DE102018101974A1

DE102018101974A1 - Infrarotstrahlungsquelle

Info

Publication number: DE102018101974A1
Application number: DE102018101974.2A
Authority: DE
Inventors: Marco Schossig
Original assignee: Infrasolid GmbH
Current assignee: Infrasolid GmbH
Priority date: 2018-01-30
Filing date: 2018-01-30
Publication date: 2019-08-01

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Infrarotstrahlungsquelle für kompakte und/oder mobile infrarotspektroskopische Geräte. Die Aufgabe der Erfindung, eine höchst effiziente, breitbandig emittierende Infrarotstrahlungsquelle bereitzustellen, die vor allem das gesamte Spektrum der IR-Strahlung höchst effizient bereitstellen kann und sich in kompakten und mobilen infrarotspektroskopischen Geräten integrieren lässt, wird durch eine Infrarotstrahlungsquelle gelöst, die ein monolithisch aufgebautes Strahlerelement, welches eine IR-Strahlung abstrahlende Fläche mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche und eine homogene Dicke aufweist, gelöst, wobei das Strahlerelement aus einem Refraktärmetall besteht und freitragend in einem hermetisch verschlossenen Gehäuse angeordnet ist, wobei die IR-Strahlung abstrahlende Fläche eine Nanostrukturierung mit senkrecht auf der ersten und/oder zweiten Oberfläche stehenden Nanostäbchen aufweist und das Gehäuse einen breitbandigen infrarotdurchlässigen Bereich zur Transmission der IR-Strahlung aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Infrarotstrahlungsquelle für kompakte und/oder mobile infrarotspektroskopische Geräte.
Infrarotstrahlung regt Moleküle zu Schwingungen und Rotationen an und umfasst den Wellenlängenbereich von 780 nm bis 1 mm, wobei der technisch interessante Wellenlängenbereich bei etwa 20 µm endet. Die Infrarotspektroskopie ist ein physikalisch-chemisches Analyseverfahren bei dem die Absorption von infrarotem Licht definierter Wellenlängen zur Strukturaufklärung unbekannter Substanzen eingesetzt wird. Eine häufig genutzte Einteilung des infraroten Spektralbereichs sind die Bereiche des nahen Infrarot (NIR) mit Wellenlängen von 0,8 µm bis 2,5 um, des mittleren Infrarot (MIR) mit Wellenlängen von 2,5 µm bis 6 µm und des langwelligen Infrarot (LWIR) mit Wellenlängen von 6 µm bis 20 µm. Die Spektroskopie im mittleren und langwelligen Infrarot - häufig nur als IR-Spektroskopie bezeichnet - ist eine leistungsfähige Technik in der chemischen Analytik organischer Substanzen und der Gasanalyse. Sie ermöglicht direkte Aussagen über das Vorhandensein und ggf. die Konzentration infrarotaktiver funktioneller Gruppen und Gase. Die Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) wird zur schnellen Überprüfung von Stoffen und Stoffgemischen eingesetzt, vor allem in Anwendungen der Prozessanalytik bei z.B. Qualitätsanalysen landwirtschaftlicher, chemischer und pharmazeutischer Produkte, aber auch in der Medizin, wie z.B. zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes des Blutes und verschiedener Gewebe.
Für die Entwicklung von leistungsfähigen miniaturisierten Infrarot-Spektrometern und Infrarot-Gassensoren sind kleine, leistungsstarke und breitbandig emittierende Infrarotstrahlungsquellen notwendig. Damit ein Einsatz in batteriebetriebenen Geräten erfolgen kann und praktikabel ist, muss die Infrarotstrahlungsquelle einen sehr geringen Energieverbrauch aufweisen, d.h. die Infrarotstrahlung muss sehr effizient erzeugt und ausgesendet werden und der Wirkungsgrad muss sehr hoch sein.
In Infrarot-Spektrometern und Infrarot-Gassensoren kommen derzeit vorwiegend thermische Strahlungsquellen zum Einsatz (vgl. z.B. EP 0760468 B1 ), weil diese das notwendige breitbandige Strahlungsspektrum zur Verfügung stellen. Dazu zählt beispielsweise die klassische Glühlampe bzw. Halogenlampe (z.B. AT 285733B ), die vor allem im nahinfraroten (NIR) Spektralbereich mit Wellenlängen von 0,8 µm bis 2,5 µm eingesetzt wird (vgl. z.B. EP 2927932 A1 ). Der Wellenlängenbereich wird durch die Transmissionseigenschaften des für den Glühlampenkolben verwendeten Glases bis etwa 4 µm begrenzt, was den Einsatzbereich der Glühlampe stark einschränkt. Ein weiterer Nachteil ist der schock- und vibrationsempfindliche wendelförmige Glühfaden, der sich im Laufe der Verwendung allmählich verformt. Dies ermöglicht keine stabile optische Abbildung, wie es z.B. in einem Spektrometer notwendig ist. Die Glühlampe (vgl. z.B. US 3413054 A , US 3611010 A und EP 2924714 B1 ) ist genauso wie andere herkömmliche thermische Infrarotstrahlungsquellen (vgl. z.B. US 5939726 A und DE 102012103662 B3 ) ein bedrahtetes Bauelement, das mittels Durchsteckmontage auf eine Leiterplatte montiert werden muss. Diese veraltete Technologie wurde fast vollständig durch die SMD-Technologie (SMD = surface-mount device) abgelöst, bei der auf Kontaktlöcher zum Löten der Bauelemente verzichtet werden kann. Damit wurde eine deutlich höhere Bauteildichte auf der Leiterplatte und eine Verringerung der Herstellungsschritte und somit der Herstellungskosten erreicht. Im Zeitalter der SMD-Bestückung durch Bestückungsautomaten und automatisierten Lötprozessen sind herkömmliche thermische Infrarotstrahlungsquellen, wie z.B. die Glühlampe, Keramik-Heizer (z.B. GB 2179530 C) und Metallfolien-Infrarotstrahler (z.B. US 5939726 A ), nicht mehr kompatibel, wodurch z.B. ein Einsatz in mobilen Endgeräten verhindert wird.
Bei mikromechanisch hergestellten Dünnschichtstrahlern, wie z.B. aus DE 102004046705 A1 und EP 177724 B1 bekannt, ist das Strahlerelement nicht freitragend ausgebildet, sondern auf einer dünnen, nichtleitenden Membran aufgebracht und besteht aus einer Vielzahl von Dünnschichten aus unterschiedlichen Materialien, die sich unter thermischer Last unterschiedlich stark ausdehnen. Dies begrenzt die Lebensdauer und die Betriebstemperatur von mikromechanisch hergestellten Dünnschichtstrahlern, wodurch sie eine geringe Strahlungsleistung aufweisen und nur sinnvoll im MIR und LWIR eingesetzt werden können. Zudem sind der Miniaturisierung Grenzen gesetzt, da das auf der Membran aufgebrachte Strahlerelement an einem für das Handling, die Montage und die Stabilität notwendigen Trägerrahmen befestigt ist. Der Trägerrahmen (typischerweise aus Silizium) wirkt zudem als Wärmesenke und verschlechtert sowohl mit zunehmender Betriebstemperatur als auch mit zunehmender Verkleinerung der strahlenden Fläche bzw. der Membran den Wirkungsgrad der Strahlungsquelle erheblich.
Herkömmliche thermische Infrarotstrahlungsquellen emittieren zwar ein breites Infrarotspektrum, eignen sich aber vor allem wegen ihres hohen Energieverbrauchs, des geringen Wirkungsgrads und der schlechten Miniaturisierbarkeit nicht bzw. nur bedingt für den Einsatz in kompakten und mobilen infrarotspektroskopischen Geräten.
Alternativ stehen Leuchtdioden (LED) und Laserdioden (LD) als Strahlungsquelle zur Verfügung. Anders als z.B. Glühlampen sind Leuchtdioden und Laserdioden keine thermischen Strahler, sondern lichtemittierende HalbleiterBauelemente. Da LEDs und LDs grundsätzlich nur monochromatisches Licht erzeugen, ist für ein breitbandiges Strahlungsspektrum („weißes“ Licht) allerdings eine Vielzahl an LEDs bzw. LDs notwendig (vgl. z.B. DE 4122925 A1 , WO 2009/050081 A1 und EP 2860778 A1 ). Weiterhin gibt es LEDs mit einem Wellenlängenkonverter (vgl. z.B. WO 2016/014299 , WO 2016/156000 , WO 2017/031446 und WO 2017/167664 ). Dabei wird z.B. eine blaue oder UV-LED mit einem fotolumineszierenden, fluoreszierenden oder phosphoreszierenden Farbstoff, auch als Leuchtstoff bezeichnet, kombiniert. Ähnlich wie in Leuchtstoffröhren kann so kurzwelliges, höherenergetisches Licht wie das blaue Licht der LED in langwelliges, allerdings nur nahinfrarotes Licht umgewandelt werden. Die Anwendbarkeit ist eingeschränkt, da die Leuchtstoffe kein kontinuierliches Spektrum emittieren. Sie enthalten z.T. auch giftige und umweltschädliche Stoffe, wie z.B. Selen und Tellur. Der Wirkungsgrad solcher IR-LEDs ist auch sehr gering.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine höchst effiziente, breitbandig emittierende Infrarotstrahlungsquelle bereitzustellen, die die vorgenannten Nachteile umgeht und vor allem das gesamte Spektrum der IR-Strahlung höchst effizient bereitstellen kann und sich in kompakten und mobilen infrarotspektroskopischen Geräten integrieren lässt.
Die Aufgabe wird durch eine Infrarotstrahlungsquelle für kompakte und/oder mobile infrarotspektroskopische Geräte umfassend ein monolithisch aufgebautes Strahlerelement, welches eine IR-Strahlung abstrahlende Fläche mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche und eine homogene Dicke aufweist, gelöst, wobei das Strahlerelement aus einem Refraktärmetall besteht und freitragend in einem hermetisch verschlossenen Gehäuse angeordnet ist, wobei die IR-Strahlung abstrahlende Fläche eine Nanostrukturierung mit senkrecht auf der ersten und/oder zweiten Oberfläche stehenden Nanostäbchen aufweist und das Gehäuse einen breitbandigen infrarotdurchlässigen Bereich zur Transmission der IR-Strahlung aufweist.
Die Materialauswahl für das Strahlerelement stellt sicher, dass damit eine Betriebstemperatur größer als 1500 K erreichbar ist. Für den Einsatz der Infrarotstrahlungsquelle in NIR-Spektrometern ist dies essentiell, da erst bei diesen Temperaturen die Infrarotstrahlungsquelle im nahinfraroten Spektralbereich sinnvoll eingesetzt werden kann.
Das Strahlerelement mit der IR-Strahlung abstrahlenden Fläche wird auch als Flächenstrahler bezeichnet. Ein Flächenstrahler weist eine sehr geringe Dicke und dementsprechend eine geringe Wärmekapazität auf, wobei eine geringe Dicke angenommen wird, wenn die Länge und Breite des Flächenstrahlers sehr viel größer sind, als dessen Dicke.
Damit ein thermischer Strahler einen hohen Wirkungsgrad erreicht, d.h. damit möglichst viel elektrische Energie in Strahlungsenergie umgesetzt wird, müssen die thermischen Verluste durch Wärmeleitung und Konvektion minimal sein.
Dies ist durch die erfindungsgemäße Infrarotstrahlungsquelle gegeben und wird durch den freitragenden Aufbau des Strahlerelements, die Ausbildung des Strahlerelements als Flächenstrahler, ein hermetisch verschlossenes Gehäuse und ein Vakuum oder eine schlecht wärmeleitende Edelgasatmosphäre erreicht. Unter einem Gehäuse wird erfindungsgemäß insbesondere ein Bauteilgehäuse für die Oberflächenmontage verstanden, z.B. ein SMD-Gehäuse. Das hermetisch verschlossene Gehäuse bzw. die Infrarotstrahlungsquelle mit dem hermetisch gekapselten Strahlerelement kann aber wiederum auf einem Träger positioniert sein.
Das Strahlerelement wird durch einen elektrischen Strom erwärmt, wodurch Infrarotstrahlung homogen von der flächigen und ebenen Oberfläche des Strahlerelements, also der IR-Strahlung abstrahlenden Fläche, emittiert wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Infrarotstrahlungsquelle für kompakte und/oder mobile infrarotspektroskopische Geräte ist das Flächenstrahlerelement streifenförmig oder rechteckig mit einer Länge x, einer Breite y und einer Dicke z ausgebildet, wobei für die geometrischen Abmessungen eines rechteckigen Flächenstrahlerelements x > 10*z, y > 10*z und z < 10 µm gilt und für ein streifenförmiges Flächenstrahlerelement x > 10*y, y > 10*z und z > 10µm gilt. D.h., dass die Dicke des Flächenstrahlerelements deutlich geringer als die lateralen Abmessungen des Flächenstrahlerelements sind, mindestens Faktor 10 geringer als eine Seitenlänge. Das hat den Vorteil, dass zum einen die thermischen Verluste durch Wärmeleitung im Flächenstrahlerelement und zum anderen die Wärmekapazität des Flächenstrahlerelements minimal sind, wodurch der Wirkungsgrad maximiert wird. Weiterhin ist ein streifenförmiges Flächenstrahlerelement insbesondere für miniaturisierte Spektralapparate vorteilhaft, weil so die strahlende Fläche am effizientesten auf den Eintrittsspalt des Spektralapparats abgebildet werden kann.
Zusätzlich kann das streifen- oder rechteckförmige Flächenstrahlerelement eine Struktur in Form z.B. eines Mäanders aufweisen, um den Strompfad zu verlängern und damit den elektrischen Widerstand des Flächenstrahlerelements zu erhöhen. Der Vorteil rechteckförmiger oder auch quadratischer Flächenstrahlerelemente gegenüber streifenförmigen Flächenstrahlerelementen ist in der größeren Fläche, die für die Abstrahlung der IR-Strahlung zur Verfügung steht, zu sehen, wobei auch eine optimale Ausnutzung des Platzes in rechteckförmigen und quadratischen Gehäusebauformen vorteilhaft ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Infrarotstrahlungsquelle ist die homogene Dicke des Strahlerelements kleiner als 10 µm, bevorzugt kleiner als 5 µm, noch bevorzugter kleiner als 3 µm. Die homogene Dicke des Flächenstrahlerelements ermöglicht zudem eine besonders homogene Temperaturverteilung und damit eine besonders homogene Abstrahlung von Infrarotstrahlung. Dies ist für eine stabile optische Abbildung des Flächenstrahlerelements wichtig, wie es z.B. in einem Spektrometer notwendig ist. Je geringer die Dicke des Strahlerelements ist, umso geringer sind die thermischen Verluste durch Wärmeleitung und die Wärmekapazität des Flächenstrahlerelements, wobei 3 µm besonders bevorzugt sind, weil dann eine ausreichend hohe mechanische Stabilität gewährleistet ist.
In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Infrarotstrahlungsquelle für kompakte und/oder mobile infrarotspektroskopische Geräte ist so mit dem Strahlerelement eine Temperatur größer als 1500 K erreichbar.
In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Infrarotstrahlungsquelle für kompakte und/oder mobile infrarotspektroskopische Geräte ist das Gehäuse aus einer Kapsel gebildet, wobei die Kapsel aus einem infrarotdurchlässigen Material, bevorzugt Borsilikatglas oder Aluminiumsilikatglas gebildet ist, wobei die Kapsel und die IR-Strahlung abstrahlende Fläche des Strahlerelementes zumindest teilweise stoffschlüssig und hermetisch miteinander verbunden sind. Wichtig ist, dass das Kapselmaterial einen identischen oder nahezu identischen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie das Refraktärmetall des Flächenstrahlerelements aufweist, um Spannungen im Flächenstrahlerelement und im hermetisch verschlossenen Gehäuse, also in der Kapsel, zu vermeiden. Das hermetisch verschlossene Gehäuse, welches das Flächenstrahlerelement umschließt, ist deshalb essentiell für die Erfindung, um die thermischen Verluste durch Wärmeleitung und Konvektion minimal zu halten. Vorteilhaft ist weiterhin, wenn sich die elektrischen Anschlüsse des Flächenstrahlerelements außerhalb der Kapsel befinden, da so die hermetische Verkapselung des Flächenstrahlerelements sehr einfach gehalten werden kann und die elektrischen Anschlüsse einfacher zugänglich sind.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Infrarotstrahlungsquelle für kompakte und/oder mobile infrarotspektroskopische Geräte ist das Gehäuse aus einem ersten Gehäuseteil und einem zweiten Gehäuseteil gebildet, wobei das erste Gehäuseteil der ersten Oberfläche der IR-Strahlung abstrahlenden Fläche gegenüber angeordnet ist und das zweite Gehäuseteil der zweiten Oberfläche der IR-Strahlung abstrahlenden Fläche gegenüber angeordnet ist, wobei das erste Gehäuseteil aus Glas, bevorzugt Borsilikatglas und das zweite Gehäuseteil aus Silizium gebildet ist. Das erste und zweite Gehäuseteil können optional Entspiegelungsschichten aufweisen. Das hat den besonderen Vorteil, dass die erfindungsgemäße Infrarotstrahlungsquelle in zwei entgegengesetzte Richtungen IR-Strahlung abstrahlen kann, wobei durch die unterschiedlich ausgebildeten Gehäuseteile Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen transmittiert werden kann. Ein Gehäuseteil aus Silizium ist geeignet langwellige Strahlung, bevorzugt mit einer Wellenlänge größer als 2,5µm zu transmittieren, welche von dem Flächenstrahler emittiert wird. Ein Gehäuseteil aus Glas, bevorzugt Borsilikatglas, ist geeignet kurzwellige Strahlung, bevorzugt mit einer Wellenlänge kleiner als 2,5µm zu transmittieren, welche von dem Flächenstrahler emittiert wird. Wichtig ist, dass die einzelnen Gehäuseteile stoffschlüssig und hermetisch miteinander verbunden sind, was sich z.B. durch anodisches Bonden realisieren lässt. Natürlich können auch das erste Gehäuseteil aus Silizium und das zweite Gehäuseteil aus Glas, bevorzugt Borsilikatglas, gebildet sein. Auf diese Weise ist es z.B. möglich, mit nur einer Lichtquelle zeitgleich eine NIR-spektroskopische Messung und eine Gasanalyse durchzuführen. Eine derartige Ausgestaltung der Infrarotstrahlungsquelle kann auch als Zweistrahl-Infrarotemitter bezeichnet werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Infrarotstrahlungsquelle für kompakte und/oder mobile infrarotspektroskopische Geräte ist das Gehäuse ein Gehäuse für die Oberflächenmontage, z.B. ein SMD-Gehäuse, wobei das Gehäuse elektrische Kontakte zur Aufnahme des Strahlerelementes aufweist und die Kontakte des SMD-Gehäuses und Anschlüsse des Strahlerelements miteinander verschweißt sind. Das Gehäuse ist ein hochvakuumdichtes, keramisches SMD-Gehäuse, bevorzugt ein CLCC-Gehäuse (CLCC - ceramic leadless chip carrier). Das hat den Vorteil, dass eine langzeitstabile hermetische Kapselung des Flächenstrahlerlements bereitgestellt wird.
Weiterhin hat das Verschweißen der Anschlüsse des Flächenstrahlerelements mit den elektrischen Kontakten des Gehäuses den Vorteil, dass eine langzeitstabile elektrische Verbindung bereitgestellt wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Infrarotstrahlungsquelle für kompakte und/oder mobile infrarotspektroskopische Geräte weist das hermetisch verschlossene Gehäuse ein Vakuum auf oder ist mit einem Edelgas, vorzugsweise Argon oder Krypton, noch bevorzugter Xenon gefüllt. Damit ein thermischer Strahler einen hohen Wirkungsgrad erreicht, d.h. damit möglichst viel elektrische Energie in Strahlungsenergie umgesetzt wird, müssen die thermischen Verluste durch Wärmeleitung und Konvektion minimal sein. Dies ist durch die erfindungsgemäße Infrarotstrahlungsquelle gegeben und wird durch die Vakuumatmosphäre oder ein schlecht wärmeleitendes Gas, wie z.B. Krypton oder Xenon, weiter unterstützt.
In einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Infrarotstrahlungsquelle für kompakte und/oder mobile infrarotspektroskopische Geräte weist das Gehäuse einen integrierten Reflektor auf, wobei der Reflektor unterhalb des Strahlerelements angeordnet ist, und wobei der Reflektor planar oder gewölbt ausgebildet ist. Z.B. kann der Reflektor am Boden des Gehäuses angeordnet sein. Der Reflektor hat den Vorteil, dass die rückseitig emittierte Strahlung von dem Flächenstrahlerelement auf den, in Bezug auf den Reflektor, auf der anderen Seite des Flächenstrahlerelements angeordneten infrarotdurchlässigen Bereich geleitet werden kann und somit die Strahlungsleistung erhöht wird. Im einfachsten Fall ist der Reflektor eine breitbandig gut spiegelnde Schicht, wie z.B. ein Metall, die auf den Boden des Gehäuses aufgebracht wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Infrarotstrahlungsquelle für kompakte und/oder mobile infrarotspektroskopische Geräte weist die Infrarotstrahlungsquelle eine Grundfläche kleiner als 10mm², bevorzugt kleiner als 5mm² sowie eine Bauhöhe kleiner als 3mm, bevorzugt kleiner als 2mm, noch bevorzugter kleiner als 1,5mm auf. Das ist besonders vorteilhaft für die Integration in mobilen und tragbaren Geräten und hat den positiven Effekt, dass die Bauteilkosten verringert werden können.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Infrarotstrahlungsquelle ist der breitbandige infrarotdurchlässige Bereich aus einem Fenster gebildet, wobei das Fenster aus Saphir, Silizium, Germanium, Kalziumfluorid, Bariumfluorid, Zinkselenid, Diamant oder Glas besteht, wobei das Fenster Entspiegelungsschichten aufweisen kann. Damit wird gewährleistet, dass die von dem Flächenstrahlerelement emittierte Strahlung breitbandig und mit sehr geringen Absorptionsverlusten durch das Fenster abgestrahlt werden kann, was für eine Infrarotstrahlungsquelle essentiell ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Infrarotstrahlungsquelle ist der breitbandige infrarotdurchlässige Bereich als eine Linse, vorzugsweise als eine plankonvexe Linse, noch bevorzugter als eine Fresnellinse ausgebildet. Mit einer Linse kann die emittierte Strahlung auf eine Detektorfläche oder einen Eintrittsspalt eines Spektralapparats fokussiert werden. Noch bevorzugter ist eine Fresnellinse, da diese nur eine sehr geringe Bauhöhe aufweist.
In einer anderen weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Infrarotstrahlungsquelle weisen die Nanostäbchen der Nanostrukturierung auf der ersten und/oder zweiten Oberfläche der IR-Strahlung abstrahlenden Fläche des Strahlerelements einen Durchmesser kleiner als 500 nm auf. Für einen hohen Wirkungsgrad muss das Flächenstrahlerelement ein hohes Emissionsvermögen für Infrarotstrahlung aufweisen. Das Emissionsvermögen der erfindungsgemäßen Infrarotstrahlungsquelle kann durch die Strukturgröße der senkrecht auf der Oberfläche des Strahlerelements stehenden Nanostäbchen eingestellt werden. Für Anwendungen, in denen z.B. nur eine reine NIR-Strahlungsquelle erforderlich ist, kann das Emissionsvermögen u.a. über die Höhe der Nanostäbchen und die Porosität der nanostrukturierten Oberfläche derart eingestellt werden, dass vorzugsweise nur Strahlung im nahinfraroten Spektralbereich emittiert wird. Strahlung im MIR und LWIR, die nur zur Erwärmung des Systems beitragen würde, wird hingegen weitestgehend unterdrückt. Dadurch lässt sich die Effizienz und der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Infrarotstrahlungsquelle deutlich erhöhen, weil nur die für die Anwendung benötigten Wellenlängen effizient emittiert werden und die restliche Infrarotstrahlung nicht als Verlustleistung auftritt. Dies ist durch die erfindungsgemäße Infrarotstrahlungsquelle gegeben. Dadurch, dass der Durchmesser der Nanostäbchen deutlich kleiner als die kleinste IR-Wellenlänge ist, wird eine breitbandige Emission von IR-Strahlung möglich.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Infrarotstrahlungsquelle weist die Nanostrukturierung eine Porosität auf, die entlang einer Oberflächennormalen der Fläche des Strahlerelements zunimmt. Diese Ausgestaltung bewirkt, dass eine hohe und breitbandige Emission von IR-Strahlung bei deutlich geringeren Schichtdicken erreicht wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Infrarotstrahlungsquelle weisen beide Oberflächen des Flächenstrahlerelements eine Nanostrukturierung zur effizienten Abstrahlung von IR-Strahlung auf, wobei die rückseitig emittierte Strahlung entweder durch einen im Gehäuse integrierten Reflektor reflektiert und auf eine Vorderseite des Gehäuses zu dem infrarotdurchlässigen Bereich geleitet wird oder an der Rückseite des Gehäuses durch einen zweiten infrarotdurchlässiges Bereich abgestrahlt wird.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Die zugehörigen Zeichnungen zeigen

1 Erfindungsgemäße Infrarotstrahlungsquelle in einem hermetischen Gehäuse für die Oberflächenmontage mit einem infrarotdurchlässigen Bereich;
2 Erfindungsgemäße Infrarotstrahlungsquelle in einem hermetischen Gehäuse für die Oberflächenmontage mit einer Linse als infrarotdurchlässigen Bereich;
3 Erfindungsgemäße Infrarotstrahlungsquelle in einem Gehäuse für die Oberflächenmontage mit integriertem Reflektor: a) planar, b) gewölbt.
4 Schematische Darstellung einer Ausführungsform des Flächenstrahlerelements der erfindungsgemäßen Infrarotstrahlungsquelle: a) mit einseitiger Nanostrukturierung, b) mit beidseitiger Nanostrukturierung auf der ersten und zweiten Oberfläche des Flächenstrahlerelements;
5 Mögliche Ausführungsformen des Flächenstrahlerelements: a) streifenförmig, b) rechteckförmig, c) määnderförmig, d) doppelmäanderförmig;
6 Flächenstrahlerelement mit hermetischer, infrarotdurchlässiger Kapselung der IR-Strahlung abstrahlenden Fläche;
7 Erfindungsgemäße Infrarotstrahlungsquelle in einem hermetischen Gehäuse für die Oberflächenmontage mit einem ersten Gehäuseteil und einem zweiten Gehäuseteil: a) Zweistrahl-IR-Emitter, b) Zweistrahl-IR-Emitter mit planer Glasplatte und Si-Abstandswafer, c) Zweistrahl-IR-Emitter mit planer Glasplatte und Si-Wafer mit beidseitigem Si-Abstandswafer, d) Zweistrahl-IR-Emitter mit plankonvexer Glaslinse.

1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Infrarotstrahlungsquelle 1 in einem hermetischen Gehäuse 5 für die Oberflächenmontage mit einem infrarotdurchlässigen Bereich 8. Das kann z.B. ein SMD-Gehäuse sein. Das Strahlerelement 2 mit der IR-Strahlung abstrahlenden Fläche 6 wird auch als Flächenstrahler bezeichnet. Damit ein thermischer Strahler einen hohen Wirkungsgrad erreicht, d.h. damit möglichst viel elektrische Energie in Strahlungsenergie umgesetzt wird, müssen die thermischen Verluste durch Wärmeleitung und Konvektion minimal sein. Dies ist durch die erfindungsgemäße Infrarotstrahlungsquelle 1 gegeben und wird durch den freitragenden Aufbau des Strahlerelements 2, die Ausbildung des Strahlerelements 2 als Flächenstrahler, und ein hermetisch verschlossenes Gehäuse 5 und ein Vakuum 15 oder eine schlecht wärmeleitende Edelgasatmosphäre erreicht. Das Strahlerelement 2 wird durch einen elektrischen Strom erwärmt, wodurch Infrarotstrahlung homogen von der flächigen und ebenen Oberfläche des Strahlerelements emittiert wird.
2 zeigt die erfindungsgemäße Infrarotstrahlungsquelle 1 in einem hermetisch verschlossenen Gehäuse 5 für die Oberflächenmontage mit einer Linse 18 als infrarotdurchlässigen Bereich 8. Mit einer Linse 18 kann die emittierte Strahlung des Flächenstrahlerelements auf eine Detektorfläche oder einen Eintrittsspalt eines Spektralapparats fokussiert werden. Noch bevorzugter ist eine Fresnellinse, da diese nur eine sehr geringe Bauhöhe aufweist.
3 zeigt die erfindungsgemäße Infrarotstrahlungsquelle 1 in einem Gehäuse für die Oberflächenmontage mit integriertem Reflektor 14, wobei der Reflektor 14 am Boden des Gehäuses angeordnet ist. Im einfachsten Fall ist der Reflektor 14 planar ausgebildet (3a) und am Gehäuseboden befestigt oder der Reflektor ist als eine breitbandig gut spiegelnde Schicht ausgebildet, die auf dem Gehäuseboden 16 aufgebracht ist. Der Reflektor 14 kann aber auch gewölbt ausgeführt sein (3b).
4 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Flächenstrahlerelements 2 der erfindungsgemäßen Infrarotstrahlungsquelle 1, wobei die Nanostrukturierung 7 entweder auf nur einer Oberfläche 3 des Flächenstrahlerelements 2 aufgebracht ist (4a) oder auch auf beiden Oberflächenseiten 3, 4 des Flächenstrahlerelements 2 (4b). Durch die Nanostrukturierung 7 kann das Emissionsvermögen für Infrarotstrahlung des Flächenstrahlerelements 2 erhöht und damit der Wirkungsgrad der Infrarotstrahlungsquelle 1 verbessert werden. Das Emissionsvermögen kann über die Höhe der Nanostäbchen und die Porosität der nanostrukturierten Oberfläche derart eingestellt werden, dass vorzugsweise nur Strahlung im nahinfraroten Spektralbereich emittiert wird. Strahlung im MIR und LWIR, die nur zur Erwärmung des Systems beitragen würde, wird hingegen weitestgehend unterdrückt. Dadurch lässt sich die Effizienz und der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Infrarotstrahlungsquelle 1 deutlich erhöhen, weil nur die für die Anwendung benötigten Wellenlängen effizient emittiert werden und die restliche Infrarotstrahlung nicht als Verlustleistung auftritt. In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Infrarotstrahlungsquelle 1 weisen beide Oberflächen 3, 4 des Flächenstrahlerelements 2 eine Nanostrukturierung 7 zur effizienten Abstrahlung von IR-Strahlung auf (4b), wobei die rückseitig emittierte Strahlung durch einen im Gehäuse integrierten Reflektor 14 reflektiert und durch das infrarotdurchlässige Fenster bzw. den infrarotdurchlässigen Bereich 8 geleitet werden kann.
In 5 sind mögliche Ausführungsformen des Flächenstrahlerelements 2 dargestellt. Das Flächenstrahlerelement 2 kann beispielsweise streifenförmig (5a) oder rechteckförmig (5b) oder määnderförmig (5c) oder doppelmäanderförmig (5d) ausgebildet sein. Die einzelnen Ausführungsformen haben z.B. den Vorteil, dass die IR-Strahlung abstrahlende Fläche 6 sehr effizient auf den Eintrittsspalt eines Spektralapparats optisch abgebildet werden kann. Darüber hinaus hat eine mäanderförmige Struktur den Vorteil, dass diese Form den Strompfad verlängert und den elektrischen Widerstand des Flächenstrahlerelements 2 erhöht.
6 zeigt die schematische Darstellung eines Flächenstrahlerelements 2 mit hermetischer, infrarotdurchlässiger Kapselung 9 der IR-Strahlung abstrahlenden Fläche 6. Die Kapsel 9 besteht aus einem infrarotdurchlässigen Material, bevorzugt Borsilikatglas oder Aluminiumsilikatglas, wobei die Kapsel und die IR-Strahlung abstrahlende Fläche 6 des Strahlerelementes 2 zumindest teilweise stoffschlüssig und hermetisch miteinander verbunden sind. Wichtig ist, dass das Kapselmaterial einen identischen oder nahezu identischen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie das Refraktärmetall des Flächenstrahlerelements 2 aufweist, um Spannungen im Flächenstrahlerelement 2 und im hermetisch verschlossenen Gehäuse 5, also in der Kapsel 9, zu vermeiden. Das hermetisch verschlossene Gehäuse 5, 9, also in dieser Ausführungsform insbesondere die Kapsel 9, welche das Flächenstrahlerelement umschließt, ist deshalb essentiell für die Erfindung, um die thermischen Verluste durch Wärmeleitung und Konvektion minimal zu halten. Vorteilhaft ist weiterhin, wenn sich die elektrischen Anschlüsse 13 des Flächenstrahlerelements 2 außerhalb der Kapsel 9 befinden, da so die hermetische Verkapselung des Flächenstrahlerelements sehr einfach gehalten werden kann und die elektrischen Anschlüsse 13 einfacher zugänglich sind. Das hermetisch verschlossene Gehäuse bzw. die Infrarotstrahlungsquelle mit dem hermetisch gekapselten Strahlerelement 2 kann aber wiederum auf einem Träger 19 positioniert sein.
7 zeigt weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Infrarotstrahlungsquelle 1 in einem hermetisch verschlossenen Gehäuse 5 für die Oberflächenmontage. Das Gehäuse ist dabei in ein erstes Gehäuseteil 11 und ein zweites Gehäuseteil 12 gegliedert (7a). Das hat den Vorteil, dass damit sogenannte Zweistrahl-IR-Emitter realisiert werden können, d.h., dass das IR-Strahlung abstrahlende Strahlerelement 2 von seiner ersten Oberfläche 3 IR-Strahlung abstrahlt, welche durch eine planare Glasplatte transmittiert wird und die IR-Strahlung von seiner zweiten Oberfläche 4 durch einen zweiten Bereich transmittiert wird, z.B. einem Si-Wafer. Damit kann aufgrund der Zweiteilung des Gehäuses Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge auf beiden Seiten des Flächenstrahlers 2 transmittiert werden, aufgrund der unterschiedlichen Transmission der infrarotdurchlässigen Bereiche 8 der beiden Gehäuseteile 3, 4.
In einer Fortführung der erfindungsgemäßen Infrarotstrahlungsquelle 1 in 7a, kann die planare Glasplatte, die ein erstes Gehäuseteil 11 bildet, auch durch einen Si-Abstandswafer 20 von einem zweiten Gehäuseteil 12 getrennt angeordnet sein (7b). Wichtig ist, dass die Verbindung der einzelnen Platten und Wafer hermetisch dicht ist. In 7c ist ein Zweistrahl-IR-Emitter mit planer Glasplatte und Si-Wafer mit beidseitigem Si-Abstandswafer dargestellt. Das hat den Vorteil, dass keine Kavität definierter Tiefe in das erste und/oder zweite Gehäuseteil 11, 12, beispielsweise die Glasplatte und/oder den Si-Wafer 20 geätzt werden müssen. 7d zeigt den Zweistrahl-IR-Emitter mit plankonvexer Glaslinse 18.
Bezugszeichenliste

1: Infrarotstrahlungsquelle
2: Strahlerelement, Flächenstrahlerelement
3: Erste Oberfläche des Strahlerelements
4: Zweite Oberfläche des Strahlerelements
5: Hermetisch verschlossenes Gehäuse
6: IR-Strahlung abstrahlende Fläche
7: Nanostrukturierung
8: Breitbandiger infrarotoptischer Bereich
9: Hermetisch verschlossenes Gehäuse als Kapsel
10: Stoffschlüssige, hermetische Verbindung
11: Erstes Gehäuseteil
12: Zweites Gehäuseteil
13: Elektrische Kontakte, elektrische Anschlüsse
14: Reflektor
15: Vakuum oder Edelgas
16: Grundfläche der Infrarotstrahlungsquelle, Gehäuseboden
17: Bauhöhe der Infrarotstrahlungsquelle
18: Linse
19: Träger
20: Si-Abstandswafer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0760468 B1 [0004]
AT 285733 B [0004]
EP 2927932 A1 [0004]
US 3413054 A [0004]
US 3611010 A [0004]
EP 2924714 B1 [0004]
US 5939726 A [0004]
DE 102012103662 B3 [0004]
GB 2179530 [0004]
DE 102004046705 A1 [0005]
EP 177724 B1 [0005]
DE 4122925 A1 [0007]
WO 2009/050081 A1 [0007]
EP 2860778 A1 [0007]
WO 2016/014299 [0007]
WO 2016/156000 [0007]
WO 2017/031446 [0007]
WO 2017/167664 [0007]

Claims

Infrarotstrahlungsquelle (1) für kompakte und/oder mobile infrarotspektroskopische Geräte umfassend ein monolithisch aufgebautes Strahlerelement (2), welches eine IR-Strahlung abstrahlende Fläche (6) mit einer ersten (3) und einer zweiten Oberfläche (4) und eine homogene Dicke aufweist, wobei das Strahlerelement (2) aus einem Refraktärmetall besteht und freitragend in einem hermetisch verschlossenen Gehäuse (5) angeordnet ist, wobei die IR-Strahlung abstrahlende Fläche (6) eine Nanostrukturierung (7) mit senkrecht auf der ersten (3) und/oder zweiten Oberfläche (4) stehenden Nanostäbchen aufweist und das Gehäuse einen breitbandigen infrarotdurchlässigen Bereich (8) zur Transmission der IR-Strahlung aufweist.
Infrarotstrahlungsquelle (1) für kompakte und/oder mobile infrarotspektroskopische Geräte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die IR-Strahlung abstrahlende Fläche (6) des Strahlerelementes (2) streifenförmig oder rechteckig mit einer Länge x, einer Breite y und einer Dicke z ausgebildet ist, wobei für ein rechteckiges Strahlerelement (2) bevorzugt x > 10*z, y > 10*z und z < 10 µm gilt und für ein streifenförmiges Strahlerelement (2) noch bevorzugter x > 10*y, y > 10*z und z < 10 µm gilt.
Infrarotstrahlungsquelle (1) für kompakte und/oder mobile infrarotspektroskopische Geräte nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die homogene Dicke des Strahlerelements (2) kleiner als 10 µm, bevorzugt kleiner als 5 µm, noch bevorzugter kleiner als 3 µm ist.
Infrarotstrahlungsquelle (1) für kompakte und/oder mobile infrarotspektroskopische Geräte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse aus einer Kapsel (9) gebildet ist, wobei die Kapsel (9) aus einem infrarotdurchlässigen Material, bevorzugt Borsilikatglas oder Aluminiumsilikatglas gebildet ist, wobei die Kapsel (9) und die IR-Strahlung abstrahlende Fläche (6) des Strahlerelementes (2) stoffschlüssig und hermetisch miteinander verbunden sind.
Infrarotstrahlungsquelle (1) für kompakte und/oder mobile infrarotspektroskopische Geräte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse aus einem ersten Gehäuseteil (11) und einem zweiten Gehäuseteil (12) gebildet ist, wobei das erste Gehäuseteil (11) der ersten Oberfläche (3) der IR-Strahlung abstrahlenden Fläche (6) gegenüber angeordnet ist und das zweite Gehäuseteil (12) der zweiten Oberfläche (4) der IR-Strahlung abstrahlenden Fläche (6) gegenüber angeordnet ist, wobei das erste Gehäuseteil (11) aus Glas, bevorzugt Borsilikatglas, und das zweite Gehäuseteil (12) aus Silizium gebildet ist.
Infrarotstrahlungsquelle (1) für kompakte und/oder mobile infrarotspektroskopische Geräte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (5) ein Gehäuse für die Oberflächenmontage ist, wobei das Gehäuse (5) elektrische Kontakte (13) zur Aufnahme des Strahlerelementes (2) aufweist, wobei die Kontakte (13) des Gehäuses (5) und Anschlüsse des Strahlerelements (2) miteinander verschweißt sind.
Infrarotstrahlungsquelle (1) für kompakte und/oder mobile infrarotspektroskopische Geräte nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (5) einen integrierten Reflektor (14) aufweist, wobei der Reflektor (14) unterhalb des Strahlerelements (2) angeordnet ist, und wobei der Reflektor (14) planar oder gewölbt ausgebildet ist.
Infrarotstrahlungsquelle (1) für kompakte und/oder mobile infrarotspektroskopische Geräte nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das hermetisch verschlossene Gehäuse (5) ein Vakuum (15) aufweist oder mit einem Edelgas, vorzugsweise Argon oder Krypton, noch bevorzugter Xenon gefüllt ist.
Infrarotstrahlungsquelle (1) für kompakte und/oder mobile infrarotspektroskopische Geräte nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Infrarotstrahlungsquelle (1) eine Grundfläche (16) kleiner als 10mm², bevorzugt kleiner als 5mm² aufweist sowie eine Bauhöhe (17) kleiner als 3mm, bevorzugt kleiner als 2mm, noch bevorzugter kleiner als 1,5mm aufweist.
Infrarotstrahlungsquelle (1) für kompakte und/oder mobile infrarotspektroskopische Geräte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der breitbandige infrarotdurchlässige Bereich (8) aus einem Fenster gebildet ist, wobei das Fenster aus Saphir, Silizium, Germanium, Kalziumfluorid, Bariumfluorid, Zinkselenid, Diamant oder Glas gebildet ist, wobei das Fenster Entspiegelungsschichten aufweisen kann.
Infrarotstrahlungsquelle (1) für kompakte und/oder mobile infrarotspektroskopische Geräte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der breitbandige infrarotdurchlässige Bereich (8) als eine Linse (18), vorzugsweise als eine plankonvexe Linse, noch bevorzugter als eine Fresnellinse, ausgebildet ist.
Infrarotstrahlungsquelle (1) für kompakte und/oder mobile infrarotspektroskopische Geräte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanostäbchen der Nanostrukturierung (7) auf der ersten (3) und/oder zweiten Oberfläche (4) der IR-Strahlung abstrahlenden Fläche (6) des Strahlerelementes (2) einen Durchmesser kleiner als 500 nm aufweisen.
Infrarotstrahlungsquelle (1)für kompakte und/oder mobile infrarotspektroskopische Geräte nach einem der Ansprüche 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanostrukturierung (7) eine Porosität aufweist, die entlang einer Oberflächennormalen der Fläche des Strahlerelementes (2) zunimmt.