CN107835939A - 用于测量流体浓度的传感器装置和该传感器装置的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种传感器装置，具有：处于至少部分闭合的试样空间(400)中的吸收段(408)，用于接收待分析的流体；处于所述吸收段(408)的一端部上的辐射源(405)，用于将红外线辐射发射到所述吸收段(408)中；其中，发射到所述吸收段(408)中的所述红外线辐射能够指向处于所述吸收段(408)的另一端部上的传感器单元(409)的上侧(409a)；其中，所述传感器单元(409)具有：分别具有至少一个像素的多个像素组件(102、103)，所述像素组件布置在处于所述传感器单元的下侧(409b)上的衬底(101)的衬底上侧(101a)上，布置在所述衬底上侧(101a)上的罩(104)，该罩覆盖所述像素组件(102、103)，其中，在所述衬底上侧(101a)与所述罩(104)之间形成空腔(105)；多个过滤器(106、107)，所述过滤器对于至少部分不同的波长范围而言是能穿透的，其中，每个过滤器(106、107)配属有刚好一个像素组件(102、103)，并且其中，所述过滤器(106、107)如此布置在所述罩(104)上，使得经过所述吸收段(408)和所述传感器单元的所述上侧(409a)传播的红外线辐射能够穿过相应的过滤器(106、107)被配属于相应的过滤器(106、107)的所述像素组件(102、103)探测；并且其中，在所述罩(104)的未被所述过滤器(106、107)覆盖的部分上至少区段式地构造有由吸收光的和/或反射光的材料构成的涂层(201；301)。
Description
技术领域
本发明涉及一种传感器装置和一种用于测量流体浓度的传感器装置的应用。本发明尤其涉及用于识别二氧化碳气体并且用于测量二氧化碳气体浓度的传感器装置。
背景技术
用于测量流体浓度、尤其是二氧化碳气体浓度的传感器具有多种应用可行方案，例如用于监测空气品质或在安全技术中使用。由WO 2005/045404A1已知一种红外线-气体传感器，该红外线-气体传感器可以测量气体浓度，其方式为，传播经过以待测量的气体填充的吸收段的红外线辐射穿过第一过滤器被第一感测单元探测并且穿过第二过滤器被第二感测单元探测，其中，气体浓度根据探测的辐射强度差来测量。
在这种气体传感器中可能面临感测单元的横向敏感性，因为在过滤器之间穿过的辐射也可以被感测单元感测。
发明内容
本发明公开具有专利权利要求1的特征的传感器装置和传感器装置的具有专利权利要求9的特征的应用。
根据第一方面，本发明实现一种传感器装置，具有处于至少部分闭合的试样空间中的、用于接收待分析的流体的吸收段。用于将红外线辐射发射到吸收段中的辐射源处于吸收段的一端部上，其中，发射到吸收段中的红外线辐射指向处于吸收段的另一端部上的传感器单元的上侧。传感器单元具有分别有至少一个像素的多个像素组件，这些像素组件布置在处于传感器单元的下侧上的衬底的衬底上侧上。在衬底上侧上布置有罩，该罩覆盖像素组件，其中，在衬底上侧与罩之间形成空腔。此外，传感器单元具有多个过滤器，这些过滤器对于至少部分不同的波长范围而言是可穿透的，其中，每个过滤器配属有刚好一个像素组件，并且其中，过滤器这样布置在罩上，使得经过吸收段和传感器单元的上侧传播的红外线辐射可以穿过相应的过滤器被配属于相应的过滤器的像素组件探测。在此，在罩的未被过滤器覆盖的部分上至少区段式地构造由吸收光的和/或反射光的材料构成的涂层。
根据另一方面，本发明实现一种用于测量流体浓度的传感器装置的应用，其中，流体浓度根据由各个像素组件探测的红外线辐射强度的比较来计算。
优选的扩展方案是各个从属权利要求的主题。
覆盖像素组件的罩对于红外线辐射而言基本上是可穿透的，以便保证辐射到达像素组件。然而通过涂层防止红外线辐射穿过罩的处于过滤器之间的部分并且被像素组件感测。由此确保确定的像素组件仅探测这样的红外线辐射，该红外线辐射穿过配属于过滤器的像素组件而射入。因此，提高传感器装置的精度，并且能够以较高的精密度测量流体浓度。防止由于穿过罩的未被过滤器覆盖的部分而射入的散射光引起的横向敏感性。
根据传感器装置的另一实施方式，多个像素组件中的至少一个像素组件构造为参考像素组件，并且配属于参考像素组件的过滤器在一波长范围内是可穿透的，该波长范围与可穿透其余过滤器的波长范围相比被确定的流体、尤其是二氧化碳气体较低程度地吸收。由参考像素组件感测的红外线辐射的强度尽量与待感测的流体的浓度无关，因为透过配属于参考像素组件的过滤器的辐射几乎不或完全不被流体吸收。与此不同，由其余参考像素组件探测的辐射的强度更强烈地取决于流体浓度。在高流体浓度的情况下，更多辐射在可穿透配属于其余像素组件的过滤器的波长范围内被吸收。因此，由参考像素组件感测的红外线辐射与由其余像素组件感测的红外线辐射之间的差取决于流体浓度。通过以待检测流体的已知浓度的测试气体对传感器装置进行事先校准，由此可以使用传感器装置用于确定流体浓度。
根据传感器装置的另一实施方式，涂层由金属、氮化合物和/或氧化合物构成。这些涂层具有好的光吸收和/或光反射特性。
根据传感器装置的另一实施方式，涂层由高掺杂的硅构成。高掺杂的硅对于红外线辐射而言同样是最大程度不可穿透的。
根据传感器装置的另一实施方式，涂层具有表面结构化。通过适当选择该表面结构化，提高材料的反射或吸收特性，并且由此附加地减小涂层对于红外线辐射而言的可穿透性。
根据传感器装置的另一实施方式，辐射源包括激光二极管、加热丝、白炽灯或发光二极管。
根据传感器装置的另一实施方式，吸收段具有用于使红外线辐射偏转的反射器。由此，辐射源和传感器单元尤其可以固定在相同的衬底上。那么由辐射源基本上垂直于衬底发射的红外光借助于反射器如此偏转，使得所述红外光射到传感器单元上。此外，由此可以延长吸收段。
根据传感器装置的另一实施方式，涂层覆盖罩的所有未被过滤器覆盖的部分。由此光仅可以穿过过滤器传播，由此完全防止由于穿过罩、但未穿过过滤器的光所引起的横向敏感性。
附图说明
附图示出：
图1用于阐释根据本发明的传感器装置的示意性横截面视图；
图2根据本发明的第一实施方式的传感器装置的一部分的剖面视图；
图3根据本发明的第二实施方式的传感器装置的一部分的剖面视图；
图4根据本发明的第一实施方式的传感器装置的示意性横截面视图；以及
图5根据本发明的第二实施方式的传感器装置的示意性横截面视图。
在所有图中，相同的或功能相同的元件和装置(只要没有另外说明)设有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出用于阐释根据本发明的传感器装置的示意性横截面视图。第一像素组件102和第二像素组件103处于第一衬底101的第一衬底上侧101a上，该第一衬底例如由硅晶片形成。在此，像素组件102、103可以具有多个像素，这些像素构造为用于探测红外线辐射。被第一像素组件102和第二像素组件103感测的红外线辐射的强度可以通过未示出的、与像素组件102、103连接的测量仪来计算。可选地，也可以仅测量被第一像素组件102探测的红外线辐射的强度与被第二像素组件103探测的红外线辐射的强度的差。优选地，第一像素组件102和第二像素组件103相同地构建，即所述两个像素组件具有相同的测量灵敏度。
由对于红外光而言可穿透的材料、优选硅构成的罩104布置在第一衬底表面101a上。在此，罩104如此覆盖第一像素组件102和第二像素组件103，使得在第一衬底表面101a与罩104之间构造有空腔105。
在罩104的背离第一衬底101的罩上侧104a上布置有第一过滤器106和第二过滤器107。第一过滤器106配属于第一像素组件102并且基本上直接处于第一像素组件102上方，而第二过滤器107配属于第二像素组件103并且基本上直接处于第二像素组件103上方。也就是说，第一过滤器106和第二过滤器107与第一轴线108或第二轴线109相交，该第一轴线或第二轴线垂直于第一衬底101地穿过第一像素组件102或第二像素组件103的中点。
在此，第一过滤器106和第二过滤器107是单色器。第二过滤器107对于被流体吸收的波长而言是可穿透的，而第一过滤器106对于几乎不或完全不被流体吸收的波长而言是可穿透的。如果使用传感器装置来探测二氧化碳，则第二过滤器107对于被二氧化碳特别强烈地吸收的波长而言是可穿透的，该波长例如是4.1μm到4.35μm之间的、优选4.26μm的波长。与此相对，第一过滤器106对于几乎不或完全不被二氧化碳吸收的参考波长而言是可穿透的，该参考波长例如是3.5μm到4μm之间的、优选3.9μm的波长。
图2示出根据本发明的第一实施方式的罩104的俯视图。罩104的罩上侧104a处于第一过滤器106与第二过滤器107之间的那一区域被涂覆以涂层201。涂层201由吸收或反射红外光的材料构成。所述涂层例如可以由金属、氮化合物、氧化合物构成和/或由高掺杂的硅构成。所述涂层例如可以通过化学气相沉积来施加。
优选地，涂层201由起反射作用的层构成，因为该起反射作用的层与起吸收作用的层不同较小程度地变热。由此防止涂层201辐射(abstrahlen)到空腔105中。
如图3中所示出，涂层301也可以涂覆未被第一过滤器106和第二过滤器107覆盖的整个罩上侧104a。由此，罩上侧104a仅在第一过滤器16和第二过滤器107所处的区域中对于红外线辐射而言还是可穿透的。
附加地，根据第一实施方式的涂层201或根据第二实施方式的涂层301的吸收和/或反射特性可以通过表面结构化来提高。例如涂层201、301可以例如通过腐蚀方法来进行粗糙化。
在图4中说明根据本发明的第一实施方式的传感器装置。在此，在例如由硅晶片形成的第二衬底403的第二衬底上侧403a的一部分上布置前面所述的第一衬底101，其中，第一衬底上侧101a背离第二衬底上侧403a。第一衬底101包括第一像素组件102和第二像素组件103，所述第一和第二像素组件被罩104覆盖。在罩104上布置有第一过滤器106和第二过滤器107，其中，如图2中所示出的那样，在第一过滤器106与第二过滤器107之间构造有涂层201。
在第二衬底403上还布置有模塑物质，该模塑物质形成隔板407并且覆盖和保护第一衬底101和具有第一过滤器106和第二过滤器107的、被涂覆的罩104。隔板407由对于红外光而言可穿透的材料构成。
具有第一像素组件102和第二像素组件103的第一衬底101、被涂覆的罩104以及隔板407形成传感器单元409，其中，第一衬底101处于传感器单元的传感器单元下侧409b上，并且隔板407处于传感器单元的传感器单元上侧409a上。
辐射源405与传感器单元409间隔开地布置在第二衬底403上，该辐射源构造为用于发射红外光。辐射源405例如可以是激光二极管、加热丝、白炽灯或发光二极管。辐射源405尤其可以由红外线二极管组成，这些红外线二极管构造为阵列。由辐射源405发射的辐射406可以是窄带的，例如处于2至14μm的波长范围内。然而，本发明不局限于此。由此，辐射源也可以例如通过使用加热丝来发射宽带光。
辐射源405和传感器单元409被例如由金属构成的反射器404拱顶形地覆盖，该反射器同样布置在第二衬底403上。在由此限定的试样空间400中，吸收段408处于辐射源405与传感器单元409之间。辐射源405发射辐射406(为了说明仅画出光射束)。在使用激光二极管时，辐射406可以基本上垂直于第二衬底403被发射。然而，本发明不局限于此。由此例如可以在使用加热丝的情况下使辐射406沿所有方向从衬底发出。
试样空间400构造有(未示出的)用于使待分析的流体、例如二氧化碳气体进入和排出的装置。
由辐射源405发射的辐射406传播经过吸收段408，其中，所述辐射在反射器404上被尽可能多重地反射并且最后射到传感器单元409的传感器单元上侧409a上。在此，辐射406在吸收段408中与处于吸收段408中的流体相互作用，其中，辐射406的确定的波长范围被流体吸收。
辐射406穿透可透光的隔板407并且射到罩104的罩上侧104a上。在此，辐射406可以不穿过罩104的被涂层201覆盖的部分传播，而是被涂层201反射或吸收。第一像素组件102探测穿过第一过滤器106传播的光，并且第二像素组件103探测穿过第二过滤器107传播的光。
因为第一过滤器106对于几乎不或完全不被流体、例如二氧化碳吸收的波长范围而言是可穿透的，所以被第一像素组件102感测的辐射的强度基本上与吸收段408中的流体浓度无关。因此，第一像素组件102作为参考像素组件使用。
与此相对，第二过滤器107在被流体吸收的波长范围内是可穿透的，使得被第二像素组件103感测的辐射强度取决于存在于吸收段408中的流体浓度。第一像素组件102和第二像素组件103可以被分开地、即单独地分析处理，或者可以仅探测被第一像素组件102感测的辐射与被第二像素组件103感测的辐射的强度差。所述差由(未示出的)分析处理装置来分析处理。
通过传感器装置借助于已知流体浓度的流体、例如二氧化碳测试气体的校准，可以确定所述差与流体浓度的相关性。因此，例如在流体浓度较高的情况下所测量的强度差同样较高。由此可以使用传感器装置来测量流体浓度。
图5示出根据本发明的第二实施方式的传感器装置。在此，相比于第一实施方式，罩104的整个罩上侧104a(如图3中所示出的那样)设有涂层301。由此确保，没有辐射406穿过罩104的未被第一过滤器106和第二过滤器107覆盖的部分并且被第一像素组件102和第二像素组件103感测。由此确保，第一像素组件102仅探测穿过第一过滤器10传播的辐射406，并且第二像素组件103仅探测穿过第二过滤器107传播的辐射406。由此提高流体浓度的测量精度。
Claims (9)
1.传感器装置，具有：
处于至少部分闭合的试样空间(400)中的吸收段(408)，用于接收待分析的流体；
处于所述吸收段(408)的一端部上的辐射源(405)，用于将红外线辐射发射到所述吸收段(408)中；
其中，发射到所述吸收段(408)中的所述红外线辐射能够指向处于所述吸收段(408)的另一端部上的传感器单元(409)的上侧(409a)；并且，
其中，所述传感器单元(409)具有：
-分别具有至少一个像素的多个像素组件(102、103)，所述像素组件布置在处于所述传感器单元的下侧(409b)上的衬底(101)的衬底上侧(101a)上，
-布置在所述衬底上侧(101a)上的罩(104)，该罩覆盖所述像素组件(102、103)，其中，在所述衬底上侧(101a)与所述罩(104)之间形成空腔(105)；
-多个过滤器(106、107)，所述过滤器对于至少部分不同的波长范围而言是能穿透的，其中，每个过滤器(106、107)配属有刚好一个像素组件(102、103)，并且其中，所述过滤器(106、107)如此布置在所述罩(104)上，使得经过所述吸收段(408)和所述传感器单元的所述上侧(409a)传播的红外线辐射能够穿过相应的过滤器(106、107)被配属于相应的过滤器(106、107)的所述像素组件(102、103)探测；并且，
-其中，在所述罩(104)的未被所述过滤器(106、107)覆盖的部分上至少区段式地构造有由吸收光的和/或反射光的材料构成的涂层(201；301)。
2.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，多个像素组件(102、103)中的至少一个像素组件(102)构造为参考像素组件(102)，并且其中，配属于所述参考像素组件(102)的过滤器(106)在一波长范围内是能穿透的，该波长范围与能穿透其余过滤器(107)的波长范围相比被确定的流体、尤其是二氧化碳气体较低程度地吸收。
3.根据权利要求1或2所述的传感器装置，其中，所述涂层(201；301)由金属、氮化合物和/或氧化合物构成。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的传感器装置，其中，所述涂层(201；301)由高掺杂的硅构成。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的传感器装置，其中，所述涂层(201；301)具有表面结构化。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的传感器装置，其中，所述辐射源(405)包括激光二极管、加热丝、白炽灯或发光二极管。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的传感器装置，其中，所述吸收段(408)具有用于使所述红外线辐射偏转的反射器(404)。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的传感器装置，其中，所述涂层(201；301)覆盖所述罩(104)的所有未被所述过滤器(106、107)覆盖的部分。
9.根据前述权利要求中任一项所述的用于测量流体浓度的传感器装置的应用，其中，所述流体的浓度根据由各个像素组件(103)探测的红外线辐射强度的比较来计算。
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