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Die
Erfindung betrifft einen optischen Gassensor, der insbesondere zur
Detektion von Kohlendioxid, z. B. im Kfz-Bereich, einsetzbar ist.
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Derartige
optische Gassensoren für
die spektroskopische Messung von Gaskonzentrationen basieren auf
dem Prinzip der Strahlungsabsorption von infraroter Strahlung im
Messgas. Sie weisen im allgemeinen eine IR-Strahlungsquelle, ein
oder mehrere wellenlängenspezifische
IR-Strahlungsdetektoren, ein Sensorgehäuse und eine Auswerteelektronik auf.
Die IR-Strahlungsquelle und die weiteren Bauelemente sind im Allgemeinen
auf einem Substrat, insbesondere einer Leiterplatte, angebracht.
Ein Reflektor dient zur Erhöhung
der Strahlungsintensität
und bündelt
die von der IR-Strahlungsquelle ausgehende IR-Strahlung auf mindestens
einen IR-Strahlungsdetektor.
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Der
IR-Strahlungsdetektor ist hierbei im allgemeinen als mikrostrukturiertes
Bauelement ausgebildet, dessen Messstruktur z. B. eine Membran mit einer
Thermopile-Struktur und einer Absorberschicht aufweist. Die Auswerteelektronik
kann z. B. als ASIC ausgebildet sein.
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Zur
Montage der Chips auf dem Substrat ist grundsätzlich die sehr kostengünstige Chip-On-Board
(COB)-Technologie bekannt, bei der die Chips direkt auf dem Substrat
angebracht und kontaktiert werden, ohne sie zunächst in Chip-Gehäuse aufzunehmen.
Zwar entstehen bei der COB-Technologie
Kostenvorteile durch die Vermeidung des zusätzlichen Prozessschrittes der
Einbringung der Chips in Chipgehäuse;
die Chips müssen jedoch
vor Umwelteinflüssen
geschützt
werden, wozu im Allgemeinen ein Passivierungsmittel, z. B. ein Silikongel
auf das Substrat aufgebracht wird, das die Chips umgibt. Zur Begrenzung
des Passivierungsmittels wird ein Gel-Stopp verwendet, der z. B. durch einen
aufgesetzten Rahmen gebildet wird. Somit sind weitere Bauteile und
Montageschritte erforderlich, die wiederum den Fertigungsaufwand
und die Fertigungskosten erhöhen.
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Der
Reflektor kann im allgemeinen zwischen dem Gehäuse und einem zusätzlichen
Deckel angebracht werden; weiterhin ist der Einsatz von Reflektormodulen
bzw. Reflektoraufsätzen
bekannt, die den Sensor nach oben abschließen; derartige Reflektoraufsätze sind
jedoch im allgemeinen kostenintensiv; weiterhin ist die Ausrichtung über dem
Detektor, um eine gute Bündelung
der IR-Strahlung zu erreichen, schwierig und aufwendig.
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Vorteile der Erfindung:
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Der
erfindungsgemäße optische
Gassensor weist demgegenüber
einige Vorteile auf. Erfindungsgemäß ist an dem Reflektoraufsatz
zusätzlich
zu dem Reflektorbereich mindestens ein weiterer Bereich vorgesehen,
der als zusätzliche
Funktionalität
eine Begrenzung ermöglicht.
Der Reflektoraufsatz mit dem Reflektorbereich und dem zusätzlichen
Bereich kann in einem Stück
und somit mit geringen Kosten gefertigt werden, so dass die zusätzliche
Funktionalität
mit sehr geringem Mehraufwand erreicht wird und ggf. weitere, diese
Funktionalität
bisher gewährleistende
Bauteile entfallen können.
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Die
weitere Funktionalität
kann zum einen eine optische Begrenzung des IR-Strahlenganges sein,
indem der weitere Bereich ein Blendenbereich ist, der aufgrund seiner
festen Anbindung sicher und fest über dem mindestens einem Detektor-Chip
positioniert werden kann. Erfindungsgemäß ist somit die aufwendige
Ausrichtung einer zusätzlichen
Blende oder des Reflektors gegenüber
der Blende überflüssig; weiterhin
ist die korrekte Ausrichtung des Reflektors zur Blende gewährleistet.
Hierzu kann der Blendenbereich an dem Reflektorbereich z. B. über einen durch
Materialschwächung
ausgebildeten Gelenkbereich angebracht sein und nach der Herstellung
derartig ein geklappt werden, dass er in seiner gewünschten
Position einrastet und/oder arretiert, z. B. in Halterungen des
Reflektorbereichs. Der Blendenbereich kann zwei oder mehr Blendenöffnungen
aufweisen, die jeweils als optische Apertur der IR-Strahlung über den
Messstrukturen des Detektorchips dienen.
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Der
Reflektoraufsatz kann an seiner Innenseite durchgehend mit einer
reflektierenden Schicht ausgebildet werden, die sich somit auch
bis in den Blendenbereich erstreckt; da der Blendenbereich nachfolgend
eingeklappt wird, weist die verspiegelte Fläche nicht zu den Detektorchips
hin und bewirkt somit keine unerwünschten Strahlungsreflektionen.
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Alternativ
und/oder zusätzlich
hierzu kann als weiterer Bereich des Reflektoraufsatzes ein Rahmenbereich
vorgesehen sein, der mit einer Auflagefläche auf dem Substrat aufliegt.
Hierdurch wird die eingangs beschriebene, grundsätzlich sehr kostengünstige Chip-On-Board
(COB)-Technologie ermöglicht,
bei der Chips direkt auf dem Substrat aufgebracht und kontaktiert
werden. Der Rahmenbereich dient erfindungsgemäß als Gel-Stopp zur Begrenzung
des Passivierungsmittels, das den einen oder die mehreren Chips,
d.h. insbesondere den IR-Detektorchip, das ASIC, den Microcontroller
und gegebenenfalls einen als Schnittstelle dienenden Chip, entweder
vollständig
oder – insbesondere
bei dem IR-Detektorchip – in
seinen Seitenbereichen umgibt und Kontaktbereiche und Bonddrähte bzw.
Anschlusspins passiviert.
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Erfindungsgemäß kann der
als Stopp für
das Passivierungsmittel dienende Rahmen somit in den Reflektoraufsatz
integriert werden. Zur Erhöhung
seiner Festigkeit kann er mit Stützstreben
versehen sein, die z. B. als Metallstreben oder verdickte Bereiche
ausgebildet sind. Der Rahmenbereich dient somit als Verbindung zwischen
dem Substrat und dem Reflektorbereich und gewährleistet gleichzeitig den korrekten
Sitz bzw. die genaue Positionierung des Reflektorbereiches, um eine
gute Bündelung
der IR-Strahlung zu erreichen.
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Die
beiden Ausführungsformen
des Blendenbereichs und Rahmenbereichs können miteinander kombiniert
werden; in diesem Fall kann das Gelenk des Blendenbereichs z. B.
auch an dem Rahmenbereich vorgesehen sein.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen
an einigen Ausführungsformen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1a einen
optischen Gassensor in auseinander gezogener Darstellung gemäß einer
Ausführungsform
mit Deckel
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1b einen
optischen Gassensor in auseinander gezogener Darstellung gemäß einer
Ausführungsform
ohne Deckel;
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2 den
Reflektoraufsatz und die Leiterplatte aus 1b in
perspektivischer Darstellung;
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3 den
Reflektoraufsatz gemäß einer
ersten Ausführungsform
mit einklappbarem Blendenbereich;
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4 eine
Aufsicht auf den eingeklappten Blendenbereich des Reflektoraufsatzes
und den darunter liegenden Detektorchip;
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5 ein
Reflektoraufsatz gemäß einer
weiteren Ausführungsform
mit sich an den Reflektorbereich anschließendem Rahmenbereich zur Begrenzung
eines Passivierungsmittels.
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Ein
optischer Gassensor 1 weist gemäß 1a, b
ein Gehäuse 2,
z. B. aus Kunststoff oder Metall, ein in das Gehäuse 2 gesetztes und
z. B. in den Gehäuseboden 2.1 eingestecktes
Substrat 3, vorzugsweise eine Leiterplatte 3,
und einen auf das Substrat 3 gesetzten Reflektoraufsatz 4 auf.
Gemäß der Ausführungsform
der 1a ist auf dem Gehäuse 2 ein Deckel 6 mit
einer in den Deckel 6 gesetzten Membran 7 befestigt.
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Falls
der Reflektoraufsatz 4 hinreichend stabil und zu den Seiten
hin geschlossen ist, kann gemäß 1b der
Deckel 6 mit der Membran 7 auch weggelassen werden,
so dass der Reflektoraufsatz 4 selbst als nach oben begrenzender
Deckel wirkt. In diesem Fall ist z. B. in einem Seitenbereich des
Deckels 6 eine Gaseinlassöffnung 10 mit eingesetzter Membran 7 vorgesehen;
vorteilhafterweise sind zwei Gaseinlassöffnungen 10 an gegenüberliegenden Seiten
vorgesehen, um eine Luftzirkulation zu ermöglichen. Der Reflektoraufsatz 4 kann
bei beiden Ausführungsformen
an seiner Unterseite z. B. Einpressstifte 12 aufweisen,
die in entsprechende Löcher
der Leiterplatte 3 gesteckt werden; alternativ hierzu kann
der Reflektoraufsatz 4 bei beiden Ausführungsformen grundsätzlich auch
in dem Gehäuse 2 befestigt
sein.
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Als
IR-Strahlungsquelle 14 ist eine im Niederstrombereich betriebene
Glühlampe
mit für IR-Strahlung
transparentem Gehäusekörper von
unten durch eine entsprechende Öffnung
der Leiterplatte 3 gesetzt und ragt aus der Oberseite der
Leiterplatte 3 hervor. Auf der Leiterplatte 3 ist
ein Detektorchip 16, vorteilhafterweise auch ein als Auswerteeinrichtung
dienender ASIC 17 und z. B. ein möglicher Controller-Chip 18 sowie
ggf. ein CAN-Chip 19 zum Anschluss an ein fahrzeuginternes
Bussystem montiert; hierbei können
die Chips 16, 17, 18 und 19 gemäß der gezeigten
Ausführungsform
in Chip-On-Board (COB)-Technologie
direkt auf die Leiterplatte 3 gesetzt sein, oder zunächst in
entsprechende Chipgehäuse
aufgenommen sein, die wiederum auf der Leiterplatte 3 befestigt
sind. Der Reflektoraufsatz 4 weist einen oberhalb der Lampe 14 und
des Detektorchips 16 angeordneten, im Wesentlichen konvex
gewölbten,
innen verspiegelten Reflektorbereich 4.1 auf, der von der
IR-Strahlungsquelle 14 ausgesandte IR-Strahlung bündelt und
auf den Detektorchip 16 fokussiert. Hierdurch wird zum
einen ein hohes Messsignals ausgegeben und weiterhin eine große Messstrecke
bzw. ein großer
Mess raum, vorteilhafterweise im Wesentlichen der Innenraum des Reflektorbereichs 4.1,
ausgebildet. Der Reflektorbereich 4.1 ist zumindest oberhalb
der IR-Strahlungsquelle 14 und oberhalb der Detektorchips 16 reflektierend
ausgebildet, vorzugsweise ist er durchgängig reflektierend ausgebildet.
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Erfindungsgemäß weist
der Reflektoraufsatz 4 einen oder mehrere weitere Bereiche
auf, die zusätzliche
Funktionalitäten
ermöglichen:
Gemäß 3 weist
der Reflektoraufsatz 4 einen an den Reflektorbereich 4.1 angrenzenden
Blendenbereich 4.2 mit zwei Blendenöffnungen 22 auf. Zwischen
dem Reflektorbereich 4.1 und dem Blendenbereich 4.2 ist z.
B. durch Materialausdünnung
ein Gelenk 4.3 ausgebildet, in welchem der Blendenbereich 4.2 nach
innen eingeklappt wird. In vollständig eingeklapptem Zustand,
d. h. von der Grundstellung der 4 nach Einklappen
um 180° rastet
der Blendenbereich in seiner Zielposition ein bzw. arretiert. Die
Blendenöffnungen 22 des
Blendenbereichs 4.2 liegen nunmehr gemäß der Aufsicht der 4 oberhalb
der sensitiven Messstrukturen bzw. Messkanäle des Detektorchips 16.
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Der
in 4 gezeigte Detektorchip 16 kann als Messkanäle z. B.
zwei in dem Detektorchip 16 ausgebildeten Membranbereiche
mit Thermopile-Strukturen
aus kontaktierten Leiterbahnen mit unterschiedlichem Seebeck-Koeffizienten und
auf diesen ausgebildeten Absorberschichten für IR-Strahlung aufweisen. Hierbei können auf
den Messstrukturen Strahlungsfilter, z. B. Filterchips, zur Filterung
der einfallenden IR-Strahlung in einem Messwellenlängenbereich
und einem Referenzwellenlängenbereich
vorgesehen sein; alternativ hierzu können entsprechende Filter erfindungsgemäß jedoch
auch auf den Blendenbereich 4.2 geklebt werden und die
Blendenöffnungen 22 verdecken.
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Da
der Reflektoraufsatz 4 mit seinen Einpressstiften 12 sehr
genau auf der Leiterplatte 3 (bzw. einem anderen Substrat 3)
oder alternativ hierzu an dem Gehäuse 2 positioniert
und befestigt werden kann, kann der Blendenbereich 4.2 mit
den Blendenöffnungen 22 entsprechend
genau oberhalb des Detektorchips 16 positioniert werden,
so dass eine aufwendige Ausrichtung entfällt.
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5 zeigt
eine weitere Ausführungsform des
Reflektoraufsatzes 4, bei dem angrenzend an den Reflektorbereich 4.1 ein
Rahmenbereich 4.4 vorgesehen ist, der sich um den Reflektorbereich 4.1 erstreckt
und eine Auflagefläche 4.5 zur
Auflage auf der Leiterplatte 3 aufweist. In dem Rahmenbereich 4.4 verlaufen
Stützstreben 25 zur
Erhöhung
seiner Stabilität,
wobei die Stützstreben 25 z.
B. als Metalleinlagen, oder auch als Verdickungen des Kunststoffmaterials
des Reflektoraufsatzes 4 ausgebildet sein können.
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Die
Ausführungsform
der 5 ist insbesondere bei Befestigung der Chips 16, 17, 18 und 19 auf der
Leiterplatte 3 in COB-Technologie sinnvoll, bei der die
Chips 16, 17, 18 und 19 direkt
bzw. bare die aufgesetzt und kontaktiert werden, wobei nachfolgend
ein Passivierungsmittel 28, z. B. ein Passivierungsgel,
auf die Oberfläche
der Leiterplatte 3 aufgegeben wird, das die Chips 16, 17, 18 und 19 passiviert;
hierbei können
der ASIC 17, der Mikrokontrollerchip 18 sowie
der CAN-Chip 19 grundsätzlich
vollständig
von dem Passivierungsmaterial 28 bedeckt werden; da das
Passivierungsmaterial 28 jedoch für die IR-Strahlung weitgehend
undurchlässig
ist (bzw. ein für
IR-Strahlung hinreichend
durchlässiges
Passivierungsmaterial 28 in der Regel sehr kostspielig
ist) wird die Oberseite des Detektorchips 16 von dem Passivierungsmaterial
nicht bedeckt. Der Rahmenbereich 4.4 dient zur Begrenzung
des eingegebenen Passivierungsmittels 28 und kann z. B.
eine Stopp-Kante 30 aufweisen,
die zur Begrenzung der Füllhöhe des eingegebenen
Passivierungsmaterials 28 dient.