DE102020208420A1

DE102020208420A1 - Ndir-multipath sensor mit ellipsoidem einkoppelspiegel

Info

Publication number: DE102020208420A1
Application number: DE102020208420.3A
Authority: DE
Inventors: Farhang Afshar
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2019-07-10
Filing date: 2020-07-06
Publication date: 2021-01-14

Abstract

Gassensor (10) zur spektroskopischen Detektion von Gasmolekülen, aufweisend eine Probenkammer (14), einer Reflektoranordnung (16) sowie einem Emitterelement (24) und einem Detektorelement (28). Das Emitterelement (24) und das Detektorelement (28) sind beispielsweise auf einem Trägersubstrat (34) außerhalb eines optischen Pfades (20) angeordnet, in dessen Bereich Licht mit Gasmolekülen des Probengases interagiert. Eine Einkopplung des vom Emitterelement (24) ausgesendeten Lichts in den optischen Pfad (20) sowie eine Auskopplung von Licht aus dem optischen Pfad (20) zum Detektorelement (28) erfolgt mithilfe eines ellipsoiden Einkoppelreflektors (26) bzw. ellipsoiden Auskoppelreflektors (32).

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft die Analyse von Gasen oder Gasgemischen mittels spektroskopischer Analysatoren. Insbesondere betrifft die Erfindung einen NDIR-Gassensor (Nichtdispersiver Infrarotsensor) zur spektroskopischen Analyse von Gasen, insbesondere mittels Infrarotlicht, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Sensoranordnung.
HINTERGRUND
Häufig werden in elektronischen Baugruppen und Steuereinheiten miniaturisierte Sensormodule eingesetzt, die beispielsweise zur Detektion bestimmter Gase wie Kohlenmonoxid oder bestimmter Kohlenwasserstoffe dienen. Ein verbreitetes Einsatzgebiet sind beispielsweise die Analyse von Abgasen in Verbrennungsmotoren, aber auch die Feststellung von Luftqualität in Gebäuden und ähnliche Anwendungen. Der grundsätzliche Aufbau derartiger Sensoren beinhaltet regelmäßig eine Lichtquelle, beispielsweise im Infrarotbereich. Weiterhin ist ein fotosensorisches Element vorgesehen, das empfangenes Licht im betroffenen Spektrum beispielsweise in elektrische Signale umwandelt.
Das von der Lichtquelle erzeugte Licht breitet sich durch eine Probenkammer aus, in der es mit den Gasmolekülen des Probengases interagiert. Durch die physikalischen Eigenschaften der Gasmoleküle absorbieren diese einen spezifischen Teil der Lichtenergie. Mit anderen Worten kann das fotosensorische Element bzw. ein Detektorelement eine Signalstärke von bestimmten Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen im empfangenen Lichtspektrum detektieren. Aus diesem Muster können Rückschlüsse auf die Art und Konzentration der Gasmoleküle geschlossen werden.
Durch die kleinen Abmessungen der Lichtquellen, beispielsweise LED-basierten IR-Emitterelementen sowie der als Fotodioden ausgeführten Detektorelemente, können moderne NDIR-Sensoren in sehr kleinen Bauformen hergestellt werden. So liegen beispielsweise die Kantenlängen eines gängigen NDIR-Sensors im Bereich von 1 bis 2 cm. Um ein möglichst störungsfreies Ausgangssignal zu erhalten, ist eine hohe Lichtstärke am Detektorelement wünschenswert. Gleichzeitig müssen für eine ausreichende Qualität der Messung eine möglichst hohe Anzahl an Interaktionen zwischen dem Licht und den Gasmolekülen stattfinden. Eine Wahrscheinlichkeit einer Interaktion, bei der die gewünschte Absorptionswirkung eintritt, steigt mit einer zurückgelegten Wegstrecke des Lichtes innerhalb des Probengases.
Wird eine Weglänge des optischen Pfades verlängert, verringert sich aufgrund von Dämpfungseffekten und Interaktionen des Gases mit dem Licht die Signalstärke am Detektorelement und erzeugt ein ungünstig hohes Signal-Rauschverhältnis. Eine zu kurze Wegstrecke des Lichts verringert die Anzahl der notwendigen Interaktionen zwischen Gasmolekülen und dem Licht und liefert folglich keine stark genug ausgeprägten Muster, die eine zuverlässige Analyse ermöglichen würden. Hier ist ein geeigneter Kompromiss zu finden.
Im Stand der Technik sind Lösungen bekannt, die durch mehrfache Reflexionen an einer Wandung der Probenkammer einen optischen Pfad des Lichts verlängern. Um das zu erreichen, können beispielsweise optische Spiegelsysteme eingesetzt werden. Eine bekannte Lösung ist die sogenannte White Cell von John U. White, bei der die Verlängerung des optischen Pfades durch mehrfache Reflexion über einander gegenüberliegende Spiegel erreicht wird. Allerdings ist insbesondere eine Herstellung solcher Spiegelanordnungen zusammen mit den notwendigen Detektorelementen und einem Emitterelement sowie der zugehörigen Elektronik häufig sehr aufwendig. Vor diesem Hintergrund erscheint ein verbesserter Aufbau eines derartigen Sensors mit gleichen oder verbesserten physikalischen und elektrischen Eigenschaften wünschenswert.
Diese und andere Aufgaben werden mit den Gegenständen der vorliegenden unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausgestaltungen und weiterführende Aspekte sind Gegenstand der Unteransprüche.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Ausführungsformen der Erfindung können unter anderem bei gleicher oder besserer Qualität der Analyse einen mechanischen Aufbau eines Gassensors sowie eine Herstellung eines solchen Sensors vereinfachen. Der im folgenden beschriebenen Erfindung liegen die folgenden Überlegungen zugrunde. Wählt man beispielsweise die von John U. White entwickelte White Cell als Möglichkeit, einen optischen Pfad von Licht durch mehrfache Reflexion zu verlängern, verläuft dieser optische Pfad regelmäßig innerhalb einer bestimmten Schicht bzw. eines begrenzten Bereiches zwischen den Spiegeln.
Zum Einkoppeln von Licht in diesen optischen Pfad wird üblicherweise ein Emitterelement in eben dieser Schicht im Bereich des optischen Pfades angeordnet. Analog wird ein Detektorelement am Ende des optischen Pfades in derselben Schicht angeordnet, um Licht aus dem optischen Pfad aufzunehmen bzw. auszukoppeln. Dies bedeutet, dass die entsprechenden Emitterelemente und Detektorelemente in unmittelbarer Nähe der Spiegelanordnung angeordnet werden müssen.
Dies kann ebenfalls bedeuten, dass eine entsprechende elektrische Verbindung, beispielsweise über Kontaktierung, elektrische Leiter und Ähnliches gegebenenfalls mit Lötverbindungen hergestellt werden muss. Dies bedeutet einen verhältnismäßig großen Aufwand durch eine Vielzahl von notwendigen Arbeitsschritten. Weiterhin sind häufig weitere elektronische Bauteile vorgesehen, wie beispielsweise integrierte Schaltkreise zur Verarbeitung der analogen Signale sowie Mikrocontroller zur Steuerung der Sensoreinheiten. Diese sind in der Regel auf Trägersubstraten mechanisch und elektrisch befestigt und benötigen zusätzlich Platz im Sensor. Eine platzsparende und zugleich herstellungstechnisch effektive Anordnung aller genannten Komponenten erscheint vor diesem Hintergrund schwierig.
Es wird daher ein verbesserter Gassensor zur spektroskopischen Detektion von Gasmolekülen vorgeschlagen. Gemäß einer Ausführungsform basiert dieser Gassensor auf nichtdispersiver Infrarotspektroskopie (NDIR). Der Gassensor weist eine Probenkammer auf, die ausgestaltet ist ein Probengas aufzunehmen. Unter einer Probenkammer ist ein Raum oder Volumen zu verstehen, in das ein zu analysierendes Gas eingeleitet oder durchgeleitet werden kann. Hierzu kann die Probenkammer Öffnungen oder Anschlüsse für das Probengas vorsehen. Zweck der Probenkammer soll insbesondere sein, einen Kontakt des Probengases mit Licht auf einem begrenzten Raum zu ermöglichen. Die Probenkammer kann beispielsweise ein geschlossener kompakter Raum sein, aber auch ein Kanal, der verschiedenste Formen annehmen kann.
Der Gassensor weist weiterhin eine Reflektoranordnung innerhalb der Probenkammer auf, die ausgestaltet und angeordnet ist, einen optischen Pfad für Licht durch die Probenkammer zu bilden. Eine Reflektoranordnung kann beispielsweise aus einem oder mehreren optischen Spiegeln bestehen. Gemäß einem Beispiel ist die Reflektoranordnung als White Cell ausgeführt. Gemäß einem weiteren Beispiel weist die Reflektoranordnung mit der White Cell drei optische Spiegel auf. Gemäß einem weiteren Beispiel ist die Reflektoranordnung der White Cell derart ausgestaltet, dass 8, 12, 16 oder 20 Reflexionsereignisse stattfinden. Gemäß einem weiteren Beispiel ist die Probenkammer mit der Reflektoranordnung in der Form eines gefalteten „M“ ausgeführt.
Der optische Pfad soll einen Ausbreitungsweg des Lichts ausgehend von einer Lichtquelle beschreiben. Dieser kann vereinfacht linienförmig verstanden werden, weist aber regelmäßig aufgrund von Streuungseffekten und Reflexionen einen bestimmten Durchmesser auf. Im Bereich dieses optischen Pfades treten folglich auch die Interaktionen des Lichts mit den Gasmolekülen auf. Des Weiteren ist ein optisches Emitterelement zum Aussenden von Licht vorgesehen. Gemäß einem Beispiel ist das Emitterelement als lichtemittierende Diode (LED) ausgeführt. Gemäß einem weiteren Beispiel ist das Emitterelement eine Lichtquelle im Infrarotbereich.
Weiterhin ist ein optisches Detektorelement vorgesehen, dass ausgeführt ist, vom Emitterelement ausgesendetes Licht nach Passieren des optischen Pfades zu detektieren. Aufgrund des notwendigen Aufbaus des Gassensors ist folglich ein fotosensitives Element wie zum Beispiel eine Fotodiode vorzusehen, die das Lichtspektrum nach Durchlaufen des optischen Pfades in der Probenkammer analysiert.
Besonderheit der hier vorgestellten Lösung ist, dass das Emitterelement außerhalb des optischen Pfades angeordnet ist. Der zugrundeliegende Gedanke kann darin gesehen werden, dass es zur Vereinfachung eines Aufbaus der Probenkammer von Vorteil wäre, das vergleichsweise schwieriger bereitzustellende Emitterelement zu separieren. Um das Licht vom Emitterelement mit dem optischen Pfad zu verbinden, ist weiterhin ein Einkoppelreflektor vorgesehen. Dieser koppelt vom Emitterelement ausgesendetes Licht über einen optischen Einkoppelpfad in ein erstes Ende des optischen Pfades der Probenkammer ein.
Gemäß einer Ausführungsform kann beispielsweise das Emitterelement angeordnet und ausgeführt sein, dass eine primäre Abstrahlrichtung des Lichts vom Emitterelement quer zum optischen Pfad in der Probenkammer gerichtet ist. Durch die winklige bzw. nicht-parallele Relation von optischem Pfad und vom Emitterelement ausgesendetem Licht ist folglich eine weitere Reflexion notwendig, die über den Einkoppelreflektor erzeugt wird. Dieser kann beispielsweise als optischer Spiegel mit zumindest teilweise reflektierender Oberfläche ausgeführt sein.
Ein Vorteil dieser Anordnung kann darin gesehen werden, dass die Probenkammer mit der Reflektoranordnung auf vergleichsweise einfache Weise hergestellt werden kann, ohne dass zusätzlich separate Bauteile wie ein Emitterelement und/oder ein Detektorelement eingebracht und angeschlossen werden müssen. Gemäß einem Beispiel ist die Probenkammer und die Reflektoranordnung einstückig ausgeführt. Dies bedeutet, dass die gesamte geometrische Struktur aus einem Grundkörper hergestellt werden kann, wobei gegebenenfalls zusätzlich reflektierende Beschichtungen im Bereich der einzelnen Reflektoren der Reflektoranordnung aufgebracht werden können. Das Emitterelement und/oder das Detektorelement können auf einer separaten Baugruppe, getrennt von der Probenkammer, bereitgestellt werden. Dies kann, gemäß einem Beispiel, zusammen mit weiteren elektronischen Komponenten wie Mikrocontrollern und/oder analoger Signalverarbeitung erfolgen.
In einer Ausführungsform ist der Einkoppelreflektor als ellipsoider Reflektor ausgeführt. Hier wird insbesondere die Eigenschaft von ellipsoiden Reflektoren genutzt, dass diese zum einen durch ihre geometrische Form eine fokussierende Strahlformung erlauben und weiterhin zwei Brennpunkte aufweisen. Gemäß einer Ausführungsform ist der ellipsoide Reflektor derart ausgeführt und relativ zum optischen Pfad angeordnet, dass der Reflektor seinen ersten Brennpunkt im Bereich des Emitterelementes und seinen zweiten Brennpunkt an der Reflektoranordnung an einem ersten Ende des optischen Pfades ausbildet. Die zugrundeliegende Idee kann hier darin gesehen werden, dass es wünschenswert ist, einen möglichst hohen Anteil des vom Emitterelement emittierten Lichts in den optischen Pfad einzuspeisen. Durch die Fokuswirkung des ellipsoiden Spiegels und die exakte Ausrichtung der beiden Brennpunkte auf Lichtquelle und Einspeisungspunkt im optischen Pfad, kann eine vergleichsweise hohe Lichtausbeute erreicht werden.
Gemäß einem Beispiel ist das erste Ende des optischen Pfades an einem der Reflektoren einer White Cell angeordnet und der zweite Brennpunkt des Einkoppelreflektors ist auf diesen Reflektor der White-Cell-Anordnung ausgerichtet. Gemäß einem weiteren Beispiel ist der zweite Brennpunkt des ellipsoiden Einkoppelreflektors auf den Brennpunkt eines Parabolspiegels oder eines Längsspiegels (Catenary Mirror) ausgerichtet.
Der Einkoppelreflektor hat mit anderen Worten die Funktion, den Einkoppelpfad des Lichts derart umzulenken, dass er parallel zum Beginn des optischen Pfades verläuft und folglich Licht vom Einkoppelpfad in den optischen Pfad weitergeleitet werden kann. Dies kann, gemäß einem Beispiel, auch dadurch erreicht werden, dass der Einkoppelpfad auf einen weiteren Reflektor oder Spiegel gerichtet ist, von dem der optische Pfad ausgeht.
Gemäß einer Ausführungsform ist weiterhin ein Auskoppelreflektor vorgesehen, der ausgeführt ist, Licht aus einem zweiten Ende des optischen Pfades über einen optischen Auskoppelpfad auszukoppeln und an das Detektorelement weiterzuleiten. Auch hier ist das Detektorelement außerhalb des optischen Pfades angeordnet. Wie bereits im Zusammenhang mit dem Emitterelement beschrieben, kann ein Vorteil darin gesehen werden, dass das Detektorelement nicht im unmittelbaren Bereich der Reflexionsflächen der Reflektoranordnung vorgesehen werden muss. Vielmehr ist eine Anordnung außerhalb der Reflektoranordnung und außerhalb des optischen Pfades möglich. Dies kann insbesondere einen Aufwand und Kosten zur Herstellung der Probenkammer zusammen mit der Reflektoranordnung senken. Eine Verbindung vom optischen Pfad hin zum Detektorelement wird auch hier über einen zusätzlichen Auskoppelreflektor erreicht.
Gemäß einer Ausführungsform sind ein Reflektionsbereich des Einkoppelreflektors und/oder des Auskoppelreflektors im optischen Pfad angeordnet. Der Reflektionsbereich soll hier als der für die optische Reflexion von Licht wirksame Oberflächenbereich des Reflektors verstanden werden. Wird dieser nun im optischen Pfad angeordnet, kann eine winklige Umleitung des Lichts in einen Bereich außerhalb des optischen Pfades erfolgen, wo dann das Detektorelement bzw. das Emitterelement angeordnet sein können. Auf diese Weise kann mit einem einzigen zusätzlichen Reflektor eine wirksame und effektive Einkopplung und Auskopplung von Licht in den bzw. aus dem optischen Pfad erfolgen.
Gemäß einer Ausführungsform ist an der Probenkammer ein Trägersubstrat angeordnet, wobei das Emitterelement und/oder das Detektorelement auf dem Trägersubstrat angeordnet sind. Die Überlegung ist hier, dass das Trägersubstrat mit seiner üblicherweise flachen Bauform einen Bereich einer Wandung der Probenkammer bildet. Gemäß einem Beispiel bildet das Trägersubstrat eine Bodenfläche eines Gassensors, wobei die Probenkammer eine nach unten offene Querschnittsfläche aufweist, die dann vom Trägersubstrat bedeckt ist. Hierdurch wird eine geschlossene Probenkammer gebildet.
In dem Bereich des Trägersubstrates, das einem Innenbereich der Probenkammer zugewandt ist, kann dann das Emitterelement und/oder das Detektorelement angeordnet werden, sodass Licht in die Probenkammer ausgesendet bzw. Licht aus der Probenkammer empfangen werden kann. In einer Ausführungsform sind eine Hauptabstrahlrichtung des Emitterelements und/oder eine Haupteinfallsrichtung des Detektorelementes senkrecht zu einer Ebene des Trägersubstrates gerichtet. Mit anderen Worten können beispielsweise optische Halbleiterchips auf Basis von LED oder Fotodioden verwendet werden, die als kompaktes kleines Bauteil direkt auf dem Trägersubstrat oder einer Platine aufgebracht sein können. Diese strahlen dann vom Trägersubstrat aus gesehen nach oben ab. Gemäß einem Beispiel weist das Emitterelement und/oder das Detektorelement eine lambert'sche Charakteristik auf.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Reflektoranordnung innerhalb der Probenkammer derart angeordnet, dass der optische Pfad zum Trägersubstrat beabstandet ist, sodass ein Zwischenraum zur Aufnahme von Funktionselementen am Trägersubstrat gebildet wird. Dem liegt die Überlegung zugrunde, dass der zur Verfügung stehende begrenzte Raum vorteilhaft alle weiteren Komponenten, wie beispielsweise Ansteuerelektronik, elektronische Bauelemente oder elektrische Verbindungselemente aufnehmen sollte. Bei Verwendung einer White Cell kann der optische Pfad in einer begrenzten Ausbreitungsschicht verlaufen, ohne in Kontakt mit einer oberen oder unteren Seitenfläche der Probenkammer zu gelangen.
Dies eröffnet die Möglichkeit, gezielt einen Zwischenraum zwischen einer unteren Begrenzung der Probenkammer, beispielsweise dem Trägersubstrat, und dem optisch aktiven Bereich des optischen Pfades zu schaffen. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende Ausrichtung der Reflexionsanordnung, also der einzelnen Spiegel oder Hohlspiegel, erfolgen.
In einer Ausführungsform ist weiterhin ein Referenzdetektorelement vorgesehen. Das Referenzdetektorelement ist ausgeführt und angeordnet, eine Stärke von ausgesendetem Licht des Emitterelementes zu ermitteln. Das Referenzdetektorelement kann, gemäß einer Ausführungsform, auf Basis der ermittelten Lichtstärke ein Referenzsignal zur Kalibrierung des Detektorelementes erzeugen. Für eine derartige Kalibrierung ist eine Information wünschenswert, die eine Aussage über die Charakteristik von ausgesendetem Licht vom Emitterelement zulässt. Dies kann beispielsweise eine spektrale Verteilung über einen Wellenlängenbereich sein, die gegebenenfalls mit einer zeitlichen Komponente kombiniert wird.
Der Lösungsansatz besteht nun darin, in unmittelbarer Nähe des Emitterelements einen weiteren Detektor zu platzieren, der Licht direkt vom Emitterelement aufnimmt, bevor es in den optischen Pfad eintritt. Dieses Licht kann beispielsweise auch Streulicht des Emitterelements sein. Durch Vergleich der am Detektorelement gemessenen Werte mit den Referenzwerten lassen sich hierdurch spektrale Veränderungen und Amplitudenveränderungen, die durch Interaktion mit Gasmolekülen entstanden sind, im Ausgangssignal genauer detektieren und somit eine Qualität der Messwerte verbessern. Hierzu kann das Referenzdetektorelement in unmittelbar benachbarter Position zum Emitterelement angeordnet sein. Dies kann beispielsweise eine Entfernung von 0,5-5 mm vom Emitterelement bedeuten.
Gemäß einer Ausführungsform ist im Bereich des Emitterelementes weiterhin ein Referenzlichtreflektor vorgesehen. Dieser ist ausgeführt und angeordnet, dass sich dessen erster Brennpunkt am Emitterelement und dessen zweiter Brennpunkt am Referenzdetektorelement ausbildet. Ausgangspunkt der Überlegung ist eine häufig sehr geringe Lichtstärke am Referenzdetektorelement, da dies in der Regel außerhalb der Hauptabstrahlrichtung positioniert ist. Um eine größere Lichtstärke am Referenzdetektorelement zu erreichen, wird der Referenzlichtreflektor in einem Bereich positioniert, der einer stärkere Lichteinstrahlung vom Emitterelement ausgesetzt ist.
Dieser Lichtanteil wird mithilfe dieses Referenzlichtreflektors auf das Referenzdetektorelement umgeleitet, was eine größere Lichtstärke und somit ein vorteilhafteres Signal-Rausch-Verhältnis am Referenzdetektorelement bedeutet. Um auch hier eine möglichst hohe Lichtausbeute mit möglichst wenig Streuverlusten zu erreichen, ist, gemäß einer Ausführungsform, der Referenzlichtreflektor ellipsoid ausgebildet. Hier wird vorteilhaft die fokussierende Wirkung der ellipsoiden Form in Kombination mit den zwei Brennpunkten genutzt.
In einer Ausführungsform ist der Gassensor als SMD-Bauteil ausgeführt. Insbesondere bei dichten und integrierten elektronischen Baugruppen sind einfache Bestückungsvorgänge essenziell. Bauteile sollen mit möglichst wenig Aufwand bereitgestellt, befestigt und elektrisch kontaktiert werden. Bei bisher bekannten Lösungen erfolgt häufig ein separates Zusammenfügen der einzelnen Bauteile, insbesondere der Probenkammer, wie das Anbringen und Anschließen von Emitterelement und Detektorelement, Verlöten mit einem Trägersubstrat sowie weitere Arbeitsschritte. Bei der Ausführung als SMD-Bauteil wird der Gassensor als ein einziges Element bereitgestellt, der alle notwendigen Funktionselemente enthält und lediglich auf einem Trägersubstrat oder einer Platine mechanisch fixiert bzw. kontaktiert werden muss.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Gassensors zur spektroskopischen Detektion von Gasmolekülen vorgestellt. Ausgangspunkt ist das Bedürfnis, einen Herstellungsprozess zu vereinfachen und somit Aufwand und Kosten zu senken. In einem ersten Schritt erfolgt ein Bereitstellen einer Probenkammer, die ausgestaltet ist, ein Probengas aufzunehmen. Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet das Bereitstellen der Probenkammer ein Herstellen einer Reflektoranordnung. Diese Reflektoranordnung ist ausgestaltet, einen optischen Pfad für Licht innerhalb der Probenkammer zu bilden.
Zusätzlich beinhaltet das Bereitstellen der Probenkammer ein Herstellen eines Einkoppelreflektors, der ausgeführt ist, von einem Emitterelement ausgesendetes Licht über einen optischen Einkoppelpfad in ein erstes Ende des optischen Pfades der Probenkammer einzukoppeln. Mit anderen Worten kann eine Probenkammer als ein Vorprodukt oder vorgefertigtes Teilprodukt in einem Bauteil bereitgestellt werden. In einem zweiten Hauptschritt wird dann das ebenfalls vorgefertigte Trägersubstrat flächig an der Probenkammer befestigt. Mit anderen Worten können die Probenkammer und das Trägersubstrat unabhängig voneinander mit den jeweils zugehörigen Komponenten hergestellt werden. Diese werden dann in einem finalen Herstellungsschritt miteinander verbunden, ohne dass zusätzliche Arbeitsschritte, wie beispielsweise elektrisches Verbinden von Detektorelement oder Emitterelement, nötig wären.
Das Herstellen des Trägersubstrates weist den Schritt des Aufbringens eines Emitterelementes und eines Detektorelementes auf den Bereich des Trägersubstrates auf, der einen Wandbereich der Probenkammer bildet. Dies soll bedeuten, dass nach einem Zusammenfügen des Trägersubstrates mit der Probenkammer das Emitterelement und das Detektorelement in einen Innenbereich der Probenkammer gerichtet sind. Dabei ist eine jeweilige Position des Emitterelementes und des Detektorelementes derart zu wählen, dass das vom Emitterelement ausgesendete Licht in das erste Ende des optischen Pfades der Probenkammer angekoppelt wird. Entsprechend ist, gemäß einem Beispiel, das Detektorelement derart zu positionieren, dass Licht aus einem zweiten Ende des optischen Pfades ausgekoppelt und an das Detektorelement weitergeleitet wird.
Figurenliste
Im Folgenden wird das vorgeschlagene Prinzip anhand mehrerer Ausführungsbeispiele unter Zuhilfenahme von Zeichnungen im Detail erläutert.

1 zeigt eine laterale Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Gassensors mit Darstellung des optischen Pfades.
2 zeigt eine räumliche Darstellung eines erfindungsgemäßen Gassensors mit einer White Cell und einem Einkoppelreflektor und einem Auskoppelreflektor.
3 zeigt ein Diagramm einer empfangenen Lichtstärke über einer Länge eines optischen Pfades.
4 zeigt eine vereinfachte räumliche Darstellung eines erfindungsgemäßen Gassensors mit angedeuteten Konturen des ellipsoiden Einkoppelreflektors
5 zeigt eine räumliche Schnittdarstellung einer Hälfte eines erfindungsgemäßen Gassensors mit einer Ansteuerelektronik und einem Einkoppelreflektor.
6 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Gassensors mit Reflektoranordnung und innenliegender Ansteuerelektronik.
7 zeigt eine zweidimensionale vertikale Verteilung von Licht im optischen Pfad einer Probenkammer.
8 zeigt eine zweidimensionale vertikale Verteilung von Licht am Reflektor B der White Cell.
9 zeigt ein vereinfachtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Gassensors mit einer gefalteten kanalförmigen Probenkammer.
10 zeigt vereinfacht den Bereich eines Einkoppelreflektors eines erfindungsgemäßen Gassensors mit einem Referenzlichtreflektor.
11 zeigt in einer dreidimensionalen Darstellung den Bereich eines Einkoppelreflektors eines erfindungsgemäßen Gassensors mit einem Referenzdetektorelement sowie einem Einkoppelpfad und einem Referenzlichtpfad.
12 zeigt in räumlicher Darstellung einen erfindungsgemäßen Gassensor mit grafisch angedeuteten innenliegenden Elementen wie Probenkammer, Einkoppelreflektor und Auskoppelreflektor.
13 zeigt eine räumliche Darstellung eines erfindungsgemäßen Gassensors mit einem optischen Pfad von einem Emitterelement zu einem Detektorelement.
14 zeigt eine Variante einer gefalteten Ausformung einer Probenkammer eines erfindungsgemäßen Gassensors mit Darstellung des optischen Pfades.
15 zeigt ein Diagramm einer Lichtstärke an einem Detektorelement in Abhängigkeit der Länge eines optischen Pfades für einen erfindungsgemäßen Gassensor gemäß 13.
16 zeigt ein Trägersubstrat eines erfindungsgemäßen Gassensors mit einem Emitterelement, einem Detektorelement und einem Referenzdetektorelement.
17 zeigt eine räumliche Darstellung eines erfindungsgemäßen Gassensors mit zwei Eintrittsöffnungen für ein Probengas.
18 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines Gassensors zur spektroskopischen Detektion von Gasmolekülen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
In 1 eine laterale Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Gassensors 10. Zu erkennen ist ein Gehäuse 12 einer Probenkammer 14, in die ein Probengas aufgenommen werden kann. Innerhalb der Probenkammer 14, die beispielsweise als Hohlraum innerhalb des Gehäuses 12 verstanden werden kann, ist eine Reflektoranordnung 16 mit drei Reflektoren 16A, 16B und 16C, bei der es sich um eine sogenannte White-Cell-Anordnung 18 handelt. Der Reflektor 16B ist im hier dargestellten Beispiel als durchgängiger Reflektor auf einer Seite der White-Cell-Anordnung 18 angeordnet. Diesem in der Probenkammer 14 gegenüberliegend sind die Reflektoren 16A und 16B angeordnet, sodass eine mehrfache Reflexion von Licht zwischen den Reflektoren 16A, 16B und 16C stattfindet.
Eine White Cell Anordnung wurde erstmalig 1942 von John U. White in der Publikation White, John (1942). „Long Optical Paths of Large Aperture". Journal of the Optical Society of America. 32 (5): 285 beschrieben. Eine solche White Cell Anordnung besteht stets aus drei sphärischen konkaven Spiegeln, die denselben Krümmungsradius haben. Die Spiegel haben einen Abstand, der gleich deren Krümmungsradius ist.
Je nach Ausformung und Anordnung der Reflektoren 16A, 16B und 16C kann ein optischer Pfad 20 durch die mehrfache Querung des Raumes der Probenkammer 14 verlängert werden. Die Zahl der Reflexionen innerhalb der Probenkammer 14 einer White-Cell-Anordnung 18 ist aufgrund des Aufbaus durch Drehen von Reflektor 16A oder Reflektor 16C in Vielfachen von Vier variierbar. Die Einkopplung von Licht in den optischen Pfad 20 erfolgt über einen Einkoppelpfad 22. Dieser geht von einem Emitterelement 24 aus und wird über einen Einkoppelreflektor 26 umgelenkt und auf den Reflektor 16A der White-Cell-Anordnung 18 fokussiert. Ein Emitterelement 24 kann beispielsweise Abmessungen von etwa 400 × 400 µm aufweisen. Am anderen Ende des optischen Pfades 20 wird über einen Auskoppelpfad 30 vom Reflektor 16C Licht ausgekoppelt und über einen Auskoppelreflektor 32 auf ein Detektorelement 28 geleitet. Dieses Detektorelement 28 kann ebenfalls, gemäß einem Beispiel Abmessungen von etwa 400 × 400 µm aufweisen.
Durch die räumliche Darstellung in 2 ist insbesondere ein Winkelverhältnis zu erkennen, das zwischen dem vom Emitterelement 24 ausgesendeten Licht und dem Einkoppelpfad 22 gebildet wird. Gemäß einem Beispiel beträgt dieser Winkel zwischen 70° und 110°. Durch die Umlenkung des Lichts über den Einkoppelreflektor 26 kann eine im Wesentlichen senkrechte Abstrahlrichtung des Lichts vom Emitterelement 24 effektiv ausgenutzt werden. Auf diese Weise kann eine Lichtausbeute bei einer Positionierung des Emitterelements 24 auf einer darunterliegenden Fläche vorteilhaft verbessert werden.
In 2 ist erkennbar, dass ein erster Brennpunkt des Einkoppelreflektors 26 im Bereich des Emitterelements 24 liegt und ein zweiter Brennpunkt des Einkoppelreflektors 26 auf einem der beiden benachbart angeordneten Reflektoren 16A oder 16C der Reflektoranordnung 16 liegt. Durch diesen Fokussierungseffekt kann ein Anteil von Streulicht verringert werden und somit eine Lichtausbeute der Anordnung verbessert werden. Gemäß einem Beispiel kann ein Anteil von mindestens 60 % des emittierten Lichts vom Emitterelement 24 zum Reflektor 16A geleitet werden. Das Emitterelement 24 und das Detektorelement 28 sind jeweils in entfernten Bereichen der Probenkammer 14 angeordnet, sodass kein Streulicht auf direktem Wege vom Emitterelement 24 zum Detektorelement 28 gelangen kann. Die Reflektoranordnung 16 ist hier so ausgestaltet, dass insgesamt acht Reflexionsereignisse stattfinden.
In 3 ist in einem Diagramm ein Zusammenhang zwischen einer gemessenen Lichtstärke (Flux) in Watt und der Länge des optischen Pfades (in mm) aufgetragen. Die Länge des optischen Pfades ergibt sich in diesem Fall aus den über mehrere Reflexionen zusammengesetzten Weg des Lichts zwischen der Reflektoranordnung 16 (siehe 1) plus die Längen des Einkoppelpfades 22 (siehe 1) und des Auskoppelpfades 30. Einerseits ist eine Verlängerung des optischen Pfades 20 wünschenswert, da mit steigender Länge des optischen Pfades 20 eine Wahrscheinlichkeit von Interaktionen von Gasmolekülen mit dem Infrarotlicht steigt und somit deutlichere Absorptionsmuster und bessere Messergebnisse erwartet werden dürfen.
Andererseits verstärken sich aufgrund der längeren Wege des Lichts Dämpfungseffekte, sodass ein am Detektorelement 28 gemessenes Signal ein ungünstiges Signal-Rausch-Verhältnis aufweist. Es ist klar zu erkennen, dass ein Optimum zwischen beiden Effekten hier bei einer Länge des optischen Pfades 20 von etwa 150 mm erreicht ist. Dabei liegen zwölf Reflexionsereignisse zugrunde. Bei einer verkürzten Länge des optischen Pfades 20 von etwa 100 mm ist lediglich eine deutlich verringerte Amplitude der Lichtstärke am Detektorelement 28 ersichtlich. Gemäß einem Beispiel ergibt sich mit einem Detektorelement 28 von 700 × 700 µm, einem Einfallswinkel von 102° und einem Reflektor mit 97 % Reflexionsrate eine Effektivität von mehr als 24 %.
In 4 ist in einer dreidimensionalen vereinfachten Darstellung eine äußere Form eines Gassensors 10 dargestellt. Die Kantenlängen eines Gehäuses 12 eines solchen Gassensors 10 liegen beispielsweise im Bereich von 15-20 mm. Die Probenkammer 14, hier offen dargestellt, lässt einen der Reflektoren 16B der Reflektoranordnung 16 erkennen. Im unteren Bereich ist ein Emitterelement 24 angedeutet. Die gestrichelten Linien verdeutlichen eine ellipsoide Form, die in die Probenkammer 14 eingearbeitet ist und mit einem Teilbereich den Einkoppelreflektor 26 bildet. Diese ellipsoide Form ist derart dimensioniert, dass sich jeweils ein Brennpunkt des Einkoppelreflektors 26 am Emitterelement 24 bzw. am Reflektor 16A der Reflektoranordnung 16 ausbildet.
5 verdeutlicht in einer dreidimensionalen Schnittdarstellung einer Hälfte eines erfindungsgemäßen Gassensors 10 den grundsätzlichen Aufbau. Innerhalb des Gehäuses 12 ist als Hohlraum oder Aussparung die Probenkammer 14 eingearbeitet. Zu erkennen ist hier einer der Reflektoren 16B der Reflektoranordnung 16, der als konkave oder nach innen gewölbte lichtreflektierende Fläche ausgeführt ist. Als Beschichtung für derartige Reflektoren können beispielsweise Silber, Silberverbindungen oder Alanoid verwendet werden.
Weiterhin ist ein Einkoppelreflektor 26 vorgesehen, der eine elliptische Form aufweist. Genauer gesagt bildet der Einkoppelreflektor 26 mit seiner Reflektorfläche einen Teilbereich einer Oberfläche eines ellipsoiden Körpers nach. An einer Unterseite der Probenkammer 14 samt Gehäuse 12 ist ein Trägersubstrat 34 befestigt. Das Befestigen kann beispielsweise durch Verkleben, Verlöten oder ähnliche Verfahren erfolgen. Ein Teilbereich einer Oberfläche des Trägersubstrates 34 bildet gleichzeitig eine innere Wandung und Begrenzung der Probenkammer 14.
Durch die gezielte Positionierung der einzelnen Reflektoren 16A, 16B und 16C der Reflektoranordnung 16 kann eine Position des optischen Pfades 20 (siehe 1) innerhalb der Probenkammer 14 beeinflusst werden. Hierdurch kann ein Zwischenraum 36 zwischen dem Trägersubstrat 34 und dem Bereich eines optischen Pfades 20 geschaffen werden, durch den kein für die Analyse des Probengases relevanter Lichtanteil passiert. In diesem Bereich können beispielsweise elektronische Komponenten wie ein Mikrocontroller 38 und ein analoges Frontend 40 positioniert werden.
Insbesondere kann hier aufgrund der Platzverhältnisse die Verwendung von SMD-Bauteilen infrage kommen. Auf diese Weise können diese Komponenten platzsparend innerhalb des Gehäuses 12 des Gassensors 10 integriert werden. Das Emitterelement 24 strahlt im hier gezeigten Beispiel Licht nach oben, also quer zum optischen Pfad 20 in der Probenkammer 14 ab. Dieses wird dann im darüberliegenden Einkoppelreflektor 26 in eine laterale Richtung umgelenkt und auf einen Reflektor 16A (hier nicht sichtbar) der Reflektoranordnung 16 fokussiert.
In 6 ist der erfindungsgemäße Gassensor 10 in einer lateralen Schnittdarstellung gezeigt. In dieser Draufsicht ist das Gehäuse 12 mit der Probenkammer 14 zu erkennen, in dem eine Reflektoranordnung 16 mit drei Reflektoren 16A, 16B und 16C angeordnet ist. Auf einem Trägersubstrat 34 sind ein Emitterelement 24 und ein Detektorelement 28 aufgebracht. Die Positionierung ist dabei so gewählt, dass Lichtanteile oder Streulicht vom Emitterelement 24 nicht auf direktem Wege in den Bereich des Detektorelementes 28 gelangen können und so das empfangene Signal am Detektorelement 28 verfälschen oder qualitativ mindern können. Zu erkennen sind die bereits in 5 gezeigten elektronischen Komponenten, wie hier beispielhaft ein Mikrocontroller 38 und ein analoges Frontend 40. Das analoge Frontend 40 ist insbesondere zur Aufbereitung der analogen Messsignale des Detektorelementes 28 sowie zur Ansteuerung des Emitterelements 24 vorgesehen.
7 zeigt einen vertikalen Schnitt durch einen zentralen Bereich der Probenkammer 14 eines erfindungsgemäßen Gassensors 10 gemäß einer der vorhergehenden 1 bis 6. Dieser dargestellte Bereich weist hier in seinen Dimensionen eine Höhe von etwa 8-10 mm und eine laterale Erstreckung von etwa 16 mm auf. Im zentralen Bereich, als schraffierte Fläche dargestellt, ist der Bereich des optischen Pfades 20 zu erkennen. Mit anderen Worten ist dies der Bereich, durch den Licht passiert, wenn er zwischen den verschiedenen Reflektoren 16A, 16B und 16C mehrfach reflektiert wird.
Eine vertikale Höhe oder Ebene des Trägersubstrates 42 ist als durchgängige Linie dargestellt, ergänzt durch die als gestrichelte Linie dargestellte untere Begrenzung 44 des Bereiches des optischen Pfades 20. Hieraus ergibt sich ein Zwischenraum 36, der für die Unterbringung weiterer Komponenten und Bauteile verwendet werden kann.
8 zeigt eine Lichtverteilung an einer vertikalen Fläche vor dem Reflektor 16B in der Probenkammer 14. Die in der Mitte dargestellten schraffierten Bereiche zeigen, dass in diesem Falle fünf Reflexionsereignisse an diesem Spiegel, jeweils benachbart zueinander, stattfinden. Der Durchmesser der jeweiligen lichtaktiven Bereiche einer einzelnen Reflektion beträgt dabei vor dem Reflektor etwa 2-3 mm.
In den 9-17 ist eine weitere Ausführungsvariante hinsichtlich einer Form der Probenkammer 14 und der Reflektoranordnung 16 gezeigt. In 9 ist eine vereinfachte Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Gassensors 10 gezeigt. Über einen Einkoppelreflektor 26 wird Licht in einen Parabolspiegel 48A als Teilbereich der Probenkammer 14 eingekoppelt. Das Licht passiert eine kanalförmige Probenkammer 14, die durch mehrere Reflektoren der Reflektoranordnung 16 Licht zu einem weiteren Parabolspiegel 48B weiterleitet. Aus diesem Parabolspiegel 48B wird Licht einem Auskoppelreflektor 32 zugeführt.
Der wesentliche Unterschied zu den in den 1-8 beschriebenen Varianten besteht in einer Faltung eines optischen Pfades 20 in der Passage durch die Probenkammer 14. In diesem Falle ist die Probenkammer 14 selbst in ihrer Form gefaltet. Die Weiterleitung des Lichts durch diese kanalartige Struktur erfolgt mithilfe einer gezielten Anordnung von Reflektoren der Reflektoranordnung 16 entlang der Probenkammer 14. Im hier gezeigten Beispiel ist die Probenkammer 14 in Form eines „M“ geformt, um eine ausreichende Länge des optischen Pfades 20 innerhalb der gegebenen Platzverhältnisse zu erreichen. Die Optik kann aufgrund dieses Aufbaus als ein einziges integriertes Bauteil hergestellt werden. Daraus ergibt sich auch der Vorteil, dass keine aufwändige optische Kalibrierung und Ausrichtung für jeden einzelnen Gassensor 10 notwendig sind. Die Dicke einer solchen Optik kann beispielsweise im Bereich von 2-3 mm liegen.
Innerhalb eines zentralen Bereiches der Probenkammer 14 sind zwei Eintrittsöffnungen 50 für Probengas vorgesehen. Durch diese Öffnungen kann ein Probengas durch das Gehäuse 12 in die Probenkammer 14 und in den Bereich des optischen Pfades 20 (hier nicht gezeigt) gelangen. Durch die M-förmige Ausformung der Probenkammer 14 ergibt sich die Möglichkeit, eine Kavität 46 für elektronische Komponenten zu schaffen, die in ihrem Innenbereich beispielsweise einen Mikrocontroller 38 und/oder ein analoges Frontend 40 aufnehmen kann. Auf diese Weise kann eine effektive Nutzung des Platzes innerhalb des Gehäuses 12 erreicht werden. Gemäß einem Beispiel weist die Optik eine Effizienz von 7,2 % bei einer Fläche des Detektorelementes 28 von 700 × 700 µm und einem Einfallswinkel von 102° auf.
10 zeigt eine vereinfachte vertikale Schnittdarstellung durch einen Einkoppelreflektor 26 mit einem Parabolspiegel 48. Analog kann der Einkoppelreflektor 26 auch der Auskoppelreflektor 32 sein. Der Einkoppelreflektor 26 ist halbellipsoid ausgeführt, was bedeutet, dass eine Kontur des Einkoppelreflektors 26 zumindest teilweise einem in Längsrichtung geteilten elliptischen Körper folgt. Der Parabolspiegel 48 erlaubt durch seine Form eine Fokussierung eines optischen Pfades 20 auf einen Grenzbereich zwischen dem Parabolspiegel 48 und dem Einkoppelreflektor 26. In diesem Grenzbereich ist zusätzlich ein Referenzlichtreflektor 52 vorgesehen, der beispielsweise als umlaufende reflektierende Schicht auf Basis von Silber, Silberverbindungen oder Alanoid aufgebracht wird.
In 11 ist insbesondere die Wirkungsweise des Referenzlichtreflektors 52 genauer erklärt. In einer räumlichen Darstellung ist ein Teilbereich eines erfindungsgemäßen Gassensors 10 mit einem Einkoppelreflektor 26 gezeigt. An diesen schließt sich in der Abbildung links ein Parabolspiegel 48 an. Der ellipsoid ausgeprägte Einkoppelreflektor 26 ist so angeordnet und in seiner Form ausgeführt, dass ein erster Brennpunkt im Bereich eines Emitterelements 24 und ein zweiter Brennpunkt in einem gemeinsamen Brennpunkt 54 von Parabolspiegel 48 und Emitterelement 24 liegt. Vom Emitterelement 24 wird im Wesentlichen in vertikaler Richtung nach oben Licht ausgesendet. In 11 ist lediglich beispielhaft ein ausgewählter Teil des emittierten Lichts des Emitterelements 24 gezeigt.
Dieses vom Emitterelement 24 ausgesendete Licht wird an der Oberfläche des Einkoppelreflektors 26 reflektiert und als Einkoppelpfad 22 auf den gemeinsamen Brennpunkt 54 von Parabolspiegel 48 und Einkoppelreflektor 26 gelenkt. Im Bereich dieses gemeinsamen Brennpunktes 54 ist das Trägersubstrat 34 mit einer reflektierenden Schicht versehen, die als Reflektor oder Spiegel dient. Dies kann beispielsweise ein flacher Spiegel sein. Folglich wird über den gemeinsamen Brennpunkt 54 und die reflektierende Oberfläche des Trägersubstrates 34 in diesem Bereich Licht aus dem Einkoppelpfad 22 in den optischen Pfad 20 eingekoppelt.
Dabei ist der Parabolspiegel 48 in seinen Dimensionen und mit seinen reflektierenden Oberflächen derart ausgestaltet, dass sich sein Fokus oder Brennpunkt 50 mit dem Brennpunkt des Einkoppelreflektors 26 bzw. mit dem Brennpunkt des Auskoppelreflektors 32 deckt. Auf diese Weise kann ein möglichst hoher Lichtanteil vom Einkoppelreflektor 26 in den optischen Pfad 20 übergeben werden. Innerhalb des Parabolspiegels 48 breitet sich das Licht über den optischen Pfad 20 weiter in den Bereich der kanalförmigen Probenkammer 14 aus.
In einem Bereich des Übergangs zwischen dem Einkoppelreflektor 26 und dem Parabolspiegel 48 ist ein Referenzlichtreflektor 52 angeordnet. Dieser kann, gemäß einem Beispiel, als Hohlspiegel mit gewölbt umlaufender Form ausgeführt sein. Durch diese Form weist der Referenzlichtreflektor 52 zwei Brennpunkte auf. Hierbei wird der Referenzlichtreflektor 52 derart positioniert, ausgeformt und angeordnet, dass ein erster Brennpunkt des Referenzlichtreflektors 52 am Emitterelement 24 angeordnet ist und sich ein zweiter Brennpunkt an einem Referenzdetektorelement 56 ergibt. Gemäß einem Beispiel reflektiert der Referenzlichtreflektor 52 einen Anteil von 3-8 % des vom Emitterelements 24 emittierten Lichts in Richtung des Referenzdetektorelement 56.
Dieses Referenzdetektorelement 56 ist ausgeführt, eine Stärke von ausgesendetem Licht des Emitterelements 24 zu ermitteln. Insbesondere soll eine vom Referenzdetektorelement 56 ermittelte Lichtstärke dazu dienen, ein Referenzsignal zur Kalibrierung eines Detektorelementes 28 zu erzeugen. Hierzu ist das Referenzdetektorelement 56, wie im Beispiel von 11 gezeigt, in räumlicher Nähe zum Emitterelement 24 angeordnet, sodass Streulicht 58 vom Emitterelement 24 zum Referenzdetektorelement 56 gelangen kann. Mit anderen Worten können hier Eigenschaften des Lichts erfasst werden, was direkt vom Emitterelement 24 ausgesendet wird, ohne dass es den optischen Pfad 20 durchquert. Auf diese Weise können bei der Analyse eines Ausgangssignals am Detektorelement 28 Charakteristiken im Signal besser erkannt werden.
12 zeigt die in 9 bis 11 gezeigten Elemente des erfindungsgemäßen Gassensors 10 in einer weiteren räumlichen schematischen Darstellung. Es ist zu erkennen, dass Eintrittsöffnungen 50 für Probengas an einer Oberseite des Gehäuses 12 angeordnet sind. Entsprechend ist auf der Unterseite ein Trägersubstrat 34 vorgesehen, was insbesondere die Funktionselemente in der Kavität 46 aufnimmt und auch Träger für das Emitterelement 24, das Detektorelement 28 und das Referenzdetektorelement 56 ist.
In 13 ist die in 12 dargestellte erfindungsgemäße Ausführungsform dahingehend ergänzt, dass hier der optische Pfad 20 mit seinen Teilpfaden erkennbar ist. Insbesondere ist erkennbar, dass ausgehend von einem Brennpunkt oder Quellpunkt des Lichts, ein Auffächern des Lichts über einen Ausbreitungsweg stattfindet. Dies ist insbesondere auf Streueffekte, Brechungseffekte und ähnliche typische optische Effekte bei der Ausbreitung von Licht zurückzuführen. Die Reflektoren der Reflektoranordnung 16 sind ausgeführt, Licht aus einem Flächenbereich des optischen Pfades 20 aufzunehmen und auf einen im optischen Pfad 20 dahinterliegenden Reflektor der Reflektoranordnung 16 zu fokussieren.
Gemäß einem Beispiel sind hierzu die Reflektoren der Reflektoranordnung 16 als Hohlspiegel oder Parabolspiegel 48 ausgeführt. Am Ende des optischen Pfades 20 im Bereich des Auskoppelreflektors 32 wird über einen zweiten Parabolspiegel 48 das Licht auf einen gemeinsamen Brennpunkt des Parabolspiegels 48 und des Auskoppelreflektors 32 gelenkt. Von dort wird über den Auskoppelreflektor 32 Licht auf das Detektorelement 28 gelenkt. Das Detektorelement 28 und das Emitterelement 24 sind auf dem Trägersubstrat 34 mechanisch und elektrisch befestigt und weisen eine Hauptabstrahlrichtung bzw. Haupteinfallsrichtung quer zum Verlauf des optischen Pfades 20 auf.
14 zeigt eine stark vereinfachte Darstellung eines Längsschnitts durch einen erfindungsgemäßen Gassensor 10. Die unterschiedlich starken Schattierungen im Bereich des optischen Pfades 20 bzw. im Bereich des Einkoppelreflektors 26 und des Auskoppelreflektors 32 sollen eine Dichte des optischen Pfades 20, also eine Lichtstärke pro Fläche, und somit eine Stärke der Fokussierung des Lichts im optischen Pfad 20 verdeutlichen. Ziel ist hierbei, einen möglichst hohen Anteil von imitiertem Licht vom Emitterelement 24 durch die Probenkammer 14 zum Detektorelement 28 zu leiten. Erkennbar sind auch die jeweils gemeinsamen Brennpunkte der Parabolspiegel 48 bzw. des Einkoppelreflektors 26 sowie des Auskoppelreflektors 32.
In 15 ist in ähnlicher Weise wie in 3 eine Abhängigkeit einer gemessenen Lichtstärke am Detektorelement 28 von der Länge des optischen Pfades 20 aufgetragen. In dem hier beschriebenen gefalteten M-förmigen Aufbau der Probenkammer 14 ergibt sich mit einer Länge von etwa 65 mm Länge des optischen Pfades 20 ein vorteilhafter Kompromiss zwischen möglichst zahlreichen Interaktionen zwischen dem Infrarotlicht und den Gasmolekülen und möglichst geringen Dämpfungseffekten aufgrund zu langer Wegstrecke des Lichts. Gemäß einem Beispiel beträgt eine minimale Länge des optischen Pfades 20 60 mm.
16 zeigt vereinfacht ein Ausführungsbeispiel eines Trägersubstrats 34 eines erfindungsgemäßen Gassensors 10. Das Trägersubstrat 34 kann beispielsweise aus einem üblichen PCB-Material und beispielsweise eine Dicke von 1 bis 3 mm aufweisen. Im Bereich der Probenkammer 14 ist auf dem Trägersubstrat 34 eine reflektierende Schicht 60 aufgebracht, deren Material beispielsweise Alanoid, Silber oder Silberverbindungen enthält und für Licht der gewählten Wellenlänge (beispielsweise Infrarot) reflektierend wirkt.
Weiterhin sind auf dem Trägersubstrat 34 ein Emitterelement 24, ein Detektorelement 28 sowie ein in der direkten räumlichen Nähe des Emitterelements 24 angeordnetes Referenzdetektorelement 56 vorgesehen. Ein Vorteil dieses Aufbaus ist ein vergleichsweise einfacher Herstellungsprozess, da alle Elemente, inklusive eventuell im Bereich der Kavität 46 vorgesehener Bauelemente, als eine gesamte integrierte Baugruppe bereitgestellt werden können.
17 zeigt abschließend eine räumliche Draufsicht auf ein Gehäuse 12 eines erfindungsgemäßen Gassensors 10. Hier sind zwei Eintrittsöffnungen 50 für Probengas vorgesehen, durch den ein Gasaustausch in einen Bereich einer innen liegenden Probenkammer 14 erfolgen kann. Diese Eintrittsöffnungen 50 können alternativ, gemäß einem Beispiel, auch als Öffnungen am Trägersubstrat 34 vorgesehen sein.
In 18 ist ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens 100 zur Herstellung eines Gassensors zur spektroskopischen Detektion von Gasmolekülen gezeigt. Zunächst erfolgt ein Bereitstellen 110 einer Probenkammer 14 und das Herstellen 120 eines Trägersubstrates. In einem Folgeschritt werden die Probenkammer 14 und das Trägersubstrat 34 aneinander flächig befestigt 130 bzw. miteinander flächig verbunden. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Gassensors 10 lassen sich einerseits die Optik mit dem Gehäuse 12 und der Probenkammer 14 samt Reflektoranordnung 16 als auch das Trägersubstrat 34 mit seinen einzelnen Elementen jeweils als ein integriertes Bauteil herstellen. Die Probenkammer 14 und das vollständige Trägersubstrat 34 müssen dann in nur noch einem Verfahrensschritt zusammengefügt werden, um den Gassensor 10 herzustellen.
So weist das Bereitstellen 110 der Probenkammer 14 ein Herstellen 140 einer Reflektoranordnung sowie ein Herstellen 150 eines Einkoppelreflektors auf. Entsprechend erfolgt zum Herstellen 120 eines Trägersubstrates 34 ein Aufbringen 160 eines Emitterelementes 24 auf den Bereich des Trägersubstrates 34, der einen Wandbereich der Probenkammer 14 bildet.
Bezugszeichenliste

10: Gassensor
12: Gehäuse
14: Probenkammer
16: Reflektoranordnung
18: White-Cell-Anordnung
20: optischer Pfad
22: Einkoppelpfad
24: Emitterelement
26: Einkoppelreflektor
28: Detektorelement
30: Auskoppelpfad
32: Auskoppelreflektor
34: Trägersubstrat
36: Zwischenraum
38: Mikrocontroller
40: analoges Frontend
42: Ebene des Trägersubstrates
44: untere Begrenzung des optischen Pfades
46: Kavität für elektronische Komponenten
48: Parabolspiegel
50: Eintrittsöffnungen für Probengas
52: Referenzlichtreflektor
54: gemeinsamer Brennpunkt von Parabolspiegel und Emitterelement
56: Referenzdetektorelement
58: Streulicht
60: reflektierende Schicht
100: Verfahren zur Herstellung eines Gassensors
110: Bereitstellen einer Probenkammer
120: Herstellen eines Trägersubstrates
130: Flächiges Befestigen
140: Herstellen einer Reflektoranordnung
150: Herstellen eines Einkoppelreflektors
160: Aufbringen eines Emitterelementes

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

White Cell Anordnung wurde erstmalig 1942 von John U. White in der Publikation White, John (1942). „Long Optical Paths of Large Aperture“. Journal of the Optical Society of America. 32 (5): 285 [0037]

Claims

Gassensor (10) zur spektroskopischen Detektion von Gasmolekülen, aufweisend - eine Probenkammer (14), die ausgestaltet ist, ein Probengas aufzunehmen; - eine Reflektoranordnung (16) innerhalb der Probenkammer (14), die ausgestaltet und angeordnet ist, einen optischen Pfad (20) für Licht durch die Probenkammer (14) zu bilden; - ein optisches Emitterelement (24) zum Aussenden von Licht, wobei das Emitterelement (24) außerhalb des optischen Pfades (20) angeordnet ist; - ein optisches Detektorelement (28), das ausgeführt ist, vom Emitterelement (24) ausgesendetes Licht nach Passieren des optischen Pfades (20) zu detektieren; - einen Einkoppelreflektor (26), der ausgeführt ist, vom Emitterelement (24) ausgesendetes Licht über einen optischen Einkoppelpfad (22) in ein erstes Ende des optischen Pfades (20) einzukoppeln, wobei der Einkoppelreflektor (26) zumindest teilweise ellipsoid ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Reflektoranordnung um eine White-Cell-Anordnung handelt, so dass das erste Ende des optischen Pfades an einem der Reflektoren einer White Cell angeordnet ist, wobei der Einkoppelreflektor (26) derart ausgeführt und relativ zum optischen Pfad (20) angeordnet ist, dass der Reflektor (26) seinen ersten Brennpunkt im Bereich des Emitterelements (24) und seinen zweiten Brennpunkt an der Reflektoranordnung (16) an dem ersten Ende des optischen Pfades (20) ausbildet.
Gassensor (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Emitterelement (24) derart angeordnet und ausgeführt ist, dass eine primäre Abstrahlrichtung des Lichts vom Emitterelement (24) quer zum optischen Pfad (20) gerichtet ist.
Gassensor (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei weiterhin ein Auskoppelreflektor (32) vorgesehen ist, der ausgeführt ist, Licht aus einem zweiten Ende des optischen Pfades (20) über einen optischen Auskoppelpfad (30) auszukoppeln und an das Detektorelement (28) weiterzuleiten; wobei das Detektorelement (28) außerhalb des optischen Pfades (20) angeordnet ist.
Gassensor (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Reflektionsbereich des Einkoppelreflektors (26) und/oder des Auskoppelreflektors (32) im optischen Pfad (20) angeordnet sind.
Gassensor (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an der Probenkammer (14) ein Trägersubstrat (34) angeordnet ist und das Emitterelement (24) und/oder das Detektorelement (28) auf dem Trägersubstrat (34) angeordnet sind.
Gassensor (10) gemäß Anspruch 5, wobei eine Hauptabstrahlrichtung des Emitterelements (24) und/oder eine Haupteinfallsrichtung des Detektorelementes (28) senkrecht zu einer Ebene (42) des Trägersubstrates (34) gerichtet sind.
Gassensor (10) gemäß Anspruch 6, wobei die Reflektoranordnung (16) innerhalb der Probenkammer derart angeordnet ist, dass der optische Pfad (20) zum Trägersubstrat (34) beabstandet ist, sodass ein Zwischenraum (36) zur Aufnahme von Funktionselementen (38,40) am Trägersubstrat (34) gebildet wird.
Gassensor (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei weiterhin ein Referenzdetektorelement (56) vorgesehen ist; wobei das Referenzdetektorelement (56) ausgeführt und angeordnet ist, eine Stärke von ausgesendetem Licht des Emitterelementes (24) vor dem Übergang in den optischen Pfad (20) zu ermitteln.
Gassensor (10) gemäß Anspruch 8, wobei der Gassensor (10) ausgestaltet ist, auf Basis der vom Referenzdetektorelement (56) ermittelten Lichtstärke ein Referenzsignal zur Kalibrierung des Detektorelementes (28) zu erzeugen.
Gassensor (10) gemäß Anspruch 9, wobei im Bereich des Emitterelementes (24) weiterhin ein Referenzlichtreflektor (52) vorgesehen ist, der derart ausgeführt und angeordnet ist, sodass sich dessen erster Brennpunkt am Emitterelement (24) und dessen zweiter Brennpunkt am Referenzdetektorelement (56) ausbildet.
Gassensor (10) gemäß Anspruch 10, wobei eine Form des Referenzlichtreflektors (52) zumindest teilweise ellipsoid oder als Hohlspiegel ausgebildet ist.
Gassensor (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gassensor (10) auf nichtdispersiver Infrarotspektroskopie (NDIR) basiert.
Gassensor (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gassensor (10) als SMD-Bauteil ausgeführt ist.
Verfahren (100) zur Herstellung eines Gassensors zur spektroskopischen Detektion von Gasmolekülen, aufweisend die Schritte: - Bereitstellen (110) einer Probenkammer, die ausgestaltet ist, ein Probengas aufzunehmen; - Herstellen (120) eines Trägersubstrates; - Flächiges Befestigen (130) eines Trägersubstrates an der Probenkammer, sodass das Trägersubstrat zumindest teilweise einen Wandungsbereich der Probenkammer bildet.
Verfahren (100) gemäß Anspruch 14, wobei das Bereitstellen (110) der Probenkammer die Schritte aufweist: - Herstellen (140) einer Reflektoranordnung, die ausgestaltet ist, einen optischen Pfad für Licht innerhalb der Probenkammer zu bilden; und - Herstellen (150) eines Einkoppelreflektors, der ausgeführt ist, von einem Emitterelement ausgesendetes Licht über einen optischen Einkoppelpfad in ein erstes Ende des optischen Pfades der Probenkammer einzukoppeln.
Verfahren (100) gemäß Anspruch 14 oder 15, wobei das Herstellen (120) des Trägersubstrates die Schritte aufweist: - Aufbringen (160) eines Emitterelementes und eines Detektorelementes auf den Bereich des Trägersubstrates, der einen Wandbereich der Probenkammer bildet.