CN1188673C - 具有集成信号处理的传感器模块 - Google Patents

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Abstract

传感器模块具有：对电磁辐射敏感的传感器元件，用于提供与辐射有关的电输出信号；传感器信号处理电路，其接收传感器元件的输出信号和提供与辐射有关的第一个电信号；对温度敏感的参考装置，其根据传感器元件的温度提供与温度有关的第二个电信号；和一个逻辑运算装置，用于两个电信号的逻辑运算以补偿传感器元件的温度漂移，其特征为，所述传感器信号处理电路、参考装置和信号逻辑运算装置被构成在单芯片上，并且所述芯片和传感器元件被安置在一个共同的壳体内，该参考装置含有用于特性模拟的元件，该元件模拟具有指数函数或者幂函数的传感器元件的特性。

Description

具有集成信号处理的传感器模块
本发明涉及一种传感器模块。这种传感器模块在DE4331574A1中是已知的。本发明涉及到特别是可以使用在烹饪机，烤箱和暖气，例如可以使用在微波炉中的红外传感器模块。
附图1表示了如在上述现有技术水平中叙述的简化框图。12是原本的射线辐射敏感的传感器元件，所述传感器元件在其端子上沿电磁辐射的射入方向输出电信号。这例如可以涉及到一种热电偶。放大器13将传感元件的电信号放大。为了平衡环境温度对传感元件输出信号的物理影响，此外还安排了同样是温度敏感的参考装置14，15。14是温度参考传感器，有益的是安装在传感器附近的热敏电阻和其参数对应于其温度进行变化。15是放大器或者是阻抗变换器，这将这种变化转换为可利用的电信号，电信号与传感元件的被放大的信号逻辑运算，以便减少环境温度对辐射传感器信号的影响。16是一个差别放大器，这个构成辐射传感器12，13信号与温度传感器14，15信号的差别和用附加方式输出一个环境温度补偿的和与对象温度有关的输出信号11。
已知的电路有各种缺点：温度补偿只对相对小的环境温度范围起最佳作用，因为已知的微型温度参考元件的特性曲线是典型的线性或者指数变化的，而且已经证明具有大约4次方的关系是特别适合的。信号放大和信号处理是安放在晶体管壳体外边的印刷电路板上，传感器芯片和温度参考传感器位于晶体管壳体内。因为传感器模块制造得在空间上比较大，装配到应用仪器内时这可以导致位置的麻烦。此外信号处理结构除了金属的传感器壳体之外还会导致，电磁干扰可以使信号畸变。这种影响必须通过昂贵的和复杂的屏蔽措施或者随后的信号处理加以避免。
本发明的任务是叙述可以输出准确温度补偿输出信号的传感器模块，这个输出信号对应于对象的温度。此任务是通过一个传感器模块完成的，所述传感器模块具有
一对电磁辐射敏感的传感器元件，提供与辐射有关的电输出信号，一传感器信号处理电路，其接收传感器元件的输出信号和提供与辐射有关的第一个电信号，
一对温度敏感的参考装置，其提供与温度有关的第二个电信号，和一个逻辑运算装置，用于两个电信号的逻辑运算以补偿传感器元件的温度漂移，
其特征为，传感器信号处理电路，参考装置和信号逻辑运算装置是构成在单芯片上，和所述芯片和传感器元件被安置在一个共同的壳体内，该参考装置含有用于特性模拟的元件，该元件根据传感器元件的温度模拟了具有指数函数或者幂函数的传感器元件的特性。。
按照本发明的传感器有辐射敏感的传感元件，传感信号处理电路，温度敏感的参考装置，信号逻辑运算装置，和必要时用于参数调整和校准的各种装置。传感信号处理电路，参考装置和信号逻辑运算装置是构成在单芯片(专用集成电路)上。用于传感信号处理的芯片和传感元件是安放在共同的壳体内。此外可以将传感元件与传感信号处理电路，参考装置和信号逻辑运算装置共同安放在单芯片上。
有益的是例如涉及到商用的TO5-或者TO18的壳体比较小。在确定的截面上可以构成为截面尺寸不能大于12mm。这可以涉及到圆柱形的壳体，此时圆柱体的直径不能大于9mm。
将参考装置用于补偿传感元件的温度变化。因为通常传感元件的温度曲线是非线性的，通过线性的参考装置不可能满意地模拟其温度曲线。已经得出在窄的范围内将指数函数用于模拟传感元件的温度曲线或者在宽的范围内将幂函数用于模拟传感元件的温度曲线是合适的。特别是可以使用平方的或者高次方的幂函数，以便将按照辐射传感器产生的信号进行处理和最佳地模拟传感元件的温度曲线。从中得出4次方的幂函数作为优异的函数用于最佳补偿传感元件的温度曲线。
信号逻辑运算装置可以有加法装置或者减法装置，特别是求和放大器或者求差放大器。选择这些装置中的一个一方面按照定性地比较传感元件的温度曲线和另外一方面按照参考装置的温度曲线以及继续按照必要时产生的符号计算进行。如果参考装置的温度曲线和传感元件的温度曲线本身例如是同方向变化的(例如两个输出信号随着温度升高而下降)，如果没有进行其他的对信号符号的分析，则可以使用求差放大器。如果信号之一，例如参考装置计算出负的信号时(例如通过阻抗变换器)，则可以使用求和放大器。
不仅环境温度对传感元件信号有影响。电路的容许误差和电路的损耗功率也影响输出信号。因此安排了补偿装置用于补偿ASIC(专用集成电路)的损耗功率，同样校准装置用于避免容许误差和偏移量的影响。
为了将传感器与各种对象进行调整和匹配同样可以将有益的数字编程装置安排在壳体内，用这个装置可以调整或者改变传感器的模拟的或者数字的参数。
下面在附图基础上叙述本发明的单个实施形式。附图表示：
附图1一个已知的电路；
附图2a-f按照本发明的实施形式；
附图3通过按照本发明具有光学成像装置传感器的截面图；
附图4按照本发明的电路设计；
附图5按照本发明的扩展的电路设计；
附图6a-c通过按照本发明具有光学成像装置传感器的扩展的截面图；
附图7按照本发明的扩展的实施形式；
附图8 a，b表示典型的壳体结构形式TO5(附图8a)和TO18(附图8b)。
附图2a-f表示了按照本发明的传感器结构的上视图。在这些图中如同附图1同样的参考符号代表同样的部件。20是至少包括附图1上的部件13至16的集成电路。这也可以涉及到一个ASIC。与集成电路20分开安排了传感元件12，这可以与集成电路20经过粘接进行连接。集成电路20经过另外的粘接连接与外部接头11相连接。
附图2a-c的结构是安排成混合的，作为传感元件12与集成电路20是分开安排的。图上表示了各种连接可能性。在这里与接头11的连接也是用粘接进行的。表示了后面还要叙述的各种连接可能性。
22简化表示了具有最大直径为10mm的圆柱形壳体的底板。在壳体上不仅安放集成电路(传感器信号处理电路，参考装置，信号逻辑运算装置)20而且安放混合结构的传感元件12本身或者共同组合在一个芯片21上。
附图3表示了通过按照本发明混合结构传感器的一个截面。传感器是用于获取由对象30发出的电磁辐射，特别是红外辐射。传感器有安装在外部的光学成像元件或者聚集元件31，这个元件将对象发出的辐射在传感器内部成像或者在那里聚集。
有益的是壳体22的四周是封闭的。为了使辐射通过壳体有一个窗口32，这至少对于感兴趣的电磁辐射的波长范围是可以通过的。壳体可以使至少部分波长范围不通过和于是满足了一个滤波器的功能。否则可以将壳体构成为辐射屏蔽的，如果例如壁或者底板是由导电材料构成的和将窗口部分构成为导电的或者半导电的。
附图4表示了按照本发明电路20实施形式的框图。在附图2a上表示的ASIC是用20表示的。因此被表示的部件作为集成电路位于芯片上。40是接头，经过接头接收传感元件的信号。41a是前置放大器或者也只是阻抗变换器，有益的是具有校准装置。44a是偏移量修正器。与被叙述的分支平行还有另外的分支。这个分支在输入端有一个参考元件14。温度参考元件与传感器是热耦合的，并且提供与传感器温度对应的信号，其对应关系最好是线性的关系。41b也是放大器或者阻抗变换器。
43表示用于特性曲线模拟的元件。这些尽可能准确地模拟在接线柱40上的传感元件的温度特性。从中得出传感元件12(在接线柱上)的温度曲线是非线性的。因此通过线性的温度传感元件14只能部分准确地模拟温度曲线。所以对于窄的温度范围，所述模拟曲线可以是指数函数或者是幂函数。最好是2阶或者4阶的幂函数。平方函数可以通过平方电路由温度参考元件与温度有关的信号产生。将两个平方先后连接导致4阶的幂函数。44b是附加的偏移量修正器。46a和46b是变换器，其目的以后还要叙述。16是逻辑运算装置，这可以设计成求和放大器，在其中放大倍数可以被编程。这可以涉及到一种实施形式，在其中温度传感元件14的温度曲线是与原本的传感器元件12的温度曲线方向相反，或者它们的温度曲线是相同的，但是例如在参考分支上将符号反号。
41c可以是滤波电路也就是可以是扫描和停止电路，以便产生带宽限制的或者时间连续的输出信号，这个信号可以低欧姆脱耦。最后可以在输出端11c温度补偿地接收与准备获取的电磁辐射对应的电信号。
用变换器46b可以选择是否应该输出已经温度补偿(开关位置向上)或者没有补偿(开关位置向下)的传感器信号。在后者情况下有益的是将参考电压源47与温度参考电压的求和放大器的输入端反向连接，以便使求和放大器保持在一个定义的电势上。借助于变换器46a可以有选择地将温度信号(开关位置向上)或者参考电压信号(开关位置向下)传递给另外的滤波电路或者扫描和停止电路，这样在输出端11d可以获取相应的信号。
可以安排一个补偿装置，以便将上述电部件损耗功率的影响进行补偿。损耗功率导致电部件的发热，发热影响传感元件的输出信号。通过上述补偿装置可以将这个避免。因为在芯片上的电子电路的损耗功率可以近似于恒定的，损耗功率可以通过适当的调整偏移量修正器44a进行补偿。
在另外的实施形式中最好可以安排有编程装置48。编程装置经过接头11b从外边可以存取和可以用于调整系统参数。用编程装置48可以近似地调整放大器41a，41b，16的放大系数，部件44a，44b的偏移量电压，开关46a，46b的开关位置，参考电压47，模拟元件43的参数，电路41c，41d的滤波系数。将这些可以固定地(例如经过集成的保险丝)或者有选择地(例如经过可以重新写入的存储器)调整和在任何情况下经过外部接头可存取地进行编程。
也可以将编程装置48设计成调整或者改变传感器的电部件电接头11，11a-d的次序。从而可以节省外部接头11。编程装置48可以有唯一的接头或者两个接头，将这些可以附加安排在普通的(有益的是模拟的)接头上。它们可以得到时间顺序信号。接头也可以双向利用。电路可以有益的有三个和六个接头11。附图2a和2d表示了具有三个接头的实施形式，在其中例如可以涉及到供电电压，外壳和输出信号接头。在这样的实施形式中也可以有选择地安排接头。例如借助于调制成供电电压的交流信号进行转换。附图2b和2e表示了具有四个接头的实施形式，例如在这里是供电电压，输出信号和模拟的或者数字的控制输入。附图2c和2f表示了具有六个接头(例如在这里是外壳，感应电压，已经补偿的输出信号，控制输入，线性的温度输出，极限监控输出)。
可以这样调整放大器41a和16的放大，通过放大器41a的放大将传感元件12和传感信号处理的特性值的容许误差进行平衡，而通过放大器16的放大可以将传感器输出信号与所希望的数值范围相匹配。
传感器的输出电压例如可以在0和5V之间范围内或者在0和3V之间范围内进行调整。最好按如下方式选择温度补偿，使其在环境温度范围为-20℃至100℃内对传感器信号进行最佳补偿。接头11a用于传感器模块的电压供应。
附图5表示了按照本发明另外的实施形式。在这里进行连续的数字信号处理。如在附图4上将40表示为传感元件12的接头。11a是电压供应接头。模拟信号是从前置放大器或者阻抗变换器41a，有益的是具有校准装置，到达数字电路51(微监控器)。数字电路的输入端有模拟/数字变换器52-54，它们从输入放大器41a，从温度参考元件14和从恒定电压源47接收模拟信号。附图4的其他部件是用数字的装置代替的。
可以通过公式或者借助于表格代替模拟特性曲线元件43，所述表格将确定的输出值归入输入值。同样可以将输出信号通过一个或者多个接头进行数字输出。然后例如可以时间顺序地将没有补偿的辐射传感器信号，温度信号，已经补偿的辐射传感器信号和参考电压信号进行传输。根据传感器使用领域也可以实现阈值询问，这导致了对于一个准备监控的阈值输出一个是/否—信号。如果监控多个阈值时，可以相应地平行输出多个这样的信号或者时间顺序地输出这样的信号。
电压参考4 7例如可以构成为能带隙—电压参考电路，或者可以有一个稳压二极管。将温度参考元件14可以构成为PTAT-传感器形式。
本发明的其他实施形式表示在附图6a-c中，它们简化表示了通过结构形式TO5或者比较小的例如TO18的壳体的一个截面。壳体有圆柱形状和有底板62，穿过底板将接头11引出来。原本的传感器元件12以及集成电路20是安装在底板62上，壳体是被罩住的。罩子64，62可以由金属材料构成的以屏蔽电磁干扰。在壳体壁上安排了窗口63，窗口至少对于感兴趣的电磁辐射的波长范围是可以通过的。此外窗口63可以是导电的或者是半导电的或者有这样的涂层以屏蔽电磁辐射。有益的是将窗口63安排在圆柱形壳体的上端部。在壳体的内部安排了成像—或者射线引导装置65。例如在被表示的实施形式中涉及到回转对称的抛物面反射镜，抛物面反射镜将通过窗口进入壳体内部的光线引导到传感器元件12。
代替反射镜的引导也可以安排一个透镜66，透镜将射入的光学聚焦在传感器元件上(附图6b)。可以将透镜安排在壳体内部或者安排在传感器壳体的外边和此时构成为罩住传感器壳体的壳体壁的一部分。
为了避免通过壳体的内壁的反射引起的信号畸变和成像畸变可以在壳体的内壁安排一个遮蔽装置。
附图6b和6c表示了实施形式，在其上除了透镜之外在壳体上安排了光阑67，68，这些是部分阶梯式地68安排的，以便在壳体的内壁尽可能压缩信号的反射。有益的是将光阑表面构成为吸收辐射的。此外光阑67，68有避免环境温度突然改变对辐射传感器输出信号的干扰影响的功能。为此有益的是将光阑用不容易热传导的材料制成的。
附图7表示了用装配的印刷电路板和用于电耦合插座的本发明的实施形式。这表示了罩在最大直径为9mm的圆柱形壳体内的上述传感器模块，这已经安装在印刷电路板上和经过插座可以与至少三个接头接触。
附图8表示了TO5-壳体(附图8a)和TO18-壳体(附图8b)的实施形式。这原则上涉及到圆柱形壳体，在其中圆柱体的直径为大约8.2mm(TO5)或者4.8mm(TO18)。接头11安装在端面上和分布在与圆柱体同心的直径大约为5.1mm(TO5)或者2.5mm(TO18)的圆上。按照本发明的传感器模块可以安装在这样的壳体中。也可以安装在一个壳体中，其轮廓小于上述TO-壳体，但是特别应该对应于TO-标准在壳体上安放接头。
传感器模块特别适合于无接触式温度测量。传感器元件12和光学的窗口63或者成像装置66特别是可以设计成用于获取或者透过红外辐射。有益的是用热电堆测量红外辐射。

Claims (15)

1.传感器模块，具有
对电磁辐射敏感的传感器元件(12)，提供与辐射有关的电输出信号，传感器信号处理电路(41a，44a)，其接收传感器元件(12)的输出信号和提供与辐射有关的第一个电信号，
对温度敏感的参考装置(14，41b，43，44b)，其根据传感器元件(12)的温度提供与温度有关的第二个电信号，和一个逻辑运算装置(16)，用于两个电信号的逻辑运算以补偿传感器元件(12)的温度漂移，
其特征为，
传感器信号处理电路(13，41a，44a)，参考装置(14，15，41b，43，44b)和信号逻辑运算装置(16)是构成在单芯片上，和
所述芯片和传感器元件(12)被安置在一个共同的壳体(22)内，该参考装置含有用于特性模拟的元件(43)，该元件模拟了具有指数函数或者幂函数的传感器元件的特性。
2.按照权利要求1的传感器模块，
其特征为，
壳体(22)有导电的或者半导电的壁。
3.按照权利要求1或2的传感器模块，
其特征为，
壳体(22，62，64)是圆柱形并且圆柱体的直径小于10mm。
4.按照权利要求1或2的传感器模块，
其特征为，
所述传感器信号处理电路具有一个放大器。
5.按照权利要求1或2的传感器模块，
其特征为，
参考装置(14，41b，43，44b)有温度参考元件(14)和一个放大器(41b)。
6.按照权利要求1或2的传感器模块，
其特征为，
参考装置(14，41b，44b)有一个或多个平方器。
7.按照权利要求1或2的传感器模块，
其特征为，
偏移量修正器(44a)用于补偿电部件损耗功率对输出信号的影响。
8.按照权利要求1或2的传感器模块，
其特征为，
在壳体(22，62，64)内安排了辐射透射窗(63，66)，该窗采用导电或半导电的材料制成或者该窗拥有导电或半导电的涂层。
9.按照权利要求1或2的传感器模块，
其特征为，
在壳体(22，62，64)内安排了光学成像元件(65，66)。
10.按照权利要求1和2的传感器模块，
其特征为，
成像元件(66)构成壳体(22，62，64)的窗口(63，66)。
11.按照权利要求1或2的传感器模块，
其特征为，
成像元件(66)是透镜(66)或反射镜。
12.按照权利要求1或2的传感器模块，
其特征为，
在壳体(22，62，64)中优选地安排了数字编程装置，用这个装置可以调整传感器模块的运行参数。
13.按照权利要求1或2的传感器模块，
其特征为，
逻辑运算装置(16)是模拟的求和放大器。
14.按照权利要求1或2的传感器模块，
其特征为，
逻辑运算装置是一个数字电路(51)，该数字电路(51)经过模拟数字转换器接收传感器信号处理电路(13，41a)和参考装置(14，41b)的信号和输出数字的信号，该输出的数字信号时间顺序的信号。
15.按照权利要求1或2的传感器模块，
其特征为，
逻辑运算装置是数字的电路(51)，该数字电路(51)输出构成为是/否的值的数字信号，这些数字信号用于监控温度阈值。
CNB998163422A 1999-02-23 1999-02-23 具有集成信号处理的传感器模块 Expired - Fee Related CN1188673C (zh)

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