DE10035343C5

DE10035343C5 - Verfahren zur berührungslosen Temperaturmessung sowie Detektorkopf zur berührungslosen Temperaturmessung

Info

Publication number: DE10035343C5
Application number: DE2000135343
Authority: DE
Inventors: Mani Dr. Alavi; Hermann Scheithauer
Original assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Current assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Priority date: 2000-07-20
Filing date: 2000-07-20
Publication date: 2005-04-14
Anticipated expiration: 2020-07-21
Also published as: DE10035343A1; DE10035343C2

Abstract

Detektorkopf zur berührungslosen Temperaturmessung eines Körpers (114)
mit einer Vielzahl von Wärmestrahlungsdetektoren (111, 211), welche jeweils eine wärmestrahlungsempfindliche Detektorfläche (110) aufweisen,
wobei die wärmestrahlungsempfindlichen Detektorflächen (110) im Wesentlichen auf eine Oberfläche eines Körpers (114) ausgerichtet sind, dessen Oberflächentemperatur zu bestimmen ist,
wobei die Wärmestrahlungsdetektoren (111, 211) jeweils eine Signalausgabeeinheit aufweisen zur Ausgabe eines Detektorsignals, welches ein Maß für die Oberflächentemperatur ist, wobei keine Fokussieroptik vorgesehen ist und wobei eine Addiereinheit zum Addieren von mindestens zwei Detektorsignalen zu einem Summensignal vorgesehen ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Wärmestrahlungsdetektoren (111, 211) auf einem Kegelmantel (126, 426) angeordnet sind und
dass den Wärmestrahlungsdetektoren (111, 211) Strahlungsfilter zum Ausblenden einer den Körper (114) heizenden Strahlung zugeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Detektorkopf zur berührungslosen Temperaturmessung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein solcher Detektorkopf ist z.B. aus DE 692 28 532 T2 (vgl. dortige 6 und 7) bekannt. Der Detektorkopf dient zur berührungslosen Messung der Temperatur eines sich bewegenden Fadens.
Gemäß dem Stand der Technik sind eine große Anzahl an Verfahren bekannt, die Temperatur eines Körpers zu messen. Solche Methoden sowie die Temperaturbereiche, welche diesen Methoden zugänglich sind, sind beispielsweise in "Hütte – Die Grundlagen der Ingenieurwissenschaften", Herausgeber H. Czichos, 30. neu bearbeitete und erweiterte Auflage, Springer-Verlag, Berlin, 1996, B 59 ff., beschrieben:
Häufig ist es erforderlich, Temperaturverläufe beispielsweise als Regelparameter einer Prozessregelungseinrichtung berührungslos zu messen. Bevorzugt werden wie beispielsweise auch der JP 56-77728 (A) in Patents Abstracts of Japan, Sect. P. Vol. 5 (1981) Nr. 238 (P-79) oder auch der DE 38 06 173 A1 zu entnehmen ist, zu diesem Zweck sogenannte Pyrometer oder Pyrometerkameras verwendet. Der prinzipielle Aufbau eines Pyrometers ist in erstgenannter Literaturstelle beispielsweise auf Seite H 38 vorgestellt und beschrieben. Bei einem solchen Pyrometer handelt es sich, wie der angegebenen Literaturstelle zu entnehmen ist, um einen Abbildungsdetektor bestehend aus einem Halbleiterdetektor und zugeordneter Abbildungoptik. Der Vorteil solcher Pyrometer besteht darin, dass sie eine sehr schnelle Temperaturmessung erlauben. So liegt in der Regel innerhalb weniger μsec ein Temperaturmesswert vor. Darüber hinaus ist die der Temperaturerfassung zugängliche Oberfläche eines Körpers, dessen Temperatur zu ermitteln ist, aufgrund der notwendig Abbildungsoptik sehr begrenzt. In vielen Fällen ist eine solche hohe örtliche Auflösung vorteilhaft; dennoch resultiert daraus das Erfordernis einer sehr genauen Justage.
Ist es nicht erforderlich, dass das Messsignal bereits nach wenigen μsec vorliegt, sondern ist es ausreichend, Ansprechzeiten in der Größenordnung weniger msec vorliegen zu haben, so können sogenannte Wärmestrahlungsdetektoren eingesetzt werden, wie sie beispielsweise auch in der JP 3-125 935 (A) in Patents Abstracts of Japan, Sect P., Vol. 15 (1991), No. 338 (P-1243) beschrieben sind. Solche Wärmestrahlungsdetektoren weisen ein sehr großes Gesichtsfeld auf, sind also nicht geometrieempfindlich. Darüber hinaus sind sie aufgrund der fehlenden Abbildungsoptik wesentlich billiger als o. a. Pyrometer.
Bei einem solchen Verfahren zur berührungslosen Temperaturmessung ist eine wärmestrahlungsempfindliche Detektorfläche eines Wärmestrahlungsdetektor im Wesentlichen auf eine Oberfläche eines Körpers ausgerichtet, dessen Oberflächentemperatur zu bestimmen ist, wobei der Wärmestrahlungsdetektor ein Detektorsignal ausgibt, welches ein Maß für die Oberflächentemperatur ist. Eine Schwäche dieses Verfahrens besteht darin, dass das von einem solchen Wärmestrahlungsdetektor gelieferte Sensorsignal sehr schwach und damit der Signal-Rausch-Abstand sehr gering ist.
Die DE 31 33 822 C2 beschreibt ein weiteres Verfahren zur berührungslosen Temperaturmessung. Dieses Verfahren ist jedoch nur zur Messung hoher Temperaturen in geschlossenen heißen Räumen geeignet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Detektorkopf anzugeben, mit dem die Temperatur eines auf einer Auflage liegenden Körpers auf einfacher Weise gemessen werden kann, ohne einen hohen technischen Aufwand treiben zu müssen.
Darüber hinaus soll der Justageaufwand so gering wie möglich gehalten werden. Der auf diesem Prinzip arbeitende Detektorkopf soll kostengünstig herstellbar und universell einsetzbar sein.
Diese Aufgabe wird durch einen Detektorkopf zur berührungslosen Temperaturmessung mit den Merkmalen des des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der wesentlichen Gedanke der Erfindung besteht nun darin, dass die Wärmestrahlungsdetektoren auf einem Kegelmantel angeordnet sind. Eine Anordnung auf einen Kegelmantel erlaubt die Ausrichtung der wärmestrahlungsempfindlichen Detektorflächen auf die Oberfläche des Körpers, welche gegenüber der Gesamtfläche des Detektors klein ist.
Weiterhin sieht die Erfindung vor, dass den Wärmestrahlungsdetektoren Strahlungsfilter zum Ausblenden einer den Körper heizenden Strahlung zugeordnet sind. Die Vorteilhaftigkeit einer derartigen Anordnung resultiert daraus, dass das Messsignal nicht durch ungewünschtes Störsignal verfälscht wird.
Weiterhin sieht die Erfindung vor, dass der Strahlungsfilter ein Siliziumfenster ist. In der Regel wird zum Ausblenden einer den Körper heizenden Strahlung ein Germaniumfenster verwendet. Germanium ist aber im Vergleich zu Silizium relativ teuer. Wird beispielsweise zum Heizen des Körpers ein Nd-YAG-Laser verwendet, welcher bei einer Wellenlänge von 550 nm emittiert, erfüllt ein Siliziumfenster in gleicher Weise die strahlungsunterdrückende Funktion.
Die Erfindung sieht aber einen Detektorkopf zur berührungslosen Temperaturmessung vor. Ein solcher Detektorkopf umfasst mehrere Wärmestrahlungsdetektoren, welche eine wärmestrahlungsempfindliche Detektorfläche aufweisen, wobei die wärmestrahlungsempfindlichen Detektorflächen zur Ausrichtung im Wesentlichen auf eine Oberfläche eines Körpers vorgesehen sind, dessen Oberflächentemperatur zu bestimmen ist, und der Wärmestrahlungsdetektor eine Signalausgabeeinheit aufweist zur Ausgabe eines Detektorsignals, welches ein Maß für die Oberflächentemperatur ist.
Darüber hinaus ist eine Addiereinheit zum Addieren mindestens zweier Detektorsignale zu einem Summensignal vorgesehen.
Es ist also weder eine aufwendige und damit teure Fokussieroptik notwendig, noch eine aufwendige und damit teure elektronische oder optische Verstärkereinrichtung zur Erhöhung des Signal-Rausch-Abstands. Darüber hinaus wird weiterhin das sehr große Gesichtsfeld der einzelnen Wärmestrahlungsdetektoren ausgenutzt, so dass ein Justageaufwand entfällt.
Die Erfindung sieht weiterhin vor, dass mindestens eine weitere Addiereinheit zum Addieren mindestens zweier weiterer Detektorsignale zu mindestens einem weiteren Summensignal angeordnet ist. Diese Maßnahme erhöht die Flexibilität des Einsatzes eines solchen Detektorkopfes sowie dessen Störsicherheit.
Weiterhin sieht die Erfindung vor, dass die Summensignale voneinander unabhängig sind. Auch diese Maßnahme stellt eine hohe Flexibilität und eine hohe Störsicherheit sicher.
Weiterhin siebt die Erfindung vor, dass jede Addiereinheit mindestens ein Verstärker zur Verstärkung der jeweiligen Summensignale zugeordnet ist. Ein solcher Verstärker ist dazu vorgesehen, den Dynamikbereich des Messsignals auf die entsprechende Auswerteschaltung, beispielsweise einen Analog-Digital-Wandler anzupassen. Darüber hinaus ist sichergestellt, dass das von dem Detektorkopf bzw. die von diesem Detektorkopf gelieferten Signale ausreichend hoch sind, um eine Störbeeinflussung während der Übertragung zu der vorzugsweise weiter entfernt befindlichen Auswerteschaltung so gering wie möglich zu halten.
Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, dass jedem Wärmestrahlungsdetektor ein Vorverstärker zum Verstärken des Detektorsignals zugeordnet ist. Der Vorverstärker ist unmittelbar in der Nähe des jeweiligen Wärmestrahlungsdetektor angeordnet. Je nach den Abmessung des gesamten Detektorkopfs ist die Addiereinheit örtlich von jedem Wärmestrahlungsdetektor entfernt, so dass die Störsicherheit durch eine derartige Maßnahme deutlich erhöht wird. Darüber hinaus ist eine Anpassung an den jeweiligen Eingangsspannungsbereich der Addiereinheit möglich. Fernerhin ist sogar eine unterschiedliche Gewichtung einzelner Wärmestrahlungsdetektoren möglich.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Wärmestrahlungsdetektoren, deren Detektorsignale zu einem Summensignal addiert werden, jeweils einen Sektor bilden, wobei die wärmestrahlungsempfindlichen Detektorflächen der Wärmestrahlungsdetektoren eines Sektors auf einen Bereich der Oberfläche des Körpers ausrichtbar sind und die wärmestrahlungsempflndlichen Detektorflächen eines weiteren Sektors auf einen anderen Bereich der Oberfläche des Körpers ausrichtbar sind. Auf diese Weise wird ein Detektorkopf realisiert, welcher dazu geeignet ist, lokale Temperaturschwankungen auf der Oberfläche des Körpers, dessen Temperatur zu detektieren ist, zu detektieren. Dies ist möglich, obwohl auf das große Gesichtsfeld der einzelnen Wärmestrahlungsdetektoren nicht verzichtet wird.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Addiereinheit eine Reihenschaltung mindestens zweier Wärmestrahlungsdetektoren ist. Eine solche Reihenschaltung bietet sich insbesondere dann an, wenn das Detektorsignal ein Spannungssignal ist.
Weiterhin sieht die Erfindung vor, dass mindestens ein Wärmestrahlungsdetektor ein Gleichlichtdetektor ist. Gleichlichtdetektoren haben gegenüber pyroelektrischen Detektoren den Vorteil, dass sie unempfindlich gegenüber Mikrophonie sind. Das Rauschen ist frequenzunabhängig nur durch das thermische Rauschen des Detektorwiderstandes bestimmt.
Weiterhin sieht die Erfindung vor, dass mindestens ein Gleichlichtdetektor eine Strahlungsthermosäule ist. Eine solche Strahlungsthermosäule oder in der Fachsprache auch als Thermopile bezeichnet, ist ein thermischer Detektor, der auf dem Seebeck-Effekt beruht. Dieser ist in der Regel mit einer sogenannten Schwarzschicht zur Verbesserung der Strahlungsabsorption versehen. Vorteile dieser als Dünnschichtsystem realisierten Thermopiles sind: hohe spektrale Empfindlichkeit und geringe Wärmeleitfähigkeit, hohe mechanische Belastbarkeit bei geringer Dicke, hohe chemische und thermische Stabilität.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Detektorkopf wie folgt ausgebildet ist:
Es ist ein sternförmig ausgebildeter Starr-Flex-Print vorgesehen, mit einem starren ringförmigen Mittelteil, einer Vielzahl von radial abstehenden flexiblen Zungen und an diesen Zungen anschließenden starren Zungenenden, wobei der Mittelteil zur Aufnahme der Addiereinheit und der Verstärkereinheit vorgesehen ist, die starren Zungenenden zur Aufnahme der Wärmestrahlungsdetektoren und des Vorverstärkers und die flexiblen Zungen zum Verbinden des Vorverstärkers mit der Addiereinheit und der Verstärkereinheit, wobei die starren Zungenenden auf dem Kegelmantel ange ordnet sind.
Der Vorteil einer derartigen Realisierung ist die einfache, schnelle und billige Herstellung aufgrund der Anordnung aller elektronischen und optischen Komponenten auf einer einzigen Platine, dem sogenannten Starr-Flex-Print. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass weiterhin eine hohe Flexibilität hinsichtlich der Anordnung und Ausrichtung der einzelnen Detektorflächen in Bezug auf den Körper, dessen Oberflächentemperatur zu bestimmen ist, möglich ist.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Kegelmantel und die Kegelnormale vorzugsweise einen Winkel von 38° einschließen. Empirische Untersuchungen haben gezeigt, dass eine Anordnung der Detektorfläche im angegebenen Winkel ein besonders hohes Messsignal bei gleichzeitig geringem Rauschsignal liefert.
Weiterhin sieht die Erfindung vor, dass auf diesem Kegelmantel 16 Strahlungsthermosäulen angeordnet sind und jeweils vier Strahlungsthermosäulen einen Sektor bilden. Auch diese besondere Ausführungsform ergab sich aus empirischen Untersuchungen unter Berücksichtigung des Wertes des Detektorsignals, den Anforderungen an den Messkopf und den besonderen Einsatzzweck.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, den Detektorkopf zum Laserlöten von Halbleiterchips einzusetzen. Dieses Verfahren ist Gegenstand der deutschen Patentanmeldung Nr: 198 50 595.7-33. Bei diesem Verfahren zum Laserlöten von Halbleiterchips (Flip-Chips) wird der Laserstrahl auf die den Lötstellen abgewandte Rückseite des gehäusefreien Halbleiterchips gerichtet. Der Laserstrahl wird also im Gegensatz zu dem bekannten Verfahren nicht auf die Lötstelle selbst oder das dort befindliche Lot gerichtet, sondern auf das gehäusefreie Halbleiterchip. Der Halbleiterchip erwärmt sich und fungiert als Wärmeleiter für das Lot, so dass das auf der Unterseite des Halbleiterchips an den jeweiligen Kontaktstellen des Halbleiterchips angebrachte Lot schmelzen kann. Es werden also sämtliche Lötstellen gleichzeitig durch die Erwärmung des Halbleiterchips geschmolzen, so dass die Lötkontakte sehr schnell hergestellt werden können.
Zu berücksichtigen ist bei diesem Verfahren vor allem die Temperaturbeständigkeit der auf dem Chip befindlichen Halbleiterschaltungskomponenten. Solche Halbleiterschaltungskomponenten basieren auf unterschiedlich dotierten Zonen. Bei zu starker Erwärmung diffundieren die Dotierstoffe, welche zur Bildung dieser unterschiedlich dotierten Zonen verwendet werden. Die Schaltungen werden dabei zerstört. Es ist daher notwendig, die Temperatur des Chips zu detektieren und somit den Lötprozess mittels eines geschlossenen Regelkreises zu regeln.
Empirische Untersuchungen haben gezeigt, dass der oben beschriebene Detektorkopf dazu geeignet ist, die Anforderungen an eine derartige Temperaturmessung und eine darauf basierende Regelung zu erfüllen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden naher beschrieben. Es zeigen:
1 das Prinzip des Detektorkopfs zur berührungslosen Temperaturmessung gemäß der Erfindung,
2 einen Detektorkopf gemäß der Erfindung in perspektivischer Darstellung,
3 ein bestücktes Starr-Flex-Print für einen Detektorkopf gemäß der Erfindung,
4 einen erfindungsgemäßen Detektorkopf gemäß der Erfindung mit Starr-Flex-Print gemäß 3,
5 eine schematische Darstellung der Messzone mit Ausrichtung der Sektoren.
1 zeigt eine prinzipielle Anordnung 130 eines Detektorkopfes zur berührungslosen Temperaturmessung. Die dargestellte Temperaturerzeugungs- und Messanordnung 130 basiert auf einem Laser 120 als Temperaturerzeugungsinstrument, einem Körper 114, welcher mit Hilfe des Lasers 120 erwärmt wird und einem Detektorkopf 116 mit einer Vielzahl von Wärmestrahlungsdetektoren 111 zur Bestimmung der Oberftächentemperatur des Körpers 114. Der Körper 114 liegt auf einer Auflageplatte 124 auf. Der Laser 120, ist in vertikaler Richtung oberhalb des Körpers 114 angeordnet. Ein Laserstrahl 122 des Laser 120 ist auf die Oberfläche 112 des Körpers 114 gerichtet. Mit Hilfe dieses Laserstrahls 120 wird der Körper 114 und damit auch dessen Oberfläche 112 erhitzt.
Es ist vorgesehen, eine Vielzahl von Wärmestrahlungsdetektoren 111 zur Messung bzw. Bestimmung der Oberflächentemperatur der Oberfläche 112 des mit Hilfe des Lasers 120 erhitzten Körpers 114 vorzusehen. Die jeweiligen wärmestrahlungsempfindlichen Detektorflächen 110 der einzelnen Wärmestrahlungsdetektoren 111 sind dabei im Wesentlichen auf die Oberfläche 112 des Körpers 114 ausgerichtet, dessen Oberflächentemperatur zu bestimmen ist.
Diese Wärmestrahlungsdetektoren 111 sind auf einem Kegelmantel 126 angeordnet. Dabei bildet die Auflageplatte 124 im Wesentlichen die Grundfläche eines gedachten zugehörigen Kegels. Die Spitze des gedachten Kegels befindet sich im Wesentlichen auf oder in Verlängerung des Laserstrahls 122. Der Laserstrahl 122 selbst wird durch eine Öffnung 128 des gedachten Kegelmantels 126 geführt.
Der Figur ist zu entnehmen, dass die Wärmestrahlungsdetektoren 111 die von der Oberfläche 112 des Körpers 114 ausgegehende Wärmestrahlung 118 detektieren. Eine besonders günstige Ausrichtung der wärmestrahlungsempfindlichen Detektorflächen 110 der Wärmestrahlungsdetektoren 111 wird genau dann erreicht, wenn der Kegelmantel 126 mit der Kegelnormalen 137 einen Winkel α von etwa 38° einschließen.
Der in der Prinzipdarstellung gemäß 1 offenbarte Detektorkopf 116 hat Wärmestrahlungsdetektoren 111, deren wärmestrahlungsempfindliche Detektorflächen 110 im Wesentlichen auf einem Kegelmantel 126 angeordnet sind. Die 2 zeigt eine derartige Anordnung in Form eines "Quasi-Polygon-Kegelstumpfes". Kernelement dieses Detektorkopfs 216 ist eine ringförmige Trägerplatte 238. Die Öffnung 228 dieser ringförmigen Trägerplatte 238 bildet die obere Grundfläche des "Quasi-Polygon-Kegelstumpfes". Der "Quasi-Polygon-Kegelstumpf" wird von 16 trapezförmigen Trapezhalterungen 232 gebildet, welche über hier nicht dargestellte flexible Arme mit der Trägerplatte 238 verbunden sind. Auf diese Trapezhalterungen 232 befinden sich die gleiche Anzahl an Wärmestrahlungsdetektoren 211, deren wärmestrahlungsempfindlichen Detektorflächen die Innenseiten des "Quasi-Polygon-Kegelstumpfes" bilden.
Die 3 und 4 demonstrieren, auf welche Weise gemäß der Erfindung eine Anordnung solcher Wärmestrahlungsdetektoren 211 auf einem Kegelstumpf möglich ist.
Das Messsystem basiert auf einem bestückten Starr-Flex-Print 340, welches wie eine herkömmliche Leiterplatte prozessierbar ist, welches aber geeignet ist, wie die nachfolgende Beschreibung zeigt, die geometrischen Anforderungen an den Detektorkopf 216 zu erfüllen.
Wie die 3 zeigt, besteht das bestückte Starr-Flex-Print 340 aus einem ringförmigen Mittelteil 333, 16 radial abstehenden flexiblen Zungen 331 und an diese Zungen 331 anschließenden starren Zungenenden 335. Das ringförmige Mittelteil 333 mit der Öffnung 328 bildet die starre Addierverstärkerplatine 317. Das Zungenende 335 bildet die Detektor- und Vorverstärkerplatine 310. Die Detektor- und Vorverstärkerplatine 310 dient, wie der Name schon sagt, zur Aufnahme des Wärmestrahlungsdetektors 211 und zur Aufnahme eines Vorverstärkers für diesen Wärmestrahlungsdetektor 211. Die elektrische Verbindung zwischen dem Detektor 211 bzw. dem Vorverstärker und dem auf der Addierverstärkerplatine 317 angeordneten Addierer sowie dem dem Addierer nachgeordneten Endverstärker bildet die flexible Starr-Flex-Leitung 311. Desweiteren ist an der Addierverstärkerplatine 317 zungenförmig über eine Starr-Flex-Leitung 311 ein Versorgungs- und/oder Messanschluss 342 angekoppelt.
Die 4 zeigt den Aufbau des Detektorkopfs 416 unter Verwendung des in der 3 beschriebene Starr-Flex-Prints 340. Der Figur sind die bereits in 2 vorgestellten wesentlichen Elemente des Detektorkopfs 416 zu entnehmen. Dies sind die Trägerplatte 438 und den sich darunter anschließenden Kegelmantel 426 (Quasi-Polygon-Kegelstumpf). Tragendes Element des dargestellten Detektorkopfs 416 ist die Trägerplatte 438, welche mit Hilfe entsprechender Befestigungsmittel mit dem Halterungsring 415 starr verbunden ist. Die kreisförmigen Öffnung der Trägerplatte 438 und des Halterungsrings 415 ist durch einen Pfeil mit dem Bezugszeichen 428 gekennzeichnet.
Auf dem Halterungsring 415 befinden sich in ebenfalls kreisförmiger Anordnung sechzehn gleichartige Halterungen 413. Diese Halterungen 413 sind derart ausgebildet, dass sie jeweils eine den Detektor- und Vorverstärkerplatine 410 des in der 3 dargestellten bestimmten Starr-Flex-Prints 340 einen Kegelmantel bildend festhalten.
Darüber hinaus ist die Trägerplatte 438 derart ausgebildet, dass die Addierverstärkerplatine 417, welche ebenfalls Bestandteil der in 3 dargestellten und durch das Bezugszeichen 340 gekennzeichneten bestückten Starr-Flex-Platine ist, befestigbar ist. Zu diesem Zweck ist die in der 4 dargestellte Halterung 429 vorgesehen.
Der Figur ist weiterhin zu entnehmen, wie die starren Platinen, die Detektor- und Vorverstärkerplatinen 410 und die Addierverstärkerplatine 417 miteinander verbunden sind. Dazu werden die einzelnen flexiblen Elemente des einstückig ausgeführten Starr-Flex-Prints (vergleiche 3, hier die Bezugsziffer 340) entsprechend verbogen. Bei dem einzigen nicht beweglichen Element des vorgestellten Starr-Flex-Prints handelt es sich um die Starr-Flex-Leitung 411.
Desweiteren ist der 4 zu entnehmen, dass der Versorgungs- und Messanschluss 442 ebenfalls via Starr-Flex-Leitung mit der Addierverstärkerplatine 417 verbunden ist.
Die Temperaturbestimmung mit Hilfe eines solchen Detektorkopfs 416 zur berührungslosen Temperaturmessung ergibt sich wie folgt:
Auf der Detektor- und Vorverstärkerplatine 410 befindet sich mindestens ein Wärmestrahlungsdetektor 111, 211, dessen wärmestrahlungsempfindliche Detektorfläche 110 auf eine Oberfläche eines Körpers 114 ausgerichtet ist, dessen Oberflächentemperatur zu bestimmen ist. Als Wärmestrahlungsdetektor 111, 211 wird im Beispiel eine Strahlungsthermosäule (Thermopile) verwendet. Jeder Wärmestrahlungsdetektor 111, 112 erzeugt ein Detektorsignal, welches ein Maß für die Oberflächentemperatur des Körpers 114 ist. Dieses Signal wird mit Hilfe des auf der Detektor- und Vorverstärkerplatine 410 angeordneten Vorverstärkers verstärkt. Alle sechzehn auf der jeweiligen Detektor- und Vorverstärkerplatine 410 angeordneten Detektoren liefern dabei ein solches Signal. Dieses Signal wird via Starr-Flex-Leitung 411 zu einer auf der Addierverstärkerplatine 417 angeordneten Addiereinheit übertragen. Jeweils vier Messsignale werden zu einem Summensignal addiert. Die vier zu einem Summensignal addierten Signale decken einen Bereich der Oberfläche des Körpers 114 ab. Sie bilden einen Sektor 552.1, 552.2, 552.3, 552.4. Die gesamte Messzone eines solchen Detektorkopfs 416 ist in der 5 schematisch dargestellt und mit dem Bezugszeichen 550 versehen. Die im Wesentlichen kreisscheibenförmige Messzone 550 weist demnach im Beispiel vier Sektoren auf, welche mit den Bezugszeichen 552.1, 552.2, 552.3 und 552.4 gekennzeichnet sind. Jeder Sektor 552.1, 552.2, 552.3, 552.4 deckt also in etwa einen Viertelskreis ab. Im Beispiel sind also insgesamt vier Addiereinheiten vorhanden, welche den jeweiligen Detektoren 111, 211 eines Sektors 552.1, 552.2, 552.3, 552.4 zugeordnet sind. Das am Ausgang jeder Addiereinheit anliegende Signal wird nun mit Hilfe eines auf der Addierverstärkerplatine 317 angeordneten Verstärkers verstärkt.
Da es sich im Beispiel um sogenannte Thermopiles handelt, welche als Wärmestrahlungsdetektoren 111, 211 Verwendung finden, lässt sich eine solche Addiereinheit sehr einfach als Reihenschaltung der einen Sektor 552.1, 552.2, 552.3, 552.4 bildenden Thermopiles realisieren. Dies ist deshalb möglich, da solche Thermopiles eine der Wärmestrahlung proportionale Spannung liefert. Würden Wärmestrahlungsdetektoren 111, 211 verwendet, welche eine der Wärmestrahlung proportionales oder von der Wärmestrahlung abhängiges Stromsignal liefern, so wäre eine Parallelschaltung der jeweiligen Detektoren 111, 211 als Addiereinheit möglich.

110: Detektorfläche
111: Wärmestrahlungsdetektor
112: Oberfläche
114: Körper
116: Detektorkopf
118: Wärmestrahlung
120: Laser
122: Laserstrahl
124: Auflageplatte
126: Kegelmantel
128: Öffnung
130: Temperaturerzeugungs- und Messanordnung
137: Kegelnormale
211: Wärmestrahlungsdetektor
216: Detektorkopf
228: Öffnung
232: Trapezhalterung
238: Trägerplatte
310: Detektor- und Vorverstärkerplatine
311: Starr-Flex-Leitung
317: Addierverstärkerplatine
328: Öffnung
331: Zunge
333: Mittelteil
335: Zungenende
340: bestückter Starr-Flex-Print
312: Versorgungs- und Messanschluss
410: Detektor- und Vorverstärkerplatine
411: Starr-Flex-Leitung
415: Halterungsring
413: Halterung
416: Detektorkopf
417: Addierverstärkerplatine
426: Kegelmantel
428: Öffnung
429: Halterung
438: Trägerplatte
442: Versorgungs- und Messanschluss
550: Messzone (schematisch)
552.1: Sektor
552.2: Sektor
552.3: Sektor
552.4: Sektor
α: Winkel

Claims

Detektorkopf zur berührungslosen Temperaturmessung eines Körpers (114) mit einer Vielzahl von Wärmestrahlungsdetektoren (111, 211), welche jeweils eine wärmestrahlungsempfindliche Detektorfläche (110) aufweisen, wobei die wärmestrahlungsempfindlichen Detektorflächen (110) im Wesentlichen auf eine Oberfläche eines Körpers (114) ausgerichtet sind, dessen Oberflächentemperatur zu bestimmen ist, wobei die Wärmestrahlungsdetektoren (111, 211) jeweils eine Signalausgabeeinheit aufweisen zur Ausgabe eines Detektorsignals, welches ein Maß für die Oberflächentemperatur ist, wobei keine Fokussieroptik vorgesehen ist und wobei eine Addiereinheit zum Addieren von mindestens zwei Detektorsignalen zu einem Summensignal vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmestrahlungsdetektoren (111, 211) auf einem Kegelmantel (126, 426) angeordnet sind und dass den Wärmestrahlungsdetektoren (111, 211) Strahlungsfilter zum Ausblenden einer den Körper (114) heizenden Strahlung zugeordnet sind.
Detektorkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsfilter Siliziumfenster sind.
Detektorkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kegelmantel (126, 426) und eine zugehörende Kegelnormale (137) einen Winkel von 38° einschließt.
Detektorkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet dass mindestens eine weitere Addiereinheit vorgesehen ist, zum Addieren mindestens zweier weiterer Detektorsignale zu mindestens einem weiteren Summensignal.
Detektorkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Summensignale voneinander unabhängig sind.
Detektorkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Addiereinheit oder jeder Addiereinheit mindestens ein Verstärker zur Verstärkung der jeweiligen Summensignale zugeordnet ist.
Detektorkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Wärmestrahlungsdetektor (111, 211) ein Vorverstärker zum Verstärken des Detektorsignals zugeordnet ist.
Detektorkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmestrahlungsdetektoren (111, 211), deren Detektorsignale zu einem Summensignal addiert werden, jeweils einen Sektor (552.1, 552.2, 552.3, 552.4) bilden, wobei die wärmestrahlungsempfindlichen Detektorflächen (110) der Wärmestrahlungsdetektoren (111) eines Sektors (552.1) auf einen Bereich der Oberfläche (112) des Körpers (114) ausgerichtet sind und für den Fall, dass mehrere Sektoren (552.1, 552.2, 552.3, 522.4) gebildet sind, die wärmestrahlungsempfindlichen Detektorflächen (110) eines weiteren Sektors (552.2, 552.3, 552.4) auf einen anderen Bereich der Oberfläche (112) des Körpers (114) ausgerichtet sind.
Detektorkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Addiereinheit eine Reihenschaltung mindestens zweier Wärmestrahlungsdetektoren (111, 211) ist.
Detektorkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Wärmestrahlungsdetektoren (111, 211) ein Gleichlichtdetektor ist.
Detektorkopf nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Gleichlichtdetektoren eine Strahlungsthermosäule ist.
Detektorkopf nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein sternförmig ausgebildeter Starr-Flex-Print (340) vorgesehen ist, mit einem starren, ringförmigen Mittelteil (333), einer Vielzahl von radial abstehenden flexiblen Zungen (331) und an diese Zungen anschließenden starren Zungenenden (335), wobei der Mittelteil (333) zur Aufnahme der Addiereinheit und der Verstärkereinheit (317, 417) zur Verstärkung der Addiersignale vorgesehen ist, wobei die starren Zungenenden (335) zur Aufnahme der Wärmestrahlungsdetektoren (111, 211) und des Vorverstärkers (310, 410) vorgesehen sind, wobei die flexiblen Zungen (331) zum Verbinden des Vorverstärkers (310, 410) mit der Addiereinheit und der Verstärkereinheit (317, 417) vorgesehen sind und die starren Zungenenden (331) auf dem Kegelmantel (126, 426) angeordnet sind.
Detektorkopf nach Anspruch 8 und 11 oder nach Anspruch 8 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass sechzehn Strahlungsthermosäulen vorgesehen sind und jeweils vier Strahlungsthermosäulen einen der Sektoren (552.1, 552.2, 552.3, 552.4) bilden.
Verwendung des Detektorkopfs nach einem der Ansprüche 1 bis l3 zum Laserlöten von Halbleiterchips.