DE102010031919A1

DE102010031919A1 - Messsonde für einen Sensor zur Analyse eines Mediums mittels Infrarotspektroskopie

Info

Publication number: DE102010031919A1
Application number: DE102010031919A
Authority: DE
Inventors: Martin Kram; Gerhard Röhner
Original assignee: Carl Freudenberg KG; Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-07-22
Filing date: 2010-07-22
Publication date: 2012-01-26
Anticipated expiration: 2030-07-23
Also published as: DE102010031919B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messsonde für einen Sensor zur Analyse eines Mediums mittels Infrarot-Spektroskopie und ein Verfahren zu ihrer Herstellung. Die Messsonde umfasst mindestens einen Infrarot-Sender (02) und einen Infrarot-Detektor (09). Erfindungsgemäß umfasst die Messsonde weiterhin einen Referenzdetektor (03), wobei der Infrarot-Detektor (09) und der Referenz-Detektor (03) auf zueinander beabstandeten Flächen (01, 06) angeordnet sind.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Messsonde für einen Sensor zur Analyse eines Mediums, insbesondere zur Analyse eines Schmiermittels in einem Gleit- oder Wälzlager, mittels Infrarotspektroskopie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Messsonde.
Gattungsgemäße Sensoren bzw. Messsonden umfassen mindestens einen Infrarotsender und einen Infrarotdetektor.
Das Verfahren der Infrarotspektroskopie gehört zu den Methoden der Molekülspektroskopie, die auf der Anregung von Energiezuständen in Molekülen beruhen. Die IR-Spektroskopie wird zur quantitativen Bestimmung von bekannten Substanzen, deren Identifikation anhand eines Referenzspektrums erfolgt, oder zur Strukturaufklärung unbekannter Substanzen genutzt. Heutzutage kommen hauptsächlich Fouriertransformations-Infrarotspektrometer (FTIR-Spektrometer) zum Einsatz. Es gibt verschiedene Infrarotspektroskopie-Techniken: Transmission, Reflexion und Absorption, diffuse Reflexion (DRIFTS) und abgeschwächte Totalreflexion (ATR).
Aus der DE 199 21 304 A1 ist ein Verfahren zur Prüfung von Schmierstoffen bekannt, bei welchem der zu prüfende Schmierstoff einer mechanisch dynamischen Prüfung unterzogen und vor und nach der mechanisch dynamischen Prüfung untersucht wird. Das Verfahren eignet sich zur Vorbestimmung, ob sich die Durchführung eines Langzeitprüfverfahrens lohnt. Zu Beginn des Prüfverfahrens wird eine Probe des zu prüfenden Schmierstoffes beispielsweise für ein Wälzlager bei Zimmertemperatur entnommen, auf einem Objektträger in einer Firmdicke von ca. 25 bis 50 μm aufgetragen und unter ein Lichtmikroskop gelegt. Ein angeschlossenes Infrarotspektrometer misst innerhalb eines vorgegebenen Wellenzahlbereichs die Infrarotabsorption. Anschließend wird der Schmierstoff einer mechanisch-dynamischen Prüfung in einem Shell-Vierkugel-Apparat eingebracht, wo er belastet und dabei erwärmt wird. Eine zweite Probe wird nach dieser Prüfung entnommen und in gleicher Weise wie die erste Probe untersucht. Zur Auswertung erfolgt ein Vergleich der beiden entnommenen Schmierstoffproben. Hierfür werden die aus beiden Proben ermittelten Histogramme durch Differenzbildung miteinander verglichen.
Aus der EP 1 980 840 A1 sind ein Sensor zur Erkennung einer Schmiermittelverschmutzung und ein Lager mit einem solchen Detektor bekannt. Der Sensor umfasst eine Lichtsendeeinheit und eine Lichtempfangseinheit, welche so angeordnet sind, dass zwischen ihnen eine Lücke verbleibt, in der das Schmiermittel ein zu erkennendes Objekt bildet. Der Sensor umfasst weiterhin eine Recheneinheit zur Bestimmung einer Lichtdurchlässigkeit des Schmiermittels in Referenz zu einer Ausgabe der Lichtsendeeinheit. Aus der Lichtdurchlässigkeit des Schmiermittels wird dann auf den Grad der Verschmutzung geschlossen. Das Schmiermittel ist jeweils zwischen Sende- und Empfangseinheit angeordnet. Bei der Verwendung in einem Wälzlager wird vorgeschlagen, Lichtleitkabel zu verwenden.
Aus der WO 2009/030202 A1 ist eine Messvorrichtung zur Analyse des Schmiermittels eines Lagers bekannt, welche einen Sender und einen Empfänger von Infrarot-Strahlung umfasst, wobei ein Probenbereich zwischen dem Sender und dem Empfänger angeordnet ist und sich der Probenbereich mindestens abschnittsweise im Inneren des Lagers befindet. Der Empfänger liefert ein Spektrum der von dem Probenbereich veränderten elektromagnetischen Strahlung. Vorzugsweise ist hierbei vorgesehen, dass in dem Probenbereich eine Reflexion, insbesondere eine totale Reflexion der von dem Sender ausgestrahlten Infrarotstrahlung stattfindet. In diesem Fall liefert das Reflexionsspektrum, beispielsweise das Spektrum bei diffuser Reflexion bzw. das Spektrum bei Totalreflexion die Information über die chemische Zusammensetzung des Schmiermittels. In der Anordnung sind Sender und Empfänger benachbart zueinander angeordnet, sodass die Messanordnung kleinbauend ausgelegt werden kann. Mit dieser Anordnung ist keine Referenzmessung möglich.
Mittels der MID(molded interconnected devices)-Technologie lassen sich zwar beispielsweise durch Heißprägen Laserstrukturierung unter Einsatz von Masken oder hinterspritzten Folien dreidimensionale Bauteile fertigen. Messsonden für Infrarotdetektoren lassen sich jedoch aufgrund der sehr geringen Abmessungen (einige Millimeter für die Messsonde insgesamt) nicht zuverlässig in großen Stückzahlen fertigen.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Messsonde und ein Verfahren zu deren Herstellung bereitzustellen, welche bei extrem kleinen Abmessungen in großer Stückzahl einfach und kostengünstig herstellbar ist. Die Messsonde soll dabei in der Lage sein, eine Referenzmessung der ausgesendeten Infrarotstrahlung durchzuführen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Messsonde mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren zur Herstellung einer Messsonde mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.
Eine erfindungsgemäße Messsonde für einen Sensor zur Analyse eines Mediums mittels Infrarotspektroskopie umfasst mindestens einen Infrarot-Sender und einen Infrarot-Detektor.
Erfindungsgemäß umfasst die Messsonde weiterhin einen Referenzdetektor, wobei der Infrarot-Detektor und der Referenzdetektor auf voneinander beabstandeten Flächen, also in mindestens zwei Etagen innerhalb der Messsonde angeordnet sind. Folglich ist der Infrarot-Detektor auf einer ersten Fläche angeordnet, während der Referenzdetektor auf einer zweiten Fläche angeordnet ist, wobei die erste Fläche von der zweiten Fläche beabstandet ist. Die erste Fläche und die zweite Fläche sind bevorzugt parallel zueinander angeordnet. Die erste Fläche und die zweite Fläche sind bevorzugt senkrecht zur Messrichtung angeordnet. Der Infrarot-Detektor ist bevorzugt mittig über dem Referenzdetektor angeordnet, sodass eine den Infrarot-Detektor und den Referenzdetektor verbindende Gerade senkrecht zu der ersten Fläche und zu der zweiten Fläche ausgerichtet ist.
Die Vorteile der Messsonde mit Referenzmessung sind insbesondere darin zu sehen, dass Einflussfaktoren, welche beim Betrieb des Lagers entstehen, ausgeblendet werden können. Beispielsweise kann durch die direkte Referenzmessung ein Vergleich der zeitgleich von beiden Detektoren erfassten Spektren erfolgen, wobei beide Spektren bei denselben Bedingungen (Temperatur, Drehzahl des Wälzlagers usw.) aufgenommen werden. Das heißt, das aufgenommene Spektrum muss nicht mit einem in einer Datenbank gespeicherten Referenzspektrum für das entsprechende Schmiermittel verglichen werden, welche möglicherweise bei einer anderen Temperatur des Mediums bzw. des Schmiermittels aufgenommen wurde und daher eine andere Vergleichsgrundlage bietet. Es muss lediglich dafür gesorgt werden, dass ein Teil des von dem Infrarot-Sender ausgesendeten Licht direkt im Referenzdetektor empfangen wird, ohne durch das Medium beeinflusst worden zu sein.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung von Referenzdetektor und Infrarot-Detektor auf zueinander beabstandeten Flächen, vergleichbar mit zwei Etagen, lässt sich der Referenzdetektor sehr einfach mit mikroelektronischen Standard-Bauteilen durch Anwendung herkömmlicher Bestückungstechnik aufbauen, wobei die gesamte Messsonde nur einen sehr kleinen Bauraum benötigt.
Vorzugsweise sind die elektronischen Komponenten der Messsonde als so genannte Dies (Nacktchips aus einem Halbleitersubstrat) ausgeführt.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Messsonde weiterhin eine Reflexionsfläche, welche mit dem zu untersuchenden Medium eine Grenzfläche bildet, an der die vom Infrarot-Sender ausgesendeten Wellen reflektiert vom Infrarot-Detektor empfangen werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die Messsonde eine Spiegelfläche, an der das ausgesendete Infrarotlicht innerhalb der Messsonde reflektiert und von dem Referenzdetektor empfangen wird. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Spiegelfläche auf derselben Fläche (Etage) angeordnet wird wie der Infrarot-Detektor, jedoch beide auf verschiedenen Seiten der Fläche, sodass die Spiegelfläche dem Referenzdetektor zugewandt ist. Die Spiegelfläche kann auf alle möglichen Arten ausgeführt sein, sofern sie möglichst eine Totalreflexion der IR-Strahlung gestattet.
Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass der Referenzdetektor gleichzeitig durch den etagenartigen Aufbau von dem vom Medium reflektierten Infrarot-Licht weitgehend abgeschottet ist, was die Referenzmessung einfach und zuverlässig macht.
In einer besonders gut für die automatisierte Fertigung geeigneten Ausführungsvariante sind der Infrarot-Sender und der Referenzdetektor auf einem Träger angeordnet, wobei der Infrarot-Detektor und die Spiegelfläche auf einem Brückenelement ausgebildet sind. Dabei ist die Spiegelfläche dem Träger zugewandt und der Infrarot-Detektor ist auf dem Brückenelement dem Träger abgewandt. Das Brückenelement und der Träger sind vorzugsweise durch Stützelemente verbunden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Messsonde für einen Sensor zur Analyse eines Mediums mittels Infrarot-Spektroskopie erfolgt unter Anwendung einer Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) und umfasst folgende Schritte:

– Bereitstellen eines Trägers;
– Anordnen und Befestigen mindestens jeweils eines Infrarot-Senders und eines Referenzdetektors auf dem Träger;
– Anordnen und beabstandetes Befestigen eines Brückenelementes, das auf jeweils einer seiner flachen Seiten einen Infrarot-Detektor und eine Spiegelfläche trägt, auf dem Träger, wobei die Spiegelfläche dem Referenzdetektor zugewandt ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt zur Herstellung der erfindungsgemäßen Messsonde durchgeführt.
Vorzugsweise werden vier Infrarot-Sender auf dem Umfang des Trägers gleichmäßig verteilt angeordnet, es können aber ebenso mehr oder weniger Infrarot-Sender verwendet werden.
Vorzugsweise wird das Brückenelement mit mindestens einem Stützelement auf dem Träger durch Kleben mit einem elektrisch leitenden Kleber befestigt.
Das Stützelement ist im einfachsten Fall durch zwei Stützpfeiler gebildet, kann aber beispielsweise auch ein Hohlzylinder sein, der entsprechende Durchlassöffnungen für das Infrarotlicht aufweist.
Bei einer abgewandelten Durchführung des Verfahrens wird ein Verbund aus vorzugsweise zwei Stützelementen, dem Brückenelement und dem Infrarotdetektor bereitgestellt und zusammen mit dem Referenzdetektor sowie den Referenzlichtquellen auf dem Träger befestigt.
Bei einer weiter abgewandelten Durchführung des Verfahrens wird der Zuschnitt des Trägers nicht zu Beginn des Verfahrens bereitgestellt, sondern eine Leiterplatte oder anderes Trägermaterial wird ggf. an mehreren Stellen bestückt und zu Ende des Verfahrens werden die Träger beispielsweise mittels eines Stanzverfahrens oder Laserns vereinzelt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
1: eine erfindungsgemäße Messsonde mit einem Brückenelement in verschiedenen Ansichten.
In 1 ist eine erfindungsgemäße Messsonde in einer Seitenansicht, einer Draufsicht sowie in einer perspektivischen Darstellung schematisch dargestellt.
Die Messsonde umfasst einen Träger 01, welcher in der dargestellten Ausführungsform als runder Zuschnitt bereitgestellt ist und eine Dicke von ca. 0,2 mm bis 1 mm oder mehr, sowie einen Durchmesser von beispielsweise 5 mm aufweist.
Der Träger 01 ist vorzugsweise ein Zuschnitt einer Leiterplatte. Die Leiterplatte ist als mehrlagiger Verbund aus elektrisch leitenden, insbesondere metallischen Lagen, sowie elektrisch isolierenden, insbesondere Kunststofflagen, ausgebildet. Die Leiterplatte kann selbstverständlich auch keramische Lagen umfassen, in denen so genannte MEMS (micro electro mechanical system) ausgebildet sein können.
Auf dem Träger 01 sind am Rand vier Infrarot-Sender 02 gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet. Die Infrarot-Sender 02 sind als Dies ausgebildet. Auf dem Träger 01 ist weiterhin ein Referenzdetektor 03 für Infrarotstrahlung angeordnet. Der Referenzdetektor 03 ist vorzugsweise im Wesentlichen mittig auf dem Träger 01 angeordnet. Seitlich des Referenzdetektors 03 sind zwei Stützelemente 04 angeordnet. Diese stehen auf der Oberfläche des Trägers 01 im Wesentlichen senkrecht.
Die Stützelemente 04 überragen sowohl den Referenzdetektor 03 als auch die Infrarot-Sender 02. Sie sind vorzugsweise so angeordnet, dass von den Infrarot-Sendern 02 ausgesendetes Licht den Referenzdetektor 03 erreichen kann, das heißt, dass von den Stützelementen 04 möglichst kein abgeschatteter Bereich auf dem Referenzdetektor 03 erzeugt wird.
Die Stützelemente 04 tragen ein Brückenelement 06, welches vorzugsweise ebenfalls als Zuschnitt aus einer Leiterplatte hergestellt ist. Das Brückenelement 06 überdeckt dabei den Referenzdetektor 03 in einer Richtung senkrecht auf die Fläche des Trägers 01.
Auf einer dem Referenzdetektor 03 zugewandten Seite 07 des Brückenelementes 06 ist eine Spiegelfläche angeordnet und zwar dem Referenzdetektor 03 gegenüberliegend. Die Spiegelfläche kann als Abschnitt des Leiterplattenmaterials des Brückenelementes 06 ausgebildet sein, wobei beispielsweise in einem Abschnitt eine metallische Schicht des Leiterplattenmaterials freigelegt ist. Auf der anderen Seite 08 des Brückenelementes ist ein auf Infrarot-Detektor 09 angeordnet.
Die in dem Brückenelement 06 in dem Leiterplattenmaterial befindlichen elektrischen Leitungen sind zwischen den beiden Stützelementen 04 unterbrochen, sodass zwischen den Stützelementen 04 ein Spannungsgefälle auftritt, dass das Detektorelement 09 beaufschlagt. Das Spannungsgefälle zwischen den Stützelementen 04 entspricht im Wesentlichen dem Spannungsgefälle an den Basispunkten der beiden Stützelemente 04 auf der Fläche des Trägers 01, da die Stützelemente 04 als Null-Ohm-Elemente ausgebildet sind.
Auf der Oberfläche des Trägers 01 befinden sich nicht dargestellte elektrische Leitungen sowie Kontaktierungen.
Der Referenzdetektor 03, die Infrarot-Sender 02 sowie die Stützelemente 04 sind mittels eines elektrisch leitenden Klebers auf dem Träger 01 befestigt und elektrisch leitend kontaktiert. Weiterhin sind der Referenzdetektor 03, die Infrarot-Sender 02 und die Stützelemente 07 durch bei einem Bonden hergestellte elektrische Leitungen (nicht gezeigt) verbunden. Ebenso ist der Infrarotdetektor 09 mit den elektrischen Leitungen in dem Brückenelement 06 über einen elektrisch leitenden Kleber befestigt und mittels Bonden kontaktiert.
Die dargestellte Messsonde wird in einer Hülse (nicht gezeigt) aufgenommen und mit einer entsprechenden elektrischen Beschaltung versehen, und ist als ein Messkopf eines nicht weiter dargestellten Infrarotsensors vorgesehen.
Vorzugsweise umfasst die Hülse, in der die Messsonde aufgenommen wird, eine Grenzfläche aus einem für ATR-Spektroskopie geeigneten reflektierenden Material. Die Grenzfläche ist dann oberhalb des IR-Detektors 09 angeordnet, so dass das zu untersuchende Medium an der Grenzfläche zur Anlage kommt. Beispielsweise ist die Grenzfläche an einer Stirnseite oder einer Lauffläche eines Wälz- oder Gleitlagers vorgesehen, in das die Messsonde integriert ist.
Im Betrieb strahlen die vier Infrarot-Sender 02 IR-Strahlung ab und beeinflussen über die Reflexion an der Grenzfläche das Medium, wobei die im Medium teilweise diffus reflektierte Infrarotstrahlung teilweise vom Infrarot-Detektor 09 erfasst wird. Dies ist eine so genannte diffuse Reflexionsanordnung, wie sie typisch für eine DRIFTS-Geometrie ist. Allerdings ist die Auswertung der Spektren nicht auf die Fourier-Transformations-Auswertung der Spektren beschränkt.
Ein Bruchteil der von den Infrarotlicht-Sendern 02 abgestrahlten Infrarotstrahlung trifft nicht auf das Medium, sondern auf die Spiegelfläche an der Unterseite 07 des Brückenelementes 06 und wird auf den Referenzdetektor 03 gelenkt. Der Referenzdetektor 03 ist durch das Brückenelement 06 von der von der Probe abgegebenen IR-Strahlung abgeschirmt und dient als Referenz für die von dem Infrarotdetektor 09 empfangene Infrarotstrahlung.
In einer speziellen Auswerteeinheit, die zum Sensor gehört, erfolgt eine Analyse der Spektren, wie dies in der WO 2009/030202 A1 beschrieben ist. Das Infrarotspekroskopie-Verfahren ist dem Fachmann bekannt. Aus der Auswertung der Spektren kann auf den Zustand des Mediums geschlossen werden. Gegebenenfalls kann durch die Auswerteeinheit ein Alarm ausgelöst werden, wenn das Schmiermittel nicht mehr die geforderten Eigenschaften aufweist.
Die Auswerteeinheit kann in einer anderen Ausführungsform ebenfalls auf dem Träger integriert werden, so dass ein sehr kompakter Infrarot-Spetkroskopie-Sensor zur Verfügung gestellt werden kann.
Bezugszeichenliste

01: Träger
02: Infrarot-Sender
03: Referenzdetektor
04: Stützelement
05
06: Brückenelement
07: Unterseite
08: Oberseite
09: Infrarot-Detektor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19921304 A1 [0004]
EP 1980840 A1 [0005]
WO 2009/030202 A1 [0006, 0042]

Claims

Messsonde für einen Sensor zur Analyse eines Mediums mittels Infrarot-Spektroskopie, umfassend mindestens einen Infrarot-Sender (02) und einen Infrarot-Detektor (09), dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin einen Referenzdetektor (03) umfasst, wobei der Infrarot-Detektor (09) und der Referenz-Detektor (03) auf zueinander beabstandeten Flächen (01, 06) angeordnet sind.
Messsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin eine Reflexionsfläche umfasst, welche mit dem zu untersuchenden Medium eine Grenzfläche bildet, an der die vom Infrarot-Sender (02) ausgesendeten Wellen reflektiert vom Infrarot-Detektor (09) empfangen werden.
Messsonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Spiegelfläche umfasst, an der das von dem Infrarot-Sender (02) ausgesendete Infrarot-Licht innerhalb der Messsonde reflektiert und dem Referenzdetektor (03) zugeführt wird.
Messsonde nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Infrarot-Sender (02) und der Referenzdetektor (03) auf einem Träger (01) und der Infrarot-Detektor (09) und die Spiegelfläche auf entgegen gesetzten flachen Seiten (07, 08) eines Brückenelementes (06) ausgebildet sind, wobei die Spiegelfläche dem Träger (01) zugewandt und der Infrarot-Detektor (09) dem Träger (01) abgewandt ist, und wobei der Träger (01) und das Brückenelement (06) mittels mindestens eines Stützelementes (04) beabstandet verbunden sind.
Messsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Infrarot-Sender (01), der Infrarot-Detektor (09) und der Referenzdetektor (03) als Dies ausgeführt sind.
Verfahren zum Herstellen einer Messsonde für einen Sensor zur Analyse eines Mediums mittels Infrarot-Spektroskopie unter Anwendung einer Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT), folgende Schritte umfassend: – Bereitstellen eines Trägers (01); – Anordnen und Befestigen mindestens eines Infrarot-Senders (02) und eines Referenzdetektors (03), welche als Dies ausgeführt sind, auf dem Träger (01); – Anordnen und beabstandetes Befestigen eines Brückenelementes (06) auf dem Träger (01), wobei das Brückenelement (06) auf jeweils einer seiner flachen Seiten (07, 08) eine Spiegelfläche und einen als Die ausgeführten Infrarot-Detektor (09) trägt, wobei die Spiegelfläche dem Referenzdetektor (03) zugewandt ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Brückenelement (06) mit mindestens einem Stützelement (04) auf dem Träger (01) durch Kleben mit einem elektrisch leitendem Kleber befestigt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet dass der Träger (01) nach der Bestückung mit einer vielfachen Anzahl an Messsonden vereinzelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass vor einer Bestückung auf dem Träger (01) Verbindungsstrukturen vorgesehen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Verbindung der Komponenten mittels Bonden erfolgt.