DE9108274U1

DE9108274U1 - Infrarotdetektor

Info

Publication number: DE9108274U1
Application number: DE9108274U
Authority: DE
Original assignee: Ultrakust Electronic GmbH
Current assignee: Ultrakust Electronic GmbH
Priority date: 1991-07-04
Filing date: 1991-07-04
Publication date: 1991-09-05
Anticipated expiration: 2001-07-05

Description

Die Erfindung betrifft einen Infrarotdetektor nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.

Infrarotdetektoren werden zur Temperaturmessung, insbesondere im höheren Temperaturbereich, verwendet. Es ist hier bekannt, das Sensorelement in einem Gehäuse anzuordnen, das eine mit einem Filter abgedichtete Durchtrittsöffnung aufweist, durch die die zu messende Strahlung auf das Sensorelement fällt. Ein Problem bei der Temperaturmessung durch diese bekannten Infrarotdetektoren besteht darin, daß die Temperatur des Gehäuses das Meßergebnis des Sensorelements beeinflußt.

Das Ausgangssignal des Sensorelements ist sehr gering, weshalb eine Verstärkung des Ausgangssignals notwendig ist.
Durch die geringe Ausgangsspannung des Sensorelements sind jedoch die zwischen dem Ausgang des Sensorelements und dem Verstärker des Ausgangssignals liegenden elektrischen Leitungen sehr störanfällig gegen äußere Störfelder, die ebenfalls geringe Spannungsdifferenzen in diesen Leitungen hervorrufen können.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung einen Infrarotdetektor der eingangs genannten Art zu schaffen, der eine genaue, weitgehend driftfreie Temperaturmessung ermöglicht, die unempfindlich gegen äußere Störeinflüsse ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Infrarottemperatursensor der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Infrarotdetektors werden die elektrischen Verbindungen zwischen dem Sensorelement und dem Verstärker in ihrer Länge minimiert. Dadurch, daß diese elektrischen Verbindungen durch die Trägerplatte hindurchgeführt sind, sind sie weitgehend vor äußeren Einflüssen geschützt. Die Anordnung der Trägerplatte in einem geerdeten, gekapselten Gehäuse verringert darüber hinaus das Eindringen von Störfeldern in Leitungsteile, die mit nur sehr geringen Signalpegeln beaufschlagt sind. Durch die freischwebende Anordnung der vorzugsweise keramischen Trägerplatte in dem Gehäuse wird erreicht, daß die Trägerplatte im Hinblick auf die Wärmeleitung nur sehr wenig Kontaktpunkte mit dem Gehäuse aufweist. Die Trägerplatte ist somit weitgehend thermisch isoliert und wird nur von einem vorzugsweise inerten Füllgas umspült, das in dem Gehäuse eingeschlossen ist. Eine Aufheizung des Innenraums wird dadurch weitgehend vermieden, daß die Durchtrittsöffnung in der Stirnseite des Gehäuses mit einer Filterscheibe hermetisch abgedeckt ist, die nur für den jeweils interessierenden Spektralbereich durchlässig ist. Die Filterscheibe ist hermetisch dicht mit dem Gehäuse verklebt. Darüber hinaus sorgt das Füllgas für einen homogenen Temperaturausgleich zwischen dem keramischen Träger der Elektronik und dem Gehäuse. Zwischen der Durchtrittsöffnung des Gehäuses und dem Sensorelement ist eine Blende angeordnet, die mit möglichst wenig Kontaktpunkten am Gehäuse oder aber vorzugsweise an dem keramischen Träger des Sensorelementes befestigt ist. Die Blende könnte prinzipiell auch an der

Spitze eines oder mehrerer Trägerstifte befestigt sein, die als Kontaktstifte durch den Sockel des Gehäuses nach außen geführt sind. Wichtig ist, daß die Blende durch die obige Anordnung möglichst wenig wärmeleitenden Kontakt zum Gehäuse aufweist, so daß es vermieden wird, daß die Blende selbst zum Wärmestrahler wird. Die Blende ist nach außen hin vorzugsweise mattiert und dunkelfarbig, damit keine Strahlung in das Gehäuseinnere reflektiert wird und nach innen hin spiegelblank, damit das Sensorelement möglichst nur seine Eigentemperatur sieht. Die Blende deckt das Gehäuseinnere gegenüber der Durchtrittsöffnung soweit ab, daß die Strahlung nur auf die strahlungsempfindliche Fläche des Sensorelements fällt. Hierdurch wird die Aufheizung weiterer Teile im Innenraum des Gehäuses vermieden. Das Sensorelement ist ein sogenanntes Thermopile, das aus mehreren verketteten Thermoelementen aufgebaut ist. An einer geeigneten Stelle auf diesem Thermopile ist ein temperaturabhängiger Widerstand angeordnet, der als Vergleichsstellen-Kompensationsschaltung die Vergleichsstellentemperatur ermittelt, die zur Temperaturkompensation der Signaldrift verwendet wird, die auf einer Temperaturänderung des Sensorelements selbst beruht. Die Kontaktierung des Thermopiles und des Kompensationselements erfolgt durch Bonden. Das Thermopile wird auf die Trägerplatte geklebt und dabei so ausgerichtet, daß die strahlungsempfindliche Fläche des Sensorelements exakt zentrisch unter der Durchtrittsöffnung des Gehäuses liegt. Der verwendete Kleber ist thermisch gut leitend und ansonsten chemisch inaktiv. Die Trägerplatte selbst ruht auf mindestens einem Trägerelement. Das Trägerelement ist vorzugsweise durch die Kontaktierungsstifte gebildet, die zur Kontaktierung des Infrarotdetektors notwendig sind. Die Kontaktierungsstifte ragen durch Bohrungen in der Trägerplatte, wobei die Trägerplatte auf an den Kontaktierungsstiften ausgebildeten Vorsprüngen aufliegt. Die

Kontaktierungsstifte sind durch eine Glasdurchführung im Sockel des Gehäuses nach außen geführt. Die Trägerplatte ist vorzugsweise durch einen Leitkleber auf den Kontaktierungsstiften fixiert, wobei der Leitkleber gleichzeitig die elektrische Kontaktierung der im Gehäuse angeordneten elektronischen Bauteile sicherstellt. Auf der Unterseite der keramischen Trägerplatte ist eine Hybridverstärkerschaltung angeordnet. Das Kernstück dieser Hybridschaltung bildet ein Chopperverstärker oder ein chopperstabilisierter Verstärker, der sich durch geringe Leistungsaufnahme (low power) sowie durch minimale Offsetdrift auszeichnet. Die "lowpower- Version" wird verwendet, um eine Meßwertverfälschung durch Eigenerwärmung der Meßanordnung minimal zu halten. Der Raum zwischen der Unterseite der Trägerplatte und dem Gehäusesockel kann für die Erzielung eines definierten thermischen Ableitewiderstandes mit einer geeigneten Vergußmasse gefüllt werden. Es ist jedoch ebenfalls vorteilhaft, diesen Raum freizulassen, so daß die Trägerplatte vollständig von Füllgas umflutet wird, das in dem Gehäuse des Infrarotdetektors hermetisch eingeschlossen wird. Als Füllgas können bekannte Füllgase, wie z.B. Stickstoff oder Krypton verwendet werden. Im Keramikträger ist eine wahlweise verschließbare Druckausgleichsbohrung angeordnet, die in den ausgeäzten Raum des Thermopiles mündet, um eventuell auftretende Druckunterschiede zwischen der Trägerplatte und dem Thermopile einerseits und dem übrigen Gehäuseraum andererseits auszugleichen.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist einer der als Kontaktierungsstifte ausgebildeten Plateauträgerstifte mit dem Gehäuse leitend verbunden. Der Innenraum des Gehäuses wird somit gegen elektrische Störstrahlung gut abgeschirmt.

Für eine anwendungsspezifische Adaptierung des Infrarotdetektors wird am Gehäusesockel eine SMD-Schaltung angebracht, auf der zusätzliche Schaltungen zur Verstärkung oder anderweitigen Modulierung, z.B. Dämpfung angeordnet werden können.

Der Infrarotdetektor mit integrierter Vorverstärkung kann somit in einem TO-5-Gehäuse untergebracht werden. Das Gehäuse besteht aus einer Haube, die mit dem Gehäusesockel hermetisch dicht verschweißt wird. Eine Orientierungsfahne am Sockel ermöglicht einen verpolungssicheren Anschluß des Infrarotdetektors.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise in der schematischen Zeichnung beschrieben. In dieser zeigen:

Fig. 1 einen axialen Längsschnitt durch einen Infrarotdetektor mit zylindrischem Gehäuse (TO 5) ;

Fig. 2 eine teilgeschnittene Aufsicht II-II aus Fig.l und

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Infrarotdetektors aus Fig. 1.

Fig. 1 zeigt einen Infrarotdetektor 10 mit einem zylinderförmigen Gehäuse 12, bestehend aus einem Gehäusetopf 14 und einem Gehäusesockel 16. Der Gehäusetopf 14 hat in seiner Stirnseite 18 eine Durchtrittsöffnung 20 für eine zu messende Wärmestrahlung. Die Durchtrittsöffnung 20 ist durch eine mit dem Gehäusetopf 14 verklebte Filterscheibe 22 abgedeckt. Im Innern des Gehäuses 12 ist konzentrisch zur Durchtrittsöffnung 20 eine runde Trägerplatte 24 aus Keramik von mehreren Plateauträgerstiften 26 gehalten, die durch den Gehäusesockel 16 vom Gehäuseinnern axial nach außen geführt sind. Diese Plateauträgerstifte 26 sind als

vergoldete Kontaktierungsstifte ausgebildet und durchsetzen Bohrungen 28 (s. auch Fig. 2), die über einen Vollkreis in der Trägerplatte 24 verteilt sind. Die zylindrischen Kontaktierungsstifte 26 weisen durchmessergrößere Plateaus auf, auf denen die Trägerplatte 24 zu liegen kommt. Die Trägerplatte 24 ist mit Leitkleber an den Kontaktierungsstiften (26) befestigt. Auf der Trägerplatte 24 ist ein Thermopile 32 angeordnet, dessen strahlungsempfindliche Fläche 34 konzentrisch zur Durchtrittsöffnung 20 in dem Gehäusetopf 14 angeordnet ist. Das Thermopile 32 enthält ferner einen temperaturabhängigen Widerstand 36 zur Vergleichsstellenkompensation der Aufheizung des Thermopiles 32. Das Thermopile 32 ist an den Kontaktierungsstellen durch die Trägerplatte 24 hindurch mit einer Hybridverstärkerschaltung 40 kontaktiert. Diese Hybridverstärkerschaltung 40 ist als Chopperverstärker mit geringer Leistungsaufnahme konzipiert, um so eine geringe Drift der Offsetspannung und eine Erwärmung der Trägerplatte 24 durch die Verlustwärme der Schaltung weitgehend zu vermeiden. Das Hybrid ist zudem derart auf dem Träger befestigt, daß sich seine - geringe - Eigenerwärmung gleichmäßig auf das Thermopile verteilt. Auf diese Weise wird das gesamte Temperaturniveau und nicht nur das Temperaturniveau der strahlungsempfindlichen Stelle angehoben. In der Trägerplatte ist in nicht dargestellter Weise eine Druckausgleichsbohrung angebracht, die in einen ausgeätzten Raum des Thermopiles mündet, um eventuell auftretende Druckunterschiede zwischen dem Thermopile und der Trägerplatte einerseits und dem übrigen Gehäuseinnenraum andererseits auszugleichen. Einer der Kontaktierungsstifte 26 ist leitend über den Gehäusesockel 16 mit dem Gehäuse 12 verbunden, womit eine gute Abschirmung des Gehäuseinnenraums erreicht wird. Zwischen der Durchtrittsöffnung 20 und dem Thermopile 32 ist eine Blende 42 angeordnet, die nur wenig Kontaktstellen zum Gehäusetopf 14 aufweist, um somit thermisch weitge-

hend gegenüber dem Gehäuse isoliert zu sein. Die Blende 42 besteht aus mattiertem, dunklem Kunststoff oder Metall und dient dazu, den Strahlungseinfall auf die strahlungsempfindliche Fläche 34 des Thermopiles 32 zu begrenzen und somit das Thermopile 32 und die Trägerplatte 24 vor einer Erwärmung durch Streustrahlung zu schützen, was wiederum eine Temperaturdrift des Ausgangssignals hervorrufen könnte. Auf die Fläche 34 soll möglichst nur das von der Optik entworfene Bild des Meßflecks auftreffen. Die Kontaktierungsstifte 26 sind weiterhin durch eine Glasdurchführung 46 nach außen geführt, um das Gehäuse 12 auf der Seite des Gehäusesockels 16 hermetisch abzudichten. Der Innenraum des Gehäuses 12 ist vorzugsweise mit einem Füllgas, z.B. Stickstoff oder Krypton, gefüllt. Es können auch andere gebräuchliche Füllgase, vorzugsweise Inertgase, verwendet werden. Unter dem Gehäusesockel 16 ist eine Keramik- oder Epoxyträgerplatte 48 angeordnet, auf der in SMD-Technik eine Schaltung 50 zur Verstärkung oder Modulation des Ausgangssignals des Infrarotdetektors 10 angeordnet ist. Diese Schaltung 50 kann nachträglich vom Anwender aufgebracht werden, um das Ausgangssignal des Infrarotdetektors individuellen Erfordernissen anzupassen. Der Raum zwischen der Trägerplatte 24 und dem Gehäusesockel 16 kann zur Einstellung einer definierten Wärmeableitung mit einem Füllmaterial bzw. einer Vergußmasse mit einer definierten Wärmeleitung ausgefüllt sein.

Durch die Tatsache, daß die Hybridverstärkerschaltung 40 und das Thermopile 32 einander gegenüber auf der Trägerplatte 24 angeordnet sind, werden elektrische Verbindungen mit geringen Signalpegeln so kurz wie möglich gehalten. Durch die oben beschriebene Erdung des Gehäuses werden diese kurzen Verbindungen weiterhin gegen elektrische Störfelder abgeschirmt. Die Trägerplatte 24 ist freischwebend in

dem Gehäuse 12 gehalten und hat dadurch sehr wenig Kontaktier ungspunkte, die einen Wärmeübergang zum Gehäuse 12 fördern könnten. Da das Thermopile 32 weiterhin durch die Filterscheibe 22 und die Blende 42 von einer Erwärmung durch die Strahlungsquelle abgeschirmt werden und die Hybridverstärkerschaltung 40 als low power-Verstärker mit geringer Wärmeabgabe ausgebildet ist, wird eine Erwärmung der Trägerplatte 24 und des Thermopiles 32 weitgehend vermieden. Der Infrarotdetektor ermöglicht daher eine sehr genaue und störungsfreie Messung auch im Langzeitbetrieb. Das Gehäuse 12 hat eine radial abstehende Orientierungsnase 52, um eine Fehlpolung der rotationssymmetrisch angeordneten Kontaktierungsstifte 26 zu vermeiden.

Der in Fig. 3 dargestellte Infrarotdetektor 56 ist weitgehend identisch mit dem in Fig. 1 dargestellten Infrarotdetektor 10, wobei identische Teile mit identischen Bezugszeichen versehen sind.

Der Unterschied zwischen den beiden Infrarotdetektoren besteht darin, daß die Blende 58 des Infrarotdetektors 56 an den Kontaktierungsstiften 26 gehalten ist und keine direkten Berührungspunkte zum Gehäuse 12 aufweist.

Die Blende ist damit thermisch weitgehend vom Gehäuse 12 entkoppelt. Zur Durchtrittsöffnung 20 hin ist die Blende 58 mattschwarz eloxiert oder lackiert und zum Thermopile hin spiegelblank poliert. Auf diese Weise wird die durch die Durchtrittsöffnung 20 neben die strahlungsempfindliche Fläche des Thermopiles 32 fallende Strahlung absorbiert und die vom Thermopile kommende Strahlung reflektiert. Hierdurch fällt keine Störstrahlung auf das Thermopile 32 und Meßfehler werden vermieden.

Claims

Ansprüche

1. Infrarotdetektor mit einem infrarotempfindlichen Sensorelement, insbesondere Thermopile, das in einem Gehäuse mit einer Durchtrittsöffnung für die zu messende Strahlung angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (12) eine Trägerplatte (24) freischwebend auf mindestens einem durch das Gehäuse (12) nach außen geführten Trägerelement (26) gehalten ist, daß auf der der Durchtrittsöffnung (20) zugewandten Seite der Trägerplatte (24) das Sensorelement (32) und auf der abgewandten Seite ein Verstärker (40) angeordnet sind, und

daß zwischen der Durchtrittsöffnung (20) und dem Sensorelement (32) eine von dem Gehäuse (12) weitgehend thermisch isolierte Blende (42) angeordnet ist.

2. Infrarotdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchtrittsöffnung (20) durch eine Filterscheibe (22) hermetisch abgedichtet ist.

3. Infrarotdetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen der Trägerplatte (24) und dem Gehäusesockel (16) mit einer Vergußmasse ausgefüllt ist.

4. Infrarotdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch g e k e &eegr; &eegr; &zgr; e &khgr; c h &eegr; e t,

daß auf der Gehäuseaußenseite ein Signalverstärker (50) oder -modulator zur anwendungsspezifischen Weiterverarbeitung des Ausgangssignals des Infrarotdetektors angeordnet ist.

5. Infrarotdetektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Gehäusesockel (16) eine Epoxy- oder Keramikträgerplatte (48) zur Aufnahme des Signalverstärkers (50) angeordnet ist, und daß der Signalverstärker oder -modulator in SMT-Technik auf der Epoxy- oder Keramikträgerplatte (48) montiert ist.

6. Infrarotdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum des Gehäuses (12) mit einem Füllgas, vorzugsweise Inertgas, gefüllt ist.

7. Infrarotdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse als TO-5-Gehäuse ausgebildet ist.

8. Infrarotdetektor nach einem der vorhergehende Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte (24) aus Keramik besteht.

9. Infrarotdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte (24) unter dem Sensorelement (32) eine Druckausgleichsbohrung aufweist.

10. Infrarotdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß auf der der Durchtrittsöffnung (20) zugewandten Seite der Trägerplatte (24) ein Temperatursensor, der die Vergleichsstellentemperatur erfaßt, angeordnet ist.

11. Infrarotdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Trägerelemente vorgesehen sind, die als zylindrische Kontaktierungsstifte (26) ausgebildet sind.

12. Infrarotdetektor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Kontaktierungsstifte (26) metallisch leitend mit dem Gehäuse (12) verbunden ist.

13. Infrarotdetektor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß an den Kontaktierungsstiften (26) durchmesservergrößerte Trägerplateaus (30) ausgebildet sind, auf denen die Trägerplatte (24) aufliegt.

14. Infrarotdetektor nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierungsstifte (26) durch eine Glasdurchführung (46) aus dem Gehäuseinnenraum nach außen geführt sind.

15. Infrarotdetektor nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierungsstifte (26) mittels eines Leitklebers mit der Trägerplatte (24) kontaktiert sind.

16. Infrarotdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (42) an nur wenigen Kontaktstellen (44) mit dem Gehäuse (12) verbunden oder von dem Trägerelement (26) gehalten ist.

17. Infrarotdetektor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktstellen (44) aus thermisch isolierendem Material bestehen.

18. Infrarotdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (42) aus nach außen hin aufgerauhtem Kunststoff oder mattgeschwärztem Metall besteht und nach innen hin spiegelblank poliert ist.

19. Infrarotdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (40) als low-power-Verstärker ausgebildet ist.

20. Infrarotdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (40) als Chopper-Verstärker ausgebildet ist.

21. Infrarotdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (40) in Hybridschaltungstechnik aufgebaut ist.