐射反射率、辐射发射率。

4.根据权利要求1-3中任一所述的传感器元件，其特征在于热敏感部分配置在等温线上。

5.根据权利要求1-3中任一所述的传感器元件，其特征在于具有补偿层，所述补偿层包括位于吸收层(5a)下方的平衡表面(8)，用以为补偿目的而供应或去除热量。

6.根据权利要求1-3中任一所述的传感器元件，其特征在于一个影响层中的热传导屏障。

7.根据权利要求6所述的传感器元件，其特征在于所述热传导屏障是影响层中的凹槽。

8.根据权利要求1-3中任一所述的传感器元件，其特征在于所述热敏感部分设置在温度补偿过程期间出现的等温线上。

9.根据权利要求1-3中任一所述的传感器元件(10)，

其特征在于

所述影响层依据所述传感器元件和/或所述衬底和/或所述影响层的热特性而配置在所述衬底上且/或被设计尺寸。

10.一种根据权利要求1-3中任一所述的传感器元件(10)，

其特征在于，

其包括：

一个或一个以上第一区域(41a、b)，其提供在所述衬底(1-3)上，用以根据将要检测的所述电磁辐射来产生电输出信号；和

一个或一个以上第二区域(42a、b)，

与所述第一区域(41a、b)相比，所述第二区域(42a、b)对于将要检测的所述电磁辐射较不敏感，且其电输出信号与所述第一区域的电输出信号组合。

11.根据权利要求10所述的传感器元件，其特征在于第一区域(41)和/或第二区域(42)包括一个或一个以上热敏感部分(4a、b；44a、b)。

12.根据权利要求10所述的传感器元件，其特征在于第一和第二区域的所述输出信号以反相的形式进行交换。

13.根据权利要求10所述的传感器元件，其特征在于减少或防止热辐射的吸收的覆盖物(45)提供在第二区域(42a、b)中的所述热敏感部分上方。

14.根据权利要求10所述的传感器元件，其特征在于所述第二区域具有近似地对应于所述第一区域的温度变化的温度变化。

15.一种传感器，其包括根据前述权利要求中的一个所述的传感器元件。

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