DE3900983A1

DE3900983A1 - Waermestrahlungssensor

Info

Publication number: DE3900983A1
Application number: DE3900983A
Authority: DE
Inventors: Werner Dr Dipl Phys Gruenwald; Hans-Georg Denkinger; Peter Dipl Ing Nolting
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1989-01-14
Filing date: 1989-01-14
Publication date: 1990-07-19
Anticipated expiration: 2009-01-15
Also published as: DE3900983C2

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft einen Wärmestrahlungssensor nach der Gattung des Hauptanspruchs. Ein aus der DE-OS 35 36 133 bekannter derartiger Sensor ist in einem Gehäuse aus duro plastischem Kunststoff untergebracht. Es hat sich nun gezeigt, daß beim bekannten Sensor bei seitlichem Einfall von Wärme strahlung auf das Sensorgehäuse ein Signal auch dann ange zeigt wird, wenn auf das Fenster über dem einen temperatur abhängigen Widerstandselement überhaupt keine Strahlung auftrifft. Durch die ungleichmäßige Aufheizung des Gehäuses treten nämlich Temperaturunterschiede auf, die zu dem be schriebenen fehlerhaften Temperatursignal führen.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Wärmestrahlungssensor mit den kenn zeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß er auch bei seitlich einfallender Wärme strahlung bzw. Störstrahlung kein fehlerhaftes Temperatur signal erzeugt, sondern weiterhin ein Ausgangssignal erzeugt, das streng linear zur Bestrahlungsstärke ist. Durch das gut wärmeleitende Metall des Gehäuses werden etwaige Tempera turunterschiede an diesem sehr rasch ausgeglichen und können nicht zu Störsignalen führen. Außerdem wirkt das Metall gehäuse reflektierend für IR-Strahlen, so daß eine Auf heizung des Gehäuses durch die Strahlung weitgehend ver mieden wird. Die dicht nebeneinander angeordneten Kontaktstifte im mittleren Bereich einer Gehäuse wandung sorgen dafür, daß die nicht zu verhindernde Wärme leitung vom Gehäuse zum Substratplättchen praktisch symme trisch erfolgt und dadurch kein Störsignal hervorruft. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß der Sensor im Gegen satz beispielsweise zu Halbleiterfühlern (Fotodioden) auch auf eine kältere Umgebung durch einen negativen Spannungs ausschlag reagiert.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Wärmestrahlungssensors möglich.

Durch die symmetrische Anordnung der Kontaktstifte erfolgt die Wärmeleitung zum Substratplättchen noch gleichmäßiger, so daß die Gefahr eines Störsignals noch geringer wird.

Um zur Vermeidung von Störsignalen die Wärmeleitung zwischen Gehäuse und Substratplättchen noch weiter zu reduzieren, wird das Substratplättchen in vorteilhafter Weise von den Kontaktstiften frei tragend gehalten. In Fällen, wo dies nicht möglich ist, z.B. wenn der Sensor großen Beschleuni gungen unterworfen wird, wird das Substratplättchen an seinen Umfangskanten vom Gehäuse gehalten, wobei die Halte bereiche relativ zur Umfangslänge des Substratplättchens klein sind. Dies kann z.B. dadurch erfolgen, daß das Substrat plättchen nur an seinen Eckbereichen, nur an seinen kürzeren Querkanten oder nur an der der Anschlußkante gegenüber liegenden Kante gehalten wird. Hierzu weist das Gehäuse und/oder das Substratplättchen zweckmäßigerweise Halte vorsprünge auf, die die schmalen Haltebereiche bilden. Diese können insbesondere auch als Klebeverbindungen ausge bildet sein.

Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit besteht darin, das Substratplättchen durch eine im Gehäuse eingespannte Kunst stoffolie mit geringer Wärmeleitfähigkeit zu halten. Auch hierbei wird trotz guter mechanischer Fixierung des Substrat plättchens eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit erzielt.

Als gut wärmeleitfähiges Metall für das Gehäuse eignet sich insbesondere Aluminium oder ein anderes Leichtmetall mit guten Wärmeleiteigenschaften, um das Gewicht des Sensors möglichst gering zu halten. Dabei besteht wenigstens ein den wesentlichsten Teil des Gehäuses ausmachender Rahmen aus Aluminium, der einseitig oder zweiseitig mit Deckeln abgeschlossen ist. Einer dieser Deckel weist das Fenster auf. Auch die Deckel können prinzipiell aus Aluminium be stehen.

Da viele andere Sensoren eine Temperaturkompensation be nötigen, erweist es sich als zweckmäßig, wenigstens einen weiteren solchen Sensor im Gehäuse und/oder auf dem Substrat plättchen anzuordnen, wobei der Wärmestrahlungssensor zur Temperaturkompensation dieses weiteren Sensors eingesetzt wird. Hierdurch kann eine prinzipiell komplizierte Sensor anordnung durch eine einfache und kostengünstige Konstruk tion realisiert werden.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Wärme strahlungssensors,

Fig. 2 eine Querschnittsdarstellung in der Ebene eines Kontaktstifts mit frei tragend daran gehaltenem Substratplättchen und

Fig. 3 eine Teildarstellung eines Haltebereichs für das Substratplättchen in der Ecke des Gehäuses in der Draufsicht.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Der in Fig. 1 dargestellte Wärmestrahlungssensor besteht im wesentlichen aus einem Rahmen 11 aus Aluminium oder einem anderen gut wärmeleitenden und möglichst leichten Metall. Im Innern dieses Rahmens 11 ist ein Substratplättchen 5 aus einem Keramikmaterial angeordnet, das zwei plättchen förmige, temperaturabhängige Widerstandselemente 1 und 2 sowie zwei weitgehend temperaturunabhängige Widerstands elemente 3 und 4 aufweist, die als Brückenschaltung über Leiterbahnen 6 miteinander verbunden sind.

Vier Kontaktstifte 7-10 sind durch eine Seitenwandung an einer Längsseite des Rahmens 11 isoliert mit Hilfe von keramischen Durchführungen 15 hindurchgeführt, die selbstver ständlich auch als Kunststoffdurchführungen ausgebildet sein können. Die Kontaktstifte 7-10 sind mit den Durch führungen 15 und der Seitenwandung 11 vergossen oder verklebt. Im Innern des Rahmens 11 sind die Kontaktstifte 7-10 mit dem Substratplättchen 5 fest verbunden, z.B. verklebt, vergossen, verschraubt, verlötet od.dgl. Auf jeden Fall sind diese Kontaktstifte 7-10 elektrisch über die Leiter bahnen 6 mit der Brückenschaltung verbunden. Wie insbesondere auch aus Fig. 2 hervorgeht, ist das Substratplättchen 5 frei tragend an den Kontaktstiften 7-10 angebracht, so daß eine Wärmeleitung zum Rahmen 11 nur über diese Kontakt stifte 7-10 erfolgen kann. Um zur Verhinderung von Stör signalen die geringe verbleibende Wärmezuleitung möglichst gleich und symmetrisch zu machen, sind die Kontaktstifte 7-10 dicht nebeneinander und symmetrisch in der Mitte der Längsseite des Rahmens 11 angeordnet. Eventuelle ver bleibende geringfügige Temperaturunterschiede im Rahmen 11 werden dadurch noch weiter verringert.

Der Rahmen 11 ist oben durch einen Deckel 12 abgeschlossen und bildet zusammen mit diesem ein Gehäuse für das Substrat plättchen 5. Dieses weist zum Deckel 12 hin einen Abstand von ca. 1 mm auf. Der Deckel 12 ist insgesamt wärmestrahlungs durchlässig und weist auf seiner Innenseite eine Edelmetall schicht 14 auf, die über dem temperaturabhängigen Widerstands element 1 ein Fenster 13 aufweist. Hierdurch wird erreicht, daß das Widerstandselement 1, das zudem noch eine schwarze Lackschicht trägt, der Wärmestrahlung ausgesetzt ist, während dies durch die reflektierende Edelmetallschicht 14 für das zweite temperaturabhängige Widerstandselement 2 nicht zutrifft. Der Deckel 12 ist mit dem Rahmen 11 verklebt oder verschraubt.

Der Deckel 12 kann entweder aus einem IR-durchlässigen Glas, z.B. Robax-Glas der Firma Schott, oder aus einer Polyimid-Folie, z.B. Kapton der Firma Dupont, bestehen. Es ist jedoch auch möglich, den Deckel 12 ebenfalls aus Aluminium herzustellen und lediglich für das Fenster 13 eines der genannten Materialien zu verwenden. Im letzteren Fall ist eine noch gleichmäßigere Wärmeverteilung im Gehäuse gewährleistet. Weiterhin ist es möglich, auch die Unterseite des Rahmens 11 durch einen nicht dargestellten Deckel abzu schließen.

Das Aufbringen der Widerstandselemente 1-4 und der Leiter bahnen auf dem Substratplättchen 5 kann vorzugsweise gemäß dem eingangs angegebenen Stand der Technik erfolgen. Das selbe gilt für den Laserabgleich der Widerstandselemente 1-4 bzw. der Brückenschaltung. Nach dem Einsetzen der Kontaktstifte 7-10 mittels der keramischen Durchführungen 5 in die Seitenwandung des Rahmens 11 wird das fertige Substratplättchen 5 dann mit den Kontaktstiften 7-10 elektrisch und mechanisch verbunden. Sofern der Deckel 12 nicht aus Aluminium hergestellt wird, kann seine Her stellung wiederum gemäß dem eingangs angegebenen Stand der Technik erfolgen.

An den Anschlüssen 7 und 9 kann nun eine Brückenspannung von beispielsweise 12 Volt angelegt werden, während an den Anschlüssen 9 und 10 bei Vorliegen einer Wärmestrahlung eine Brückenspannung abgegriffen werden kann, da sich der Widerstand des Widerstandselements 1 im Gegensatz zu dem des Widerstandselements 2 ändert. Durch diese Anordnung wird auch bei schräg einfallender Wärmestrahlung gewähr leistet, daß das Ausgangssignal eine nahezu exakt lineare Abhängigkeit von der Bestrahlungsstärke aufweist. Zum Bei spiel tritt bei einer Bestrahlungsstärke von 2000 W/m² ein Ausgangssignal von ca. 300 mV auf. Wird der Wärmestrah lungssensor in eine kältere Umgebung versetzt, so tritt eine negative Brückenspannung auf. Die Gesamtlinearität bleibt erhalten.

Wird der Wärmestrahlungssensor großen Beschleunigungswerten, Erschütterungen oder Vibrationen ausgesetzt, so kann sich die frei tragende Aufhängung des Substratplättchens 5 an den Kontaktstiften 7-10 als nicht ausreichend erweisen. Gemäß Fig. 3 sind dann in den Eckbereichen des Rahmens 11 kleine Vorsprünge 16 angeordnet, die jeweils mit einer einen Anschlag für das Substratplättchen 5 bildenden Aus nehmung 17 versehen sind. Hierbei kann es sich beispiels weise als ausreichend erweisen, daß nur zwei derartiger Vorsprünge 16 in den beiden Eckbereichen des Rahmens 11 angeordnet sind, die der mit den Kontaktstiften 7-10 versehenen Wandung gegenüberliegen. Das Substratplättchen 5 wird mit diesen Vorsprüngen 16 verklebt.

In Abwandlung der in Fig. 3 dargestellten Anordnung können derartige Vorsprünge 16 auch an den beiden Querwandungen und/oder der den Kontaktstiften 7-10 gegenüberliegenden Längswandung des Rahmens 11 angeordnet sein. Wesentlich ist dabei, daß die Kante des Substratplättchens 5 im Ver gleich zu ihrer gesamtem Umfangslänge nur zu einem sehr geringen Bruchteil in Kontakt mit derartigen Vorsprüngen 16 tritt um die Wärmeleitung zum Rahmen 11 so gering wie möglich zu halten.

Eine weitere Möglichkeit einer Befestigung des Substrat plättchens 5 bei höherer mechanischer Belastung ergibt sich dadurch, daß es auf eine dünne Kapton-Folie oder eine andere Folie mit geringer Wärmeleitfähigkeit aufgeklebt wird, wobei diese Kunststoffolie in den Rahmen 11 einge spannt wird. In allen diesen Fällen sorgt die Verbindung des Substratplättchens 5 mit den Kontaktstiften 7-10 für eine feste Grundlage der Befestigung.

Viele Sensoren benötigen zur Erhöhung der Meßgenauigkeit eine Temperaturkompensation. Ein solcher, als Feuchtesensor ausgebildeter Sensor ist beispielsweise in der DE-OS 36 12 726 beschrieben. Ein derartiger Sensor kann in ein facher Weise zusammen mit dem vorstehend beschriebenen Wärmestrahlungssensor auf einem Substratplättchen angeordnet werden, das in ein entsprechendes Gehäuse eingesetzt wird. Im Falle eines Feuchtigkeitssensors muß selbstverständlich gewährleistet sein, daß die zu messende Feuchtigkeit zum Substratplättchen 5 gelangen kann.

Claims

1. Wärmestrahlungssensor mit vier in einer Brückenschaltung angeordneten flächigen Widerstandselementen, von denen zwei als temperaturabhängige Widerstandselemente und zwei als weitgehend temperaturunabhängige Widerstandselemente ausgebildet sind, mit einem die vier Widerstandselemente sowie diese verbindende Leiterbahnen tragenden, isolierenden Substratplättchen und mit einem das Substratplättchen auf nehmenden Gehäuse, das im Bereich eines der temperatur abhängigen Widerstandselemente ein wärmestrahlungsdurch lässiges Fenster aufweist sowie mit externen, zur Brücken schaltung führenden elektrischen Anschlüssen versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (11, 12) oder wenig stens wesentliche Teile desselben aus einem gut wärmeleiten den Metall bestehen, und daß die elektrischen Anschlüsse als isoliert durch das Gehäuse (11, 12) hindurchgeführte Kontaktstifte (7-10) ausgebildet sind, die im mittleren Bereich einer Gehäusewandung dicht nebeneinander angeordnet sind.

2. Wärmestrahlungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Kontaktstifte (7-10) symmetrisch angeordnet sind.

3. Wärmestrahlungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substratplättchen (5) frei tragend von den Kontaktstiften (7-10) gehalten wird.

4. Wärmestrahlungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substratplättchen (5) an seinen Umfangskanten vom Gehäuse (11, 12) gehalten wird, wobei die Haltebereiche relativ zur Umfangslänge des Substrat plättchens (5) klein sind.

5. Wärmestrahlungssensor nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß das Substratplättchen nur an seinen kürzeren Querkanten gehalten wird.

6. Wärmestrahlungssensor nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß das Substratplättchen nur an seinen Eckbe reichen gehalten wird.

7. Wärmestrahlungssensor nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß das Substratplättchen nur an der der Anschluß kante gegenüberliegenden Kante gehalten wird.

8. Wärmestrahlungssensor nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (11, 12) und/oder das Substratplättchen (5) die Haltebereiche bildende Halte vorsprünge (16) aufweisen.

9. Wärmestrahlungssensor nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die Haltebereiche verklebt sind.

10. Wärmestrahlungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substratplättchen (5) durch eine im Gehäuse (11, 12) eingespannte Kunststoffolie mit geringer Wärmeleitfähigkeit gehalten wird.

11. Wärmestrahlungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse im wesent lichen aus einem Rahmen (11) und einem das Fenster (13) aufweisenden Deckel (12) besteht.

12. Wärmestrahlungssensor nach Anspruch 10, dadurch gekenn zeichnet, daß ein zweiter Deckel an der gegenüberliegenden Seite des Rahmens (11) vorgesehen ist.

13. Wärmestrahlungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das gut wärmeleitende Metall Aluminium ist.

14. Wärmestrahlungssensor nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der Rahmen (11) aus Aluminium besteht.

15. Wärmestrahlungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein weiterer Sensor im Gehäuse (11, 12) und/oder auf dem Substratplättchen (5) angeordnet ist.

16. Wärmestrahlungssensor nach Anspruch 15, dadurch gekenn zeichnet, daß er zur Temperaturkompensation für den weiteren Sensor vorgesehen ist.