DE4242454A1 - Strahlungssensor für thermische Strahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Strahlungssensor für thermische Strahlung gemäß der Gattung des Hauptanspruchs. Sie bezieht sich insbesondere auf einen miniaturisierten, in einem Gehäuse befindlichen thermischen Strahlungssensor, der z. B. in Geräten zur Strahlungsmessung und/oder berührungslosen Temperaturmessung bzw. -überwachung verwendet werden kann. Dabei ist das Gehäuse mit Gas von unterschiedlich hohem Wärmeleitvermögen gefüllt.

Es sind thermische Strahlungssensoren bekannt, die z. B. nach dem Prinzip einer Thermosäule oder eines Bolometers arbeiten. Beiden Wirkprinzipien ist gemeinsam, daß eine thermisch möglichst massearme und gut von der Umgebung entkoppelte Empfängerfläche durch die einfallende Strahlung im Vergleich zum massiven Sensorchip erwärmt wird. Diese Erwärmung wird thermoelektrisch (Thermosäule) oder über die Änderung eines elektrisch vorgespannten Widerstandes (Bolometer) ausgewertet. Das Maß der thermischen Entkopplung bestimmt über den realisierten Wärmewiderstand die Ansprechempfindlichkeit und die Zeitkonstante des Sensors. So führt ein hoher Wärmewiderstand zwischen der sensitiven Fläche und der Sensorumgebung zu hohen Empfindlichkeiten, wobei sich gleichzeitig die Zeitkonstante erhöht. Je nach Zielstellung kann also durch eine geeignete Wahl des Wärmewiderstands ein solcher Sensor bzgl. Empfindlichkeit oder Zeitkonstante optimiert werden. Bei bekannten Lösungen wird dies z. B. dadurch erreicht, daß der strahlungsaufnehmende Bereich des Sensorchips auf einer sehr dünnen, freitragenden Membran aufgebracht ist, die über einen massiven, gut wärmeableitenden Rahmen (Wärmesenke) aufgespannt ist. Neben Möglichkeiten eines optimalen Chipdesigns (DD-PS 2 21 604) wurden auch Lösungen bekannt, die bei gegebenem Chipdesign durch Füllung des Sensorgehäuses mit geeigneten Gasen (Wärmeleitvermögen) eine Beeinflussung des Wärmewiderstands und damit der Sensorparameter ermöglichen. Darüber hinaus gibt es Lösungen, die durch geeignete geometrische Gestaltung des Sensorgehäuses, z. B. durch Schaffung eines definierten Gasvolumens unter der Empfängerfläche, das gleiche Ziel erreichen (DD-PS 2 81 935). In all diesen Fällen ist nach Verschluß des Sensorelements im Gehäuse der so aufgebaute Sensor mit seinen Daten festgelegt und kann nicht mehr verändert werden. Empfindlichkeit und Zeitkonstante der in einer Fertigungscharge hergestellten Sensoren streuen innerhalb gewisser Grenzen, sie sind für einen einzelnen Sensor nicht genau vorhersagbar. Werden z. B. zwei oder mehrere Sensoren mit gleicher Empfindlichkeit oder Zeitkonstante benötigt (Austauschbarkeit, Vergleichs- oder Kompensationsaufgaben), so müssen aus einer Fertigungscharge durch Ausmessung einer größeren Anzahl von Sensoren entsprechende Exemplare ausgewählt werden, was im allgemeinen relativ kosten- und zeitaufwendig ist.

Durch die Erfindung sollen nun die aufgezeigten Mängel beseitigt und ein thermischer Strahlungssensor geschaffen werden, dessen Empfindlichkeit und Zeitkonstante innerhalb gewisser Grenzen veränderbar bzw. justierbar ist, so daß es nicht erforderlich ist, in aufwendigen Selektionsverfahren geeignete Strahlungssensoren zu ermitteln.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst. Mit Hilfe des vorzugsweise mechanischen Stellelements ist der Strahlungssensor hinsichtlich seiner Empfindlichkeit und seiner Zeitkonstante in einem relativ weiten Bereich durchstimmbar, das heißt, seine Empfindlichkeit und Zeikonstante sind definiert einstellbar, um ihn an eine Meßaufgabe bzw. eine vorhandene Apparatur anzupassen. Die Veränderung des Abstands zwischen der rückseitigen Empfängerfläche und der ihr zugewandten Stirnfläche des Stellelements verändert die Dicke der dazwischenliegenden Gasschicht und damit deren wirksamen Wärmewiderstand, was letztlich die gewünschte Variation von Empfindlichkeit und Zeitkonstante hervorruft.

Das Stellelement kann dabei eine kontinuierlich und feinfühlig verstellbare Schraube oder eine in Stufen rastende Schubstange oder dergleichen sein. Seine Stirnfläche entspricht hinsichtlich Lage, und Form und Größe der strahlungsaufnehmenden Fläche des Sensors. Ist die Stirnfläche zentral und rechtwinklig zur strahlungsaufnehmenden Fläche in einem Abstandsbereich von 0,1 bis 1,5 mm verstellbar, so ergibt sich zwischen der Stirnfläche und der rückwärtigen Empfängerfläche eine freie Gasschicht gleicher Dicke. Nach der Einstellung des Abstands zwischen der Stirn- und Empfängerfläche kann dieser Abstand lösbar oder unlösbar fixiert werden. Die Anwendung der Erfindung unter Einhaltung des Abstandsbereichs von 0,1 bis 1,5 mm ermöglicht bei verschiedenen Typen von miniaturisierten thermischen Strahlungssensoren eine kontinuierliche und feinfühlige Durchstimmung der Parameter Empfindlichkeit und Zeitkonstante im Bereich von 60 bis 100% der mit der gewählten Modifikation möglichen Maximalwerte, wobei die reproduzierbare Einstellgenauigkeit bei etwa 1% der Maximalwerte liegt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der schematischen Zeichnung eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Das Ausführungsbeispiel ist in einem Aufrißschnitt dargestellt.

In einem Gehäuse 1 mit einem Boden 2 und einer Kappe 3 befindet sich ein Sensorchip 4, z. B. in Form einer miniaturisierten Strahlungsthermosäule. Der Sensorchip 4 ist im wesentlichen zentral zur Fläche des Gehäusebodens 2 gelagert und weist eine freigeätzte Ausnehmung 5 auf, über der sich eine sensitive Fläche 6 auf einer Membran 7 befindet. Die sensitive Fläche 6 ist durch die Membran 7 thermisch gut vom massiven Teil des Sensorchips 4 entkoppelt. Die Gehäusekappe 3 ist, dem Boden 2 gegenüberliegend, mit einem Fenster 8 versehen, durch das eine zu messende Strahlung 9 in das Gehäuse 1 eintritt und zur sensitiven Fläche 6 gelangt. Im Boden 2 sind Kontaktstifte 10 seitlich für die Ableitung der Meßsignale und ein Innengewinde 11 für ein Stellelement (Schraube) 12 mit einer Stirnfläche 13 vorgesehen, das parallel zur geometrischen Achse X-X verstellbar angeordnet ist. Sensitive Fläche 6, Schraube 12 und Stirnfläche 13 sind im wesentlichen koaxial zur Achse X-X angeordnet. Die Steigung des Schraubengewindes ist gering, so daß sie sich genügend feinfühlig verstellen läßt. Die Lage, Form und Größe der Stirnfläche 13 ist der Lage, Form und Größe der sensitiven Fläche 6 angepaßt. Die Schraube 12 ist so verstellbar, daß sich die Stirnfläche 13 in einer Endstellung in einem Abstand von 0,1 mm und in einer zweiten Endstellung von 1,5 mm von der sensitiven Fläche 6 befindet. Dadurch ist es möglich, Empfindlichkeit und Zeitkonstante des Sensors 15 zu variieren. Mit Hilfe einer Versiegelungsschicht 14 kann nach erfolgtem Abgleich des Sensors das Gehäuse 1 hermetisiert und der eingestellte Abgleichwert fixiert werden.

Bezugszeichenliste

 1 Gehäuse
 2 Boden
 3 Kappe
 4 Sensorchip
 5 Ausnehmung
 6 sensitive Fläche
 7 Membran
 8 Fenster
 9 Strahlung
10 Kontaktstifte
11 Innengewinde
12 Stellelement (Schraube)
13 Stirnfläche
14 Versiegelungsschicht
15 Sensor
X-X Achse

Claims (4)

1. Strahlungssensor für thermische Strahlung mit einem eine Ausnehmung aufweisenden Sensorchip und einer die Ausnehmung überdeckenden Membran, auf der sich, abgewandt von der Ausnehmung, eine sensitive Fläche befindet, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Seite der Ausnehmung im wesentlichen koaxial zur Ausnehmung ein Stellelement zur Membran benachbart und rechtwinklig zur sensivitven Fläche bewegbar angeordnet ist.

2. Strahlungssensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Lage, Form und Größe der der Membran benachbart angeordneten Stirnfläche des Stellelements der sensitiven Fläche angepaßt sind.

3. Strahlungssensor gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellelement eine Schraube ist.

4. Strahlungssensor gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellelement fixierbar ist.