DE10129300A1 - Massenfluss-Detektor, insbesondere Gaszähler, und Verfahren zum Datenaustausch zwischen Bausteinen - Google Patents
Massenfluss-Detektor, insbesondere Gaszähler, und Verfahren zum Datenaustausch zwischen BausteinenInfo
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Abstract
Der erfindungsgemäße Gaszähler zur Gebührenberechnung ist ausgestaltet, um den Massenfluss des Gases zu messen. Er besitzt einen Massenfluss-Detektor (4), eine Steuerung (5) und eine Anzeige (6). Weiter kann er einen Kartenleser (7) und ein Ventil (8) umfassen. Der Massenfluss-Detektor basiert auf einem Sensorelement, das zusammen mit einer digitalen und analogen Auswertung auf einem Halbleiterbaustein integriert ist. Da der Massenfluss und nicht die Flussgeschwindigkeit bzw. das Volumen des konsumierten Gases gemessen wird, ergibt sich ein vom Druck unabhängiger Wert, der im wesentlichen durch den Brennwert des Gases bestimmt ist.
Description
Die Erfindung betrifft einen Gaszähler, ein
Verfahren zum Ermitteln einer konsumierten Gasmenge, ei
nen Massenflussensor, einen Halbleiterbaustein und ein
Verfahren zum seriellen Datenaustausch zwischen zwei Bau
steinen gemäss Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Gaszähler sind Geräte, mit denen der Gasver
brauch eines Konsumenten gemessen wird, so dass die ver
brauchte Gasmenge dem Konsumenten in Rechnung gestellt
werden kann. Normale volumetrische Gaszähler haben den
Nachteil, dass ihre Messwerte abhängig von Druck und Tem
peratur sind. Dies führt zu einer ungerechten Berechnung
der Gaskosten.
In einem ersten Aspekt der Erfindung stellt
sich deshalb die Aufgabe, einen Gaszähler und ein Verfah
ren der eingangs genannten Art bereitzustellen, die mög
lichst genaue Verbrauchswerte bestimmen, um eine gerech
tere Berechnung der Gaskosten zu ermöglichen.
Anspruchsgemäss wird diese Aufgabe gelöst,
indem der Massenfluss des Gases bestimmt und über die
Zeit integriert wird. Somit wird also nicht das Volumen
sondern die Masse des konsumierten Gases ermittelt. Da
die Masse auch dem Brennwert des Gases entspricht, er
laubt dies eine gerechtere Gebührenberechnung.
Vorzugsweise weist der Gaszähler einen inte
grierten Massenflussdetektor auf mit einem Sensorelement,
einem Analogteil und einem Digitalteil. Im Digitalteil
werden die Messdaten linearisiert. Getrennt davon ist ein
Mikrocontroller vorgesehen, der den Massenfluss über die
Zeit integriert.
In einem anderen Aspekt der Erfindung ist ein
Massenflusssensor auf einem Halbleitersubstrat bereitzu
stellen, der eine möglichst hohe Genauigkeit bei geringen
Herstellungskosten besitzt.
Diese Aufgabe wird gelöst, indem auf dem
Halbleitersubstrat gleichzeitig noch ein Analogteil und
ein Digitalteil integriert werden. Im Analogteil werden
die Signale vorverarbeitet, d. h. zum Beispiel verstärkt,
und sodann digitalisiert. Im Digitalteil werden die digi
talisierten Daten linearisiert. Indem die Teile alle auf
einem gemeinsamen Halbleitersubstrat integriert werden,
ergibt sich eine Reduktion der Herstellungskosten. Den
noch kann dank der Linearisierung eine hohe Genauigkeit,
selbst über einen grossen Bereich der Gasströmung, er
zielt werden.
Um Störungen der schwachen Signale vom Sensor
möglichst zu vermeiden, wird der Analogteil zwischen dem
Digitalteil, der für die meisten Störungen verantwortlich
ist, und dem Sensorelement angeordnet.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist
ein Massenflusssensor auf einer Membran bereitzustellen,
welcher mechanisch möglichst robust ist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass über
der Membran eine tensile Passivierungsschicht aufgebracht
wird. Eine derartige Passivierungsschicht vermag die Mem
bran unter einen tensilen Gesamtstress zu setzen. Dadurch
wird ein Durchbiegen, welches z. B. eine Herabsetzung der
mechanischen Stabilität verursachen würde, verhindert.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist
ein Massenflusssensor auf einer Membran bereitzustellen,
welcher eine schaltungstechnisch einfach aufgebaute Hei
zung besitzt.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die
Heizung aus mehreren Widerständen besteht, welche sich
parallel zueinander als Leiterbahnen über die Öffnung er
strecken und auf einer Seite miteinander verbunden sind.
Dies erlaubt es, die stromführenden Versorgungsleitungen
beide von nur einer Seite des Sensors zuzuführen. Vor
zugsweise wird die Heizung so angesteuert, dass die Lei
terbahnen in zwei Gruppen aufgeteilt werden, die in Serie
liegen. Ein Strom wird durch beide Gruppen geführt und so
geregelt, dass die Spannung über einer der Gruppen kon
stant ist. Dies erlaubt es, bei gegebener Referenzspan
nung in eleganter Weise die Heizung in einem gewünschten
Leistungsbereich zu betreiben.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist
ein Massenflusssensor auf einer Membran bereitzustellen,
welcher geringe Alterung zeigt.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass um
die Membran eine Scribe Line angeordnet wird. Es zeigt
sich, dass Fremdionen und Fremdmoleküle insbesondere im
Bereich der Membran in die dielektrischen Schichten, die
das Halbleitersubstrat bedecken, eindringen können. Durch
die Scribe Line können die Ionen daran gehindert werden,
durch die dielektrischen Schichten zu den weiteren, auf
dem Halbleitersubstrat integrierten Elementen zu wandern.
Als solche Elemente kommen insbesondere Schaltungselemen
te, wie z. B. Transistoren, aber auch Leitungen und der
gleichen in Frage.
Vorzugsweise sind auf dem Substrat in Gruppen
aufgeteilte Schaltungselemente integriert, wobei jede
Gruppe von je einer Scribe Line umfasst wird. Dadurch
werden die Gruppen voneinander getrennt.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist
ein Halbleiterbaustein bereitzustellen, der eine geringe
elektrische Störanfälligkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass Lei
tungen, welche störanfällig sind und/oder störende Signa
le tragen, von einem Schirm aus leitfähigem Material um
geben werden. Vorzugsweise wird dieser Schirm von einer
leitenden Diffusionsschicht im Substrat und einer leitfä
higen Deckschicht gebildet.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist
ein Massenflussensor mit Halbleitersubstrat, einer im
Halbleitersubstrat über einer Öffnung angeordneten Mem
bran, mit einer sich über die Membran erstreckenden Hei
zung und mit beidseits der Heizung angeordneten Thermo
elementen bereitzustellen, der eine hohe Zuverlässigkeit
besitzt.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein
Selbsttest-Mechanismus vorgesehen ist, mit welchem die
Spannung über mindestens einem der Thermoelemente mit ei
nem Sollbereich verglichen wird. Bei einwandfreiem Be
trieb des Geräts muss dieser Temperaturunterschied bzw.
die Spannung über den Thermoelementen im Sollbereich lie
gen. Eine Abweichung zeugt von einem Defekt der Membran,
eines der Thermoelemente oder der Heizung. Vorzugsweise
wird die Summe der Spannungen der Thermoelemente gemes
sen, um gleichzeitig beide Thermoelemente zu prüfen.
In einem weiteren Aspekt stellt sich die Auf
gabe, ein Verfahren zum seriellen Datenaustausch zwischen
zwei Bausteinen bereitzustellen, welches es erlaubt, in
möglichst einfacher Weise den Datenaustausch von der Be
reitschaft eines der Bausteine abhängig zu machen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der
zweite Baustein nach dem Empfang eines Anwahlsignals auf
der Datenleitung ein Zustandssignal erzeugt, welches in
einen aktiven Zustand geht, sobald der zweite Baustein
zur Ausgabe von Daten bereit ist. Dies erlaubt es in ein
facher Weise, über nur eine Datenleitung sowohl Zustand
sinformationen, als auch Dateninformationen auszutau
schen.
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines erfindungsge
mässen Gaszählers,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer
möglichen Ausführung des Massenfluss-Detektors,
Fig. 3 mögliche Abhängigkeiten der Strömungs
geschwindigkeit vB im Bypass von der Strömungsgeschwin
digkeit vH im Hauptkanal,
Fig. 4 einen Massenfluss-Detektor mit subli
nearer Response,
Fig. 5 einen Massenfluss-Detektor mit linea
rer Response,
Fig. 6 einen Massenfluss-Detektor mit Loch
blende im Hauptkanal,
Fig. 7 einen Massenfluss-Detektor mit einer
Verengung im Hauptkanal,
Fig. 8 einen Massenfluss-Detektor mit einer
Venturi-Düse,
Fig. 9 einen Massenfluss-Detektor mit einer
Staudüse,
Fig. 10 einen Schnitt durch das Sensorele
ment,
Fig. 11 eine Draufsicht auf einen Halbleiter
baustein mit Sensorelement und Elektronikschaltungen,
Fig. 12 ein Blockdiagramm des Bausteins nach
Fig. 11,
Fig. 13 die Struktur einer "Scribe Line",
Fig. 14 die Struktur einer abgeschirmten Lei
tung mit zwei Kanälen,
Fig. 15 die Heizungssteuerung,
Fig. 16 ein Blockdiagramm der MUX/Verstärker-
Einheit,
Fig. 17 den Aufbau eines Verstärkers mit vier
Stufen,
Fig. 18 eine Stufe des Verstärkers von Fig.
17,
Fig. 19 ein Schaltbild des A/D-Wandlers,
Fig. 20 ein Buffer für Signale vom Analogteil
zum Digitalteil,
Fig. 21 ein Blockschaltbild des Digitalteils
und der Steuerung,
Fig. 22 ein Zeitdiagramm für die Signale des
seriellen Interfaces,
Fig. 23 ein Blockschaltbild des Taktgebers,
Fig. 24 ein Zeitdiagramm der Signale des Takt
gebers.
Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm einer Ausfüh
rung der Erfindung in Form eines Gaszählers 1, wie er zur
Ermittlung der Gaskosten in einem Haushalt verwendet wer
den kann.
Der Gaszähler besitzt einen Hauptkanal mit
einer Eingangsleitung 2 und einer Ausgangsleitung 3 für
das zu messende Gas. Zum Messen der Gasmenge ist ein Mas
senfluss-Detektor 4 vorgesehen, d. h. ein Sensor, mit der
die Masse des durchströmenden Gases pro Zeiteinheit er
mittelt wird. Eine Steuerung 5 wertet die Resultate des
Massenfluss-Detektors 4 aus, betreibt eine Anzeige 6 und
z. B. einen Chipkartenleser 7. Ferner kann sie ein Ver
schlussventil 8 steuern. Eine Stromversorgung 9 speist
sämtliche Bauteile, vorzugsweise aus einer Batterie.
Im folgenden werden die Teile des Gaszählers
1 im einzelnen beschrieben. Dabei ist zu beachten, dass
die Anwendung einiger dieser Teile nicht auf einen Gas
zähler beschränkt ist. So kann z. B. der im folgenden er
läuterte Massenfluss-Detektor oder das Sensorelement in
einer Vielzahl von Einsatzgebieten eingesetzt werden.
Der Massenfluss-Detektor 4 misst entweder die
Massenrate, d. h. die Masse pro Zeiteinheit oder ein Inte
gral der Massenrate, d. h. die totale Masse. Anstelle der
Masse bzw. Massenflussrate kann auch die jeweilige Grösse
pro Einheits-Durchflussfläche der Gasleitung ermittelt
und sodann umgerechnet werden.
Fig. 2 zeigt schematisch den Aufbau des Mas
senfluss-Detektors. Im folgenden wird als "Massenfluss"
der mittlere Massenfluss ρv verstanden, wobei ρ die Dich
te und v die Geschwindigkeit des Gases ist. Soll der ge
samte Massenfluss durch den Hauptkanal 2, 3 ermittelt
werden, so ist ρ.vH in bekannter Weise zu integrieren,
wobei vH die mittlere Flussgeschwindigkeit im Hauptkanal
ist.
In der vorliegenden Ausführung ist am Haupt
kanal ein Bypass 10 vorgesehen, der parallel zu einem Ab
schnitt 11 des Hauptkanals 2, 3 verläuft, mit einem Ein
gang 12 und einem Ausgang 13. Im Bypass 10 ist ein Senso
relement 14 vorgesehen.
Zumindest in einem Bereich 15 zwischen den
Mündungen des Bypass 10 ist ein in Fig. 2 grau darge
stellter Bereich vorgesehen, in welchem der Flusswider
stand des Gases im Vergleich zum übrigen Hauptkanal er
höht ist, um den Druckabfall Δp zwischen den Mündungen zu
erhöhen.
Vorzugsweise ist im Sensorelement 14 eine
Messanordnung angeordnet, die ein Heizorgan und symme
trisch dazu zwei Temperaturfühler aufweist. Eine bevor
zugte Ausführung dieser Anordnung wird weiter unten be
schrieben.
Die Temperaturen bei den Temperaturfühlern
eines derartigen Sensorelements sind abhängig vom Produkt
der Flussgeschwindigkeit vB im Bypass 10 und der Dichte ρ
des Gases. Das Ausgangssignal S des Sensorelements ist
also eine Funktion f des Massenflusses ρvB, wobei vB die
Gasgeschwindigkeit am Ort des Sensorelements 14 im Bypass
4 bezeichnet, d. h.
S = s (ρ.vB). (1)
Mittels geeigneter Linearisierung kann ein zum Massen
fluss proportionales Signal erzeugt werden, so dass
S = k.ρ.vB, (2)
wobei k eine Konstante ist.
Das durch den Bypass 10 fliessende Gas er
zeugt eine Druckdifferenz Δp zwischen den Mündungen der
Leitungen 12 und 13. Die Druckdifferenz Δp ist von der
Gasgeschwindigkeit vB im Bypass 10 abhängig, d. h.
Δp = fB (vB), (3)
wobei die Funktion fB diese Abhängigkeit beschreibt.
Andererseits ist diese Druckdifferenz auch
von der Strömungsgeschwindigkeit vH im Hauptkanal abhän
gig, d. h.
Δp = fH (vH), (4)
wobei die Funktion fH die Abhängigkeit des Druckabfalls
von der Strömungsgeschwindigkeit im Hauptkanal be
schreibt.
Die Funktionen fB und fH hängen von der Geo
metrie des Hauptkanals und des Bypass ab. Bei laminaren
Strömungsverhältnissen sind fB und fH lineare Funktionen.
Bei turbulenten Strömungsverhältnissen oder bei Staudruck
können fB und fH auch von höheren Potenzen der jeweiligen
Geschwindigkeit, insbesondere vom Quadrat der Geschwin
digkeit abhängen.
Aus Gleichung (3) und (4) ergibt sich:
vB = fB -1 (fH (vH)) = F (vH). (5)
Wie im folgenden dargestellt, können die Ei
genschaften des Massenfluss-Detektors durch geeignete
Wahl der Funktion F bzw. der Funktionen fB und fH opti
miert werden.
Fig. 3 zeigt verschiedene mögliche Abhängig
keiten der Strömungsgeschwindigkeit vB von der Strömungs
geschwindigkeit vH. Kurve F1 zeigt eine lineare Abhängig
keit, welche für den Fall auftritt, dass die Funktionen
fH und fB in gleicher Weise von der jeweiligen Geschwin
digkeit abhängen. Kurve F2 zeigt eine zunehmend steiler
werdende Abhängigkeit, welche z. B. auftritt, wenn fH qua
dratisch von vH und fB linear von vB abhängt. Kurve F3
zeigt eine zunehmend flacher werdende Abhängigkeit, die
z. B. dem Fall entspricht, dass fH linear von vH und fB
quadratisch von vB abhängt.
Die Steilheit der Kurven von Fig. 3 ist gege
ben durch die Ableitung
Es zeigt sich, dass eine Abhängigkeit in der
Art von Kurve F2 unerwünscht ist. Sie führt dazu, dass
bei kleiner Strömungsgeschwindigkeit vH die Empfindlich
keit des Massenfluss-Detektors gering ist, da die Strö
mungsgeschwindigkeit vB verhältnismässig schwach von vH
abhängt, während bei grossen vH eine starke Abhängigkeit
vorliegt.
Erwünscht ist vielmehr eine Abhängigkeit in
der Art von Kurve F1 oder F3, d. h. δF(vH)/δvH soll bei
kleinem vH grösser als oder gleich gross wie bei grossem
vH sein. Mathematisch ausgedrückt heisst dies
wobei v1 < v2.
Ausgedrückt als zweite Ableitung entspricht
dies
Vorzugsweise sollte die Steigung tatsächlich
abnehmen, d. h. sublinear und nicht linear sein, um in ei
nem unteren Messbereich eine höhere Empfindlichkeit zu
erhalten. Dies ist der Fall, wenn in den Gleichungen (7)
bzw. (8) die Operatoren "≧" bzw. "≦" durch "<" und "<"
ersetzt werden.
Die Bedingung (8) sollte zumindest für kleine
Flussgeschwindigkeiten erfüllt sein (z. B. in den unteren
10% des Messbereichs), vorzugsweise für alle Flussge
schwindigkeiten innerhalb des Messbereichs.
Bevorzugt ist insbesondere ein Massenfluss-
Detektor, in welchem fH proportional zu vH und fB propor
tional zu vB 2 oder generell zu a1.vB + a2.vB 2, mit kon
stanten a1, a2, ist.
In der Praxis ist es jedoch nicht immer mög
lich, eine Abhängigkeit gemäss Kurve F3 zu erhalten, und
eine lineare Abhängigkeit gemäss Kurve F1 kann bereits
als gut bezeichnet werden. Zumindest sollte in den unte
ren 10% des Messbereichs die Abweichung vom linearen Ver
halten nicht mehr als 10% betragen.
Fig. 4 zeigt einen Massenfluss-Detektor mit
sublinearer Response. Im Hauptkanal ist ein linearer
Strömungswiderstand 15' angeordnet, so das Δp proportio
nal zu vH ist. Der Strömungswiderstand kann z. B. aus ei
ner Vielzahl paralleler, enger Kanäle bestehen. Es gilt
also fH (vH) ∝ vH.
Im Bypass ist eine stufenförmige Verengung 17
vorgesehen, über welcher sich ein Staudruck einstellt, so
dass die Funktion fB in erster Linie vom Quadrat der
Strömungsgeschwindigkeit vB abhängt. Zusätzlich kann fB
auch noch von linearen Termen in vB abhängen, so dass ge
nerell gilt fB(vB) = a1.vB + a2.vB 2.
Fig. 5 zeigt eine Ausführung eines Massen
fluss-Detektors mit linearer Response. Der Hauptkanal ist
gleich ausgebildet wie in Fig. 4, während der Bypass kei
ne stufenförmige Verengung aufweist, so dass gilt fB(vB)
∝ vB.
Zusätzlich zu den Überlegungen, die zu den
Gleichungen (7) und (8) führten, können noch andere
Aspekte die Wahl der Funktionen fB und fH bzw. der Ausge
staltung von Hauptkanal und Bypass beeinflussen. Insbe
sondere ist bei einem Massenfluss-Detektor der Einfluss
der Gasdichte ρ zu berücksichtigen, da die gesuchte Grö
sse das Produkt ρ.vH ist.
Wie bereits aus Gleichung (1) folgt, misst
das Sensorelement 14 das Produkt ρ.vB. Berücksichtigt man
die Gasdichte, so können die Gleichungen (3) und (4) ge
schrieben werden als
Δp = fB (ρ, vB), (9)
Δp = fH(ρ, vH). (10)
Aus Gleichungen (2), (9) und (10) folgt
S ∝ ρ.vB = ρ.fB -1 (ρ, fH(ρ, vH)). (11)
Gewünscht ist, dass S nur vom Produkt ρ.vH
abhängt. Sensoren, deren Signal S nur vom Produkt ρ.vH
abhängt oder deren Antwort (ggf. nach einer geeigneten
Korrektur) nur schwach (z. B. einige 10%, vorzugsweise ei
nige Prozent) von einem solchen Verhalten abweicht, wer
den als Massenflusssensoren bezeichnet. Dies ist insbe
sondere erfüllt, wenn
S ∝ (ρ.vH)k, (12)
wobei k eine beliebige Zahl ungleich Null ist. Aus (11)
und (12) folgt
fB -1(ρ, fH(ρ, vH)) = ρk-1.vH k (13)
Liegen im Bypass lineare Strömungsverhältnis
se ohne Staudruck vor, so ist der Druckabfall Δp unabhän
gig von der Dichte ρ und linear zur Geschwindigkeit vB,
d. h. die linke Seite von Gleichung (13) ist proportional
zu fH (ρ, vH).
Im Falle linearer Strömungsverhältnisse ohne
Staudruck im Hauptkanal ist der Druckabfall Δp unabhängig
von der Dichte ρ, d. h. es gilt
fH ∝ vH = ρ0.vH. (14)
Im Falle von dominantem Staudruck bzw. domi
nanter turbulenter Verhältnisse gilt im Hauptkanal
fH ∝ ρ.vH 2. (15)
In beiden Fällen gilt also
fH ∝ ρk-1.vH k. (16)
Somit erfüllt der Massenfluss-Detektor also
die Bedingung (13) sowohl für Staudruck, als auch für la
minare Verhältnisse im Hauptkanal, soweit die Verhältnis
se im Bypass linear sind.
Diese Bedingungen sind in der Ausführung ge
mäss Fig. 5 erfüllt. Sie sind auch in den Ausführungen
erfüllt, die in Fig. 6 bis 8 dargestellt werden. In allen
diesen Ausführungen herrschen lineare Verhältnisse im By
pass.
In Fig. 6 ist im Hauptkanal eine Lochblende
20 eingesetzt, die einen Staudruck erzeugt. Die Ein
trittsmündung 12' des Bypass befindet sich vor der Blende
20, die Austrittsmündung 13' kurz bzw. unmittelbar da
nach. Die Anordnung nach Fig. 6 wirkt aufgrund der turbu
lenten Verwirbelungen ähnlich wie eine Venturi-Düse und
es gilt Δp ∝ ρ.vH 2.
In Fig. 7 ist im Hauptkanal eine Verengung
20' mit sanften Übergängen angeordnet und die Mündungen
12', 13' befinden sich vor und nach dem Engpass. Es lie
gen laminare Verhältnisse vor, d. h. Δp ∝ vH, unabhängig
von ρ. Wie gestrichelt unter Position 4' angedeutet, kann
der Bypass auch im Engpass angeordnet werden, so dass er
von einem allfälligen Staudruck vor und nach dem Engpass
nicht beeinflusst wird.
In Fig. 8 ist ein Engpass 20" als Venturi-
Düse ausgestaltet. Die Eintrittsmündung 12' des Bypass
befindet sich in der Verengung, die Austrittsmündung 13'
nach der Verengung. Es gilt, ohne Reibungsverluste, Δp ∝
ρ.vH 2.
In einer derartigen Ausführung sollte die
Länge L des Engpasses möglichst gross sein, damit die
Reibungsverluste höher werden und die Bedingung gemäss
Gleichung (7) besser erfüllt wird. Es ist auch denkbar,
einen Strömungswiderstand gemäss Fig. 4 bzw. 5 in den
Engpass einzubauen.
In der Anordnung nach Fig. 9 ist die Ein
gangsmündung 12' des Bypass als Staudüse im Hauptkanal 2,
3 angeordnet. In der Staudüse wird durch Abbremsen des
Gases ein Staudruck erzeugt. Die Austrittsmündung 13' des
Bypass mündet im Hauptkanal 3 oder kann auch an einen an
deren Ort geführt werden, wo ein mit der Gasleitung 2
vergleichbarer statischer Druck herrscht. Der Druck Δp
über dem Bypass wird hier in erster Linie vom Staudruck
bestimmt und es gilt wiederum Δp ∝ ρ.vH 2.
Fig. 10 zeigt den Aufbau eines Sensorelements
14, mit welchem der Massenfluss ρ.vB eines Gases gemessen
werden kann.
Das generelle Funktionsprinzip eines derarti
gen Bauelements ist ausführlich in "Scaling of Thermal
CMOS Gas Flow Microsensors: Experiment and Simulation"
von F. Mayer et al., in Proc. IEEE Micro Electro Mechani
cal Systems, (IEEE, 1996), pp. 116ff beschrieben.
Das Sensorelement 14 ist auf einem Halblei
tersubstrat 21 aus monokristallinem Silizium angeordnet,
in welchem eine Öffnung 22 ausgeätzt wurde. Unter dem Be
griff "Öffnung" ist sowohl eine einfache Vertiefung im
Halbleitersubstrat 21, als auch ein sich ganz durch das
Halbleitersubstrat 21 erstreckende Öffnung zu verstehen.
Die Öffnung bzw. Vertiefung 22 wird von einer dünnen Mem
bran 23 aus einem Dielektrikum abgedeckt. Auf der Membran
23 ist eine resistive Heizung 24 aus drei Widerständen
angeordnet. Symmetrisch zur Heizung 24 sind zwei Thermo
elemente 25, 26 vorgesehen, die als Temperatursensoren
dienen. Genau genommen handelt es sich dabei um Ther
mosäulen bestehend aus mehreren, in Serie geschalteten
Thermoelementen. Im Zusammenhang mit dieser Beschreibung
und den Ansprüchen wird unter dem Ausdruck Thermoelement
sowohl ein einzelnes Element als auch eine Thermosäule
verstanden.
Thermoelemente haben gegenüber resistiven
Temperatursensoren den Vorteil, dass sie praktisch keine
Drift aufweisen und auch verhältnismässig unempfindlich
gegen ein Durchbiegen der Membran 23 sind.
Die Thermoelemente 25, 26 und die Heizung 24
liegen so zur Flussrichtung 27, dass das Gas zuerst das
erste Thermoelement 25, dann die Heizung 24 und schliess
lich das zweite Thermoelement 26 überstreicht.
Eine typische Grösse der Membran 23 beträgt
z. B. 300 × 500 µm2.
Das Sensorelement 14 und insbesondere der
Bereich der Membran 23, ist mit einer Passivierungs
schicht 28 überdeckt. Diese kann z. B. aus Siliziumoxid,
Siliziumnitrid oder einem Polymer, insbesondere Polyimid,
bestehen. Die Passivierungsschicht 28 verhindert Diffusi
on unerwünschter Moleküle, wie z. B. Wasser, in die auf
dem Halbleitersubstrat 21 integrierten Komponenten.
Die Passivierungsschicht 28 hat zusätzlich
auch eine mechanische Aufgabe zu erfüllen. Hierzu ist sie
tensil ausgestaltet, mit einer Tensilität bei Betrieb
stemperatur von vorzugsweise mehr als 100 MPa. Sie ist
also einer Zugspannung ausgesetzt, so dass sie die Mem
bran 23 gestrafft und somit stabil hält. Dank dieser
Stresskompensation arbeitet die Membran 23 auch bei einem
Druckunterschied von mehr als 3 Bar noch einwandfrei.
Die Tensilität der Passivierungsschicht 23
kann mittels bekannter Verfahren durch geeignete Wahl der
Herstellungsparameter gesteuert werden, siehe z. B. Domi
nik Jaeggi, "Thermal Convertes by CMOS Technology", Dis
sertation an der Eidgenössischen Technischen Hochschule
von Zürich No. 11567, 1996.
Wie bereits erwähnt, kann mit einem Senso
relement 14 gemäss Fig. 10 der Massenfluss des Gases er
mittelt werden. Hierzu werden die Temperaturen über den
Thermoelementen 25, 26 gemessen, welche vom Produkt der
Flussgeschwindigkeit vB und der Dichte ρ des Gases abhän
gen.
Das Sensorelement 14, d. h. die Heizung 24,
wird gepulst betrieben, z. B. mit einer Pulslänge zwischen
5 und 50 ms. Vorzugsweise wird jedoch nicht die Zeitver
zögerung zwischen dem Heizpuls und den Thermoelementsi
gnalen gemessen, da diese nur von der Flussgeschwindig
keit und nicht vom Massenfluss abhängt. Vielmehr werden
die Temperatursignale beider Thermoelemente 25, 26 mit
einander verglichen, z. B. durch Bestimmung der Differenz
der Signale oder des Quotienten der Signale. Diese Grösse
ist in erster Linie vom Massenfluss abhängig.
Der gepulste Betrieb der Heizung hat den Vor
teil, dass der Stromverbrauch reduziert wird.
Das Sensorelement 14 ist dank seinem Aufbau
mechanisch robust und kann in jeder Stellung montiert
werden.
Auf dem Halbleitersubstrat 21 kann weiter ei
ne Auswerteschaltung sowie Treiberschaltungen für die
Heizung 24 integriert sein. Einen möglichen Aufbau all
dieser Teile auf einem gemeinsamen Substrat ist in Fig.
11 gezeigt, und ein entsprechendes Blockdiagramm in Fig.
12.
Die auf dem Halbleitersubstrat 21 zusammenge
fassten Komponenten sind in drei Gruppen unterteilt und
umfassen einen Sensorteil 30, einen Analogteil 31 und ei
nen Digitalteil 32. Der Sensorteil 30 enthält das oben
beschriebene Sensorelement 14. Er erstreckt sich über die
ganze Breite des Halbleitersubstrats 21. Da er in Kontakt
mit dem zu messenden Gas kommt, sind im Sensorteil keine
Schaltungselemente angeordnet. Der Analogteil 31 umfasst
vorwiegend analoge Schaltungsblöcke, der Digitalteil 32
vorwiegend digitale Schaltungsblöcke. Die drei Gruppen
können je auf einzelnen Halbleitersubstraten angeordnet
werden, die Anordnung auf einem gemeinsamen Substrat ist
jedoch aus Kostengründen und wegen der geringeren Störan
fälligkeit bevorzugt.
Die Schaltungen sind in CMOS-Technik ausge
führt. Die kleinsten verwendeten Gatelängen der Transi
storen, insbesondere der digitalen Schalttransistoren,
sind vorzugsweise im Bereich von 0.2 bis 0.8 µm, auf je
den Fall unterhalb 1.0 µm.
Dank der hohen Integrationsdichte ist es mög
lich, sämtliche Komponenten auf einem Halbleitersubstrat
21 mit einer Fläche von z. B. nur 15 mm2 unterzubringen.
Der ganze in Fig. 11 bzw. 12 gezeigte Bau
stein kann mit einer Spannung kleiner gleich 5.5 Volt ge
speist werden, vorzugsweise mit 3 Volt.
Für den Anschluss der Versorgungsspannung und
zur Kommunikation mit externen Bauteilen sind auf dem
Halbleitersubstrat 21 im Bereich des Digitalteils 32 An
schlusspads 39 vorgesehen. Diese sind symmetrisch zur
Längsachse 37 des Bausteins angeordnet, um asymmetrische
mechanische Spannungen im Halbleitersubstrat zu vermei
den.
Die Funktionen des Analogteils 31 und des Di
gitalteils 32 werden weiter unten genauer beschrieben.
Hier sei lediglich kurz erwähnt, dass der Analogteil 31
zur analogen Aufbearbeitung der Signale des Sensorele
ments 14 und zur Umwandlung in digitalisierte Daten
dient. Im Digitalteil 32 findet eine Linearisierung der
digitalen Daten statt. Ausserdem erzeugt der Digitalteil
die Taktsignale der einzelnen Bauteile, und er weist ei
nen Speicher auf, in welchem Eich- und Betriebsparameter
und/oder Linearisierungskoeffizienten gespeichert werden
können.
Jede der Gruppen 30, 31 und 32 ist von einer
"Scribe Line" 33 eingefasst. Zudem ist eine Scribe Line
33' um die Membran 23 des Sensorelements 14 angeordnet.
Der Aufbau einer derartigen Scribe Line ist
in Fig. 13 dargestellt. Generell besteht sie aus einer
Stelle, an welcher die gut diffusionsfähigen, inneren Be
schichtungen des Substrats 21 unterbrochen werden und
mindestens eine der Metallschichten direkt auf das Sub
strat 21 abgesenkt wird. Im gezeigten Ausführungsbeispiel
sind auf dem Substrat 21 z. B. eine erste SiO2-Schicht 41,
eine Polysiliziumschicht 42, eine erste Glasschicht 43,
eine erste Aluminiumschicht 44, eine zweite Glasschicht
45, eine zweite Aluminiumschicht 46 und die Passivie
rungsschicht 28 angeordnet. Im Bereich der Scribe Line
33, 33' sind die erste SiO2-Schicht 41, die Polysilizium
schicht 42, die erste Glasschicht 43 und die zweite Glas
schicht 45 unterbrochen, während die beiden Aluminium
schichten 44, 46 und die Passivierungsschicht 28 durchge
führt sind.
Generell werden mit Ausnahme der obersten
Passivierungsschichten in der Regel alle dielektrischen
Schichten unterbrochen, da diese für Ionen und Fremdmole
küle gut durchlässig sind, während zumindest eine Metall-
oder Halbleiterschicht als Barriere weitergeführt wird.
Durch die Verwendung der Scribe Lines 33 wer
den die einzelnen Gruppen des Bausteins voneinander abge
trennt. Dank der Scribe Line 33' um die Membran 23 werden
Ionen und Fremdmoleküle, die in diesem Bereich besonders
gut in die Schichten eindringen können, daran gehindert,
weiter zu diffundieren. Dadurch werden Alterungsprozesse
reduziert oder sogar vermieden.
Ebenfalls zur Vermeidung elektrischer Störun
gen werden Leitungen, die schwache analoge Signale oder
hochfrequente Signale tragen, mit einer speziellen Anord
nung abgeschirmt, die in Fig. 14 dargestellt ist. Dies
gilt insbesondere für die langen Leitungen 35, die die
Thermoelemente 25, 26 mit dem Analogteil 31 verbinden.
Hierzu werden die abzuschirmenden Leitungen
35 auf einer isolierenden SiO2-Schicht 41 angeordnet und
mit einer weiteren SiO2-Schicht 45 seitlich und nach oben
isoliert. Im Substrat 21 unterhalb der Leitungen 35 ist
ein leitender p+- oder n+-Diffusionsbereich 48 vorgesehen.
Über der oberen SiO2-Schicht 45 ist eine leitende Deck
schicht 46 aus Aluminium vorgesehen, die seitlich entlang
der Leitungen 35 mit dem p+- bzw. n+-Diffusionsbereich 48
in Kontakt steht.
Die Leitungen 35 können z. B. aus Aluminium
oder Polysilizium sein, ebenso kann anstelle der Alumini
umschicht 46 ein anderes leitendes Material verwendet
werden. Anstelle der SiO2-Schichten 41, 45 können auch
andere Schichten aus elektrisch isolierendem Material,
z. B. Glas oder Siliziumnitrid verwendet werden. Je nach
Bedarf kann auch nur eine Leitung 35 in dieser Weise ab
geschirmt werden, oder es können mehr als zwei Leitungen
gemeinsam abgeschirmt werden. Dabei bilden die leitende
Deckschicht 46 und die Diffusionsschicht 48 einen Schirm
für die abzuschirmenden Leitungen.
Die Passivierungsschicht ist in Fig. 14 nicht
dargestellt.
Anstelle der oder zusätzlich zu den Leitungen
35 können auch andere Leitungen des Halbleiterbausteins
in dieser Weise abgeschirmt werden, z. B. die Leitungen
36, die die Heizung mit dem Analogteil verbinden. Es kann
auch sinnvoll sein, Leitungen für digitale Signale in
dieser Weise abzuschirmen, insbesondere wenn es sich um
Digitalsignale hoher Frequenz handelt, die andere Kompo
nenten der Schaltung stören könnten.
Eine Abschirmung der Art von Fig. 14 kann
überall dort eingesetzt werden, wo Leitungen abgeschirmt
werden müssen. Besonders eignet sie sich für Halbleiter
bausteine, auf denen ein Sensor und ein Verstärker oder
eine Auswerteschaltung angeordnet sind.
Eine weitere Reduktion von Störungen wird er
reicht, indem Schleifen in den Verbindungsleitungen zwi
schen dem Sensorteil 30 und dem Analogteil 31 vermieden
werden. So werden die Verbindungsleitungen 35 zwischen
den Thermoelementen 25, 26 und dem Analogteil unmittelbar
nebeneinander und parallel zueinander geführt, wie dies
insbesondere auch aus Fig. 14 für die beiden Leitungen 35
eines der Thermoelemente ersichtlich ist.
Ebenfalls eine Reduktion von Störungen wird
durch die Geometrie der Anordnung der Bauteile auf dem
Halbleitersubstrat erzielt. Der Analogteil 31 ist zwi
schen dem Sensorelement 14 und dem Digitalteil 32 ange
ordnet, damit die schwachen Sensorsignale von den Schalt
signalen des Digitalteils möglichst wenig beeinflusst
werden.
Weiter ist das Sensorelement an einem Ende
des Halbleitersubstrats angeordnet, so dass die übrigen
Teile des Halbleitersubstrats mit dem zu messenden Gas
nicht in Kontakt treten können.
Wie aus Fig. 11 ersichtlich, ist das Sensor
element 14 im wesentlichen symmetrisch zu einer mittle
ren Längsachse 37 des Halbleiterbausteins angeordnet.
Insbesondere liegt die Heizung 24 symmetrisch zu dieser
Achse, so dass thermisch induzierte Spannungen im Sub
strat gering bleiben. Wie im folgenden genauer beschrie
ben, besitzt der Analogteil 31 zwei differenziell betrie
bene Kanäle zur Auswertung der Messignale. Damit diese
Kanäle von dem Temperaturgradienten, der von der Heizung
24 im Substrat 21 erzeugt wird, in gleicher Weise beein
flusst werden, sind deren Bauteile möglichst in Bereichen
gleicher Temperatur angeordnet.
Das Sensorelement 14 erstreckt sich nicht
über die ganze Breite des Halbleitersubstrats. In Fluss
richtung des Gases vor und hinter dem Sensorelement 14
sind Abstandsbereiche 38 vorgesehen, die dafür sorgen,
dass das Gas beim Sensorelement 14 ein möglichst lamina
res, ungestörtes Strömungsfeld besitzt.
Im folgenden wird die Funktionsweise des Ana
logteils 31 und des Digitalteils 32 näher erläutert.
Wie in Fig. 12 gezeigt, umfasst der Analog
teil eine Heizungssteuerung 50, einen als MUX/Verstärker
bezeichneten Teil 51 zum Auswählen der zu verarbeitenden
Signale und zu deren Vorverstärkung, und einen A/D-
Wandler 52.
Ferner umfasst der Analogteil 31 auch einen
Temperatursensor 40 zum Messen der Umgebungs- und/oder
Substrattemperatur. Diese Temperatur kann die Signale der
Thermoelemente 25, 26 beeinflussen und wird deshalb bei
deren Aufbereitung berücksichtigt. Der Temperatursensor
40 kann auch im Sensorteil 30, insbesondere auf der Mem
bran 23, angeordnet sein.
Dem Temperatursensor 40 ist ein eigener A/D-
Wandler 40a zugeordnet, der mit geringerer Taktrate ar
beitet als der A/D-Wandler 52, wodurch der Stromverbrauch
reduziert wird. Zwischen dem Temperatursensor 40 und dem
A/D-Wandler 40a kann zusätzlich ein Verstärker mit ein
stellbarem Offset und Gain angeordnet sein.
Der Analogteil 31 erfüllt also vielfältige
Aufgaben und umfasst mindestens 100 Transistoren. Die
Komponenten des Analogteils werden nun im einzelnen be
schrieben.
Die Heizungssteuerung 50 ist in Fig. 15 dar
gestellt. Sie besitzt einen Operationsverstärker 55, an
dessen positivem Eingang eine Festspannung Vbg anliegt.
Diese Festspannung wird von einem Spannungsgenerator 53
erzeugt. Der Spannungsgenerator 53 ist auf dem Halblei
tersubstrat 21 integriert und erzeugt seine Spannung aus
der Bandgap-Spannung Vbg des Halbleiters. Für Silizium
beträgt diese Spannung ca. 1.2 V.
Am Ausgang des Operationsverstärkers 55 liegt
die Heizung 24, die, wie auch in Fig. 11 gezeigt, in drei
Teilwiderstände R1a, R1b und R1c aufgeteilt ist. Jeder
dieser Widerstände ist als Leiterbahn ausgestaltet, die
sich über die Membran 23 erstreckt, wobei die drei Lei
terbahnen an einem Ende miteinander verbunden sind. Am
anderen Ende sind die beiden äusseren Leiterbahnen, die
z. B. die Widerstände R1b und R1c bilden, ebenfalls mit
einander und mit dem Analogteil 31 verbunden, während die
mittlere Leiterbahn, welche in diesem Falle R1a bildet,
individuell mit dem Analogteil 31 verknüpft ist. Somit
liegen die Widerstände R1b und R1c parallel zueinander,
und das Widerstandspaar R1b und R1c liegt im Serie zum
Widerstand R1a, wie dies in Fig. 15 gezeigt wird.
Der gemeinsame Anschlusspunkt aller Wider
stände ist mit dem invertierenden Eingang des Operations
verstärkers 55 verbunden, die gemeinsamen Anschlüsse von
R1b, R1c liegen auf 0 Volt, der einzelne Anschluss von
R1a am Ausgang des Operationsverstärkers 55. Somit hält
die Heizsteuerung die Spannung über R1b, R1c also kon
stant, unabhängig vom Wert der Versorungsspannung. Auch
die Spannung über R1a wird auf diese Weise im wesentli
chen konstant gehalten, da der totale Strom durch R1b,
R1c gleich ist wie jener durch R1a.
Ein Vorteil der Aufspaltung der Heizung 24 in
mehrere Widerstände, die als parallele, nebeneinander
liegende Leiterbahnen die Membran 23 überqueren, liegt
darin, dass die stromführenden Leitungen 36 von der Hei
zungssteuerung beide an der gleichen Seite der Membran 23
angreifen können.
Ausserdem benötigt die Schaltung nach Fig. 15
nebst den Widerständen R1a, R1b, R1c der Heizung 24 keine
weiteren Widerstände und vermeidet somit unnötige Ver
lustleistungen.
Die Widerstände R1a, R1b, R1c sind vorzugs
weise alle gleich gross und liegen im Bereich von 0.8 bis
250 kΩ, so dass bei einer Spannung von ca. 2 bis 5 Volt
eine Leistung zwischen 0.1 und 5 mW erzeugt werden kann.
Insbesondere der Wert des Widerstands R1a kann jedoch
auch ungleich jenem von R1b und R1c gewählt werden, ohne
dass die Symmetrie der Heizung beeinträchtigt wird.
In der Ausführung nach Fig. 15 ist die Hei
zung also in zwei zueinander in Serie liegende Wider
standsgruppen aufgeteilt, wobei die erste Widerstands
gruppe R1b und R1c umfasst und die zweite R1a. Je nach
Verhältnis der gewünschten Ausgangsspannung des Operati
onsverstärkers 55 (welche für einen minimalen Leitungs
verlust möglichst nahe bei der positiven Versorgungsspan
nung liegen sollte) und der konstanten Spannung Vbg kann
die Grösse der beiden Widerstandsgruppen entsprechend an
gepasst werden. Beispielsweise könnte z. B. jede Wider
standsgruppe auch nur genau einen Widerstand umfassen.
Die Heizleistung PH der Heizung 24 ist gege
ben durch
PH = UH 2/RH,
wobei UH die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers
55 und RH der effektive Widerstand der Kombination von
R1a, R1b und R1c. Die Widerstände R1a, R1b und R1c werden
als PTC-Widerstände mit zunehmender Temperatur grösser,
im wesentlichen proportional zum Temperaturanstieg. Ein
Temperaturanstieg der Heizung führt also sofort zu einer
Reduktion der Heizleistung. Indem die Spannung über der
Heizung bzw. einem Teil der Widerstände konstant gehalten
wird, wird also im wesentlichen auch die Temperatur der
Heizung konstant gehalten.
Anstelle der Schaltung gemäss Fig. 15 kann
jedoch z. B. auch eine Schaltung eingesetzt werden, welche
die Temperatur, den Strom oder die Leistung der Heizung
konstant hält. In einer einfachsten Ausführung kann die
Heizung auch direkt an die (externe) Versorungsspannung
angehängt werden.
Der als MUX/Verstärker bezeichnete Teil 51
ist als Blockdiagramm in Fig. 16 dargestellt. Seine Auf
gabe besteht darin, die Eingangssignale für den A/D-
Wandler 52 bereitzustellen. Letzterer besitzt zwei Ein
gangspaare VIN, NVIN und VREF, NVREF, wobei er im wesent
lichen die Differenz oder die Summe von VIN und NVIN in
Einheiten der Differenz oder Summe von VREF und NVREF be
stimmt. Nähere Angaben zum Aufbau des AD-Wandlers 52 sind
weiter unten gegeben.
Teil 51 umfasst einen Multiplexer 57 und zwei
mehrstufige, symmetrische Zweikanalverstärker A1, A2.
Insbesondere Verstärker A2 ist optional und kann auch
durch einfache Verbindungsleitungen ersetzt werden.
Der Multiplexer 57 besitzt die folgenden Ein
gänge: Je zwei Eingänge TP1 und NTP1 bzw. TP2 und NTP2
für die Thermoelemente 25, 26, einen Eingang für eine
analoge Masse A_GND, einen Eingang für die Speisespannung
Vdd, einen Eingang für eine interne Referenzspannung
Vrefint (abgeleitet aus der oben erwähnten Bandgap-
Spannung Vbg) und einen Eingang für eine externe Refe
renzspannung Vrefext. Er besitzt verschiedene Zustände,
in denen jeweils gewisse der Eingänge mit den Ausgängen
M1a, M1b und M2a, M2b verbunden werden:
In den Zuständen 1 und 2 wird vom A/D-Wandler
52 die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Thermoele
menten 25, 26 in Einheiten von Vrefint bzw. Vrefext ge
messen. In den Zuständen 3 und 4 wird die Summe der Tem
peraturen über den beiden Thermoelementen 25, 26 in Ein
heiten von Vrefint bzw. Vrefext gemessen. Dieser Wert
kann, wie weiter unten beschrieben, in einem Selbsttest
verwendet werden.
In Zustand 5 wird die Temperaturdifferenz in
Einheiten der Summe der Temperaturen der Thermoelemente
gemessen (siehe unten) - es zeigt sich, dass diese Grösse
in gewissen Fällen geringere Abhängigkeit von der Mem
brandicke und somit von der Verschmutzung aufweist als
die reine Temperaturdifferenz. In den Zuständen 6 und 7
kann ein Offsetabgleich durchgeführt werden. Zustand 8
wird bei einer Überprüfung der Versorgungsspannung Vdd
verwendet, wobei dem A/D-Wandler ein bekannter Bruchteil
k der Versorgungsspannung Vdd zugeführt wird.
In den Zuständen 1, 2 und 5 sind die Eingänge
NTP1 und NTP2 auf analoge Masse gelegt und TP1 und TP2
mit den Ausgängen verbunden. In den Zuständen 3 und 4
sind die Eingänge NTP1 und TP2 auf analoge Masse gelegt
und TP1 und NTP2 sind mit den Ausgängen verbunden.
Der Zweikanalverstärker A1 (und, soweit vor
gesehen, auch der Zweikanalverstärker A2) ist vorzugswei
se mehrstufig aufgebaut, so wie dies in Fig. 17 darge
stellt ist. Jede Stufe besitzt eine Verstärkerstufe A11,
A12, A13, A14, die über Schalter S11, S12, S13, S14 wahl
weise zugeschaltet oder überbrückt werden kann. Der Ver
stärkungsfaktor jeder Stufe ist z. B. 5, so dass die ge
samte Verstärkung zwischen 1 und 54 = 625 liegen kann.
Die Verwendung mehrerer Verstärkerstufen A1i
hat den Vorteil, dass auch bei geringem Stromverbrauch
auch noch hohe Frequenzen verstärkt werden können. Ein
einzelner Verstärker mit grosser Verstärkung würde bei
gleicher Frequenz einen höheren Stromverbrauch aufweisen.
Eine einzelne Verstärkerstufe A1i ist in Fig.
18 dargestellt. Es handelt sich hier um einen Verstärker
mit geschalteten Kapazitäten. Er besitzt eine invertie
rende Zweikanal-Verstärkerschaltung 59 und Schalter K1i,
K2i in konventioneller Ausführung. Die Schaltung arbeitet
im "Auto-Zeroing"-Modus, d. h. bei geschlossenen Schaltern
K1i in der Rückkopplungsschlaufe sind die eingangsseiti
gen Schalter K1i auf Masse, so dass auf den Kondensatoren
C1i eine dem Offset entsprechende Ladung abgespeichert
wird, die in der nächsten Halbtaktphase vom eigentlichen
Signal subtrahiert wird.
Damit die Verstärkerstufen gemäss Fig. 18
kaskadiert werden können, müssen die Schalter K1i, K2i
aufeinander folgender Stufen um 180° phasenverschoben ge
taktet werden.
Der Aufbau des A/D-Wandlers 52 wird in Fig.
19 dargestellt. Er ist als Sigma-Delta-Konverter ausge
staltet und besitzt einen Verstärker 60 und einen Kompa
rator 61. Der Ausgang des Komparators wird in bekannter
Weise einem Zähler 62 und einer Schaltersteuerung 63 zu
geführt.
Die Eingangskondensatoren Cx1, Cx2, Cy1, Cy2
sind über Eingangsschalter X1, X2, Y1, Y2 mit den zu Fig.
16 beschriebenen Eingängen VREF, NVREF, VIN, UVIN verbun
den.
Durch geeignete Wahl der Lage der Schaltpha
sen der Schalter X1 und X2 bzw. Y1 und Y2 kann ausgewählt
werden, ob die an den Eingängen VREF, NVREF bzw. VIN,
NVIN anliegenden Spannungen voneinander subtrahiert oder
zueinander addiert werden.
Der A/D-Wandler 52 ist auf jener Seite des
Analogteils 31 angeordnet, die dem Digitalteil 32 am
nächsten ist, da der A/D-Wandler weniger empfindlich ge
gen Störungen ist als z. B. die Verstärker A1, A2 oder an
dere Teile des Analogteils 31.
Die Signale vom Analogteil 31 zum Digitalteil
32 und jene vom Digitalteil 32 zum Analogteil 31 werden
gepuffert. Hierzu ist für jedes Signal ein Buffer 64 vor
gesehen, wie er in Fig. 20 dargestellt ist.
Der Buffer 64 nach Fig. 20 übermittelt ein
Signal vom Analogteil 31 zum Digitalteil 32. Als Versor
gungsspannung wird ihm die positive Versorgungsspannung
Vpp des Digitalteils 32 zugeführt.
Ein Buffer für Signale vom Digitalteil 32 zum
Analogteil 31 wird umgekehrt von der positiven Versor
gungsspannung Vdd des Analogteils 31 gespeist.
Durch die Verwendung von Buffern 64 wird die
Übertragung hochfrequenter Störsignale vom Digitalteil 32
in den Analogteil 31 reduziert.
Um ein Übersprechen von Störungen zu vermei
den, werden Analogteil 31 und Digitalteil 32 von getrenn
ten Spannungen Vdd bzw. Vpp versorgt, für die auf dem
Halbleitersubstrat 21 vorzugsweise auch getrennte An
schlusspads 39 vorgesehen sind.
Auch die Massen des Analogteils 31 und des
Digitalteils 32 werden vorzugsweise voneinander getrennt
aus dem Chip geführt. Es wird insbesondere zwischen
stromführender Masse, wie z. B. Source-Kontakte von NMOS-
Transistoren, und stromloser Masse, wie z. B. die Backga
tes der NMOS-Transistoren, unterschieden um das Rauschen
zu minimieren.
Ein Blockschaltbild des Digitalteils ist in
Fig. 21 dargestellt, wobei die Buffer 64 nicht gezeigt
werden.
Die digitalisierten Werte vom A/D-Wandler 52
gelangen zu einer Signalverarbeitungsschaltung 70. Diese
Schaltung führt die folgenden Operationen durch:
- - Sie subtrahiert ein in einer Kalibrierung ermitteltes Offset-Signal.
- - Sie prüft die Werte der digitalisierten Si gnale und steuert die Verstärkung der Verstärker A1 bzw. A2, so dass immer mit optimaler Auflösung gemessen wird. Sind die Signale vom A/D-Wandler sehr gross, so wird die Verstärkung reduziert, sind sie sehr klein, so wird die Verstärkung vergrössert.
- - Sie führt eine Kalibrierung und Linearisie rung durch, bei der die Werte vom A/D-Wandler 52 nichtli near gemittelt werden. Ein entsprechendes Verfahren ist z. B. von P. Malcovati et al. in IEEE Journal of Solid- State Circuits, pp. 963ff, Bd. 29, 1994 beschrieben wor den.
Für die Kalibrierung und Linearisierung
greift die Signalverarbeitungsschaltung 70 über ein seri
elles Interface 71 auf ein externes EEPROM 72 zu, in wel
chem Koeffizienten für die Aufbereitung der Daten abge
speichert sind.
Um die Zahl der Zugriffe auf das externe
EEPROM 72 zu reduzieren, ist im Digitalteil 32 ferner ein
Zwischenspeicher 72a vorgesehen, in welchem mindestens
einer, vorzugsweise mehrere, der zuletzt aus dem EEPROM
72 ausgelesenen Werte und die zugehörige Adresse abge
speichert sind. Soll einer dieser Werte nochmals ausgele
sen werden, so wird auf den Zwischenspeicher 72a und
nicht auf das EEPROM 72 zugegriffen. Dadurch wird der
Stromverbrauch reduziert und es werden weniger Störsigna
le erzeugt, da die Signalverarbeitungsschaltung nicht auf
das externe EEPROM 72 zugreifen muss, wenn sich die Si
gnale vom A/D-Wandler 52 nicht oder nur geringfügig än
dern.
Die für die Linearisierung zu verwendenden
Koeffizienten hängen vom Verstärkungsfaktor der Verstär
ker A1 bzw. A2 ab und werden entsprechend der momentanen
Einstellung der Verstärker automatisch in richtiger Weise
ausgewählt.
Wie bereits erwähnt, hängen die Messwerte der
Thermoelemente 25, 26 auch von der Temperatur des Sub
strats bzw. der Umgebung und des Gases ab. Deshalb wird
der vom Temperatursensor 40 gemessene Wert bei der Linea
risierung ebenfalls berücksichtigt, um die Temperaturab
hängigkeit der Daten der Thermoelemente 25, 26 zu redu
zieren bzw. zu kompensieren. Im EEPROM 72 ist ein zweidi
mensionales Array von Koeffizienten abgespeichert, welche
über die Temperaturdifferenz der Thermoelemente und den
momentanen Wert des Temperatursensors 40 adressiert wer
den.
Die Ausgangsdaten des Massenflussdetektors
werden von der Signalverarbeitung 70 ebenfalls dem seri
ellen Interface 71 zugeführt und können dort von einem
externen Mikrocontroller 73 abgefragt werden.
Im Digitalteil 32 ist ferner ein nicht flüch
tiger Speicher 74 vorgesehen. In der vorliegenden Ausfüh
rung ist dieser Speicher als ROM ausgestaltet, der norma
lerweise herstellerseitig programmiert wird und die Funk
tionsweise des Massenflussdetektors 4 festlegt. Vorzugs
weise ist er in "Zener Zaps"-Bauweise aufgebaut mit
Dioden, die zur Programmierung durchgebrannt werden. Es
ist auch denkbar, den Speicher 74 z. B. als Flash-ROM oder
als EEPROM auszugestalten.
Der Speicher 74 umfasst mindestens 20 Bits
Speicherplatz und legt z. B. die folgenden Optionen fest:
- - Aktivierung der Linearisierung in der Si gnalverarbeitungsschaltung 70: Die Linearisierung kann ausgeschaltet werden, wenn sie nicht benötigt oder extern durchgeführt wird.
- - Aktivierung der Offsetkorrektur: Die oben erwähnte Offsetkorrektur kann wahlweise ein- und ausge schaltet werden.
- - Aktivierung der Gainumschaltung: Wie oben erwähnt, kann die Signalverarbeitungsschaltung 70 die Verstärkung der Verstärker A1, A2 automatisch nachführen. Diese Möglichkeit kann ausgeschaltet werden.
- - Heizmodus: Die Heizung kann wahlweise mit der in Fig. 15 dargestellten Schaltung oder von einer ex ternen Spannungsquelle gespeist werden.
- - Taktrate: Damit der Chip mit unterschiedli chen Taktraten betrieben werden kann, ist im Speicher 74 ein Teiler abgespeichert, durch welchen der angelegte Clock dividiert wird.
- - Seriennummer: Im Speicher 74 ist eine Seri ennummer abspeichert.
Ferner können mit dem Speicher 74 weitere op
tionale Fähigkeiten des Halbleiterbausteins ein- und aus
geschaltet werden.
Der Speicher 74 ist physikalisch auf derjeni
gen Seite des Digitalteils 32 angeordnet, die dem Analog
teil 31 am nächsten ist, da der Speicher 74 relativ ge
ringe Störsignale erzeugt.
Schliesslich ist im Digitalteil 32 auch eine
Steuerung mit Taktgeber 75 angeordnet. Diese erzeugt alle
Steuersignale für den Digitalteil 72 und auch die Steuer
befehle für die Schalter des Analogteils 31.
Fig. 23 zeigt schematisch den Aufbau des
Taktgebers 75. Er besitzt einen Takteingang T, welcher
ein Taktsignal trägt, das auf dem Halbleitersubstrat oder
extern erzeugt wird. Dieses Taktsignal wird einer Zeit
verzögerungsschaltung 75a zugeführt, die zwei zeitver
schobene Taktsignale T1, T2 erzeugt. Wie aus Fig. 24 er
sichtlich, sind diese Signale (bzw. deren aktive Flanken)
um einen Zeitwert Δt gegeneinander verschoben. Das frühe
re Taktsignal T1 wird einem Taktgenerator 75b für den Di
gitalteil und das spätere Taktsignal T2 einem Taktgenera
tor 75c für den Analogteil zugeführt. Der Taktgenerator
75b erzeugt alle Taktsignale für die Komponenten des Di
gitalteils 32. Der Taktgenerator 75c erzeugt alle Taktsi
gnale für den Analogteil 31. Der Wert Δt ist so gross ge
wählt, dass innerhalb der Zeit Δt alle Komponenten des
Digitalteils 32 geschaltet haben. Damit wird sicherge
stellt, dass die Komponenten des Analogteils 31 erst dann
zu schalten beginnen, wenn die Umschaltvorgänge im Digi
talteil 32 beendet sind, wodurch eine Reduktion der Stö
rungen im Analogteil 31 erzielt werden kann.
Insgesamt umfasst der Digitalteil 32 minde
stens 1000 Gatter, um seine Aufgaben zu erfüllen.
Der Steuerteil 5 des Geräts, der ebenfalls in
Fig. 21 dargestellt ist, umfasst den Mikrocontroller 73
und das EEPROM 72, wobei er letzteres mit dem Digitalteil
32 des Massenflussdetektors 4 teilt.
Der Mikrocontroller 73 kann z. B. ein Micro
prozessor mit integriertem ROM sein. Er kann über das se
rielle Interface 71 des Digitalteils auch auf das EEPROM
72 zugreifen, um dort akkumulierte Gebühren abzuspei
chern. Ferner steuert der Mikrocontroller 73 die auf der
optionalen Anzeige 6 darzustellenden Daten und den optio
nalen Kartenleser 7.
Es kann ausserdem auch ein Radio-Interface 76
vorgesehen sein, über welches der Mikrocontroller 73 z. B.
über ein zelluläres Telefonnetz beispielsweise mittels
GSM mit einer Zentrale 84 kommunizieren kann. So kann der
Gaszähler z. B. den Gasverbrauch automatisch an die Zen
trale 84 weiterleiten. Es ist auch denkbar, dass die Zen
trale 84 einen Tarifsatz, nach welchem der Gasverbrauch
zu berechnen ist, per Funk an den Gaszähler übermittelt.
Anstelle des oder zusätzlich zum Radio-
Interface 76 kann ein weiteres Interface 77 vorgesehen
sein. Dabei kann es sich um ein drahtloses oder drahtge
bundenes Interface handeln, welches z. B. für das lokale
Auslesen des Gaszählers verwendet werden kann.
Der Mikrocontroller 73 steuert auch das Ven
til 8.
Der Steuerteil kann weiter eine elektronische
Uhr 78 aufweisen. Diese kann z. B. verwendet werden, um
zeitabhängige Tarifsätze zu verarbeiten.
Der Steuerteil liest den momentanen Massen
fluss im Bypass 10, wie er vom Massenflussdetektor 4 be
stimmt wird, über das serielle Interface 71 aus und inte
griert diesen Wert über die Zeit. Ausserdem rechnet er
den Massenfluss im Bypass 10 auf den Massenfluss im
Hauptkanal 2, 3 um. In regelmässigen Zeitabständen, z. B.
immer wenn eine bestimmte Menge an Gas verbraucht wurde,
oder wenn Gas für eine bestimmte Gebührenmenge konsumiert
wurde, speichert er den entsprechenden Zwischenwert im
EEPROM 72 ab, so dass eine Störung oder ein Wegfall der
Stromversorgung zu keinem Datenverlust führt.
Es ist auch möglich, die Versorgungsspannung
zu überwachen. Sobald diese abzufallen beginnt, wird noch
der letzte Zwischenwert ins EEPROM geschrieben. In diesem
Fall muss durch einen entsprechenden Puffer sicherge
stellt werden, dass bei einem plötzlichen Spannungsabfall
noch genügend Zeit zum Sichern der Daten bleibt.
Da der Steuerteil 5 also den Massenfluss des
konsumierten Gases über die Zeit integriert, berechnet er
die Masse des verbrauchten Gases. Aus dieser Masse wird
eine entsprechende Gebühr berechnet, was entweder eben
falls im Steuerteil 5 oder extern geschehen kann.
Der Steuerteil 5 zeigt die verbrauchte Gas
menge (oder eine entsprechenden Gebühr) als Wert auf der
Anzeige 6 an. Dieser Wert kann verschlüsselt sein, so
dass die Gefahr einer Manipulation geringer ist.
Ist ein Lesegerät 7 vorgesehen, so kann der
Benutzer in dieses Gerät eine Wertkarte 80 einführen.
Diese Karte enthält einen nicht-flüchtigen Speicher 82
mit einer Gutschrift für eine bestimmte Gasmasse. Der Mi
krocontroller 73 öffnet das Ventil erst, wenn eine derar
tige Wertkarte 80 in den Kartenleser 7 eingeführt wird,
und führt die Gutschrift im Speicher 82 entsprechend der
konsumierten Gasmasse nach. So kann er z. B. nach Ein
schieben der Karte eine Gebühren- oder Mengeneinheit vom
Wert im Speicher 82 subtrahieren und sodann das Ventil
solange offen halten, bis eine entsprechende Gasmenge
verbraucht wurde. Sodann subtrahiert er eine nächste Ge
bühren- bzw. Mengeneinheit vom Wert im Speicher 82, usw.
Sobald eine derartige Subtraktion nicht mehr möglich ist,
wird das Ventil 8 geschlossen.
Ist ein Radio-Interface 76 vorgesehen, so
können die Gaskosten bzw. die konsumierte Gasmasse bzw.
über das Radio-Interface 76 einer Zentrale 84 übermittelt
werden.
Der Digitalteil 32 kann unabhängig vom Mikro
controller 73 arbeiten, d. h. er kann die Kalibrierung und
Linearisierung der Messdaten ohne Hilfe des Mikrocontrol
lers 73 durchführen. Der Mikrocontroller 73 braucht le
diglich die Resultate vom Digitalteil 32 abzufragen. Dies
erlaubt es, den Mikrocontroller 73 nur intermittierend
und/oder bei reduzierter Taktrate zu betreiben. Dadurch
wird der Stromverbrauch des Gaszählers reduziert. Ausser
dem können Störungen, die vom Mikrocontroller 73 erzeugt
werden, kaum bis in den Analogteil 31 gelangen.
Die auf dem Halbleitersubstrat 21 angeordne
ten Komponenten müssen nicht dauernd in Betrieb sein. Sie
können vom Mikrocontroller 73 z. B. nur periodisch einge
schaltet werden, um in regelmässigen Abständen Messungen
durchzuführen. Dies führt zu einer Reduktion des Strom
verbrauchs. So können z. B. Messungen nur alle 2 Sekunden
durchgeführt werden.
Der Mikrocontroller 73 kann auch die Genauig
keit der Messungen bestimmen, indem er die Anzahl der vom
Digitalteil 32 durchgeführten Mittelungen oder die Puls
länge der Heizpulse festlegt. Zur Reduktion des Stromver
brauchs kann z. B. zuerst eine Messung hoher Genauigkeit
durchgeführt werden, und dann Messungen geringerer Genau
igkeit, bis letztere anzeigen, dass sich der Massenfluss
offenbar geändert hat. Dann ist wieder eine Messung hoher
Genauigkeit durchzuführen.
Die auf dem Halbleitersubstrat angeordneten
Komponenten können im Dauerbetrieb oder im intermittie
renden Betrieb arbeiten, wobei der entsprechende Be
triebsmodus vom Mikrocontroller 73 angewählt und vom Di
gitalteil 32 gesteuert wird.
Im intermittierenden Betrieb laufen bei einer
Aktivierung des Halbleiterchips durch den Mikrocontroller
73 die folgenden Schritte ab:
- A) Die Heizung und die Messelektronik werden eingeschaltet.
- B) Nach Schritt A wartet der Digitalteil 32, bis sich die Heizungstemperatur stabilisiert hat. Dann führt er zuerst eine Offsetkorrektur und sodann eine Mes sung durch. Die Daten werden ausgegeben.
- C) Sodann werden die Messelektronik und die Heizung ausgeschaltet und der Halbleiterchip wartet auf die nächste Aktivierung durch den Mikrocontroller.
Im Dauerbetrieb werden ohne Unterbruch Mess
zyklen durchgeführt, wobei in jedem Messzyklus zuerst ei
ne Offsetkorrektur und sodann eine Messung stattfindet.
Das serielle Interface 71 arbeitet nach einem
in Fig. 22 dargestellten Protokoll. Will der Mikrocon
troller 73 Daten aus dem Digitalteil 32 auslesen, so
bringt er zuerst eine "Chip Select"-CS-Leitung in den ak
tiven Zustand 0 und wählt damit den Digitalteil 32 an.
Darauf hin gibt der Digitalteil 32 an einer Datenleitung
D ein "Ready"-Signal R ab. Dieses ist 0, solange die mo
mentan laufende Messung noch im Gang ist. Sobald die Mes
sung abgeschlossen ist, setzt der Digitalteil 32 die Da
tenleitung D, d. h. das "Ready"-Signal R, auf 1. Dies
zeigt dem Mikrocontroller 73 an, dass er nun mit dem Aus
lesen der Daten beginnen kann. Hierzu beginnt er, ein
bislang auf 1 gesetztes Clocksignal Clk zu takten. Mit
der ersten negativen Flanke stellt der Digitalteil 32 das
erste Datenbit D0 bereit, so dass dieses vom Mikrocon
troller 73 an der nächsten positiven Flanke ausgelesen
werden kann. Sodann wird das zweite Datenbit D1 bereitge
stellt, usw., bis zum letzten Datenbit Dn.
Das in Fig. 22 gezeigte Protokoll hat den
Vorteil, dass ohne zusätzliche Leitungen und in für be
stehende serielle Protokolle transparenter Weise der Sta
tus der Messung berücksichtigt werden kann. Dies wird da
durch erreicht, indem auf der Datenleitung D ein Zu
standssignal ("Ready"-Signal R) abgegeben wird, wenn der
Chip durch das CS-Signal angewählt wird, wobei das Zu
standssignal von einem inaktiven (hier 0) auf einen akti
ven (hier 1) Zustand wechselt, sobald der Chip bereit
ist. Sodann erzeugt der Mikrocontroller das Clocksignal
Clk, dessen erste Flanke dem Digitalteil 32 anzeigt, dass
er nun das erste Datenbit D0 auszugeben hat. Er ersetzt
das Zustandssignal durch das erste Datenbit D0, so dass
dieses beim nächsten Wechsel des Taktsignals Clk gültig
ist.
Das Protokoll gemäss Fig. 22 bzw. das ent
sprechende Verfahren kann überall dort verwendet werden,
wo ein serieller Datenaustausch zwischen zwei Bausteinen
erst dann beginnen soll, wenn der eine der Bausteine eine
Bereitschaft angegeben hat.
Der erfindungsgemässe Gaszähler ist mit ver
schiedenen Funktionen versehen, die einen Selbsttest ge
statten. Diese Funktionen können entweder im Digitalteil
32 integriert oder dem Mikrocontroller 73 zugeordnet wer
den.
Eine erste Selbsttestfunktion erlaubt, wie
oben beschrieben, die Summe der Signale der Thermoelemen
te zu messen. Hierzu wird der Multiplexer 57 in einen der
Zustände 3 oder 4 gebracht. Das so gemessene Signal ist
ein Mass für den Temperaturunterschied zwischen dem Halb
leitersubstrat 21 und dem Zentrum der Membran 23. Bei
einwandfreiem Betrieb des Geräts muss dieser Temperatu
runterschied bzw. die Spannung über den Thermoelementen
in einem gewissen Sollbereich liegen.
In einer zweiten Selbsttestfunktion wird die
Versorgungsspannung Vdd gemessen. Hierzu wird der Multi
plexer 57 in den Zustand 8 gebracht. Weicht die Versor
gungsspannung Vdd zu stark von einem Sollwert ab, so wird
eine Warnung ausgegeben.
Weiter kann der Gain der Verstärker A1 bzw.
A2 regelmässig überprüft werden. Hierzu wird das Aus
gangssignal der Verstärker A1 bzw. A2 bei zwei unter
schiedlichen Verstärkungen miteinander verglichen.
Es ist auch möglich, denn Gain der Verstärker
A1 bzw. A2 zu korrigieren, z. B. indem entsprechende Kor
rekturkapazitäten zugeschaltet werden.
Wie sich aus den obigen Ausführungen ergibt,
betrifft die Erfindung verschiedenste Aspekte auf dem Ge
biet der Halbleiter- und Sensortechnik und insbesondere
der Gasgebührenzähler. Es ist jedoch zu betonen, dass
insbesondere das Sensorelement bzw. der beschriebene
Halbleiterbaustein mit Sensorteil, Analogteil und Digi
talteil als Bausteine für andere Anwendungen verwendet
werden können. Auch die Abschirmungstechnik, die im Zu
sammenhang mit Fig. 14 erläutert wurde, kann für ver
schiedenste Anwendungen eingesetzt werden, wo schwache
Signale auf integrierten Schaltungen von Störungen ge
schützt werden sollen.
Claims (53)
1. Gaszähler, gekennzeichnet durch einen Mas
senflussdetektor (4) zum Messen des Massenflusses eines
durch einen Hauptkanal (2, 3) fliessenden Gases und wei
ter gekennzeichnet durch Mittel (5) zum Integrieren des
Massenflusses über die Zeit.
2. Gaszähler nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, dass er einen nicht-flüchtigen Speicher (72)
zum Abspeichern von Zwischenwerten des integrierten Mas
senflusses aufweist.
3. Gaszähler nach einem der vorangehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Kartenle
ser (7) für Wertkarten und ein Ventil (8) zur Unterbre
chung des Hauptkanals (2, 3) aufweist.
4. Gaszähler nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, dass er ausgestaltet ist, um entsprechend einer
konsumierten Gasmasse einen Wertspeicher (82) in einer im
Kartenleser (7) eingeschobenen Wertkarte (80) nachzufüh
ren und bei Erschöpfung des Wertespeichers (82) das Ven
til (8) zu schliessen.
5. Gaszähler nach einem der vorangehenden An
sprüche, gekennzeichnet durch ein Radio-Interface (76)
zur drahtlosen Übermittlung einer konsumierten Gasmasse
an eine Zentrale und/oder zur Übermittlung von Gastarifen
von der Zentrale an den Gaszähler.
6. Gaszähler nach einem der vorangehenden An
sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Sensorele
ment (14), einen Analogteil (31) zur analogen Vorverar
beitung der Signale des Sensorelements (14) und zum Er
zeugen digitalisierter Daten und einen Digitalteil (32)
zum Linearisieren der digitalisierten Daten aufweist.
7. Gaszähler nach Anspruch 6, dadurch gekenn
zeichnet, dass das Sensorelement (14), der Analogteil
(31) und der Digitalteil (32) gemeinsam auf einem Halb
leitersubstrat (21) integriert sind.
8. Gaszähler nach einem der Ansprüche 6 oder
7, dadurch gekennzeichnet, dass er einen nicht-flüchtigen
Speicher (72) aufweist, welcher Linearisierungskoeffizi
enten für den Digitalteil (32) und Zwischenwerte des in
tegrierten Massenflusses speichert.
9. Gaszähler nach den Ansprüchen 7 und 8, da
durch gekennzeichnet, dass der nicht-flüchtige Speicher
(72) ausserhalb des Halbleitersubstrats (21) angeordnet
ist, und dass zusätzlich ein Zwischenspeicher (72a) vor
gesehen ist, welcher mindestens einen aus dem nicht-
flüchtigen Speicher ausgelesenen Wert zwischenspeichert,
derart, dass, falls der zwischengespeicherte Wert noch
mals benötigt wird, er vom Zwischenspeicher (72a) ohne
Zugriff auf den nicht-flüchtigen Speicher auslesbar ist.
10. Gaszähler nach einem der Ansprüche 5-9,
dadurch gekennzeichnet, dass er einen Taktgeber (75) auf
weist, welcher Taktsignale (T2, T1) für den Analogteil
(31) und den Digitalteil (32) erzeugt, wobei die Taktsi
gnale für den Analogteil (31) um eine Zeit Δt gegenüber
den Taktsignalen des Digitalteils (32) verzögert sind,
und wobei die Zeit Δt so gewählt ist, dass Umschaltvor
gänge im Digitalteil (32) beendet sind, wenn die Taktsi
gnale für den Analogteil (31) erzeugt werden.
11. Gaszähler nach einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er zum Integrie
ren des Massenflusses einen Mikrocontroller (73) auf
weist.
12. Gaszähler nach Anspruch 11, dadurch ge
kennzeichnet, dass er einen nicht-flüchtigen Speicher
(72) aufweist, welcher Linearisierungskoeffizienten für
den Digitalteil (32) und Zwischenwerte des integrierten
Massenflusses speichert, und dass der Mikrocontroller
(73) über den Digitalteil (32) mit dem nicht-flüchtigen
Speicher (72) verbunden ist.
13. Gaszähler nach einem der Ansprüche 11
oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Digitalteil
(32) unabhängig vom Mikrocontroller (73) betreibbar ist.
14. Gaszähler nach einem der Ansprüche 12
oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Reduktion des
Stromverbrauchs der Mikrocontroller (73) dazu ausgestal
tet ist, den Massenflussdetektor periodisch ein- und aus
zuschalten.
15. Gaszähler nach einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Hauptka
nal (2, 3) aufweist und dass der Massenflussdetektor (4)
einen Bypass (10) parallel zum Hauptkanal (2, 3) umfasst.
16. Gaszähler nach Anspruch 15, dadurch ge
kennzeichnet, dass das Gas bei der Messung im Bypass (10)
eine Flussgeschwindigkeit vB und im Hauptkanal eine
Flussgeschwindigkeit vH aufweist, welche über eine Funk
tion F verknüpft sind durch vB = F(vH), und zumindest in
einem unteren Bereich von 10% des Messbereichs die Abwei
chung von F(vH) von einem linearen Verhalten höchstens
10% beträgt, und/oder dass zumindest im unteren Bereich
gilt
und insbesondere
so dass vB bei abnehmender Flussgeschwindigkeit zunehmend stärker von vH abhängt.
und insbesondere
so dass vB bei abnehmender Flussgeschwindigkeit zunehmend stärker von vH abhängt.
17. Gaszähler nach Anspruch 16, wobei über
dem Bypass (10) ein Druckabfall Δp herrscht, wobei gilt
Δp ∝ a1 . vB + a2.vB 2 und Δp ∝ vH.
Δp ∝ a1 . vB + a2.vB 2 und Δp ∝ vH.
18. Gaszähler nach einem der Ansprüche 15-17,
dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass (10) mit Mün
dungen (12', 13') in den Hauptkanal mündet, wobei im
Hauptkanal zwischen den Mündungen ein linearer Strömungs
widerstand (15') angeordnet ist.
19. Gaszähler nach einem der Ansprüche 15-18,
dadurch gekennzeichnet, dass im Hauptkanal parallel
zum Bypass (10) eine Venturi-Düse (20") angeordnet ist.
20. Gaszähler nach einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er ausgestaltet
ist zum verschlüsselten Anzeigen eines Gasverbrauchs auf
einer Anzeige (6).
21. Gaszähler nach einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er eine elektro
nische Uhr (78) aufweist, und insbesondere dass er ausge
staltet ist, um zeitabhängige Tarifsätze zu verarbeiten.
22. Verfahren zum Ermitteln einer konsumier
ten Gasmenge zwecks Gebührenberechnung, dadurch gekenn
zeichnet, dass der Massenfluss des konsumierten Gases ge
messen und über die Zeit integriert wird, um aus der so
ermittelten Masse eine Gebühr zu berechnen.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch ge
kennzeichnet, dass der Massenfluss gemessen wird, indem
ein Teil der Gasmenge über einen Massenflusdetektor ge
führt wird, der eine Heizung (24) aufweist, wobei vor und
nach der Heizung die Temperatur des Gases gemessen wird.
24. Massenflusssensor, insbesondere für den
Gaszähler nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit ei
nem Halbleitersubstrat (21) und einem Sensorelement (14),
wobei das Sensorelement (14) eine im Halbleitersubstrat
(21) über einer Öffnung (22) angeordnete Membran (23),
eine sich über die Membran erstreckende Heizung (24) und
beidseitig der Heizung (24) angeordnete Temperatursenso
ren (25, 26) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass auf
dem Halbleitersubstrat ein Analogteil (31) zur analogen
Vorverarbeitung der Signale der Temperatursensoren und
zum Erzeugen digitalisierter Daten integriert ist, und
dass auf dem Halbleitersubstrat ein Digitalteil (32) zum
Linearisieren der digitalisierten Daten integriert ist.
25. Massenflusssensor nach Anspruch 24, da
durch gekennzeichnet, dass der Analogteil (31) auf dem
Halbleitersubstrat (21) zwischen dem Sensorelement (14)
und dem Digitalteil (32) angeordnet ist.
26. Massenflusssensor nach einem der Ansprü
che 24 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Tempe
ratursensor (25, 26) über je zwei Verbindungsleitungen
(35) mit dem Analogteil (31) verbunden ist, und dass die
beiden Verbindungsleitungen (35) jedes Temperatursensors
parallel nebeneinander verlaufen.
27. Massenflusssensor nach einem der Ansprü
che 24-26, dadurch gekennzeichnet, dass der Analogteil
(31) einen Verstärker (A1, A2) mit mehreren Verstärker
stufen (A11, A12, A13, A14) aufweist, die zum Einstellen
der Verstärkung wahlweise hinzuschaltbar sind, und insbe
sondere dass die Verstärkung mindestens in einem Bereich
zwischen 1 und 625 wählbar ist.
28. Massenflusssensor nach Anspruch 27, da
durch gekennzeichnet, dass die Verstärkerstufen (A11,
A12, A13, A14) Verstärker mit geschalteten Kapazitäten
sind und dass aufeinander folgende Verstärkerstufen um
180° phasenverschoben getaktet sind.
29. Massenflusssensor nach einem der Ansprü
che 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Digi
talteil (32) ausgestaltet ist um, abhängig von der Grösse
der digitalisierten Daten, die Verstärkung des Verstär
kers (A1, A2) einzustellen.
30. Massenflusssensor nach einem der Ansprü
che 24 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der
Analogteil (31) und der Digitalteil (32) als CMOS-
Schaltungen ausgestaltet sind mit einer minimalen Gate
länge unterhalb 1 µm.
31. Massenflusssensor nach einem der Ansprü
che 24 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass der Digi
talteil (32) einen nicht-flüchtigen Speicher (74) auf
weist, insbesondere mit einer Kapazität von mindestens 20
Bits.
32. Massenflusssensor nach einem der Ansprü
che 24 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Analog
teil (32) mindestens 100 Transistoren umfasst und/oder
dass der Digitalteil mindestens 1000 Gatter umfasst.
33. Massenflusssensor nach einem der Ansprü
che 24 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Sen
sor (40) zum Messen einer Substrattemperatur und/oder ei
ner Umgebungstemperatur aufweist, wobei der Digitalteil
(32) ausgestaltet ist, die Substrat- bzw. Umgebungstempe
ratur mit den digitalisierten Daten der Temperatursenso
ren (25, 26) zu verknüpfen, um eine Temperaturabhängigkeit
der digitalisierten Daten zu reduzieren.
34. Massenflusssensor nach einem der Ansprü
che 24 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Halb
leitersubstrat ein Sensorteil (30) angeordnet ist, der
das Sensorelement (14) umfasst und keine Transistoren
aufweist und der sich über eine ganze Breite des Halblei
tersubstrats (21) erstreckt.
35. Massenflusssensor, insbesondere nach ei
nem der vorangehenden Ansprüche, mit einem Halbleitersub
strat (21), mit einer im Halbleitersubstrat (21) über ei
ner Öffnung (22) angeordneten Membran (23), mit einer
sich über die Membran erstreckenden Heizung (24) und mit
beiderseits der Heizung (24) angeordneten Temperatursen
soren (25, 26), dadurch gekennzeichnet, dass die Heizung
(24) aus mehreren Widerständen (R1a, R1b, R1c) besteht,
welche sich parallel zueinander als Leiterbahnen über die
Membran (23) erstrecken und auf einer ersten Randseite
der Membran miteinander verbunden sind.
36. Massenflusssensor nach Anspruch 35, da
durch gekennzeichnet, dass er mindestens zwei Versor
gungsleitungen (36) für die Heizung (24) aufweist, welche
auf einer der ersten Randseite gegenüberliegenden, zwei
ten Randseite der Membran mit den Leiterbahnen verbunden
sind.
37. Massenflusssensor nach einem der Ansprü
che 35 oder 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Wider
stände in zwei in Serie geschaltete Widerstandsgruppen
(R1a; R1b, R1c) aufgeteilt sind, und dass der Massen
flusssensor eine Heizungssteuerung (50) aufweist, welche
einen Strom durch beide Widerstandsgruppen so regelt,
dass eine Spannung über einer ersten (R1b, R1c) der Wi
derstandsgruppen konstant ist, und insbesondere dass ein
Operationsverstärker (55) vorgesehen ist, an dessen in
vertierendem Eingang eine Spannung zwischen den Wider
standsgruppen und an dessen nicht-invertierendem Eingang
eine Referenzspannung (Vbg) anliegt und dessen Ausgang
den Strom durch die Widerstandsgruppen erzeugt.
38. Massenflusssensor nach einem der Ansprüche
35 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstände
PTC-Widerstände sind.
39. Massenflusssensor, insbesondere nach ei
nem der vorangehenden Ansprüche, mit einem Halbleitersub
strat (21), mit einer im Halbleitersubstrat (21) über ei
ner Öffnung (22) angeordneten Membran (23), mit einer
sich über die Membran erstreckenden Heizung (24) und mit
beiderseits der Heizung (24) angeordneten Temperatursen
soren (25, 26), dadurch gekennzeichnet, dass über der
Membran eine tensile Passivierungsschicht (28) zur Straf
fung der Membran (23) angeordnet ist.
40. Massenflusssensor nach Anspruch 39, da
durch gekennzeichnet, dass die Passivierungsschicht (28)
eine Tensilität von mindestens 100 MPa aufweist.
41. Massenflusssensor nach einem der An
sprüche 39 oder 40, dadurch gekennzeichnet, dass die Pas
sivierungsschicht (28) Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder
Polymer, insbesondere Polyimid, aufweist oder aus minde
stens einem dieser Materialien besteht.
42. Massenflusssensor, insbesondere nach ei
nem der vorangehenden Ansprüche, mit einem Halbleitersub
strat (21), mit einer im Halbleitersubstrat (21) über ei
ner Öffnung (22) angeordneten Membran (23), mit einer
sich über die Membran erstreckenden Heizung (24), mit
beidseits der Heizung (24) angeordneten Temperatursenso
ren (25, 26) und mit weiteren, auf dem Halbleitersubstrat
integrierten Elementen (31, 32), dadurch gekennzeichnet,
dass um die Membran herum eine Scribe Line (33') angeord
net ist, welche die weiteren Elemente (31, 32) von der
Membran abschirmt.
43. Massenflusssensor nach Anspruch 42, da
durch gekennzeichnet, dass die weiteren Elemente Schalte
lemente umfassen, welche in Gruppen (31, 32) zusammenge
fasst sind, wobei jede Gruppe von einer Scribe Line (33)
umfasst ist.
44. Massenflusssensor nach einem der Ansprü
che 42 bis 43, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Halb
leitersubstrat (21) mindestens eine Halbleiter- oder Me
tallschicht (42, 44, 46) und darunter eine isolierende
Schicht (41, 43, 45) aufgebracht ist, wobei die isolie
rende Schicht im Bereich der Scribe Line unterbrochen und
die Metallschicht auf das Halbleitersubstrat (21) abge
senkt ist.
45. Massenflusssensor, insbesondere nach einem
der vorangehenden Ansprüche, mit einem Halbleitersubstrat
(21), mit einer im Halbleitersubstrat (21) über einer
Öffnung (22) angeordneten Membran (23), mit einer sich
über die Membran erstreckenden Heizung (24), mit beid
seits der Heizung (24) angeordneten Thermoelementen (25,
26) dadurch gekennzeichnet, dass er einen Selbsttest-
Mechanismus (32, 73) aufweist, der ausgestaltet ist, die
Spannung über mindestens einem der Thermoelemente mit ei
nem Sollbereich zu vergleichen.
46. Massenflusssensor nach Anspruch 45, da
durch gekennzeichnet, dass der Selbsttest-Mechanismus
(32, 73) ausgestaltet ist, um die Summe der Spannungen
über den Thermoelementen mit dem Sollbereich zu verglei
chen.
47. Halbleiterbaustein, insbesondere Sensor,
mit einem Halbleitersubstrat (21) und mit mindestens ei
ner auf dem Halbleiterbaustein integrierten Leitung (35),
dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (35) von einem
Schirm (46, 48) aus leitfähigem Material umgeben ist.
48. Halbleiterbaustein nach Anspruch 47, da
durch gekennzeichnet, dass der Schirm von einer leitenden
Diffusionsschicht (48) im Halbleitersubstrat (21) und ei
ner mit der Diffusionsschicht elektrisch verbundenen,
leitfähigen Deckschicht (46) gebildet wird.
49. Halbleiterbaustein nach Anspruch 48, da
durch gekennzeichnet, dass die Leitung (35) auf einer
isolierenden Schicht (41), vorzugsweise aus Glas oder
SiO2, angeordnet ist, welche sie von der Diffusions
schicht (48) trennt.
50. Halbleiterbaustein nach einem der Ansprü
che 48 oder 49 dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung
(35) von einer isolierenden Schicht (45), vorzugsweise
aus Glas oder SiO2, bedeckt ist, welche sie von der Deck
schicht (46) trennt, wobei die Deckschicht (46) seitlich
entlang der Leitung (35) mit der Diffusionsschicht (48)
verbunden ist.
51. Halbleiterbaustein nach einem der Ansprü
che 47 bis 50, dadurch gekennzeichnet, dass er einen auf
dem Halbleiterbaustein integrierten Sensor (14) und eine
Auswerteschaltung (31, 32) aufweist, wobei die vom Schirm
(46, 48) umgebene Leitung (35) den Sensor (14) mit der
Auswerteschaltung (31, 32) verbindet.
52. Verfahren zum seriellen Datenaustausch
zwischen einem ersten (73) und einem zweiten (32) Bau
stein, wobei der erste Baustein (73) den zweiten Baustein
(32) über ein Anwählsignal (CS) anwählt und ein Clocksi
gnal (Clk) erzeugt um Daten über eine Datenleitung aus
dem zweiten Baustein auszulesen, dadurch gekennzeichnet,
dass der zweite Baustein (32) nach dem Empfang des An
wählsignals auf der Datenleitung ein Zustandssignal (R)
erzeugt, welches in einen aktiven Zustand geht, sobald
der zweite Baustein zur Ausgabe von Daten bereit ist.
53. Verfahren nach Anspruch 52, dadurch ge
kennzeichnet, dass der erste Baustein (73) das Clocksi
gnal (Clk) erst erzeugt, wenn das Zustandssignal in den
aktiven Zustand geht, wobei eine erste Flanke des Clock
signals dem zweiten Baustein (32) anzeigt, dass er ein
erstes Datenbit auszugeben hat.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CH12522000A CH694474A5 (de) | 2000-06-23 | 2000-06-23 | Gaszähler und Verwendung des Gaszählers. |
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DE10129300A1 true DE10129300A1 (de) | 2002-02-07 |
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Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE2001129300 Ceased DE10129300A1 (de) | 2000-06-23 | 2001-06-18 | Massenfluss-Detektor, insbesondere Gaszähler, und Verfahren zum Datenaustausch zwischen Bausteinen |
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CH (1) | CH694474A5 (de) |
DE (1) | DE10129300A1 (de) |
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