DE10129300A1 - Massenfluss-Detektor, insbesondere Gaszähler, und Verfahren zum Datenaustausch zwischen Bausteinen - Google Patents

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 v_B im Bypass von der Strömungsgeschwin­ digkeit v_H 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.

Übersicht

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.

Massenfluss-Detektor

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.v_H in bekannter Weise zu integrieren, wobei v_H 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 v_B im Bypass 10 und der Dichte ρ des Gases. Das Ausgangssignal S des Sensorelements ist also eine Funktion f des Massenflusses ρv_B, wobei v_B die Gasgeschwindigkeit am Ort des Sensorelements 14 im Bypass 4 bezeichnet, d. h.

S = s (ρ.v_B). (1)

Mittels geeigneter Linearisierung kann ein zum Massen­ fluss proportionales Signal erzeugt werden, so dass

S = k.ρ.v_B, (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 v_B im Bypass 10 abhängig, d. h.

Δp = f_B (v_B), (3)

wobei die Funktion f_B diese Abhängigkeit beschreibt.

Andererseits ist diese Druckdifferenz auch von der Strömungsgeschwindigkeit v_H im Hauptkanal abhän­ gig, d. h.

Δp = f_H (v_H), (4)

wobei die Funktion f_H die Abhängigkeit des Druckabfalls von der Strömungsgeschwindigkeit im Hauptkanal be­ schreibt.

Die Funktionen f_B und f_H hängen von der Geo­ metrie des Hauptkanals und des Bypass ab. Bei laminaren Strömungsverhältnissen sind f_B und f_H lineare Funktionen. Bei turbulenten Strömungsverhältnissen oder bei Staudruck können f_B und f_H auch von höheren Potenzen der jeweiligen Geschwindigkeit, insbesondere vom Quadrat der Geschwin­ digkeit abhängen.

Aus Gleichung (3) und (4) ergibt sich:

v_B = f_B ^-1 (f_H (v_H)) = F (v_H). (5)

Wie im folgenden dargestellt, können die Ei­ genschaften des Massenfluss-Detektors durch geeignete Wahl der Funktion F bzw. der Funktionen f_B und f_H opti­ miert werden.

Fig. 3 zeigt verschiedene mögliche Abhängig­ keiten der Strömungsgeschwindigkeit v_B von der Strömungs­ geschwindigkeit v_H. Kurve F1 zeigt eine lineare Abhängig­ keit, welche für den Fall auftritt, dass die Funktionen f_H und f_B in gleicher Weise von der jeweiligen Geschwin­ digkeit abhängen. Kurve F2 zeigt eine zunehmend steiler werdende Abhängigkeit, welche z. B. auftritt, wenn f_H qua­ dratisch von v_H und f_B linear von v_B abhängt. Kurve F3 zeigt eine zunehmend flacher werdende Abhängigkeit, die z. B. dem Fall entspricht, dass f_H linear von v_H und f_B quadratisch von v_B 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 v_H die Empfindlich­ keit des Massenfluss-Detektors gering ist, da die Strö­ mungsgeschwindigkeit v_B verhältnismässig schwach von v_H abhängt, während bei grossen v_H eine starke Abhängigkeit vorliegt.

Erwünscht ist vielmehr eine Abhängigkeit in der Art von Kurve F1 oder F3, d. h. δF(v_H)/δv_H soll bei kleinem v_H grösser als oder gleich gross wie bei grossem v_H 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 f_H proportional zu v_H und f_B propor­ tional zu v_B ² oder generell zu a₁.v_B + a₂.v_B 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 v_H ist. Der Strömungswiderstand kann z. B. aus ei­ ner Vielzahl paralleler, enger Kanäle bestehen. Es gilt also f_H (v_H) ∝ v_H.

Im Bypass ist eine stufenförmige Verengung 17 vorgesehen, über welcher sich ein Staudruck einstellt, so dass die Funktion f_B in erster Linie vom Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit v_B abhängt. Zusätzlich kann f_B auch noch von linearen Termen in v_B abhängen, so dass ge­ nerell gilt f_B(v_B) = a₁.v_B + a₂.v_B 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 f_B(v_B) ∝ v_B.

Zusätzlich zu den Überlegungen, die zu den Gleichungen (7) und (8) führten, können noch andere Aspekte die Wahl der Funktionen f_B und f_H 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.v_H ist.

Wie bereits aus Gleichung (1) folgt, misst das Sensorelement 14 das Produkt ρ.v_B. Berücksichtigt man die Gasdichte, so können die Gleichungen (3) und (4) ge­ schrieben werden als

Δp = f_B (ρ, v_B), (9)

Δp = f_H(ρ, v_H). (10)

Aus Gleichungen (2), (9) und (10) folgt

S ∝ ρ.v_B = ρ.f_B ^-1 (ρ, f_H(ρ, v_H)). (11)

Gewünscht ist, dass S nur vom Produkt ρ.v_H abhängt. Sensoren, deren Signal S nur vom Produkt ρ.v_H 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.v_H)^k, (12)

wobei k eine beliebige Zahl ungleich Null ist. Aus (11) und (12) folgt

f_B ^-1(ρ, f_H(ρ, v_H)) = ρ^k-1.v_H ^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 v_B, d. h. die linke Seite von Gleichung (13) ist proportional zu f_H (ρ, v_H).

Im Falle linearer Strömungsverhältnisse ohne Staudruck im Hauptkanal ist der Druckabfall Δp unabhängig von der Dichte ρ, d. h. es gilt

f_H ∝ v_H = ρ⁰.v_H. (14)

Im Falle von dominantem Staudruck bzw. domi­ nanter turbulenter Verhältnisse gilt im Hauptkanal

f_H ∝ ρ.v_H ². (15)

In beiden Fällen gilt also

f_H ∝ ρ^k-1.v_H ^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.v_H 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 ∝ v_H, 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.v_H 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.v_H ².

Sensorelement

Fig. 10 zeigt den Aufbau eines Sensorelements 14, mit welchem der Massenfluss ρ.v_B 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 v_B 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.

Analogteil

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.

Heizungssteuerung

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 P_H der Heizung 24 ist gege­ ben durch

P_H = U_H ²/R_H,

wobei U_H die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 55 und R_H 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.

MUX/Verstärker

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.

A/D-Wandler

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.

Buffer

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.

Digitalteil

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.

Steuerteil

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.

Serielles Interface

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.

Selbsttest

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 v_B und im Hauptkanal eine Flussgeschwindigkeit v_H aufweist, welche über eine Funk­ tion F verknüpft sind durch v_B = F(v_H), und zumindest in einem unteren Bereich von 10% des Messbereichs die Abwei­ chung von F(v_H) von einem linearen Verhalten höchstens 10% beträgt, und/oder dass zumindest im unteren Bereich gilt
und insbesondere
so dass v_B bei abnehmender Flussgeschwindigkeit zunehmend stärker von v_H abhängt.

17. Gaszähler nach Anspruch 16, wobei über dem Bypass (10) ein Druckabfall Δp herrscht, wobei gilt
Δp ∝ a₁ . v_B + a₂.v_B ² und Δp ∝ v_H.

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.