DE3927735A1 - Strahlungsthermometer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Strahlungsthermometer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Das berührungslos arbeitende Strahlungsthermometer ist zur Temperaturmessung bei schlecht zugänglichen oder bewegten, insbesondere rotierenden Maschinenteilen, wie Motorläufer oder Anker geeignet.

Ein solches Strahlungsthermometer ist aus Fritz Liene­ weg, Handbuch der technischen Temperaturmessung, Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig, 1976, S. 357 bekannt. Beim dort als Bolometerempfänger bezeichne­ ten Strahlungsthermometer wird durch die Meßstrahlung ein temperaturempfindlicher Widerstand erwärmt. Seine Widerstandsänderung ist ein Maß für die Strahlungstempe­ ratur. Zur Widerstandsmessung werden meist Brückenschal­ tungen verwendet. Als Widerstandswerkstoffe werden Me­ talle mit hohen Temperaturkoeffizienten wie Nickel, ins­ besondere aber Wismut, Antimon oder Germanium verwendet.

Wenn möglich, trägt man die Detektorwerkstoffe mit sehr geringen Wanddicken auf dünne isolierende Folien, wie eloxiertes Aluminium auf. Dadurch ergeben sich kurze Einstellzeiten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Strah­ lungsthermometer der eingangs genannten Art anzugeben, das mechanisch steif genug aufgebaut ist, um im Dünn­ schichtverfahren mit Widerstandsmaterial beschichtet werden zu können.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen ins­ besondere darin, daß das vorgeschlagene berührungslose Strahlungsthermometer insbesondere als infrarotempfind­ licher Strahlungsdetektor einsetzbar ist. Der vorge­ schlagene, aus Substratmaterial mit Höhlung und darüber gespannter beschichteter Kunststoffolie bestehende Sen­ sorträger kombiniert die Vorteile von Dünnschichtsensor­ trägern aus massiven Substraten (stabile, ebene und glatte Oberfläche, geringer Preis) mit den Anforderungen an berührungslose Sensoren für Temperatur, Gasströmung etc. (geringe Wärmekapazität, gute elektrische und ther­ mische Isolationsfähigkeit), ohne deren Nachteile aufzu­ weisen.

Die dünne Kunststoffolie besitzt eine sehr geringe Wär­ mekapazität und eine hervorragende elektrische und ther­ mische Isolationsfähigkeit. Durch die geringe Wärmekapa­ zität der Kunststoffolie sind kurze Reaktionszeiten er­ zielbar, d.h. die von heißen Objekten ausgehende Wärme­ strahlung reicht aus, um den aus der mit Widerständen beschichteten Kunststoffolie bestehenden Sensor schnell und genügend zu erwärmen. Außer dem Sensor gehen keine weiteren Massen in den thermischen Haushalt ein.

Die geringe mechanische Steifheit der Kunststoffolie wird durch die vorgeschlagene Befestigung auf einem vor­ strukturierten Substratmaterial über eine Höhlung voll­ ständig aufgehoben. Dadurch läßt sich die Trägerfolie wie ein homogenes Substrat aus Glas oder Keramik groß­ flächig unter Einsatz von Dünnschichttechnologien be­ schichten und lithografisch strukturieren. Die Vereinze­ lung in die nur wenige Millimeter großen Sensorträger kann nach Abschluß der Dünnschicht-Verfahrensschritte in beliebigen Formen durch einfaches Ausstanzen erfolgen. Der Hauptvorteil gegenüber bisherigen Ausführungen von berührungslosen Sensoren ist die überaus einfache und kostengünstige Herstellung und der robuste Aufbau des Gesamtsensors.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Sensorträger mit Sensor,

Fig. 2 einen Schnitt durch den Sensor,

Fig. 3 ein Beispiel für eine Sensorstruktur,

Fig. 4 ein Ersatzschaltbild der Sensorstruktur gemäß Fig. 3,

Fig. 5 einen Infrarotsensor,

Fig. 6 eine Signalauswerteschaltung für den Infrarot­ sensor.

In Fig. 1 ist ein Sensorträger mit Sensor dargestellt. Der Sensorträger 1 weist ein Substratmaterial 2, beste­ hend aus Epoxyd oder einem üblichen Leiterplattenmateri­ al, auf. Das Substratmaterial 2 ist doppelseitig mit Kupferfolien 3, 4 beschichtet und vorstrukturiert. Die Kupferfolie 3 der Vorderseite des Substratmaterials 2 dient beispielsweise als Kontaktfläche für elektrische Anschlüsse der Sensorstruktur, während die Kupferfolie 4 der Rückseite des Substratmaterials 2 zur Bildung von externen Kontakten zum Anschluß einer Signalauswerte­ schaltung herangezogen werden kann. An der Vorderseite des Substratmaterials 2 ist eine Höhlung (Vertiefung, Ätzloch, Senkung, Bohrung, Sackloch) 5 vorgesehen, über die der eigentliche Sensor 6 trommelfellartig gespannt und an den Rändern durch Kleber fixiert ist.

Für den elektrischen Anschluß des Sensors 6 sind mehrere Bohrungen im Substratmaterial 2 am Rande der Höhlung 5 vorgesehen, die entweder chemisch durchkontaktiert wer­ den, und/oder durch Durchkontaktierungshülsen 7 gesteckt und mit der Kupferfolie 3 bzw. den Anschlüssen des Sen­ sors 6 einerseits sowie mit der Kupferfolie 4 anderer­ seits verbunden sind. Die Signale des Sensors können so in einfacher Weise über die Durchkontaktierungshülsen 7 auf die Rückseite des Sensorträgers weitergeleitet wer­ den. Über mit Hilfe der Kupferfolie 4 geschaffene An­ schlüsse 8, 9 werden elektrische Verbindungen für eine Signalauswerteschaltung gebildet.

In Fig. 2 ist ein Schnitt durch einen Sensor 6 darge­ stellt. Der Sensor 6 weist eine Kunststoffolie 11, vor­ zugsweise aus Polyimid, als Trägerfolie auf. Die der Höhlung 5 abgewandte Vorderseite der Kunststoffolie 11 ist mit einer strukturierten Sensorschicht 12, vorzugs­ weise einer Nickelschicht, beschichtet. Diese Sensor­ schicht 12 bildet die wärmestrahlungsempfindliche Sen­ sorstruktur mit einem oder mehreren mäanderförmigen Dünnschichtwiderstand(en).

Allgemein können mit Hilfe der Dünnschichttechnologie Nickelwiderstände hergestellt werden, die aufgrund ihres hohen Temperaturkoeffizienten eine Empfindlichkeit be­ sitzen, die mit der von teuren Platinwiderständen ver­ gleichbar ist.

Die Sensorschicht 12 kann mit einer Fotoresistschicht 14 abgedeckt sein. Desweiteren kann zwischen die Sensor­ schicht 12 und die Fotoresistschicht 14 oder anstelle der Fotoresistschicht 14 oder auf die Fotoresistschicht 14 eine IR-Absorptionsschicht 13 aufgebracht werdem.

Zur Herstellung des Sensorträgers 1 mit Sensor 6 wird eine doppelseitig vorstrukturierte Leiterplatte - die bereits mit den Kontaktflächen für die einzelnem Sensor­ teile (stukturierte Kupferfolie 3, Anschlüsse 8, 9) und einer Vielzahl von Höhlungen 5 versehen ist - großflä­ chig mit der Kunststoffolie 11 beklebt. Die Oberfläche der Kunststoffolie 11 wird anschließend im Vakuum mit einer etwa 50 bis 100 nm dicken Nickelschicht und gege­ benenfalls mit der IR-Absorptionsschicht 13 großflächig bedampft oder, in einer Kathodenzerstäubungsanlage, be­ sputtert. In einem anschließenden Fotolithografie-Prozeß wird dann die Sensorstruktur mit den typisch 10 bis 50 µm breiten, mäanderförmen Widerstandbahnen unter Einsatz spezieller Ätzbäder (für die Fotoresistschicht 14 und anschließend die Sensorschicht 12) hergestellt.

Ebenso kann zum Schutz der Sensorschicht 12 vor aggres­ siven Dämpfen beim Betrieb des Sensors in rauher Umge­ bung die Fotoresistschicht 14, die zur Strukturierung der Sensorschicht 12 verwendet wurde, als Passivierung auf der Sensorschicht 12 belassen werden. Nach Abschluß dieser Dünnschicht-Verfahrensschritte können eine Tempe­ rung bei ca. 120°C bis 170°C und anschließend die Ver­ einzelung der Sensorträger 1 durch Ausstanzen erfolgen.

In Fig. 3 ist ein Beispiel für eine Sensorstruktur dar­ gestellt. Die Sensorstruktur 16 weist fünf mäanderförmi­ ge Dünnschichtwiderstände R1, R2, R3, R4, R5 auf, wobei der in der Fläche quadratische Widerstand R5 zentral ange­ ordnet ist und jeder seiner vier Seiten ein äußerer Wi­ derstand R1...R4 gegenüberliegt. Zwischen zwei äußeren Widerständen bzw. gegenüber jeder Ecke des quadratischen Widerstands R5 befindet sich ein Kontaktierungsanschluß 15, im einzelnen mit D1, D2, D3, D4 bezeichnet. Jeder Kon­ taktierungsanschluß 15 weist ein Durchkontaktierungsloch 18 zur Durchführung einer Durchkontaktierungshülse 7 auf. Die Verbindung der einzelnen Dünnschichtwiderstände erfolgt über aufgedampfte bzw. gesputterte Verbindungs­ stege 17.

In Fig. 4 ist ein Ersatzschaltbild der Sensorstruktur gemäß Fig. 3 dargestellt. Die Dünnschichtwiderstände R1...R5 sind jeweils als Einzelwiderstände gezeichnet. Es ist zu erkennen, daß der zentrale Widerstand R5 zwi­ schen den Kontaktierungsanschlüssen D1 und D2, die äuße­ ren Widerstände R1 und R2 in Serie zwischen den Kontak­ tierungsanschlüssen D2 und D3 sowie die äußeren Wider­ stände R3 und R4 in Serie zwischen den Kontaktierungsan­ schlüssen D3 und D4 angeordnet sind. Der Widerstand R5 bildet den Infrarotstrahlungsmeßwiderstand, die Wider­ stände R3 + R4 den Raumtemperaturmeßwiderstand und die Widerstände R1 + R2 den Referenzwiderstand eines Infra­ rotsensors mit Signalauswerteschaltung (siehe Fig. 6).

In Fig. 5 ist ein Infrarotsensor dargestellt. Der Infra­ rotsensor 23 weist einen Sensorträger 1 mit Höhlung 5 und darüber gespanntem Sensor 6 auf. Der Sensorträger 1 befindet sich in einer Hülse 20 eines röhrenförmigen Sensorgehäuses 19. Der Sensor 6 weist aufgedampfte oder gesputterte mäandrierte Nickel-Dünnschichtwiderstände als Infrarotstrahlungsdetektoren auf. Das Sensorsignal, das durch die Infrarotstrahlung eines heißen Objekts im Gesichtsfeld des Sensors hervorgerufen wird, wird direkt hinter dem Sensor mittels einer auf einer Platine 24 be­ findlichen Signalauswerteschaltung verstärkt und aufbe­ reitet. Die Platine 24 ist dabei senkrecht zum Sensor­ träger 1, d.h. parallel zur Achse der Hülse 20 angeord­ net. Die Anschlüsse 8, 9 des Sensorträgers 1 sind mit der Platine 24 kontaktiert.

Die Dünnschichtwiderstände sind so angeordnet, daß nur der zentrale Widerstand R5 (siehe Fig. 3) der einfallen­ den Infrarotstrahlung ausgesetzt ist und von ihr erwärmt wird. Hierzu dient die in die Hülse 20 eingesetzte Blen­ de 21, deren zentrale, achsenparallele Bohrung 25 nur den zentralen Widerstand R5 freiläßt. Die Hülse 20 mit Blende 21 ist durch eine infrarotdurchlässige Silizium­ scheibe 22 verschlossen und so gegen Verschmutzung ge­ schützt. Durch die Blende 21 mit zentraler Bohrung 25 wird die Infrarotstrahlung auf einen Einfallwinkel von z.B. 25° beschränkt. Das Gesichtsfeld des Infrarotsen­ sors 23 kann somit durch Variation des Abstandes vom Meßobjekt und/oder durch Veränderung des Bohrungsdurch­ messers der Blende 21 den jeweiligen Bedürfnissen ange­ paßt werden.

In Fig. 6 ist eine auf der Platine 24 befindliche Si­ gnalauswerteschaltung für den Infrarotsensor darge­ stellt. Die elektrischen Verbindungen der Signalaus­ werteschaltung mit den Kontaktierungsanschlüssen D1...D4 der Sensorstruktur 16 sind jeweils angegeben. Der Kon­ taktierungsanschluß D1 wird über einen Widerstand R6 mit positiver Gleichspannung U beaufschlagt und ist mit der Kathode einer Referenzspannungsquelle Z1 sowie mit Wi­ derständen R7, R8 und mit dem negativen Eingang eines Komparators V3 sowie mit einem Widerstand R18 verbunden.

Wie bereits erwähnt, kontaktiert der Kontaktierungsan­ schluß D1 den zentralen Infrarotstrahlungsmeßwiderstand R5 der Sensorstruktur 16. Die Anode der Referenzspan­ nungsquelle Z1 liegt auf Massepotential.

Der Kontaktierungsanschluß D2 ist über einen Widerstand R10 mit dem negativen Eingang eines Verstärkers V1 ver­ bunden. Wie bereits erwähnt, kontaktiert der Kontaktie­ rungsanschluß D2 den Referenzwiderstand R1 + R2 sowie den Infrarotstrahlungsmeßwiderstand R5 der Sensorstruk­ tur 16.

Der Kontaktierungsanschluß D4 ist mit dem weiteren An­ schluß des Widerstandes R7 sowie über einen Widerstand R14 mit dem negativen Eingang eines Verstärkers V2 ver­ bunden. Wie bereits erwähnt, kontaktiert der Kontaktie­ rungsanschluß D4 den Raumtemperaturmeßwiderstand R3 + R4 der Sensorstruktur 16. Der Kontaktierungsanschluß D3, der den Referenzwiderstand R1 + R2 sowie den Raumtempe­ raturmeßwiderstand R3 + R4 andererseits kontaktiert, bildet den Masseanschluß.

Der weitere Anschluß des Widerstandes R8 liegt über ei­ nem Potentiometer P1 und einem Widerstand R9 an Massepo­ tential. Der Abgriff des Potentiometers P1 ist über ei­ nen Widerstand R11 mit dem positiven Eingang des Ver­ stärkers V1 verbunden. Der Ausgang des Verstärkers V1 ist über einen Widerstand R13 an den positiven Eingang des Verstärkers V2 angeschlossen. Ferner sind Ausgang sowie negativer Eingang des Verstärkers V1 über die Se­ rienschaltung eines Widerstandes R12 umd eines Potentio­ meters P2 miteinander verbunden, wobei der Abgriff des Potentiometers P2 an den Ausgang des Verstärkers V1 an­ geschlossen ist.

Der Ausgang des Verstärkers V2 ist über einen Widerstand R17 mit den positiven Eingängen von Komparatoren V3, V4 verbunden. Der Ausgang des Verstärkers V2 liegt deswei­ teren über zwei Widerstände R15, R16 an Massepotential, wobei der gemeinsame Verbindungspunkt der Widerstände R15, R16 am negativen Eingang des Verstärkers V2 ange­ schlossen ist.

Der Ausgang des Komparators V3 steuert über einen Wider­ stand R22 die Basis eines Transistors T1 an. Ferner sind Ausgang und positiver Eingang des Komparators V3 über einen Widerstand R19 miteinander verbunden. Während der Emitter des Transistors T1 an Masse liegt, ist der Kol­ lektor an eine Warnstufe 26 angeschlossen, die anderer­ seits mit positiver Gleichspannung U beaufschlagt wird.

Der weitere Anschluß des Widerstandes R18 ist direkt an den negativen Eingang des Komparators V4 sowie über ei­ nen Widerstand R20 an Masse geschaltet. Der Ausgang des Komparators V4 steuert über einen Widerstand R23 die Basis eines Transistors T2 an. Ferner sind Ausgang und positiver Eingang des Komparators V4 über einen Wider­ stand R21 miteinander verbunden. Während der Emitter des Transitors T2 an Masse liegt, ist der Kollektor an eine Vorwarnstufe 27 angeschlossen, die andererseits mit po­ sitiver Gleichspannung beaufschlagt wird.

Aus der vorstehend beschriebenen Signalauswerteschaltung geht hervor, daß die Dünnschichtwiderstände R5 und R1 + R2 zu einer Halbbrücke verbunden sind, während die Dünnschichtwiderstände R3 + R4 lediglich zur Messung der Raumtemperatur dienen. Das Potentiometer P2 dient zum Brückenabgleich. Das Signal der Halbbrücke R5/(R1 + R2) wird im Verstärker V1 verstärkt und im Verstärker V2 auf das separat gemessene, momentane Raumtemperatursignal von R3 + R4 aufaddiert. Das am Ausgang der Verstärkers V2 anstehende Summensignal wird danach parallel in den Komparatoren V3 und V4 mit zwei unterschiedlichen Schaltschwellen verglichen. Die etwa 10% unterhalb der Schaltschwelle des Komparators V3 liegende Schaltschwel­ le des Komparators V4 führt zum Durchschalten des Tran­ sistors T2, wenn das Summensignal am Ausgang des Ver­ stärkers V2 einen vorgebbaren Wert überschreitet. Die Vorwarnstufe 27 gibt daraufhin ein Vorwarnsignal ab, da sich die vom Infrarotsensor 23 erfaßte Temperatur einem kritischen oberen Wert nähert. Steigt die Temperatur weiter an, so daß das am Ausgang des Verstärkers V2 an­ stehende Summensignal auch die Schaltschwelle des Kompa­ rators V3 überschreitet, so wird der Transistor T1 durchgeschaltet und die Warnstufe 26 veranlaßt eine Not­ abschaltung, um das zu überwachende Objekt vor einer Zerstörung infolge zu hoher Temperatur zu schützen. Bei­ de Schaltschwellen können mit Hilfe des Potentiometers P1 eingestellt werden.

Wahlweise steht auch das temperaturproportionale Aus­ gangssignal des Verstärkers V2 direkt zur Verfügung, wenn eine berührungslose Temperaturmessung durchzuführen ist.

Claims (11)

1. Strahlungsthermometer mit mindestens einem auf einer dünnen isolierenden Folie aufgebrachten, durch Meßstrahlung erwärmbaren temperaturempfindlichen Wider­ stand, dessen Widerstandsänderung ein Maß für die Strah­ lungstemperatur ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit mindestens einem mäandrierten Dünnschichtwiderstand (R5) beschichtete Kunststoffolie (11) über eine Höhlung (5) eines Substratmaterials (2) gespannt und durch Kle­ ber fixiert ist.

2. Strahlungsthermometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Dünnschichtwi­ derstand (R5) mit einer Fotoresistschicht (14) abgedeckt ist.

3. Strahlungsthermometer nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandsmaterial an der Kunststoffolie (11) mit einer IR-Absorptions­ schicht (13) abgedeckt ist.

4. Strahlungsthermometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Leiterplatte als Substratmaterial (2) verwendet wird.

5. Strahlungsthermometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Epoxyd als Substrat­ material (2) verwendet wird.

6. Strahlungsthermometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Substratmaterial (2) doppelseitig mit vorstrukturierter Kupferfolie (3, 4) beschichtet ist, wodurch Kontaktflächen für die elektri­ schen Anschlüsse des mindestens einen Dünnschichtwider­ standes (R5) sowie Anschlüsse (8, 9) für die elektrische Verbindung einer Signalauswerteschaltung gebildet wer­ den.

7. Strahlungsthermometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Substratmaterial (2) mit Durch­ kontaktierungslöchern versehen ist, durch die einerseits die mit Durchkontaktierungslöchern (18) versehenen Kon­ taktierungsanschlüsse (15, D1...D4) des aus der be­ schichteten Kunststoffolie (11) bestehenden Sensors (6) und andererseits die Anschlüsse (8, 9) für eine Signal­ auswerteschaltung elektrisch miteinander verbunden werden.

8. Strahlungsthermometer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffolie (11) mit einer aus mehreren Dünnschichtwiderständen (R1...R5) bestehenden Sensorstruktur (16) versehen ist, wobei ein zentraler Widerstand (R5) und mehrere äußere Widerstände (R1...R4) gebildet werden.

9. Strahlungsthermometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer Blende (21) mit zen­ traler Bohrung (25) lediglich der zentrale Widerstand (R5) mit Meßstrahlung beaufschlagbar ist, während die äußeren Widerstände nur durch Raumluft erwärmbar sind.

10. Strahlungsthermometer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (21) mit einer infrarot­ durchlässigen Siliziumscheibe (22) abgedeckt ist.

11. Strahlungsthermometer nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Widerstände (R1...R4) als Referenzwiderstände (R1 + R2) für eine den zentralen Widerstand (R5) beinhaltende Halbbrücke bzw. als Raumlufttemperaturmeßwiderstand (R4) dienen.