用于在使用激光诱导白炽光原理的情况下探测流动流体中的颗粒或气溶胶的传感器装置的制作方法

1.本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的、在使用激光诱导白炽光原理的情况下探测流动流体中的颗粒或气溶胶的传感器装置。


背景技术：

2.从de 10 2017 207 402 a1中已知一种呈颗粒传感器形式的传感器装置，该传感器装置用于在使用激光诱导白炽光原理的情况下探测引导流体的区域中的颗粒。在此，存在于引导废气的区域中的颗粒、例如烟灰颗粒借助聚焦到激光光斑上的激光加热到几千摄氏度，从而其发射大量热辐射或温度辐射。颗粒的这种热诱导的光发射借助光探测器来测量，该光探测器提供与所测量的光强度相对应的输出信号。


技术实现要素：

3.本发明所基于的问题通过具有权利要求1的特征的传感器装置解决。有利的扩展方案在从属权利要求中说明。
4.根据本发明，传感器装置的光学部件、电子部件和/或光电部件中的至少几个安装在共同的载体(“衬底”)上并且相互调整。在此，目的是将尽可能多的这些部件布置在共同的载体上，将其固定在那里，并且因此实现一个整体部分或“光学块”。特别地，用于光成形所需的光学元件(例如镜、透镜、分束器等)固定在共同的载体上。这在很大程度上简化传感器装置的结构，由此也简化调整。这可以例如在部件的制造和固定期间例如通过粘接主动实现。因此，所述“光学块”的部件相互调整。总之，传感器拓扑因此简化。由此也降低制造成本，因为尤其也可以使用较小的光学元件。传感器装置的机械和热稳定性也得到改善。
5.所有这些都是通过用于在使用激光诱导白炽光(lii)原理的情况下探测流动流体中的颗粒或气溶胶的传感器装置来实现的。在此，在这些位置处应该指出，尤其是烟灰颗粒可以考虑为颗粒并且尤其是燃烧设备或内燃机的废气可以考虑为流体。例如，该设备可以用于汽油车辆或柴油车辆中颗粒过滤器的状态监测。然而，原则上，该设备通常适用于探测任何流体中的颗粒和气溶胶。例如，可以设想将该设备用于其他场景和应用领域(例如便携式废气排放监测系统、室内空气质量测量、燃烧设备废气排放)。该方案既能够确定颗粒的质量浓度(mg/m3或mg/mi)，又能够确定颗粒的数量浓度(颗粒/m3或颗粒/mi)。颗粒尺寸分布的测量也能够实现。
6.在激光诱导白炽光的原理中，首先借助激光通过部分吸收激光将颗粒加热到几千度，该激光由装置(例如激光器)产生并以足够高的强度聚束在激光光斑中，即聚束在具有μm范围内的最小尺寸的体积区域中。根据普朗克辐射定律，这种热颗粒发出具有特征的温度辐射(白炽光或热电子发射)，该温度辐射用作测量信号并借助装置(例如探测器)来进行检测。
7.为此目的，例如使用布置在激光器的射束路径中的光学元件(例如以聚焦透镜的
形式)，该光学元件构造和设置用于将由激光器发出的激光聚束在非常小的激光光斑中。在例如10μm的焦点直径的情况下，可以假设：当以10
13
/m3的颗粒浓度为基础时，在给定的时刻总是仅有一个颗粒飞过激光光斑(固有的单个颗粒可探测性)。探测器如此设置和布置，使得该探测器探测到从激光光斑发出的温度辐射。例如，成本有利的半导体激光二极管可以用作用于产生激光的装置。温度辐射的探测例如可以借助多像素光子计数器(mppc)或硅光子倍增器(sipm)来进行。
8.具体地，根据本发明的传感器装置包括用于产生激光的第一装置，例如以上述激光二极管的形式。此外，该传感器装置还包括用于引导激光的第二装置，其中，该装置通常具有光学部件，例如以透镜和/或镜的形式。该传感器装置还包括用于引导温度辐射的第三装置，该温度辐射由通过激光在上述光斑中加热的颗粒发射。该装置通常也包括例如呈透镜和/或镜的形式的光学部件。最后，根据本发明的传感器装置还包括用于检测温度辐射的第四装置，通常以例如上述类型的探测器的形式，例如以光电二极管的形式。
9.在根据本发明的传感器装置中，第一装置至第四装置中的至少两个的至少部分布置在共同的载体上并且因此以“光学块”的方式彼此固定地且以固定的关系布置。在此，“共同的载体”不理解为装置的相应部分以任何方式和方法机械地彼此固定，例如容纳在共同的壳体中。“共同的载体”在此优选地理解为一件式元件，相应的装置直接地或借助相应的固定装置固定在该一件式元件处。
10.在一种扩展方案中设置，载体包括平面板、尤其是pcb(“printed circuit board，印刷电路板”)或陶瓷板。如果使用pcb，则传感器装置的电子部件也可以非常简单地集成。这尤其是在第一装置和第四装置方面是有利的。如果使用由陶瓷材料制成的平面型衬底，则这在热传导方面具有优势，因为陶瓷是良好的绝缘体并且此外还可靠地承受高温。
11.在一种扩展方案中设置，传感器装置具有面向流体的第一区域和背向流体的第二区域，并且第一至第四装置的仅布置在第二区域中的部分布置在共同的载体上。因此，载体布置在背向流体的第二区域中，该第二区域也可以称为“冷”区域，尤其是当流体涉及燃烧设备或内燃机的废气时，因为与在(热的)面向流体的第一区域相比，在该第二区域中存在(herrschen)明显更低的温度。因此，借助本发明实现传感器装置的这个“冷”区域的高度集成的实施方案。
12.在一种对此的扩展方案中设置，第一区域和第二区域通过光导装置、尤其是玻璃纤维彼此光学耦合。由于根据本发明的、装置在共同的载体上的集成，这种光导装置的使用能够特别容易地实现，并且这种光导装置允许：不仅激光而且温度辐射的几乎无损耗的传输，以及基本的电子和光学元件远离通常热高度负荷的和/或化学高度负荷的第一区域。由此显著改善传感器装置的机械稳定性以及热稳定性。
13.但是，原则上也可以想到，省去光导装置并且将激光从第一区域直接引导至第二区域中，并且将温度辐射直接从第二区域引导至第一区域中。由此实现具有所谓的“自由射束光学器件”的非常紧凑的传感器装置。在此，目标也是将传感器装置在第二“冷”区域中的尽可能多的或者甚至所有的光学部件实现在共同的载体上，并且因此实现为整体的且相对较大的部件。
14.在一种扩展方案中设置，载体具有至少一个开口，激光和/或温度辐射穿过该开口。由此实现，载体的两侧均可以用于光学部件和/或电子部件的布置，由此能够实现装置
彼此之间特别紧凑的布置。
15.在一种对此的扩展方案中设置，第二装置和第三装置包括呈分束器形式的至少一个共同部件，该分束器如此布置在共同的载体的开口中，使得温度辐射或激光穿过该分束器和开口。这种分束器可以例如以分色镜(dichroitischen spiegel)的形式实现。通过该分束器可以实现，不仅对于激光、而且对于温度辐射至少局部地设置共同的射束路径，由此传感器装置特别紧凑地构建，并且仍然局部地、即在第一装置与分束器之间以及第四装置与分束器之间实现用于激光和温度辐射的分离的射束路径。通过将分束器布置在共同的载体的开口中，该分束器相对受保护地布置，由此改善传感器装置的机械稳定性。
16.在一种扩展方案中设置，第一装置(例如激光二极管)和/或第四装置(例如探测器，例如以多像素光子计数器(mppc)或硅光子倍增器(sipm)的形式)布置在共同的载体上或至少局部地布置在共同的载体中。然而，特别地，不仅限于通过pcb实现载体，可以在共同的载体中或共同的载体处实现电的操控或信号导出，由此降低制造成本并再度改善传感器装置的稳健性。
17.在一种扩展方案中设置，第一装置和第四装置布置在载体的相对的端部处。以这种方式排除或至少显著降低相互影响。
18.在其一种替代方案中设置，第一装置和第四装置彼此相邻地布置在载体的相对的侧上。以这种方式，将传感器装置的电子部件集中在共同的载体的确定区域中，这在制造中具有优势。
19.在一种扩展方案中设置，第二装置和/或第三装置包括布置在载体处的至少一个镜，该镜偏转激光或温度辐射，其中，该镜优选地是聚焦镜。通过这种镜使得能够简单地引导激光和/或温度辐射，并且这种镜的调整可以在安装中、例如在将镜粘合在衬底处时以非常简单的方式进行。如果镜是聚焦镜，则该镜附加地还满足聚焦透镜的功能，从而可以省去聚焦透镜，由此节省成本并降低所需的结构空间。这种聚焦镜可以例如通过曲面镜来实现。
附图说明
20.下面参照附图阐述本发明的实施方式。在附图中示出：
21.图1示出用于在使用激光诱导白炽光原理的情况下探测流动流体中的颗粒的传感器装置的结构的示意图；
22.图2示出图1的传感器装置的第一区域和第二区域的第一实施方式的示意性截面图；
23.图3示出图1的传感器装置的第一区域和第二区域的第二实施方式的示意性截面图；
24.图4示出图1的传感器装置的第一区域和第二区域的第三实施方式的示意性截面图；
25.图5示出具有图3的第二区域的传感器装置的示意图。
26.在下面的描述中，功能等效的元件和区域在不同的图中也承载相同的附图标记并且一般不进行多次阐述。
具体实施方式
27.图1以高度示意性的方式示出用于在使用激光诱导白炽光原理的情况下探测流动流体中的颗粒或气溶胶的传感器装置10，也就是说以颗粒传感器的形式。首先，可以看出呈激光器形式的第一装置12，在当前情况下示例性地是cw激光器(cw＝continuous wave，即“连续波”)，其产生或发射激光14。第一装置12尤其可以具有激光二极管，这是非常成本有利的。激光14首先通过准直装置16(例如准直透镜或准直镜)成形为平行的射束，该射束穿过例如呈射束分离器或分色镜形式的分束器18。从那里该射束到达聚焦装置20并且进一步以聚焦的形式到达激光光斑22(下面简称为“光斑”)。在此，将具有在μm范围内或者甚至在100nm范围内的非常小的尺寸的体积元件理解为光斑22，在所述光斑中激光14极度聚焦并且因此是非常能量紧密或密集的。准直装置16、分束器18和聚焦装置20是第二装置24的部分，借助该第二装置24将激光14引导至光斑22。
28.高强度的激光14可以在光斑22中照射在那里存在的颗粒26上，例如内燃机的废气流中的烟灰颗粒26。激光14的强度在光斑22中如此高，使得激光14的由颗粒26吸收的能量将颗粒26加热到几千摄氏度(仅在光斑22的体积中，激光14的强度达到激光诱导白炽光(lii)所需的高值)。作为加热的结果，颗粒26自发地并且基本上没有优选方向地大量发射温度辐射28，也称为lii光并且在图中由虚线箭头示出。因此，温度辐射28的一部分也在与入射激光14的方向相反的方向上发射。温度辐射28位于例如近红外和可见光谱范围内，然而并不限于该光谱范围。
29.在光斑22中由激光14激励的颗粒26的温度辐射28又通过聚焦装置20回到分束器18——在那里，该温度辐射在当前情况下示例性地偏转90
°
(其他角度也是可能的)，穿过聚焦透镜30并穿过该滤光器32(该滤光器不一定存在)到达探测器34。聚焦装置20、分束器18、聚焦透镜30和滤光器32属于第三装置36，借助该第三装置将温度辐射28从光斑22引导至探测器34。可以看出，分束器18和聚焦装置20不仅属于第二装置24而且属于第三装置36。探测器34又形成“用于检测温度辐射28的第四装置”。滤光器32如此构造，使得该滤光器至少在很大程度上滤除激光14的波长，该激光在很小的程度上也反射回来。因此，通过滤光器32降低干扰背景。也可以设想使用简单的边缘滤光器(kantenfilter)。由此改善信噪比。
30.光斑22的尺寸在几微米的范围内、尤其是在至多200μm的范围内，从而将横穿光斑22的颗粒26激励以发射可分析处理的辐射功率。结果，可以假设：在光斑22中始终存在至多一个颗粒26，并且传感器装置10的瞬时输出信号仅源自该至多一个颗粒26。
31.探测器34优选地包括多像素光子计数器(mppc)或硅光子倍增器(sipm)或spad二极管(single
‑
photon avalanche diode，单光子雪崩二极管)，其检测温度辐射28并产生相应的输出信号。借助上述类型的探测器34，已经可以探测到由特别小的颗粒26产生的并且因此极其小的光信号，该光信号例如由几个光子形成。因此，恰好仍然可证实的、颗粒26的尺寸下降到直至10nm的证实下限。
32.激光器12完全可以进行调制或者说打开和关闭(占空比小于100％)。然而，仍然优选的是，激光器12是cw激光器。这使得能够使用成本有利的半导体激光元件(激光二极管)，这使得整个传感器装置10成本便宜并且强烈简化激光器12的操控和输出信号34的分析处理。但是，不排除使用脉冲激光器。
33.传感器装置10包括由点划线框表明的第一区域40以及也由点划线框表明的第二
区域42。第一区域40面向或邻近应在其中探测颗粒26的流体(在当前情况下示例性地是内燃机的废气)，而第二区域42背向所述流体。因为在当前情况下示例性地提及的废气是热的，所以第一区域40也可以称为热区域并且第二区域42也可以称为冷区域。
34.可以看出，既属于第二装置24又属于第三装置36的聚焦装置20表示这些相应的装置24和36的布置在第一“热”区域40中的部分，而所有其他部件布置在第二“冷”区域42中。特别地，准直装置16和分束器18表示第二装置24的布置在第二“冷”区域42中的部分44，并且分束器18、聚焦透镜30和滤光器32表示第三装置36的也布置在第二“冷”区域42中的部分46。在此处未示出的其他实施方式中，其他或更多或更少的部件也还可以属于部分44和46。
35.从图1最后可以看出，呈激光器形式的第一装置12、第二装置24的部分44、第三装置36的部分46和呈探测器形式的第四装置34都布置在一件式的共同的载体48处，并且牢固地且不可移动地且最终相对于彼此调整地固定在该载体处，例如通过粘接。在此，在这些位置处应该指出，共同的载体48可以完全不同地构造并且在图1中选择的图示仅具有象征性。
36.现在参照图2。在那里，尤其更加详细地示出传感器装置10的第二区域42。可以看出，共同的载体48包括一件式的平面板，其例如可以是pcb(“印刷电路板”)或陶瓷板。呈激光器形式的第一装置12插入到共同的载体48中的第一开口50中，从而激光14从共同的载体48基本上正交地发射。在图2的实施方式中，设置曲面镜作为聚焦装置16，该曲面镜确保激光14作为平行射束发射到分束器18。该分束器插入到共同的载体48中的第二开口52中，其中，例如呈分色镜形式的分束器18布置为平行于构造为平面板的共同的载体48的平面。
37.激光14由分束器18反射并引导至第一“热”区域40。这可以直接发生，即无需中间连接例如光导，由此实现所谓的“具有自由射束光学器件的紧凑型传感器”。相反，温度辐射28穿过分束器18并进一步经由聚焦透镜30和滤光器32引导至探测器34。
38.在图3中所示出的另一实施方式中，在共同的载体48处不仅布置有第一装置12、属于第二装置24并由准直镜构造的准直装置16以及既属于第二装置24又属于第三装置36的分束器18，而且布置有其他部件：例如参照图3的图示在共同的载体48的下侧处存在曲面镜54，该曲面镜固定在共同的载体48处并且该曲面镜将穿过分束器18到达的温度辐射28在平行于共同的载体48的平面的方向上朝向另一曲面镜反射，该另一曲面镜具有上述聚焦透镜30的功能并且该另一曲面镜因此也具有该附图标记并可以称为“聚焦镜30”。聚焦镜30将温度辐射28聚束并使其朝向由滤光器32和探测器34(第四装置)形成的单元上，该单元也直接固定在共同的载体48的下侧处。可以看出，第一装置12(激光器)和第四装置34(探测器)布置在共同的载体48的相对的端部处。
39.在共同的载体48的上侧上(再次参照图3的图示)，经由保持部分(halteabschnitt)56，耦合输入和输出透镜58固定在共同的载体48处，该耦合输入和输出透镜将激光14耦合输入到光导装置60、例如玻璃纤维中，并且该耦合输入和输出透镜将由光斑22中的颗粒26发射的温度辐射28从光导装置60中耦合输出。因此，传感器装置10的处于第二“冷”区域42中的所有光学部件和电子部件例如通过粘接直接固定在示例性地构造为平面板的共同的载体48处，由此实现固定的、已经最终调整的单元。
40.图4示出另一实施方式：在该实施方式中，呈激光器形式的第一装置12平行于构造为平面板的共同的载体48的平面地发射激光14，并且分束器18是构造为相对于共同的载体48倾斜布置的分色镜。激光14穿过该分色镜而没有方向变化，而温度辐射28示例性地在图3
中向下偏转90
°
的角度，穿过第二开口52并照射在固定在那里的直镜54上，该直镜引导温度辐射28穿过聚焦透镜30并平行于共同的载体48的平面到达滤光器32并进一步到达第四装置34或探测器。可以看出，第一装置12(激光器)和第四装置34(探测器)彼此相邻地布置，然而布置在共同的载体48的相反的侧上。
41.在图5中更加详细地示出传感器装置10的第一“热”区域40。在排气管62中流动的废气由箭头64象征性地表示。废气64是在燃烧过程中产生的，并且排气管62例如可以属于机动车的内燃机(柴油或汽油或任何其他燃料)的排气装置。传感器装置10具有由外保护管66和内保护管68组成的布置。保护管66、68的轴横向于废气64的流动地取向。内保护管68在轴的方向上突出超过外保护管66并伸入流动的废气64中。在两个保护管66、68的背向流动废气64的端部处，外保护管66突出超过内保护管68。外保护管66的净宽度优选如此地远大于内保护管68的外径，使得在两个保护管66、68之间产生第一且在当前情况下近似圆环形的流动横截面。内保护管68的净宽度形成第二且在当前情况下为圆形的流动横截面。
42.这种几何形状的结果是，废气64经由第一流动横截面进入两个保护管66、68的布置中，然后在保护管66、68的背向废气64的端部处其方向发生变化，进入内保护管68中并且从内保护管中由流经的废气64吸出(带有附图标记70的箭头)。在此，在内保护管68中产生层流，其流动方向在正常情况下平行于激光14的纵轴。保护管66、68的这种布置横向于废气64的流动方向固定在排气管62处或固定在排气管62中。光斑22处于内保护管68的内部中在层流70的区域中。