DE10035343C2 - Verfahren zur berührungslosen Temperaturmessung sowie Detektorkopf zur berührungslosen Temperaturmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Tem­ peraturmessung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ei­ nen Detektorkopf zur berührungslosen Temperaturmessung zur An­ wendung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.

Gemäß dem Stand der Technik sind eine große Anzahl an Verfah­ ren bekannt, die Temperatur eines Körpers zu messen. Solche Methoden sowie die Temperaturbereiche, welche diesen Methoden zugänglich sind, sind beispielsweise in "Hütte - Die Grundla­ gen der Ingenieurwissenschaften", Herausgeber H. Czichos, 30. neu bearbeitete und erweiterte Auflage, Springer-Verlag, Ber­ lin, 1996, B 59 ff., beschrieben.

Häufig ist es erforderlich, Temperaturverläufe beispielsweise als Regelparameter einer Prozessregelungseinrichtung berüh­ rungslos zu messen. Bevorzugt werden wie beispielsweise auch der JP 56-77728 (A) in Patents Abstracts of Japan, Sect. P. Vol. 5 (1981) Nr. 238 (P-79) oder auch der DE 38 06 173 A1 zu entnehmen ist, zu diesem Zweck sogenannte Pyrometer oder Pyro­ meterkameras verwendet. Der prinzipielle Aufbau eines Pyrome­ ters ist in erstgenannter Literaturstelle beispielsweise auf Seite H 38 vorgestellt und beschrieben. Bei einem solchen Py­ rometer handelt es sich, wie der angegebenen Literaturstelle zu entnehmen ist, um einen Abbildungsdetektor bestehend aus einem Halbleiterdetektor und zugeordneter Abbildungoptik. Der Vorteil solcher Pyrometer besteht darin, dass sie eine sehr schnelle Temperaturmessung erlauben. So liegt in der Regel in­ nerhalb weniger µsec ein Temperaturmesswert vor. Darüber hin­ aus ist die der Temperaturerfassung zugängliche Oberfläche ei­ nes Körpers, dessen Temperatur zu ermitteln ist, aufgrund der notwendig Abbildungsoptik sehr begrenzt. In vielen Fällen ist eine solche hohe örtliche Auflösung vorteilhaft; dennoch re­ sultiert daraus das Erfordernis einer sehr genauen Justage.

Ist es nicht erforderlich, dass das Messsignal bereits nach wenigen µsec vorliegt, sondern ist es ausreichend, Ansprech­ zeiten in der Größenordnung weniger msec vorliegen zu haben, so können sogenannte Wärmestrahlungsdetektoren eingesetzt wer­ den, wie sie beispielsweise auch in der JP 3-125 935 (A) in Patents Abstracts of Japan, Sect P., Vol. 15 (1991), No. 338 (P-1243) beschrieben sind. Solche Wärmestrahlungsdetektoren weisen ein sehr großes Gesichtsfeld auf, sind also nicht geo­ metrieempfindlich. Darüber hinaus sind sie aufgrund der feh­ lenden Abbildungsoptik wesentlich billiger als o. a. Pyrome­ ter.

Bei einem solchen Verfahren zur berührungslosen Temperaturmes­ sung ist eine wärmestrahlungsempfindliche Detektorfläche eines Wärmestrahlungsdetektor im Wesentlichen auf eine Oberfläche eines Körpers ausgerichtet, dessen Oberflächentemperatur zu bestimmen ist, wobei der Wärmestrahlungsdetektor ein Detektor­ signal ausgibt, welches ein Maß für die Oberflächentemperatur ist. Eine Schwäche dieses Verfahrens besteht darin, dass das von einem solchen Wärmestrahlungsdetektor gelieferte Sensor­ signal sehr schwach und damit der Signal-Rausch-Abstand sehr gering ist.

Die DE 31 33 822 C2 beschreibt ein weiteres Verfahren zur be­ rührungslosen Temperaturmessung. Dieses Verfahren ist jedoch nur zur Messung hoher Temperaturen in geschlossenen heißen Räumen geeignet.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur berührungslosen Temperaturmessung derart zu verbessern, dass das schwache Sensorsignal des Wärmestrahlungsdetektors verstärkt und der Signal-Rausch-Abstand erhöht wird, ohne ei­ nen hohen technischen Aufwand mit entsprechender Fokussierop­ tik o. ä. treiben zu müssen. Darüber hinaus soll der Justa­ geaufwand so gering wie möglich gehalten werden. Der auf die­ sem Prinzip arbeitende erfindungsgemäße Detektorkopf soll ko­ stengünstig herstellbar und universell einsetzbar sein.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur berührungslosen Temperaturmessung mit den Merkmalen des des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der wesentlichen Gedanke der Erfindung besteht nun darin, dass eine wärmestrahlungsempfindliche Detektorfläche mindestens eines weiteren Wärmestrahlungsdetektors ebenfalls im Wesent­ lichen auf die Oberfläche des Körpers ausgerichtet ist, dessen Oberflächentemperatur zu bestimmen ist und dass diese weiteren Wärmestrahlungsdetektoren jeweils ein weiteres Detektorsignal ausgeben, welches ein Maß für die Oberflächentemperatur ist und dass mindestens zwei Detektorsignale zu einem Summensignal addiert werden.

Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass weder eine aufwendig zu realisierende Fokussieroptik Verwendung findet noch eine aufwendige elektronische Verstärkung des Detektor­ signals vorgenommen wird. Der Verzicht auf eine Fokussieroptik bietet zum einen den Vorteil einer Kostenreduktion, des weite­ ren wird weiterhin nicht auf den inhärenten Vorteil des großen Gesichtsfelds eines einzigen Wärmestrahlungsdetektors verzich­ tet. Aus diesem Grund ist prinzipiell kein oder nur ein sehr geringer Justageaufwand notwendig. Die Addition mehrerer De­ tektorsignale zu einem Summensignal gewährleistet darüber hin­ aus einen erhöhten Signal-Rausch-Abstand. Auf diese Weise liegt ein "verstärktes" Messsignal vor, ohne das von außen beispielsweise mittels einer elektronischen Verstärkerschal­ tung Energie zugeführt werden muss und ohne dass zusätzliche Maßnahmen zur Rauschunterdrückung durchgeführt werden müssen. Der Verzicht auf optische Abbildungsverfahren, optische Ver­ stärkungsverfahren, elektronische Verstärkungsverfahren sowie elektronische oder optische Rauschunterdrückungsverfahren un­ terstreicht die Einfachheit des Verfahrens und damit einen vielseitigen kostengünstigen Einsatz.

In einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens zwei voneinander unabhängige Sum­ mensignale gebildet werden. Die Bildung voneinander unabhängi­ ger Summensignale hat den Vorteil, dass Fehlmessungen aufgrund defekter einzelner Wärmestrahlungsdetektoren ausgeschlossen oder zumindest reduziert werden können.

Darüber hinaus sieht die Erfindung vor, dass die jeweiligen Summensignale verstärkt werden. Die Verstärkung der jeweiligen Summensignale erfolgt in der Weise, dass eine Anpassung des Dynamikbereichs an die jeweilige Auswerteschaltung erfolgt. Dass das Summensignal direkt verstärkt wird, hat darüber hin­ aus den Vorteil, dass Störeinflüsse bei der Übertragung dieses Summensignals zur Auswerteschaltung weitgehend vermieden wer­ den. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Er­ findung ist vorgesehen, dass die Detektors vorverstärkt wer­ den. Eine Vorverstärkung der Detektorsignale ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Summenbildung in örtlicher Distanz von der Wärmestrahlungsdetektion erfolgt. Wie im vorangegang­ nen Fall wird damit der Einfluss von Störgrößen beim Transfer oder bei der Übermittlung des Signals reduziert.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die wärmestrahlungsempfindlichen Detek­ torflächen der jeweiligen Wärmestrahlungsdetektoren, deren Detektorsignale zu einem Summensignal addiert werden, auf einen Bereich der Oberfläche des Körpers ausgerichtet werden und die wärmestrahlungsempfindlichen Detektorflächen der je­ weiligen Wärmestrahlungsdetektoren, deren Detektorsignale zu einem weiteren Summensignal addiert werden, auf einen anderen Bereich der Oberfläche des Körpers auch ausgerichtet werden. Auf diese Weise lassen sich Temperaturschwankungen auf der Oberfläche des Körpers, dessen Temperatur zu ermitteln ist, detektieren, obwohl das Gesichtsfeld der einzelnen Wärmestrah­ lungsdetektoren sehr groß ist.

Die Erfindung sieht weiterhin einen Detektorkopf zur berüh­ rungslosen Temperaturmessung zur Anwendung des oben angegebe­ nen Verfahrens vor. Ein solcher Detektorkopf umfasst einen Wärmestrahlungsdetektor, welcher eine wärmestrahlungsempfind­ liche Detektorfläche aufweist, wobei die wärmestrahlungs­ empfindliche Detektorfläche zur Ausrichtung im Wesentlichen auf eine Oberfläche eines Körpers vorgesehen ist, dessen Ober­ flächentemperatur zu bestimmen ist, und der Wärmestrahlungs­ detektor eine Signalausgabeeinheit aufweist zur Ausgabe eines Detektorsignals, welches ein Maß für die Oberflächentemperatur ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass mindestens ein wei­ terer Wärmestrahlungsdetektor, welcher eine wärmestrahlungs­ empfindliche Detektorfläche zur Ausrichtung im Wesentlichen auf die Oberfläche des Körpers aufweist, vorhanden ist. Die weiteren Wärmestrahlungsdetektoren weisen jeweils eine weitere Signalausgabeeinheit auf zur Ausgabe eines Detektorsignals, welches ein Maß für die Oberflächentemperatur ist. Darüber hinaus ist eine Addiereinheit zum Addieren mindestens zweier Detektorsignale zu einem Summensignal vorgesehen.

Es ist also weder eine aufwendige und damit teure Fokussier­ optik notwendig, noch eine aufwendige und damit teure elektro­ nische oder optische Verstärkereinrichtung zur Erhöhung des Signal-Rausch-Abstands. Darüber hinaus wird weiterhin das sehr große Gesichtsfeld der einzelnen Wärmestrahlungsdetektoren ausgenutzt, so dass ein Justageaufwand entfällt.

Die Erfindung sieht weiterhin vor, dass mindestens eine weite­ re Addiereinheit zum Addieren mindestens zweier weiterer De­ tektorsignale zu mindestens einem weiteren Summensignal an­ geordnet ist. Diese Maßnahme erhöht die Flexibilität des Ein­ satzes eines solchen Detektorkopfes sowie dessen Störsicher­ heit.

Weiterhin sieht die Erfindung vor, dass die Summensignale von­ einander unabhängig sind. Auch diese Maßnahme stellt eine hohe Flexibilität und eine hohe Störsicherheit sicher.

Weiterhin sieht die Erfindung vor, dass jede Addiereinheit mindestens ein Verstärker zur Verstärkung der jeweiligen Sum­ mensignale zugeordnet ist. Ein solcher Verstärker ist dazu vorgesehen, den Dynamikbereich des Messsignals auf die ent­ sprechende Auswerteschaltung, beispielsweise einen Analog-Di­ gital-Wandler anzupassen. Darüber hinaus ist sichergestellt, dass das von dem Detektorkopf bzw. die von diesem Detektorkopf gelieferten Signale ausreichend hoch sind, um eine Störbeeinflussung während der Übertragung zu der vorzugsweise weiter entfernt befindlichen Auswerteschaltung so gering wie möglich zu halten.

Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, dass jedem Wärme­ strahlungsdetektor ein Vorverstärker zum Verstärken des Detek­ torsignals zugeordnet ist. Der Vorverstärker ist unmittelbar in der Nähe des jeweiligen Wärmestrahlungsdetektor angeordnet. Je nach den Abmessung des gesamten Detektorkopfs ist die Ad­ diereinheit örtlich von jedem Wärmestrahlungsdetektor ent­ fernt, so dass die Störsicherheit durch eine derartige Maß­ nahme deutlich erhöht wird. Darüber hinaus ist eine Anpassung an den jeweiligen Eingangsspannungsbereich der Addiereinheit möglich. Fernerhin ist sogar eine unterschiedliche Gewichtung einzelner Wärmestrahlungsdetektoren möglich.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Wärmestrahlungsdetek­ toren, deren Detektorsignale zu einem Summensignal addiert werden, jeweils einen Sektor bilden, wobei die wärmestrah­ lungsempfindlichen Detektorflächen der Wärmestrahlungsdetekto­ ren eines Sektors auf einen Bereich der Oberfläche des Körpers ausrichtbar sind und die wärmestrahlungsempfindlichen Detek­ torflächen eines weiteren Sektors auf einen anderen Bereich der Oberfläche des Körpers ausrichtbar sind. Auf diese Weise wird ein Detektorkopf realisiert, welcher dazu geeignet ist, lokale Temperaturschwankungen auf der Oberfläche des Körpers, dessen Temperatur zu detektieren ist, zu detektieren. Dies ist möglich, obwohl auf das große Gesichtsfeld der einzelnen Wär­ mestrahlungsdetektoren nicht verzichtet wird.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Addiereinheit eine Reihenschaltung minde­ stens zweier Wärmestrahlungsdetektoren ist. Eine solche Rei­ henschaltung bietet sich insbesondere dann an, wenn das Detek­ torsignal ein Spannungssignal.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Wärmestrahlungsdetektoren ringförmig angeordnet sind. Eine ringförmige Anordnung der Wärmestrah­ lungsdetektoren ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Oberfläche des Körpers, dessen Temperatur zu bestimmen ist, sehr klein ist gegenüber der wärmestrahlungsempfindlichen De­ tektorfläche eines einzelnen Wärmestrahlungsdetektors.

Weiterhin sieht die Erfindung vor, dass die Wärmestrahlungs­ detektoren auf einem Kegelmantel angeordnet sind. Eine Anord­ nung auf einen Kegelmantel oder einer Halbkugelfläche erlaubt die Ausrichtung der wärmestrahlungsempfindlichen Detektorflä­ chen auf die Oberfläche des Körpers, welche gegenüber der Ge­ samtfläche des Detektors klein ist.

Weiterhin sieht die Erfindung vor, dass mindestens ein Wär­ mestrahlungsdetektor ein Gleichlichtdetektor ist. Gleichlicht­ detektoren haben gegenüber pyroelektrischen Detektoren den Vorteil, dass sie unempfindlich gegenüber Mikrophonie sind. Das Rauschen ist frequenzunabhängig nur durch das thermische Rauschen des Detektorwiderstandes bestimmt.

Weiterhin sieht die Erfindung vor, dass mindestens ein Gleich­ lichtdetektor eine Strahlungsthermosäule ist. Eine solche Strahlungsthermosäule oder in der Fachsprache auch als Thermopile bezeichnet, ist ein thermischer Detektor, der auf dem Seebeck-Effekt beruht. Dieser ist in der Regel mit einer sogenannten Schwarzschicht zur Verbesserung der Strahlungs­ absorption versehen. Vorteile dieser als Dünnschichtsystem realisierten Thermopiles sind: hohe spektrale Empfindlichkeit und geringe Wärmeleitfähigkeit, hohe mechanische Belastbarkeit bei geringer Dicke, hohe chemische und thermische Stabilität.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Detektorkopf wie folgt ausgebildet ist:
Es ist ein sternförmig ausgebildeter Starr-Flex-Print vorgese­ hen, mit einem starren ringförmigen Mittelteil, einer Vielzahl von radial abstehenden flexiblen Zungen und an diesen Zungen anschließenden starren Zungenenden, wobei der Mittelteil zur Aufnahme der Addiereinheit und der Verstärkereinheit vorgese­ hen ist, die starren Zungenenden zur Aufnahme der Wärmestrah­ lungsdetektoren und des Vorverstärkers und die flexiblen Zun­ gen zum Verbinden des Vorverstärkers mit der Addiereinheit und der Verstärkereinheit, wobei die starren Zungenenden auf dem Kegelmantel angeordnet sind.

Der Vorteil einer derartigen Realisierung ist die einfache, schnelle und billige Herstellung aufgrund der Anordnung aller elektronischen und optischen Komponenten auf einer einzigen Platine, dem sogenannten Starr-Flex-Print. Hierbei ist zu be­ rücksichtigen, dass weiterhin eine hohe Flexibilität hinsicht­ lich der Anordnung und Ausrichtung der einzelnen Detektorflä­ chen in Bezug auf den Körper, dessen Oberflächentemperatur zu bestimmen ist, möglich ist. Es ist festzustellen, dass nicht allein eine Anordnung auf einem Kegelmantel möglich ist, son­ dern beispielsweise auch auf einer Oberfläche einer Halbkugel.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Kegelmantel und die Kegelnormale vorzugsweise einen Winkel von 38° einschließen. Empirische Untersuchungen haben gezeigt, dass eine Anordnung der Detektorfläche im angegebenen Winkel ein besonders hohes Messsignal bei gleichzeitig geringem Rauschsignal liefert.

Weiterhin sieht die Erfindung vor, dass auf diesem Kegelmantel 16 Strahlungsthermosäulen angeordnet sind und jeweils vier Strahlungsthermosäulen einen Sektor bilden. Auch diese beson­ dere Ausführungsform ergab sich aus empirischen Untersuchungen unter Berücksichtigung des Wertes des Detektorsignals, den Anforderungen an den Messkopf und den besonderen Einsatzzweck.

Weiterhin sieht die Erfindung vor, dass den Wärmestrahlungs­ detektoren Strahlungsfilter zum Ausblenden einer den Körper heizenden Strahlung zugeordnet sind. Die Vorteilhaftigkeit einer derartigen Anordnung resultiert daraus, dass das Messsignal nicht durch ungewünschtes Störsignal verfälscht wird.

Weiterhin sieht die Erfindung vor, dass der Strahlungsfilter ein Siliziumfenster ist. In der Regel wird zum Ausblenden einer den Körper heizenden Strahlung ein Germaniumfenster ver­ wendet. Germanium ist aber im Vergleich zu Silizium relativ teuer. Wird beispielsweise zum Heizen des Körpers ein Nd-YAG- Laser verwendet, welcher bei einer Wellenlänge von 550 nm emittiert, erfüllt ein Siliziumfenster in gleicher Weise die strahlungsunterdrückende Funktion.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, den Detektorkopf zum Laserlö­ ten von Halbleiterchips einzusetzen. Dieses Verfahren ist Ge­ genstand der deutschen Patentanmeldung Nr. 198 50 595.7-33. Bei diesem Verfahren zum Laserlöten von Halbleiterchips (Flip- Chips) wird der Laserstrahl auf die den Lötstellen abgewandte Rückseite des gehäusefreien Halbleiterchips gerichtet. Der Laserstrahl wird also im Gegensatz zu dem bekannten Verfahren nicht auf die Lötstelle selbst oder das dort befindliche Lot gerichtet, sondern auf das gehäusefreie Halbleiterchip. Der Halbleiterchip erwärmt sich und fungiert als Wärmeleiter für das Lot, so dass das auf der Unterseite des Halbleiterchips an den jeweiligen Kontaktstellen des Halbleiterchips angebrachte Lot schmelzen kann. Es werden also sämtliche Lötstellen gleichzeitig durch die Erwärmung des Halbleiterchips geschmol­ zen, so dass die Lötkontakte sehr schnell hergestellt werden können.

Zu berücksichtigen ist bei diesem Verfahren vor allem die Tem­ peraturbeständigkeit der auf dem Chip befindlichen Halblei­ terschaltungskomponenten. Solche Halbleiterschaltungskompo­ nenten basieren auf unterschiedlich dotierten Zonen. Bei zu starker Erwärmung diffundieren die Dotierstoffe, welche zur Bildung dieser unterschiedlich dotierten Zonen verwendet wer­ den. Die Schaltungen werden dabei zerstört. Es ist daher not­ wendig, die Temperatur des Chips zu detektieren und somit den Lötprozess mittels eines geschlossenen Regelkreises zu regeln.

Empirische Untersuchungen haben gezeigt, dass das oben angege­ bene Verfahren sowie der oben beschriebene Detektorkopf dazu geeignet ist, die Anforderungen an eine derartige Temperatur­ messung und eine darauf basierende Regelung zu erfüllen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden naher beschrieben. Es zei­ gen:

Fig. 1 das Prinzip des Verfahrens zur berührungslosen Temperaturmessung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen Detektorkopf gemäß der Erfindung in per­ spektivischer Darstellung,

Fig. 3 ein bestücktes Starr-Flex-Print für einen Detektorkopf gemäß der Erfindung,

Fig. 4 einen erfindungsgemäßen Detektorkopf gemäß der Erfindung mit Starr- Flex-Print gemäß Fig. 3,

Fig. 5 eine schematische Darstellung der Messzone mit Ausrichtung der Sektoren.

Fig. 1 zeigt eine prinzipielle Anordnung 130 zur Durchführung des Verfahrens zur berührungslosen Tempera­ turmessung. Die dargestellte Temperaturerzeugungs- und Messan­ ordnung 130 basiert auf einem Laser 120 als Temperaturerzeu­ gungsinstrument, einem Körper 114, welcher mit Hilfe des La­ sers 120 erwärmt wird und einem Detektorkopf 116 mit einer Vielzahl von Wärmestrahlungsdetektoren 111 zur Bestimmung hier Oberflächentemperatur des Körpers 114. Der Körper 114 liegt auf einer Auflageplatte 124 auf. Der Laser 120, ist in vertikaler Richtung oberhalb des Körpers 114 angeordnet. Ein Laser­ strahl 122 des Laser 120 ist auf die Oberfläche 112 des Kör­ pers 114 gerichtet. Mit Hilfe dieses Laserstrahls 120 wird der Körper 114 und damit auch dessen Oberfläche 112 erhitzt.

Es ist vorgesehen, eine Vielzahl von Wärmestrah­ lungsdetektoren 111 zur Messung bzw. Bestimmung der Oberflä­ chentemperatur der Oberfläche 112 des mit Hilfe des Lasers 120 erhitzten Körpers 114 vorzusehen. Die jeweiligen wärmestrah­ lungsempfindlichen Detektorflächen 110 der einzelnen Wär­ mestrahlungsdetektoren 111 sind dabei im Wesentlichen auf die Oberfläche 112 des Körpers 114 ausgerichtet, dessen Oberflä­ chentemperatur zu bestimmen ist.

Diese Wärmestrahlungsdetektoren 111 sind auf einen Kegelmantel 126 ange­ ordnet. Dabei bildet die Auflageplatte 124 im Wesentlichen die Grundfläche eines gedachten zugehörigen Kegels. Die Spitze des gedachten Kegels befindet sich im Wesentlichen auf oder in Verlängerung des Laserstrahls 122. Der Laserstrahl 122 selbst wird durch eine Öffnung 128 des gedachten Kegelmantels 126 ge­ führt.

Der Figur ist zu entnehmen, dass die Wärmestrahlungsdetektoren 111 die von der Oberfläche 112 des Körpers 114 ausgegehende Wärmestrahlung 118 detektieren. Eine besonders günstige Aus­ richtung der wärmestrahlungsempfindlichen Detektorflächen 110 der Wärmestrahlungsdetektoren 111 wird genau dann erreicht, wenn der Kegelmantel 126 mit der Kegelnormalen 137 einen Win­ kel α von etwa 38° einschließen.

Das in der Prinzipdarstellung gemäß Fig. 1 offenbarte Mess­ verfahren basiert auf einem Detektorkopf 116 mit Wärmestrah­ lungsdetektoren 111, deren wärmestrahlungsempfindliche Detek­ torflächen 110 im Wesentlichen auf einen Kegelmantel 126 ange­ ordnet sind. Die Fig. 2 zeigt eine derartige Anordnung in Form eines "Quasi-Polygon-Kegelstumpfes". Kernelement dieses Detektorkopfs 216 ist eine ringförmige Trägerplatte 238. Die Öffnung 228 dieser ringförmigen Trägerplatte 238 bildet die obere Grundfläche des "Quasi-Polygon-Kegelstumpfes". Der "Qua­ si-Polygon-Kegelstumpf" wird von 16 trapezförmigen Trapezhal­ terungen 232 gebildet, welche über hier nicht dargestellte flexible Arme mit der Trägerplatte 238 verbunden sind. Auf diese Trapezhalterungen 232 befinden sich die gleiche Anzahl an Wärmestrahlungsdetektoren 211, deren wärmestrahlungsemp­ findlichen Detektorflächen die Innenseiten des "Quasi-Polygon- Kegelstumpfes" bilden.

Die Fig. 3 und 4 demonstrieren, auf welche Weise gemäß der Erfindung eine Anordnung solcher Wärmestrahlungsdetektoren 211 auf einem Kegelstumpf möglich ist.

Das Messsystem basiert auf einem bestückten Starr-Flex-Print 340, welches wie eine herkömmliche Leiter­ platte prozessierbar ist, welches aber geeignet ist, wie die nachfolgende Beschreibung zeigt, die geometrischen Anforderun­ gen an den Detektorkopf 216 zu erfüllen.

Wie die Fig. 3 zeigt, besteht das bestückte Starr-Flex-Print 340 aus einem ringförmigen Mittelteil 333, 16 radial abstehen­ den flexiblen Zungen 331 und an diese Zungen 331 anschließen­ den starren Zungenenden 335. Das ringförmige Mittelteil 333 mit der Öffnung 328 bildet die starre Addierverstärkerplatine 317. Das Zungenende 335 bildet die Detektor- und Vorverstär­ kerplatine 310. Die Detektor- und Vorverstärkerplatine 310 dient, wie der Name schon sagt, zur Aufnahme des Wärmestrah­ lungsdetektors 211 und zur Aufnahme eines Vorverstärkers für diesen Wärmestrahlungsdetektor 211. Die elektrische Verbindung zwischen dem Detektor 211 bzw. dem Vorverstärker und dem auf der Addierverstärkerplatine 317 angeordneten Addierer sowie dem dem Addierer nachgeordneten Endverstärker bildet die fle­ xible Starr-Flex-Leitung 311. Desweiteren ist an der Addier­ verstärkerplatine 317 zungenförmig über eine Starr-Flex-Lei­ tung 311 ein Versorgungs- und/oder Messanschluss 342 angekop­ pelt.

Die Fig. 4 zeigt den Aufbau des Detektorkopfs 416 unter Ver­ wendung des in der Fig. 3 beschriebene Starr-Flex-Prints 340. Der Figur sind die bereits in Fig. 2 vorgestellten wesentli­ chen Elemente des Detektorkopfs 416 zu entnehmen. Dies sind die Trägerplatte 438 und den sich darunter anschließenden Ke­ gelmantel 426 (Quasi-Polycon-Kegelstumpf). Tragendes Element des dargestellten Detektorkopfs 416 ist die Trägerplatte 438, welche mit Hilfe entsprechender Befestigungsmittel mit dem Halterungsring 415 starr verbunden ist. Die kreisförmigen Öff­ nung der Trägerplatte 438 und des Halterungsrings 415 ist durch einen Pfeil mit dem Bezugszeichen 428 gekennzeichnet.

Auf dem Halterungsring 415 befinden sich in ebenfalls kreis­ förmiger Anordnung sechzehn gleichartige Halterungen 413. Die­ se Halterungen 413 sind derart ausgebildet, dass sie jeweils eine den Detektor- und Vorverstärkerplatine 410 des in der Fig. 3 dargestellten bestimmten Starr-Flex-Prints 340 einen Ke­ gelmantel bildend festhalten.

Darüber hinaus ist die Trägerplatte 438 derart ausgebildet, dass die Addierverstärkerplatine 417, welche ebenfalls Be­ standteil der in Fig. 3 dargestellten und durch das Bezugs­ zeichen 340 gekennzeichneten bestückten Starr-Flex-Platine ist, befestigbar ist. Zu diesem Zweck ist die in der Fig. 4 dargestellte Halterung 429 vorgesehen.

Der Figur ist weiterhin zu entnehmen, wie die starren Plati­ nen, die Detektor- und Vorverstärkerplatinen 410 und die Ad­ dierverstärkerplatine 417 miteinander verbunden sind. Dazu werden die einzelnen flexiblen Elemente des einstückig ausge­ führten Starr-Flex-Prints (vergleiche Fig. 3, hier die Be­ zugsziffer 340) entsprechend verbogen. Bei dem einzigen nicht beweglichen Element des vorgestellten Starr-Flex-Prints han­ delt es sich um die Starr-Flex-Leitung 411.

Desweiteren ist der Fig. 4 zu entnehmen, dass der Versor­ gungs- und Messanschluss 442 ebenfalls via Starr-Flex-Leitung mit der Addierverstärkerplatine 417 verbunden ist.

Die Temperaturbestimmung mit Hilfe eines solchen Detektorkopfs 416 zur berührungslosen Temperaturmessung ergibt sich wie folgt:
Auf der Detektor- und Vorverstärkerplatine 410 befindet sich mindestens ein Wärmestrahlungsdetektor 111, 211, dessen wär­ mestrahlungsempfindliche Detektorfläche 110 auf eine Oberflä­ che eines Körpers 114 ausgerichtet ist, dessen Oberflächentem­ peratur zu bestimmen ist. Als Wärmestrahlungsdetektor 111, 211 wird im Beispiel eine Strahlungsthermosäule (Thermopile) ver­ wendet. Jeder Wärmestrahlungsdetektor 111, 112 erzeugt ein De­ tektorsignal, welches ein Maß für die Oberflächentemperatur des Körpers 114 ist. Dieses Signal wird mit Hilfe des auf der Detektor- und Vorverstärkerplatine 410 angeordneten Vorver­ stärkers verstärkt. Alle sechzehn auf der jeweiligen Detektor- und Vorverstärkerplatine 410 Detektoren liefern dabei ein sol­ ches Signal. Dieses Signal wird via Starr-Flex-Leitung 411 zu einer auf der Addierverstärkerplatine 417 angeordneten Addier­ einheit übertragen. Jeweils vier Messsignale werden zu einem Summensignal addiert. Die vier zu einem Summensignal addierten Signale decken einen Bereich der Oberfläche des Körpers 114 ab. Sie bilden einen Sektor 552.1, 552.2, 552.3, 552.4. Die gesamte Messzone eines solchen Detektorkopfs 416 ist in der Fig. 5 schematisch dargestellt und mit dem Bezugszeichen 550 versehen. Die im Wesentlichen kreisscheibenförmige Messzone 550 weist demnach im Beispiel vier Sektoren auf, welche mit den Bezugszeichen 552.1, 552.2, 552.3 und 552.4 gekennzeichnet sind. Jeder Sektor 552.1, 552.2, 552.3, 552.4 deckt also in etwa einen Viertelskreis ab. Im Beispiel sind also insgesamt vier Addiereinheiten vorhanden, welche den jeweiligen Detekto­ ren 111, 211 eines Sektors 552.1, 552.2, 552.3, 552.4 zugeord­ net sind. Das am Ausgang jeder Addiereinheit anliegende Signal wird nun mit Hilfe eines auf der Addierverstärkerplatine 317 angeordneten Verstärkers verstärkt.

Da es sich im Beispiel um sogenannte Thermopiles handelt, wel­ che als Wärmestrahlungsdetektoren 111, 211 Verwendung finden, lässt sich eine solche Addiereinheit sehr einfach als Reihen­ schaltung der einen Sektor 552.1, 552.2, 552.3, 552.4 bilden­ den Thermopiles realisieren. Dies ist deshalb möglich, da solche Thermopiles eine der Wärmestrahlung proportionale Span­ nung liefert. Würden Wärmestrahlungsdetektoren 111, 211 verwen­ det, welche eine der Wärmestrahlung proportionales oder von der Wärmestrahlung abhängiges Stromsignal liefern, so wäre ei­ ne Parallelschaltung der jeweiligen Detektoren 111, 211 als Ad­ diereinheit möglich.

Bezugszeichenliste

110

Detektorfläche

111

Wärmestrahlungsdetektor

112

Oberfläche

114

Körper

116

Detektorkopf

118

Wärmestrahlung

120

Laser

122

Laserstrahl

124

Auflageplatte

126

Kegelmantel

128

Öffnung

130

Temperaturerzeugungs- und Messanordnung

137

Kegelnormale

211

Wärmestrahlungsdetektor

216

Detektorkopf

228

Öffnung

232

Trapezhalterung

238

Trägerplatte

310

Detektor- und Vorverstärkerplatine

311

Starr-Flex-Leitung

317

Addierverstärkerplatine

328

Öffnung

331

Zunge

333

Mittelteil

335

Zungenende

340

bestückter Starr-Flex-Print

312

Versorgungs- und Messanschluss

410

Detektor- und Vorverstärkerplatine

411

Starr-Flex-Leitung

415

Halterungsring

413

Halterung

416

Detektorkopf

417

Addierverstärkerplatine

426

Kegelmantel

428

Öffnung

429

Halterung

438

Trägerplatte

442

Versorgungs- und Messanschluss

550

Messzone (schematisch)

552.1

Sektor

552.2

Sektor

552.3

Sektor

552.4

Sektor
α Winkel

Claims (22)

1. Verfahren zur berührungslosen Temperaturmessung
wobei eine wärmestrahlungsempfindliche Detektorfläche eines Wärmestrahlungsdetektors im Wesentlichen auf eine Oberfläche eines Körpers ausgerichtet ist, dessen Oberflächentemperatur zu bestimmen ist,
wobei der Wärmestrahlungsdetektor ein Detektorsignal aus­ gibt, welches ein Maß für die Oberflächentemperatur ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf eine
Fokussieroptik verzichtet wird und dass
eine wärmestrahlungsempfindliche Detektorfläche (110) minde­ stens eines weiteren Wärmestrahlungsdetektors (111, 211) eben­ falls im Wesentlichen auf die Oberfläche (112) des Körpers (114) ausgerichtet ist,
die weiteren Wärmestrahlungsdetektoren (111, 211) jeweils ein weiteres Detektorsignal ausgeben, welches ein Maß für die Oberflächentemperatur ist,
mindestens zwei Detektorsignale zu einem Summensignal ad­ diert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei weitere Wärmestrahlungsdetektoren (111, 211) vorgesehen sind und dass mindestens zwei voneinander unabhängige Summen­ signale gebildet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sum­ mensignal verstärkt wird oder dass die jeweiligen Summensigna­ le verstärkt werden.

4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detek­ torsignale vorverstärkt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wärme­ strahlungsempfindlichen Detektorflächen (110) der jeweiligen Wärmestrahlungsdetektoren (111, 211), deren Detektorsignale zu einem Summensignal addiert werden, auf einen Bereich der Ober­ fläche (112) des Körpers (114) ausgerichtet werden und die wärmestrahlungsempfindlichen Detektorflächen der jeweiligen Wärmestrahlungsdetektoren (111, 211), deren Detektorsignale zu einem weiteren Summensignal addiert werden, auf einen anderen Bereich der Oberfläche (112) des Körpers (114) ausgerichtet werden.

6. Detektorkopf zur berührungslosen Temperaturmessung zur An­ wendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5
mit einem Wärmestrahlungsdetektor (111, 211), welcher eine wärmestrahlungsempfindliche Detektorfläche (110) aufweist,
wobei die wärmestrahlungsempfindliche Detektorfläche (110) zur Ausrichtung im Wesentlichen auf eine Oberfläche eines Kör­ pers (114) vorgesehen ist, dessen Oberflächentemperatur zu be­ stimmen ist,
wobei der Wärmestrahlungsdetektor (111, 211) eine Signalaus­ gabeeinheit aufweist zur Ausgabe eines Detektorsignals, wel­ ches ein Maß für die Oberflächentemperatur ist,
dadurch gekennzeichnet, dass keine Fo­ kussieroptik vorgesehen ist und dass
mindestens ein weiterer Wärmestrahlungsdetektor (111, 211) vorgesehen ist, welcher eine wärmestrahlungsempfindliche De­ tektorfläche (110) zur Ausrichtung im Wesentlichen auf die Oberfläche (112) des Körpers (114) aufweist,
die weiteren Wärmestrahlungsdetektoren (111, 211) jeweils eine weitere Signalausgabeeinheit aufweisen zur Ausgabe eines Detektorsignals, welches ein Maß für die Oberflächentemperatur ist und
eine Addiereinheit zum Addieren mindestens zweier Detektor­ signale zu einem Summensignal vorgesehen ist.

7. Detektorkopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine weitere Wärmestrahlungsdetektoren (111, 211) vorgesehen sind und dass mindestens eine weitere Addiereinheit vorgesehen ist, zum Addieren mindestens zweier weiterer Detektorsignale zu mindestens einem weiteren Summensignal.

8. Detektorkopf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sum­ mensignale voneinander unabhängig sind.

9. Detektorkopf nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ad­ diereinheit oder jeder Addiereinheit mindestens ein Verstärker zur Verstärkung der jeweiligen Summensignale zugeordnet ist.

10. Detektorkopf nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Wär­ mestrahlungsdetektor (111, 211) ein Vorverstärker zum Verstär­ ken des Detektorsignals zugeordnet ist.

11. Detektorkopf nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wär­ mestrahlungsdetektoren (111, 211), deren Detektorsignale zu einem Summensignal addiert werden, jeweils einen Sektor (552.1, 552.2, 552.3, 552.4) bilden, wobei die wärmestrahlungsempfindlichen Detektorflächen (110) der Wärmestrahlungs­ detektoren (111) eines Sektors (552.1) auf einen Bereich der Oberfläche (112) des Körpers (114) ausrichtbar sind und für den Fall, dass mehrere Sektoren (552.1, 552.2, 552.3, 522.4) gebildet sind, die wärmestrahlungsempfindlichen Detektorflä­ chen (110) eines weiteren Sektors (552.2, 552.3, 552.4) auf einen anderen Bereich der Oberfläche (112) des Körpers (114) ausrichtbar sind.

12. Detektorkopf nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ad­ diereinheit eine Reihenschaltung mindestens zweier Wärmestrah­ lungsdetektoren (111, 211) ist.

13. Detektorkopf nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme­ strahlungsdetektoren (111, 211) ringförmig angeordnet sind.

14. Detektorkopf nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Wär­ mestrahlungsdetektoren (111, 211) auf einem Kegelmantel (126, 426) angeordnet sind.

15. Detektorkopf nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Wärmestrahlungsdetektoren (111, 211) ein Gleich­ lichtdetektor ist.

16. Detektorkopf nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass minde­ stens einer der Gleichlichtdetektoren eine Strahlungsther­ mosäule ist.

17. Detektorkopf nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein sternförmig ausgebildeter Starr-Flex-Print (340) vorgesehen ist, mit einem starren, ringförmigen Mittelteil (333), einer Vielzahl von radial abstehenden flexiblen Zungen (331) und an diese Zungen anschließenden starren Zungenenden (335),
wobei der Mittelteil (333) zur Aufnahme der Addiereinheit und der Verstärkereinheit (317, 417) zur Verstärkung der Ad­ diersignale vorgesehen ist,
wobei die starren Zungenenden (335) zur Aufnahme der Wär­ mestrahlungsdetektoren (111, 211) und des Vorverstärkers (310, 410) vorgesehen sind,
wobei die flexiblen Zungen (331) zum Verbinden des Vorver­ stärkers (310, 410) mit der Addiereinheit und der Verstär­ kereinheit (317, 417) vorgesehen sind und die starren Zunge­ nenden (331) auf dem Kegelmantel (126, 426) angeordnet sind.

18. Detektorkopf nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Kegelmantel (126, 426) und die Kegelnormale (137) einen Winkel (a) von 38° einschließen.

19. Detektorkopf nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass sechzehn Strahlungsthermosäulen vorgesehen sind und jeweils Vier Strah­ lungsthermosäulen einen der Sektoren (552.1, 552.2, 552.3, 552.4) bilden.

20. Detektorkopf nach einem der Ansprüche 6 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass den Wär­ mestrahlungsdetektoren (111, 211) Strahlungsfilter zum Aus­ blenden einer den Körper heizenden Strahlung zugeordnet sind.

21. Detektorkopf nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungsfilter ein Siliziumfenster ist.

22. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und/oder des Detektorkopfs nach einem der Ansprüche 6 bis 21 zum Laserlöten von Halbleiterchips.