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Die Erfindung betrifft einen Sensor für die Analyse eines Gasgemisches. Dieser ist insbesondere für die spektroskopische Messung der Stickstoffmonoxidkonzentration in einem Abgasstrang geeignet.
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Stand der Technik
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Abgassensoren für Kraftfahrzeuge werden meistens in Form keramischer Träger aus Zirkoniumoxid oder Aluminiumoxid hergestellt. Stickoxidsensoren sind dabei prinzipbedingt nicht in der Lage zwischen Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid zu unterscheiden. Außerdem reagieren sie querempfindlich auf Ammoniak. Eine selektive Messung von Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid kann hingegen spektroskopisch erfolgen, indem die verschiedenen Absorptionsbanden unterschiedlicher Gase ausgenutzt werden. Hierbei können zusätzlich auch noch andere Gase wie beispielweise Ammoniak, Sauerstoff oder Schwefeldioxid detektiert werden. Allerdings ist hierzu eine thermische Entkoppelung der optischen Komponenten vom Abgasstrang erforderlich. Dies kann realisiert werden, indem Licht mithilfe einer Faser an eine Messzelle im Abgasstrang herangeführt wird. Da die Modenbesetzung der Faser empfindlich von deren Position abhängt, ist ein derartiger Aufbau allerdings gegenüber Vibrationen oder Temperaturänderungen störanfällig.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Sensor für die Analyse eines Gasgemisches weist einen ersten Lichtleiter mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite auf. Die zweite Seite grenzt nicht an die erste Seite. Mehrere Lichtquellen, bei denen es sich insbesondere um kleinbauende Halbleiterelemente zur Lichterzeugung, wie beispielsweise LEDs, handelt, sind auf der ersten Seite des ersten Lichtleiters angeordnet. Dabei haben sie keinen direkten mechanischen Kontakt. Ein erster Detektor ist ebenfalls auf der ersten Seite des ersten Lichtleiters angeordnet. Er ist eingerichtet, um von den Lichtquellen emittiertes Licht zu detektieren. Der erste Detektor kontaktiert den ersten Lichtleiter ebenfalls nicht mechanisch. Ein Messraum ist eingerichtet, um das Gasgemisch aufzunehmen. Er ist an der zweiten Seite des ersten Lichtleiters angeordnet. Weiterhin weist der Sensor einen zweiten Detektor auf, welcher ebenfalls eingerichtet ist, um von den Lichtquellen ausgesandtes Licht zu detektieren. Ein zweiter Lichtleiter ist zwischen dem Messraum und dem zweiten Detektor angeordnet. Der zweite Detektor kontaktiert den zweiten Lichtleiter ebenfalls nicht mechanisch.
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Die mehreren Lichtquellen werden verwendet, um Licht unterschiedlicher Wellenlängen zu emittieren. Für eine spektroskopische Analyse des Gasgemisches ist es bevorzugt, dass der Sensor zwei bis zehn Lichtquellen aufweist. Ein Teil des Lichtes, welches von den Lichtquellen emittiert wird, wird an der zweiten Seite des ersten Lichtleiters reflektiert und auf den ersten Detektor zurückgeworfen. Auf diese Weise kann ein Referenzsignal erzeugt werden. Das restliche Licht koppelt in den ersten Lichtleiter ein und wird so in dem Messraum geleitet. Dort wird es in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Gasgemisches in spezifischen Wellenlängenbereichen absorbiert. Nach Passieren des Gasgemisches fällt das Licht auf den zweiten Detektor. Hierzu ist insbesondere ein Reflektor vorgesehen, der das Licht in den zweiten Lichtleiter lenkt. Diese ermöglicht es, den ersten Detektor und den zweiten Detektor nebeneinander auf derselben Seite des Messraums anzuordnen. Durch Auswertung des vom zweiten Detektor empfangenen Signals und des Referenzsignals des ersten Detektors kann auf die Zusammensetzung des Gasgemisches geschlossen werden. Der ersten Lichtleiter bewirkt dabei eine thermische Entkoppelung der Lichtquellen und des ersten Detektors vom Messraum. Der zweite Lichtleiter bewirkt eine thermische Entkoppelung des zweiten Detektors vom Messraum. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Messraum als Teil eines Abgasstranges eines Verbrennungsmotors ausgeführt ist, welcher sich durch die Abgastemperatur stark erhitzen kann. Indem die Lichtquellen und die Detektoren die Lichtleiter nicht mechanisch kontaktieren, wird außerdem eine Toleranz gegenüber mechanischen Schwingungen und Bewegungen erreicht.
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Eine Oberfläche der ersten Seite des ersten Lichtleiters ist vorzugsweise kleiner als eine Oberfläche der zweiten Seite. Dies kann beispielsweise durch Verwendung eines strukturierten oder angeschrägten (tapered) Lichtwellenleiters erreicht werden. Dies ermöglicht einen Freistrahlaufbau, indem auf eine empfindliche Glasfaser verzichtet werden kann. Aufgrund der starren Struktur eines solchen Lichtleiters ist er robust und störunanfällig. Ein derartiger Lichtleiter kann hohe Brechzahlunterschiede zwischen Kern und Cladding aufweisen, was es ermöglicht, die Strahlung der Lichtquellen sehr effizient einzukoppeln. Schließlich ermöglicht ein derartiger Lichtleiter eine gute Homogenisierung des Lichtes der unterschiedlichen Lichtquellen an der zweiten Seite des ersten Lichtleiters.
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Für eine exakte Positionierung des ersten Detektors in Bezug auf die anderen Komponenten des Sensors, ist dieser vorzugsweise auf einem ersten Substrat angeordnet. Der erste Lichtleiter ist vorzugsweise oberhalb des ersten Substrats aufgehängt. Dies ermöglicht es ihn in einfacher Weise kontaktlos in Bezug zu den Lichtquellen und dem ersten Detektor zu positionieren.
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In einer Ausführungsform des Sensors sind die Lichtquellen neben dem ersten Detektor auf dem ersten Substrat angeordnet. Dadurch haben geometrische Abweichungen nur einen geringen Einfluss auf das Verhalten des Sensors.
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Es ist in dieser Ausführungsform bevorzugt, dass ein Abstand zwischen jeder der Lichtquellen und dem ersten Detektor weniger als 200 µm beträgt. Hierdurch wird verhindert, dass ein wesentlicher Teil der Abstrahlung der Lichtquellen seitlich am ersten Lichtleiter vorbei erfolgt.
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In einer anderen Ausführungsform sind die Lichtquellen zwischen dem ersten Lichtleiter und dem ersten Detektor angeordnet. Hierdurch wird eine Abstrahlung am ersten Lichtleiter vorbei zuverlässig verhindert. Deshalb ist eine deutliche Reduktion der Oberfläche der ersten Seite des ersten Lichtleiters möglich. Wenn dennoch ein erster Lichtleiter mit einer hohen Oberfläche der ersten Seite verwendet wird, weist der Sensor eine hohe Positionstoleranz auf, was zu einer hohen Signalstabilität führt.
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Die Anordnung der Lichtquellen kann dabei direkt auf dem Detektor erfolgen. Hierbei ist es bevorzugt, dass die Lichtquellen einen transparenten Boden aufweisen, so dass das Referenzsignal der Lichtquellen ohne Umweg über eine Reflexion an der ersten Seite direkt im ersten Detektor gemessen werden kann. Falls das Signal zu stark sein sollte, kann zusätzlich noch ein Filter zwischen den Lichtquellen und dem ersten Detektor platziert werden, der das Signal entsprechend abschwächt.
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Allerdings kann die unmittelbare Anordnung der Lichtquellen auf dem Detektor zu einer Erwärmung des Detektors führen. Daher ist es bevorzugt, dass ein zweites Substrat zwischen den Lichtquellen und dem ersten Detektor angeordnet ist. Um auch in dieser Ausführungsform Licht von den Lichtquellen ohne Reflexion an der ersten Seite des ersten Lichtleiters direkt auf den Detektor lenken zu können, ist es weiterhin bevorzugt, dass das zweite Substrat transparent ist. Bei einem starken Signal der Lichtquellen kann auch eine semitransparente Ausführung des zweiten Substrats mit einer beliebig wählbaren Absorption vorgesehen werden, so dass das zweite Substrat als Graufilter fungiert und das Signal auf die gewünschte Stärke abschwächt. Die Verwendung des zweiten Substrats ermöglicht es zudem die Lichtquellen heterogen zu integrieren. So können auf dem zweiten Substrat mehrere Integrationsverfahren wie beispielsweise Flip-Chip-Reibschweißen, Flip-Chip-Thermokompensationsbonden, Löten oder Drahtbonden gleichzeitig eingesetzt werden. Dies vereinfacht die Auswahl der Lichtquellen, da diese je nach Wellenlängenbereich mithilfe unterschiedlicher Technologien produziert werden und teilweise unterschiedliche Integrationsmethoden benötigen.
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Um die thermische Isolierung zwischen den Lichtquellen und dem ersten Detektor noch weiter zu verbessern, ist es bevorzugt, dass das zweite Substrat nicht unmittelbar auf dem ersten Detektor angeordnet ist. Stattdessen ist es über einen Abstandshalter so mit dem ersten Substrat verbunden, dass es den ersten Detektor nicht direkt mechanisch kontaktiert.
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In einer noch einer anderen Ausführungsform des Sensors ist mindestens eine Blende zwischen dem ersten Lichtleiter und den Lichtquellen angeordnet. Durch die Blende wird der Strahlkonus der Lichtquellen stark eingeengt, was die Produktionstoleranz des Sensors erhöht und zu einem stabileren Signal führt. Hierzu ist eine Schlitzbreite der mindestens einen Blende kleiner oder gleich des Lichtquellendurchmessers.
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In einer Ausführungsform sind die Lichtquellen in einer Ausnehmung in dem ersten Substrat angeordnet. Die mindestens eine Blende wird dabei zumindest teilweise von dem ersten Detektor gebildet. Durch den Einbau der Lichtquellen unterhalb des ersten Detektors in der Ausnehmung können die Lichtquellen und der erste Detektor thermisch gut voneinander isoliert werden. Indem der erste Detektor einen Teil der Blende bildet, kann diese Ausführungsform des Sensors außerdem ohne zusätzliche Bauteile realisiert werden. Dies ist beispielsweise möglich, indem die Blende als Spalt in dem ersten Sensor ausgeführt ist. Alternativ kann die Blende auch ein Spalt zwischen dem Detektor und einem weiteren Bauteil sein. Bei diesem weiteren Bauteil kann es sich um einen Abstandssensor oder um ein weiteres Bauteil des Sensors wie beispielsweise einen Temperatursensor oder einen weiteren Detektor handeln.
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Weiterhin ist in einer Ausführungsform vorgesehen, dass die Lichtquellen auf der von dem ersten Detektor abgewandten Seite des Substrats angeordnet sind. Dies kann mittels einer Flip-Chip-Bauweise erfolgen. Blenden werden dann von Vias in dem Substrat gebildet. In dieser Ausführungsform müssen die Lichtquellen präzise über ihrem jeweiligen Via platziert werden, was allerdings mittels der Flip-Chip-Aufbautechnik gewährleistet werden kann. Der Durchmesser jedes Via in Relation zur Substratdicke darf dabei nicht zu klein sein, da ansonsten der Streuverlust im Via deutlich zu groß wird. Deshalb ist es bevorzugt, dass das Aspektverhältnis, also das Verhältnis der Dicke des ersten Substrats zum Durchmesser jedes Via nicht größer als 5 ist.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- 1 zeigt schematisch einen Messraum eines Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 2a zeigt eine schematische Aufsicht auf einen Teil eines Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 2b zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie IIb-IIb in 2a.
- 3a zeigt eine schematische Aufsicht auf einen Teil eines Sensors gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 3b zeigt eine Schnittdarstellung entlang der Linie IIIb-IIIb in 3a.
- 4a zeigt eine schematische Aufsicht auf einen Teil eines Sensors gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 4b zeigt eine Schnittdarstellung entlang der Linie IVb-IVb in 4a.
- 5a zeigt eine schematische Aufsicht auf einen Teil eines Sensors gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 5b zeigt eine Schnittdarstellung entlang der Linie Vb-Vb in 5a.
- 6a zeigt eine schematische Aufsicht auf einen Teil eines Sensors gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 6b zeigt eine Schnittdarstellung entlang der Linie Vlb-Vlb in 6a.
- 7a zeigt eine schematische Aufsicht auf einen Teil eines Sensors gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 7b zeigt eine Schnittdarstellung entlang der Linie Vllb-Vllb in 7a.
- 8a zeigt eine schematische Aufsicht auf einen Teil eines Sensors gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 8b zeigt eine Schnittdarstellung entlang der Linie Vlllb-Vlllb in 8a.
- 9a zeigt eine schematische Aufsicht auf einen Teil eines Sensors gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 9b zeigt eine Schnittdarstellung entlang der Linie IXb-IXb in 9a.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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In 1 ist dargestellt, wie ein Sensor für die Analyse eines Gasgemisches gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung in einem Abgasstrang 10 angeordnet werden kann. In dem Abgasstrang befindet sich ein Messraum 11. An diesem Messraum 11 ist ein Bereich 13 angeordnet, welcher sich in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen der Erfindung unterscheidet und für diese in den 2a bis 9b dargestellt ist. Dieser Bereich 13 weist jeweils zumindest einen ersten Lichtleiter, einen ersten Detektor und mehrere Lichtquellen auf. In allen Ausführungsbeispielen ist an der Wand des Messraums 11, welche dem Bereich 13 gegenüberliegt, ein Reflektor 12 angeordnet. Neben dem Bereich 13 ist ein Lichtleiter 14 aufgehängt, welcher als zweiter Lichtleiter fungiert. Unter diesem ist ein Detektor 15 angeordnet, welcher als zweiter Detektor des Sensors fungiert. Zwischen dem zweiten Lichtleiter 14 und dem zweiten Detektor 15 befindet sich ein Luftspalt. Die Oberfläche des zweiten Lichtleiters 14, welche dem zweiten Detektor 15 zugewandt ist, ist kleiner als die Oberfläche, welche an den Messraum 11 grenzt.
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Für ein erstes Ausführungsbeispiel des Sensors ist der Bereich 13 in den 2a und 2b dargestellt. Ein strukturierter Lichtwellenleiter 20 mit einer ersten Seite 21, deren Oberfläche kleiner ist als die Oberfläche seiner gegenüberliegenden zweiten Seite 22, ist mit der zweiten Seite 22 so am Messraum 11 aufgehängt, dass die zweite Seite 22 den Messraum 11 begrenzt. Drei als LEDs unterschiedlicher Farbe ausgeführte Lichtquellen 31, 32, 33 mit einem Durchmesser von jeweils 100 µm sind neben einem ersten Detektor 40 auf der Oberfläche eines Substrats 50 angeordnet. Ein Teil des von den Lichtquellen 31, 32, 33 emittierten Lichtes wird an der ersten Seite 21 auf den ersten Detektor 40 zurückgeworfen. Das restliche Licht wird durch den ersten Lichtleiter 20 hindurch und durch den Messraum 11 auf den zweiten Detektor 15 geleitet. Allerdings fällt ein Teil des emittierten Lichtes auch in der Darstellung in 2b rechts am ersten Lichtleiter 20 vorbei.
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Ein zweites Ausführungsbeispiel des Sensors, dessen Bereich 13 in 3a und 3b dargestellt ist, unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass ein Abstand a zwischen den Lichtquellen 31, 32, 33 und dem ersten Detektor 40 auf weniger als 200 µm verringert ist. Die Lichtquellen 31, 32, 33 rücken somit vom Rand des Lichtwellenleiters 20 weg und näher zum ersten Detektor 40 hin, so dass nur noch ein sehr geringer Anteil des emittierten Lichtes am ersten Lichtleiter 20 vorbei abgestrahlt werden kann.
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In den 4a und 4b ist der Bereich 13 eines Sensors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Anders als in den beiden vorhergehenden Ausführungsbeispielen sind die Lichtquellen 31, 32, 33 nicht auf dem ersten Substrat 50, sondern stattdessen direkt auf dem ersten Detektor 40 angeordnet. Sie weisen einen transparenten Boden auf, so dass Licht nicht nur durch Reflexion an der ersten Seite 21 des ersten Lichtleiters 20 auf den ersten Detektor 40 gelenkt werden kann, sondern auch unmittelbar von den Lichtquellen 31, 32, 33 die Oberfläche des Detektors 40 trifft.
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In den 5a und 5b ist der Bereich 13 eines Sensors gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Dieses ist gegenüber dem dritten Ausführungsbeispiel dadurch abgewandelt, dass ein transparentes zweites Substrat 60 zwischen den Lichtquellen 31, 32, 33 und dem ersten Detektor 40 angeordnet ist. Dabei kontaktiert das zweite Substrat 60 sowohl die Lichtquellen 31, 32, 33 als auch den ersten Detektor 40. Es bewirkt eine thermische Isolierung zwischen den Lichtquellen 31, 32, 33 und dem ersten Detektor 40, ohne dabei die Abstrahlung von Licht der Lichtquellen 31, 32, 33 auf den ersten Detektor 40 zu behindern.
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In einem fünften Ausführungsbeispiel des Sensors, dessen Bereich 13 in den 6a und 6b dargestellt ist, kontaktiert das zweite Substrat 60 weiterhin die Lichtquellen 31, 32, 33. Allerdings ist es von dem ersten Detektor 40 durch einen Luftspalt getrennt. Hierdurch wird die thermische Isolierung zwischen den Lichtquellen 31, 32, 33 und dem ersten Detektor 40 noch weiter verbessert. Zur Positionierung des zweiten Substrats 60 ist es mittels eines Abstandshalters 61 mit dem ersten Substrat 50 verbunden. Dieser Abstandshalter 61 ist neben dem ersten Detektor 40 auf dem ersten Substrat 50 angeordnet.
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In den 7a und 7b ist der Bereich 13 eines sechsten Ausführungsbeispiels des Sensors dargestellt. Das erste Substrat 50 weist unterhalb des ersten Detektors 40 eine Ausnehmung 51 auf. In dieser Ausnehmung 51 sind die Lichtquellen 31, 32, 33 angeordnet. In dem ersten Detektor 40 ist oberhalb der Lichtquellen 31, 32, 33 eine Blende 41 angeordnet, die als Spalt mit einer Spaltbreite s von weniger als 100 µm ausgeführt ist. Hierdurch wird der Abstrahlwinkel der Lichtquellen 31, 32, 33 eingeschränkt.
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Ein siebtes Ausführungsbeispiel des Sensors weist einen Bereich 13 auf, welcher in den 8a und 8b dargestellt ist. Die Lichtquellen 31, 32, 33 sind genauso wie im sechsten Ausführungsbeispiel in einer Ausnehmung 51 des ersten Substrats 50 angeordnet. Allerdings weist der erste Detektor 40 keine Blende auf. Stattdessen ist ein Temperatursensor 70 als weiteres Bauteil auf dem ersten Substrat 50 angeordnet. Der erste Detektor 40 und der Temperatursensor 70 sind dabei so oberhalb der Ausnehmung 51 positioniert, dass ein zwischen diesen beiden Bauteilen freibleibender Spalt als Blende 71 für die Lichtquellen 31, 32, 33 fungiert. Diese Blende 71 weist ebenfalls eine Spaltbreite s von weniger als 100 µm auf.
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Die 9a und 9b zeigen den Bereich 13 eines Sensors gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Lichtquellen 31, 32, 33 mittels einer Flip-Chip-Bauweise auf der vom ersten Detektor 40 abgewandten Seite des Substrats 50 angeordnet. Über jeder der Lichtquellen 31, 32, 33 befindet sich eine Blende. Diese Blenden 52, 53, 54 sind als Vias durch das erste Substrat 50 ausgeführt. Jeder Via hat einen kreisförmigen Querschnitt und ein Aspektverhältnis von weniger als 5.
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In allen beschriebenen Ausführungsbeispielen des Sensors ist der erste Lichtleiter 20 jeweils durch einen Luftspalt von den Lichtquellen 31, 32, 33 und vom ersten Detektor 40 getrennt. Dadurch bewirkt der erste Lichtleiter 20 eine thermische und mechanische Entkoppelung dieser Bauteile vom Messraum 11.
