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Die Erfindung bezieht sich auf eine Heizung für einen Sensor, auf einen beheizten Sensor und auf ein Strahlungserfassungsverfahren nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
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Strahlungssensoren sind Sensoren, die Strahlung in ein elektrisches Signal umwandeln. In vielen Fällen erfolgt die Umwandlung nicht direkt, sondern indirekt dadurch, dass einfallende Strahlung durch Absorption in eine steigende Temperatur umgewandelt wird und diese Temperatur – oder die resultierende Temperaturänderung – zu einem elektrischen Signal führt. Selbstverständlich ist dann das Signal verhältnismäßig schwach, da die Temperaturänderung ebenfalls verhältnismäßig schwach ist, da die einfallende Strahlung verhältnismäßig niedrige Leistung besitzt. Die einfallende Strahlung (die zu erfassende Strahlung) kann vorrangig Infrarotstrahlung mit einer Wellenlänge größer als 800 nm sein.
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Für solche Sensoren wurden bisher erhebliche Anstrengungen unternommen, um die Wirkungen von thermischem Rauschen, das dem durch die einfallende Strahlung erzeugten thermischen Zwischensignal überlagert ist, zu minimieren. Ein erster Schritt zum Minimieren von thermischem Rauschen ist, strahlungsempfindliche Abschnitte soweit wie möglich von der Umgebung abzutrennen, um zu vermeiden, dass das thermische Zwischensignal zur thermisch wirksamen Masse kurzgeschlossen wird. Dementsprechend sind die empfindlichen Abschnitte eines Strahlungssensors üblicherweise an einer dünnen Membran mit fast keiner thermisch wirksamen Masse gehalten, die selbst durch ein rahmenartiges Substrat gestützt ist. Das Substrat weist eine verhältnismäßig hohe thermisch wirksame Masse auf und kann als thermische Erde angesehen werden. Die empfindlichen Abschnitte können dann entfernt von dem Substrat an der Membran angeordnet werden.
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Thermosäulen weisen kalte und heiße Kontakte auf, wobei die einfallende Strahlung durch eine durch die einfallende Strahlung zwischen den heißen und den kalten Kontakten erzeugte Temperaturdifferenz erfasst wird. Die einfallende Strahlung wird in Richtung der heißen Kontakte geführt, sodass sie durch sie über die Umgebungstemperatur erwärmt werden, während die kalten Kontakte auf der Umgebungstemperatur gehalten werden und die einfallende Strahlung nicht empfangen, sodass sich die für die Erfassung notwendige Temperaturdifferenz entwickeln kann. In Thermosäulensensoren sind die kalten Kontakte häufig thermisch mit dem Substrat als der thermischen Erde verbunden, um ihre Temperatur auf der Umgebungstemperatur zu halten. Die heißen Kontakte sind dagegen üblicherweise nur durch die Membran entfernt von dem Substrat/Rahmen gehalten. Da die Membran dünn ist, ist ihre Masse fast null und kann ihre Wärmekapazität vernachlässigt werden. Daraufhin werden die empfindlichen Abschnitte mit Ausnahme des Umgebungsgases/der Umgebungsluft von dem Zwischenkontakt mit der Umgebung mit hoher Wärmekapazität getrennt. Insbesondere in Situationen, in denen der Sensor im thermischen Gleichgewicht ist (konstante, gleiche Umgebungstemperatur), ergibt dies einen ersten Erfolg bei der thermischen Stabilisierung von Strahlungssensoren.
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Da sich die Umgebungstemperatur des Sensors ändern kann, ist aber nicht immer ein thermisches Gleichgewicht gegeben. In Verwendung ändert sich die Umgebungstemperatur von Strahlungssensoren häufig schnell. Zum Beispiel kann sich die Temperatur der durch einen Sensor gehenden Luftströmung in Klimatisierungsanwendungen, z. B. bei geänderten Befehlswerten, mehr oder weniger sofort von angenommen 17°C auf 27°C ändern. Wenn sich die Umgebungstemperatur ändert, ändert sich die Innentemperatur des Sensorelements selbst ebenfalls, bis das thermische Gleichgewicht wieder ereicht worden ist. Eine sich ändernde Umgebungstemperatur veranlasst, dass durch den Sensor eine Temperaturänderung von außen nach innen geht. Die Wärmeleitung durch die umlaufende Umgebungsluft/das umlaufende Umgebungsgas und ebenfalls durch die Membran bildet dann insbesondere, wenn die Temperaturänderung in Thermosäulensensoren die heißen und die kalten Kontakte zu verschiedenen Zeitpunkten erreicht, immer noch erkennbare Quellen von thermischem Rauschen, sodass eine Temperaturdifferenz erzeugt wird, die nicht durch die abzutastende Strahlung verursacht ist, sondern durch die Zeitdifferenzen einer Temperaturänderung, die die heißen und kalten Kontakte erreicht. Bis das thermische Gleichgewicht erreicht worden ist, können die Messergebnisse wieder in gewissem Umfang unsicher sein.
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Um diese Wirkung zu minimieren, dient das Anordnen auch der kalten Kontakte von Thermosäulen an der Membran entfernt von dem Träger/Substrat dazu, die thermische Kopplung heißer und kalter Kontakte in gewissem Umfang an die Umgebung anzugleichen, sodass die Zeitdifferenzen von Änderungen von Umgebungstemperaturänderungen, die die heißen und die kalten Kontakte erreichen, kleiner werden.
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Um die Wirkung der Änderung der Umgebungstemperatur weiter zu minimieren, ist gezeigt worden, dass das aktive Beheizen (Vorheizen) des Sensors auf bestimmte Weise die Wirkungen einer sich ändernden Umgebungstemperatur auf das Sensorausgangssignal verringert. 7a und 7b zeigen Zitate des
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Standes der Technik der Sensorheizung.
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7a zeigt Figuren aus
US 6626835 B1 .
1 davon zeigt ein Sensorelement
71, das in einem Gehäuse
72 untergebracht ist und direkt an einem strahlungsdurchlässigen Fenster
79 befestigt ist. Bei dem Verbindungsabschnitt zwischen dem Fenster
79 und dem Gehäuse
72 ist ein Heizelement
73 vorgesehen.
5 derselben Veröffentlichung zeigt ein Sensorelement
20, das an der einen Oberfläche einer Gehäuseunterseite
72 vorgesehen ist, wobei an der anderen Oberfläche davon ein Heizelement
73 vorgesehen ist.
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7b zeigt Figuren aus
PCT/US 2009/061842 .
3 davon zeigt Heizwiderstände
73, die an einer thermischen Abschirmung
75 befestigt sind, wobei in der thermischen Abschirmung ein Sensor untergebracht ist.
7 derselben Veröffentlichung zeigt einen Strahlungssensor, der in einer thermischen Abschirmung
75 untergebracht ist, wobei ein Heizelement
73 mit dem Sensor
72 thermisch gekoppelt ist.
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Der Nachteil der bekannten Sensorheizkonstruktionen sind Schwierigkeiten bei der mechanischen und/oder elektrischen und/oder thermischen Kopplung der HeizungHeizung mit den verbleibenden Strukturen des Sensors. Außerdem haben bekannte Arten der Verwendung beheizter Sensoren einen verhältnismäßig hohen Energieverbrauch, was in Vorrichtungen mit Batterieleistungsversorgung besonders nachteilig ist.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine HeizungHeizung zu schaffen, die mechanisch, elektrisch und thermisch leicht mit dem zu beheizenden Sensor verbunden werden kann. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen Sensor mit einer leicht zu befestigenden HeizungHeizung zu schaffen. Es ist eine weitere Aufgabe, ein Erfassungsverfahren mit einem beheizten Sensor zu schaffen, der einen verringerten Leistungsverbrauch zeigt.
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Diese Aufgaben werden gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Abhängige Ansprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindungen gerichtet.
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Eine HeizungHeizung umfasst eine mit einem elektrischen Widerstand behaftete Heizstruktur, die durch eine Art Träger oder Substrat in ihrer Form gehalten wird, wobei die HeizungHeizung einen Verbindungsabschnitt aufweist, um die Heizstruktur mit einem Außenanschluss des Sensors elektrisch zu verbinden. In einer solchen Anordnung kann eine HeizungHeizung sowohl elektrisch als auch mechanisch und thermisch leicht mit dem zu beheizenden Sensor gekoppelt werden.
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Die HeizungHeizung kann ein starres Substrat umfassen, das plattenförmig sein kann und an dem die Heizstruktur gebildet ist. Die HeizungHeizung kann eine unabhängige Vorrichtung sein, die entweder vor der Endmontage des Sensors oder nach seiner sonstigen Endmontage getrennt an dem Sensor befestigt werden kann. Das HeizungHeizungssubstrat kann wenigstens an einer seiner Oberflächen eine formschlüssige Verbindung mit einer Oberfläche des mit der HeizungHeizung auszustattenden Sensors zeigen.
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Das HeizungHeizungssubstrat kann Durchgangsbohrungen oder Aussparungen umfassen, die ermöglichen, dass die Sensoraußenanschlüsse durch die oder vorbei an der HeizungHeizung gehen, sodass ein unmittelbarer elektrischer Kontakt zu wenigstens einem der Anschlüsse hergestellt werden kann.
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Die Außenform (Draufsichtumriss) des HeizungHeizungssubstrats kann dieselbe sein wie die eines Draufsichtumrisses des mit der HeizungHeizung auszustattenden Sensors.
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Die Heizstruktur kann ein gedrucktes leitendes Muster oder eine gedruckte leitende Linie sein, das bzw. die einen lang gestreckten Leiter mit einem gewünschten Gesamtwiderstand bilden kann. Sie kann aus einer leitenden Masse gebildet sein. Der Leiter kann auf der Substratoberfläche nach einem gewünschten Muster mäandrieren, um die gewünschten Oberflächenabschnitte zu bedecken und somit zu beheizen. Eines oder beide Enden des mäandrierenden Leiters können direkt mit Außenanschlüssen des Sensors verbunden sein.
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Die Heizung kann eine Schaltungsanordnung, insbesondere eine Regelschaltungsanordnung, umfassen. Sie kann einen Temperatursensor oder einen Anschluss zum Empfangen eines Temperatursignals von einem anderweitig vorgesehenen Temperatursensor, insbesondere von einem Temperatursensor innerhalb des Strahlungssensors, umfassen. Die Regelung kann eine Aufwärtsregelung oder eine Rückkopplungsregelung sein.
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Das Material der leitenden Heizstruktur kann einen praktisch konstanten (Änderung weniger als 5% in einem Nennbetriebstemperaturbereich) Widerstand über die Temperatur aufweisen oder kann mit steigender Temperatur ansteigen (PCT – positiver Temperaturkoeffizient).
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Der Sensor kann als ein Gehäuse mit lötbaren Drähten gebildet sein, die von einer der Gehäuseoberflächen ausgehen, oder kann eine Oberflächenmontagevorrichtung (SMD) mit Lötperlen oder Kontaktflächen an einer oder an mehreren Oberflächen davon sein.
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Ein Verfahren zum Erfassen der Strahlung von einem Objekt umfasst den Schritt des Vorheizens eines Sensors, wobei die Vorheizzieltemperatur eine Temperatur oder ein Temperaturbereich unter einer erwarteten Temperatur des Objekts und/oder eine Temperatur oder ein definierter Temperaturbereich, die bzw. der eine definierte Temperatur über der Umgebungstemperatur des Sensors ist, ist.
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Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist,
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2a und 2b schematische Ansichten von Ausführungsformen der Heizung sind,
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3 eine schematische Schnittansicht eines Sensors ist,
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4 ein schematischer Stromlaufplan ist,
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5 eine Einzelheit zum Verbinden der Heizung ist,
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6 eine alternative Art und Weise zum Bereitstellen der Heizung ist, und
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7 Stand der Technik zeigt.
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1 zeigt einen Sensor, der für die Strahlungserfassung, vorzugsweise im Infrarotwellenlängenbereich, verwendet werden kann. Die erfasste einfallende Strahlung kann vorrangig Infrarotstrahlung mit einer Wellenlänge größer als 800 nm sein. Das Empfindlichkeitsmaximum kann bei einer Wellenlänge zwischen 800 nm und 15 μm liegen.
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1 zeigt einen Sensor 10 und eine Heizung 15 in einer schematischen perspektivischen Ansicht. Der Sensor 10 ist in der gezeigten Ausführungsform ein Infrarotsensor, der Infrarotstrahlung (IR-Strahlung) empfängt, um sie zu erfassen. Er kann für die Temperaturmessung oder für die Anwesenheitserfassung verwendet werden. In der gezeigten Konstruktion umfasst der Sensor 10 ein Gehäuse, das aus einem Grundelement 12 und aus einer Kappe 11, die ein Strahlungseintrittsfenster 13 aufweist, das den Eintritt von IR-Strahlung von außen ins Innere des Sensorgehäuses zulässt, besteht. Das Fenster 13 kann Fokussierungseigenschaften aufweisen und eine Linse, eine Fresnel-Linse, eine Phasenplatte, ein konvergierender Spiegel oder dergleichen sein oder diese umfassen. Sein Material kann eine Art Glas oder Harz oder ein anderes für Infrarotstrahlung durchlässiges Material wie etwa Silicium sein.
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Der Sensor kann mehrere Kontaktdrähte oder -anschlüsse 14 aufweisen, um den Sensor mit einer externen Schaltungsanordnung zu verbinden, um dem Sensor Energie zuzuführen und um dem Sensor Signale zuzuführen und von ihm wegzuführen. Die Signaleingabe und -ausgabe kann analog oder digital sein und, falls sie digital ist, parallel oder seriell sein. Die Innenkonstruktion des Sensors in bestimmten Ausführungsformen ist in 3 und 6 gezeigt und wird später beschrieben.
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15 ist eine Heizung für den Sensor. In der gezeigten Ausführungsform ist sie getrennt von dem Sensor herstellbar und kann als eine Einheit daran befestigt werden. In der gezeigten Ausführungsform kann sie an der Unterseite des Sensors 10 befestigt werden und durch Klebstoff oder Harz, der bzw. das vorzugsweise eine verhältnismäßig gute Wärmeleitfähigkeit aufweist, um nicht nur den mechanischen Kontakt, sondern auch einen guten thermischen Kontakt herzustellen, mechanisch am Sensor 10 befestigt werden. Im Allgemeinen zeigt die Heizung 15 wenigsten für einen Abschnitt ihrer Oberfläche eine Form, die zu einer Oberfläche oder einem Oberflächenabschnitt des Sensors 10 passt, sodass ein sehr guter Kontakt gegeben ist, um eine gute thermische Verbindung zwischen der Heizung 15 und dem Sensor 10 herzustellen.
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2 zeigt eine detailliertere schematische Ansicht der Heizung 15. Sie umfasst ein Substrat 20, auf dem eine elektrisch leitende Heizstruktur 21 gebildet ist. Sie kann die Form eines lang gestreckten Leiters mit einem bestimmten (spezifischen) Widerstand zum Umwandeln von elektrischer Leistung/elektrischem Strom in Wärme aufweisen. Der Leiter 21 kann auf eine gewünschte Weise über die Oberfläche des Substrats 15 mäandrieren, um die für die Heizung gewünschten Oberflächenabschnitte zu bedecken.
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Die Heizung 15 kann, braucht aber nicht, darauf eine Schaltung 22 umfassen, die zum Regeln des Stromflusses durch die Heizstruktur 21 geeignet ist. 2 zeigt eine Ausführungsform, bei der eine einzelne Heizstruktur 21 zwischen Verbindungsendpunkten vorgesehen ist. Die Heizstruktur 21 empfängt elektrische Leistung, sodass durch sie ein Strom fließt. Die verbrauchte elektrische Leistung wird nach Hp = V·I, wobei V der Spannungsabfall entlang der Heizstruktur ist und I der fließende Strom ist, in Heizleistung Hp umgewandelt. Dementsprechend wird der Sensor durch einen Teil der in der Heizung 15 erzeugten Heizleistung beheizt, wenn die Heizung 15 mit dem Sensor 10 in Kontakt steht.
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Der Außenumriss des Heizungssubstrats 20 kann derart sein, dass er an den Außenumriss der Montageoberfläche des Sensors 10 angepasst ist oder kleiner als dieser ist. In den gezeigten Beispielen kann die Sensorgrundplatte 12 eine runde/kreisförmige Form aufweisen und kann das Heizungssubstrat 20 eine passende Form aufweisen und insbesondere einen Durchmesser D, der derselbe wie der oder kleiner als der der Sensorgrundplatte 12 ist.
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Die Leistungsversorgung zu der Heizstruktur 21 kann in der Weise hergestellt sein, dass wenigstens ein Anschluss der Heizstruktur 21 direkt mit einem Außenverbindungsanschluss 14 des Sensors 10 verbunden ist. 2a zeigt eine Ausführungsform, bei der die Heizungsgrundplatte 20 Durchgangsbohrungen 29 aufweist, die zulassen, dass die Sensoraußenverbindungsdrähte 14 durchgehen. Dementsprechend entspricht das Anordnungsmuster der Bohrungen 29 in dem Heizungssubstrat 20 dem Anordnungsmuster der Verbindungsdrähte 14 des Sensors. Es wird hervorgehoben, dass das Heizungssubstrat 20 nicht notwendig über alle Verbindungsdrähte 14/in Richtung aller Verbindungsdrähte 14 zu gehen braucht. Selbstverständlich sind dann nur für jene Positionen der Anschlussdrähte 14 Bohrungen 29 vorgesehen, die von dem Substrat 20 bedeckt sind. Wenigstens ein Endabschnitt der Heizstruktur 21 kann mit einem Außenanschluss 14 des Sensors 10 verbunden sein.
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2b zeigt einen alternativen Entwurf. Das Substrat 20 ist in der Weise gebildet, dass es einigen oder allen der Außenanschlussdrähte 14 des Sensors 10 nahe kommt. ”Nahe” kann in diesem Kontext eine kleinere Entfernung als 1 mm, vorzugsweise kleiner als 0,5 mm oder kleiner als eine Querschnittsdimension (z. B. ein Durchmesser) des Drahts 14 oder weniger als 50% davon sein. Die Heizstruktur 21 kann dann ebenfalls einen Kontakt mit wenigstens einem Außenanschlussdraht 14 des Sensors 10 herstellen. 2b zeigt ferner eine Ausführungsform, bei der keine einzelne Heizstruktur 21 vorgesehen ist. Vielmehr sind mehrere Verdrahtungen 21a, 21b und 21c parallel geschaltet und nutzen wenigstens einen gemeinsamen Verbindungspunkt gemeinsam. Außerdem können sie die Punkte an beiden Enden gemeinsam nutzen. Ferner zeigt 2b eine Ausführungsform, bei der nur eine der Verdrahtungen (21b) mit einer Regelschaltung 22 verbunden ist, um den Stromfluss darin zu regeln. Gleichfalls können aber mehrere der Verdrahtungen 21a, 21b oder 21c oder alle von ihnen oder keine von ihnen mit einer Regelschaltung 22 verbunden sein.
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Die Strichlinie in 2b gibt den Außenumriss der Oberfläche (in dem gezeigten Beispiel der Grundplatte 12) des Sensors 10 an, an dem die Heizung 15 angebracht werden soll. Der Außenumriss des Heizungssubstrats 20 bleibt innerhalb des Außenumrisses des Sensors 10, an dem die Heizung angebracht werden soll. Anstelle der Durchgangsbohrungen 29 zeigt die Ausführungsform aus 2b einen Außenumriss des Heizungssubstrats 20, das Aussparungen oder Kerben 28 aufweist, die gemäß der Position der Außenanschlussdrähte 14 des Sensors 10 gebildet sind. Eine Ausführungsform, die die Durchgangsbohrungen 29 aus 2a für einige der Außenverbindungsdrähte 14 und die Aussparungen 28 aus 2b für einige andere der Außenverbindungsdrähte 14 kombiniert, ist ebenfalls möglich.
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Die Heizstruktur 21 kann eine gedruckte leitende Linie sein, die z. B. aus einer leitenden Masse gebildet ist, die einen lang gestreckten Leiter mit einem gewünschten Gesamtwiderstand bilden kann. Sie kann durch bekannte Prozesse gebildet werden. Die Heizstruktur kann einen oder mehrere Kalibrierungsabschnitte umfassen, um nach ihrer Erstherstellung ihre Eigenschaften, insbesondere ihren Widerstand, einzustellen. Die Einstellung kann z. B. durch Laserabgleich durch Wegbrennen leitender Abschnitte zum Erhöhen des Widerstands der Heizstruktur vorgenommen wenden.
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3 zeigt eine Schnittansicht eines mit der Heizung 15 ausgestatteten Sensors 10. Innerhalb des Sensorgehäuses befindet sich ein Erfassungsabschnitt 31–33, der einfallende Infrarotstrahlung in ein elektrisches Signal umwandelt. Der Erfassungsabschnitt kann ein Substrat 31 umfassen. Er kann eine rahmenähnliche Form aufweisen, d. h. eine Aussparung oder eine Durchgangsbohrung 38 umgeben. Das Substrat 31 kann Silicium oder ähnliche Materialien umfassen oder daraus hergestellt sein. Eine Membran 32 kann die Aussparung 38 oder Öffnung in dem Substrat 31 überspannen und kann die tatsächlichen Sensorelemente 33 tragen. Es wird hervorgehoben, dass die Figuren nicht maßstäblich sind. Der Außendurchmesser der Sensorkappe 11 kann zwischen 3 mm und 8 mm liegen. Die Breitendimension des Erfassungsabschnitts 31-33 in 3 kann zwischen 1 mm und 3 mm liegen.
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Elektrische Signale von den Sensorelementen 33 werden über Bondkontakte 36 zu Außenanschlüssen 14 des Sensors und/oder zur Innenschaltungsanordnung 35 des Sensors, die wiederum mit Außenanschlussdrähten verbunden sein kann, geleitet. Ferner kann der Sensor 10 einen Temperatursensor 34 umfassen, um die Innentemperatur des Sensors abzutasten und ein diesbezügliches Signal entweder an einen Außenanschluss 14 und/oder an die Innenschaltungsanordnung 35 zur dortigen Weiterverwendung zu liefern.
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In 3 ist eine Heizung 15 an der Außenoberfläche der Unterseite des Sensors 10, d. h. an der unteren Oberfläche der Grundplatte 12 des Sensorgehäuses, befestigt. Die Heizstruktur 21 ist an der der Sensoroberfläche zugewandten Oberfläche vorgesehen, sodass die Heizstruktur 21 durch das Heizungssubstrat 20 mechanisch geschützt ist, was auch eine Art Wärmeisolation bereitstellt, sodass sich die Heizleistung effizienter in den Sensor 10 als in die Umgebung des Sensors 10 ausbreitet. Alternativ kann die Heizungsstruktur 21 an der unteren Oberfläche des Heizungssubstrats 20 angeordnet sein, sodass der Heizungswiderstand von dem Sensorgehäuse elektrisch isoliert sein kann. Wieder alternativ kann die Heizungsstruktur 21 auf der unteren Oberfläche der Gehäusegrundplatte 12 angeordnet sein.
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Optional kann der Sensor außer der Grundplatte 12 ein Innensubstrat 37 wie etwa eine Leiterplatte, die mehrere oder alle Installationen (31–36) innerhalb des Sensors trägt, umfassen. Um die Wärmeströmung von der Heizung 15 in Richtung des Innern des Sensors 10 zu verbessern, kann aber eine Konstruktion bevorzugt sein, die außer der Sensorgrundplatte 12 kein zusätzliches Innensubstrat 37 aufweist. Dann ist insbesondere der Erfassungsabschnitt 31–33 direkt an der Sensorgrundplatte 12 angebracht. Die Innenverbindungen der Komponenten in dem Sensorgehäuse können durch Bondverdrahtung und/oder durch gedruckte Verdrahtung auf der Gehäusegrundplatte 12 oder auf dem Innensubstrat 37 hergestellt sein.
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Anstatt an einer Außenoberfläche des Sensors 10 befestigt zu sein, kann die Heizung 15 aber ebenfalls an einer Innenoberfläche des Sensors 10, z. B. an der oberen Oberfläche der Grundplatte 12 oder an der unteren Oberfläche oder an der oberen Oberfläche eines Innensubstrats 37, befestigt sein. Es wird hervorgehoben, dass die Heizung 15 in diesen Fällen nicht notwendig ein eigenes Substrat 20 zu haben braucht. Vielmehr können die Sensorgrundplatte 12 oder das Innensubstrat 37 des Sensors 10 als Heizungssubstrat 20 dienen. Solche Ausführungsformen sind besonders geeignet für SMD-Sensoren, bei denen die untere Oberfläche so ausgelegt ist, dass sie in unmittelbarem Kontakt mit Außenstrukturen wie etwa mit einer Leiterplatte steht, sodass sie nicht für die Montage der Heizung 15 an der Außenoberfläche zugänglich ist. Wie in den früheren Ausführungsformen kann die Platte/das Substrat, die bzw. das als das Heizungssubstrat 20 dient, aber Durchgangsbohrungen 29 und/oder Kerben 28 aufweisen, die zulassen, dass Außenkontakte durch oder vorbei gehen. Wie oben erwähnt wurde, kann die Heizstruktur 21 direkt mit wenigstens einem der Außenanschlüsse 14, die wie in 3 gezeigte Anschlussdrähte sein können oder die Verbindungen in Richtung der Kontaktflächen oder Kontakthöcker einer SMD sein können, verbunden sein.
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3 zeigt einen Sensor mit einem Erfassungselement 31–33. Es können aber auch mehrere von ihnen, vorzugsweise in einer rechteckigen Anordnung, vorgesehen sein, um durch Erfassen fokussierter einfallender Strahlung eine räumliche Auflösung zu erhalten. Das Gehäuse kann ein TO-Gehäuse wie etwa TO5 oder TO22 sein.
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4 zeigt eine schematische elektrische Schaltung des mit der Heizung 15 ausgestatteten Gesamtsensors 10. 33 bezeichnet das tatsächliche Sensorelement, das Strahlung in ein elektrisches Signal umwandelt. 35 bezeichnet die Innenschaltungsanordnung des Sensors 10, die in dem Sensor vorgesehen sein kann. Sie kann Funktionen eines oder mehrerer der Signalformung, der Signalumwandlung (analog-digital), der Kennlinienanpassung, der Impedanzwandlung, der Multiplexierung zwischen mehreren Sensorelementen, der Bereitstellung innerer Einstellungen, der Kommunikationssteuerung, der Datenspeicherung, der Heizungsregelung und dergleichen aufweisen. Die Innenschaltungsanordnung kann mit einem oder mit mehreren der jeweiligen Außenanschlüsse 14 verbunden sein. Falls die Innenschaltungsanordnung 35 vorgesehen ist, kann sie ebenfalls ein Signal von der Innentemperatur 34 empfangen.
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Somit tauschen die Außenanschlüsse 14 Energie und Signale mit dem Sensor im Innern aus. Wenigstens einer von ihnen kann ebenfalls direkt mit dem Sensorelement 33 verbunden sein. Der Kasten 20 in 4 steht für das Substrat der Heizung 15. Es trägt die Heizstruktur 21, die als ein einzelner lang gestreckter Leiter gezeigt ist. In dem gezeigten Beispiel ist die Heizstruktur 21 an ihren beiden Enden mit Außenanschlüssen 14 des Sensors verbunden.
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Ferner ist eine Regelschaltung 22 vorgesehen, die den Stromfluss durch die Heizstruktur 21 regeln kann. Die Regelung kann zum Aufrechterhalten einer Zieltemperatur oder eines Zieltemperaturbereichs erfolgen. Die Regelung kann gemäß einem Temperatursensor 42 erfolgen, der ebenfalls auf dem Heizungssubstrat 20 vorgesehen sein kann. Der Sensor kann mit einem Anschluss davon mit einem Außenanschluss 14 des Sensors verbunden sein. Ein weiterer Anschluss des Sensors 42 kann mit der Regelschaltung 22 der Heizung 15 verbunden sein. Dies ergibt dadurch, dass Temperaturinformationen der durch die Heizstruktur 21 erzeugten Temperatur über den Sensor 42 zu der Regelschaltung 22 rückgekoppelt werden, eine Rückkopplungsstruktur. Anstelle einer Rückkopplungsstruktur kann aber auch eine Steuerung ohne Rückkopplung erfolgen.
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Wie durch die Strichlinie 41 angegeben ist, kann die Heizung 15, anstatt einen eigenen Sensor 42 aufzuweisen, außerdem ein Signal von einem Temperatursensor 34 innerhalb des Sensors 10 empfangen. In diesem Kontext wird hervorgehoben, dass einer oder mehrere der Außenanschlüsse 14 des Sensors 10 für den alleinigen Zweck des Kontakts mit einer AußenHeizung 15 vorgesehen sein können. Diese Option ist dadurch angegeben, dass der Anschluss 14a in 4 nicht über die Heizung 15 hinausreicht. Die Regelung der Heizleistung/des Stromflusses durch die Heizstruktur kann ebenfalls durch die Innenschaltungsanordnung 35 des Sensors 10 erfolgen. Daraufhin kann die Heizung 15 tatsächlich nur die Heizstruktur 21 tragen, die mit Außenanschlüssen (wobei einer von ihnen z. B. die Masse oder die Versorgungsspannung ist) verbunden ist. Die Innenschaltungsanordnung 35 des Sensors kann dann die Stromregelung ausführen.
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Die maximale Betriebsspannung der Heizung kann unter 20 V liegen und kann eine übliche Batteriespannung wie etwa 9 V oder ein Mehrfaches von 1,5 V sein. Ein Controller kann die über die Anschlüsse der Heizung angelegte effektive Spannung in der Weise regeln, dass sie dieselbe wie oder niedriger als die maximale Betriebsspannung ist. Die Regelung kann eine Pulsbreitenmodulation umfassen oder sein.
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5 zeigt eine Ausführungsform dessen, wie ein Außenanschluss 14 einen Kontakt mit der Heizstruktur 21 oder mit der Heizung 15 herstellen kann. Die Einzelheit zeigt einen vertikalen Querschnitt durch einen Durchgangsbohrungsabschnitt oder einen Aussparungsabschnitt des Heizungssubstrats 20, der in 5 durch 28, 29 angegeben ist. Die vertikalen Wände der Durchgangsbohrung 29 oder der Aussparung 28 können mit einer Metallisierung 51 bedeckt sein. Der Anschluss 14 kann an die Metallisierung 51 gelötet sein oder kann mit ihr über andere geeignete Mittel, z. B. mechanischen Druck oder dergleichen, in Kontakt stehen. 52 symbolisiert die Lötverbindung zwischen der Metallisierung 51 der Bohrung 29 oder der Aussparung 28 und dem Außenanschluss 14. Die Metallisierung 51 steht in elektrischem Kontakt mit elektrischen Komponenten der Heizung 15, insbesondere mit der Heizstruktur 21 oder mit einer anderen Verdrahtung.
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Das Substrat 20 der Heizung 15 kann ein starres Substrat sein. Es kann aus Keramik, insbesondere aus Aluminiumoxidkeramik, hergestellt sein. Es kann eine Dicke t von weniger als 1 mm, vorzugsweise von weniger als 0,5 mm, aufweisen. In einer alternativen Ausführungsform kann das Substrat ein biegsames Material wie etwa eine Kunststofffolie oder eine Kunststoffschicht oder eine Harzfolie oder eine Harzschicht, z. B. Mylar, mit geeigneter Form und Steifheit sein oder sie umfassen.
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6 zeigt eine nochmals weitere Ausführungsform zur Bereitstellung der Heizung 15. Das Substrat 31 des Erfassungsabschnitts 31–33 dient als Substrat 20 der Heizung 15 und trägt z. B. an seiner Unterseite die Heizstruktur 21, die mit Außenanschlüssen 14 des Sensors 10 und/oder mit der Innenschaltungsanordnung 35 des Sensors 10 oder mit einer dedizierten Regelschaltungsanordnung 22 der Heizung 15 verbunden ist. Der Erfassungsabschnitt 31–33 kann unmittelbar an der Grundplatte 12 des Sensors 10 oder an einem Zwischensubstrat 37 vorgesehen sein.
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Das Verdrahtungsmuster der Heizstruktur 21 in der Ausführungsform aus 6 kann das einer Spirale sein, die um die vom Substrat 31 eingeschlossene Aussparung 38 verläuft. Eine solche Spirale hätte zwei Anschlüsse für die Leistungsversorgung. Anstelle einer Spirale können parallele Schleifen vorgesehen sein, die elektrisch zueinander parallel geschaltet sind. Anstatt an der Unterseite des Erfassungsabschnittssubstrats 31 befestigt zu sein, kann die Heizstruktur 21 an einer anderen Oberfläche davon, z. B. an den Außen- oder Innenseitenwänden davon, befestigt sein.
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Wie oben gesagt wurde, kann das Sensorelement 33 ein pyroelektrisches Element, ein Bolometer oder eine Thermosäule sein. Es kann ”heiße” Kontakte 33a umfassen, die über der Öffnung 38 an der Membran 32 gehalten sind, und kann kalte Kontakte 33b umfassen, die sich über dem Substrat 31 befinden können, damit sie (wie in 6 gezeigt ist) in nahem thermischen Kontakt damit stehen, oder die ebenfalls über der Aussparung 38 gehalten sein können.
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Ein Erfassungsverfahren kann das Regeln der Temperatur in einem Abschnitt innerhalb des Sensors 10 durch eine SensorHeizung 15 auf eine bestimmte Zieltemperatur oder so, dass sie innerhalb eines Zieltemperaturbereichs liegt, vorzugsweise, bevor die tatsächlichen Messwerte genommen werden, umfassen. Die Zieltemperatur oder der Zieltemperaturbereich können so gewählt werden, dass sie mit einer erwarteten Temperatur eines Messobjekts, das Infrarotstrahlung aussendet, zusammenfallen oder sie enthalten. In Temperaturanwendungen für Menschen kann die erwartete Temperatur z. B. im Fall von Ohrthermometern etwa 35°C sein. Die Zieltemperatur kann dann 35°C oder ein Temperaturbereich (±0,5°C, ±1°C) um sie sein. Dies würde Temperaturverzerrungen minimieren, da der Sensor die sich ändernde Umgebungstemperatur nicht erfahren würde, da er (oder wenigstens seine relevanten Abschnitte) bereits auf der Temperatur der neuen Umgebung (z. B. der des menschlichen Ohrkanals) ist.
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In einer weiteren Ausführungsform kann es erwünscht sein, die Temperatur auf einem niedrigeren Wert oder Wertebereich als die erwartete Temperatur, z. B. um einen bestimmten Betrag (erste Differenztemperatur) unter ihr (z. B. wenigstens um einem Wert von 3°C bis 7°C unter der erwarteten Temperatur), zu halten. Dies verringert die Heizleistung und verringert die Zeit, die das Aufheizen des Sensors 10 durch die Heizung 15 beim Einschalten dauert, und erhöht die Empfindlichkeit. Ein weiteres Regelziel kann es dann sein, die Temperatur um einen bestimmten Betrag (zweite Differenztemperatur, z. B. 3°C bis 7°C) über der gegenwärtigen Umgebungstemperatur (d. h. in Thermometeranwendungen üblicherweise der Zimmertemperatur) zu halten. Zum Beispiel kann es ein Regelziel sein, die Temperatur bei den relevanten Sensorabschnitten auf eine Temperatur von 7°C über einer gegenwärtigen Gleichgewichtstemperatur zu bringen. Wenn dann das Thermometer in den Ohrkanal eingeführt wird, dauert es eine bestimmte Zeit, bis der Temperaturanstieg den bereits hergestellten Abstand übersteigt. In dieser Zeitspanne kann die Messung abgeschlossen werden, sodass der Erfassungsabschnitt keine sich ändernde Temperatur erfährt, obgleich er nicht vollständig auf die erwartete Temperatur des Messobjekts (in dem gewählten Beispiel auf die des Ohrkanals) erwärmt worden war.
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Zum Minimieren von Heizwirkungen in dem Sensor von unerwünschten externen Quellen kann der Sensor an seiner Außenseite und/oder an seiner Innenseite mit Wärmeisolationsmitteln (in keiner der Figuren gezeigt) versehen sein. Sie können eine Art Mantel aus Wärmeisolationsmaterial, vorzugsweise formschlüssig, sein, der wesentliche Abschnitte der Sensoroberfläche umgibt oder bedeckt, z. B. ein Zylindermantel, der den Außenumfang und möglicherweise ebenfalls Teile der oberen Oberfläche des Sensors 10 wie in 1 gezeigt bedeckt. Dies verbessert wieder die Wärmeisolation des Sensors gegenüber seiner Umgebung und erhöht somit die Zeitdauer, innerhalb der die Messung vorgenommen werden kann, bevor eine Außentemperaturänderung den Innensensor erreicht.
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Bestandteil der Erfindung ist außerdem ein Thermometer, das den beschriebenen Sensor umfasst und/oder das erwähnte Verfahren verwendet. Es kann ein Ohrthermometer sein, das ein Außengehäuse, den Sensor, eine Regelschaltungsanordnung, vorzugsweise Nutzereingabemittel wie etwa einen oder mehrere Schalter und eine Anzeige und/oder eine andere geeignete analoge oder digitale Signalausgabe umfasst.
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In dieser Beschreibung und in den beigefügten Ansprüchen bezeichnen dieselben Bezugszeichen dieselben Komponenten. Die hier beschriebenen Merkmale sollen auch dann miteinander verträglich sein, wenn dies nicht explizit gesagt ist, sofern eine Kombination nicht aus einem technischen Grund ausgeschlossen ist. Vorrichtungsmerkmale sollen auch als Offenbarung von Merkmalen von Verfahren angesehen werden, die durch die erwähnten Vorrichtungsmerkmale realisiert werden, und umgekehrt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6626835 B1 [0008]
- US 2009/061842 [0009]