DE102007048727A1 - Sensor device for use in e.g. integrated complementary metal oxide semiconductor-micro-electro-mechanical system circuit, has conversion device designed in such manner that digital signal is produced based on output signal - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung.The The invention relates to a sensor device.
In der Prozessmesstechnik, Analytik und bei chemosensitiven Anwendungen ist es zunehmend von Interesse, chemische Information in ein mikrocontroller-kompatibles Signal umzusetzen. Beispiele sind der Nachweis von toxischen oder explosiven Gasen sowie die Messung und Analyse von Gas- und Ionenkonzentrationen. Heutige chemische Sensoren setzen bei der Wechselwirkung mit einer chemischen Substanz Masse-, Temperatur-, Lichtintensitäts-, Widerstands-, Kapazitäts- oder Potentialänderungen in ein elektrisches Signal um, dessen Zeitspanne, Frequenz, Strom oder Spannung ein Maß für die zu messende Gas- oder Ionenkonzentration ist.In process measurement, analytics and chemosensitive applications It is increasingly of interest to convert chemical information into a microcontroller-compatible one Signal implement. Examples are the detection of toxic or explosive gases and the measurement and analysis of gas and ion concentrations. Today's chemical sensors rely on interaction with one chemical substance mass, temperature, light intensity, Resistance, capacity or potential changes into an electrical signal, its time, frequency, current or voltage is a measure of the gas or ion concentration.
Stand der Technik ist es, Zeit und Frequenz mit einem Time-to-Digital Converter (TDC) und die analogen Signale Strom und Spannung mit einem Analog-to-Digital Converter (ADC) mikrocontroller-kompatibel aufzubereiten. Durch Kombination der CMOS-Technologie mit der MEMS-(Microelectromechanical Systems)Technologie ist es gelungen, monolithisch integrierte chemische Sensoren auf ADC-Basis herzustellen. Das TDC-Verfahren hingegen wird bisher überwiegend zusammen mit diskreten resistiven und kapazitiven Sensoren eingesetzt, deren elektrische Signale z. B. mittels eines RC-Gliedes in Zeitspannen umgesetzt werden können.was standing The technology is to time and frequency with a time-to-digital Converter (TDC) and the analog signals current and voltage with an analog-to-digital converter (ADC) microcontroller compatible prepare. By combining the CMOS technology with the MEMS (Microelectromechanical Systems) technology has been able to monolithically integrated chemical Manufacture sensors based on ADC. The TDC procedure, on the other hand has so far been predominantly associated with discrete resistive and capacitive sensors used, the electrical signals z. B. can be implemented by means of an RC element in periods.
Die
Funktion eines TDC-basierten Temperatursensors ist beispielsweise
in
Unzulänglichkeiten bekannter Sensoreinrichtungen beruhen auf der Störanfälligkeit ihrer analogen Sensorsignale und auf der Komplexität der eingesetzten ADC-Schaltungen, sowie auf der aufwändigen Schaltlogik zum Einsatz von TDC-Schaltungen und darauf, dass Streukapazitäten und Schaltwiderstände die erzielbare Signalauflösung begrenzen.shortcomings known sensor devices based on the susceptibility their analog sensor signals and on the complexity of the used ADC circuits, as well as on the elaborate Switching logic for the use of TDC circuits and that stray capacitances and switching resistors the achievable signal resolution limit.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, die bekannten Sensoreinrichtungen zu verbessern.Of the Invention is now the object of the known sensor devices to improve.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.These The object is achieved by the features of the independent claim solved. Advantageous developments of the invention are to refer to the dependent claims.
Eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung weist einen Signaleingang für ein getaktetes Eingangssignal auf oder sie erzeugt dieses selbst. Auch die Rückkopplungsleitung wird im Rahmen der Erfindung, insbesondere bei einem TDC, als Signaleingang für ein getaktetes Eingangssignal bezeichnet werden. Durch zumindest ein erstes chemisch sensitives Verzögerungselement wird das Eingangssignal als Reaktion auf das Einwirken eines chemischen Mediums (Gas, Flüssigkeit etc.) und gegebenenfalls als Reaktion auf andere Umgebungseinflüsse, beispielsweise die Temperatur, hinsichtlich der zeitlichen Charakteristik, beispielsweise hinsichtlich der Taktdauer, der Laufzeit oder der Phasenverschiebung, beeinflusst, insbesondere verzögert, und in ein entsprechend beeinflusstes erstes Ausgangssignal umgesetzt. Eine Konvertierungseinrichtung, wie beispielsweise ein Zeit-zu-Digital-Konvertierer (TDC) ist derart eingerichtet, dass in Abhängigkeit von dem ersten Ausgangssignal ein digitales Signal erzeugt wird.A Sensor device according to the invention has a Signal input for a clocked input signal on or it generates this itself. Also the feedback line is in the context of the invention, in particular in a TDC, as a signal input for a clocked input signal. By at least one first chemically sensitive delay element the input signal is in response to the action of a chemical medium (Gas, liquid, etc.) and optionally as a reaction to other environmental influences, such as temperature, in terms of temporal characteristics, for example in terms of the cycle time, the transit time or the phase shift, especially delayed, and in a correspondingly influenced implemented first output signal. A conversion device, such as a time-to-digital converter (TDC) is such set up that as a function of the first output signal a digital signal is generated.
Dadurch wird erreicht, dass durch die Sensoreinrichtung direkt ein von dem Einwirken eines chemischen Mediums, beispielsweise von der Konzentration eines chemischen Mediums, abhängiges digitales Signal erzeugt wird.Thereby is achieved by the sensor device directly one of the Influence of a chemical medium, for example on the concentration of a chemical medium, generates dependent digital signal becomes.
Durch eine vorzugsweise einstellbare Taktdauer des Eingangssignals kann das Verhältnis von Taktdauer zu Verzögerungszeit eingestellt werden. Denn bei periodischem Takt, der zur Steigerung des Signal/Rausch-Verhältnisses, beispielsweise per Mittelung, vorteilhaft ist, sollte die Taktdauer größer als die Verzögerungszeit sein.By a preferably adjustable cycle time of the input signal can the ratio of cycle time to delay time be set. For at a periodic beat, which is to increase the signal-to-noise ratio, for example, by averaging, is advantageous, the cycle time should be greater than that Be delay time.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist ein zweites insbesondere gleichartiges Verzögerungselement vorgesehen, durch welches das oder ein getaktetes Eingangssignal insbesondere als Reaktion auf Betriebsspannungs- und Umgebungseinflüsse, wie beispielsweise die Temperatur, hinsichtlich der zeitlichen Charakteristik beeinflusst und in ein zweites Ausgangssignal umgesetzt wird. Das zweite Verzögerungselement wird als Referenz-Verzögerungselement hinsichtlich des chemischen Mediums, beispielsweise hinsichtlich der Konzentration des chemischen Mediums, verwendet und ist daher chemisch weniger sensitiv als das erste Verzögerungselement oder chemisch im Wesentlichen gar nicht sensitiv. Die Konvertierungseinrichtung ist nun derart eingerichtet, dass in Abhängigkeit von dem ersten Ausgangssignal und dem zweiten Ausgangssignal ein digitales Signal erzeugt wird.According to one preferred embodiment of the invention is a second particular similar delay element provided by which the or a clocked input signal, in particular in response to Operating voltage and environmental influences, such as the temperature, in terms of temporal characteristics and influences is converted into a second output signal. The second delay element is used as a reference delay element in terms of chemical medium, for example in terms of concentration of the chemical medium used and is therefore less chemically sensitive as the first retarder or chemically essentially not sensitive at all. The conversion device is now set up so that, depending on the first output signal and the second output signal a digital Signal is generated.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Verzögerungszeit zumindest eines der beiden Verzögerungselemente elektrisch einstellbar ist. Dies ermöglicht die Anbindung an einen Referenztakt mittels eines Delay Locked Loop. Die Einstellung erfolgt beispielsweise bei CMOS-Invertern durch den Biasstrom.Prefers is provided that the delay time of at least one the two delay elements electrically adjustable is. This allows the connection to a reference clock by means of a delay locked loop. The setting is done, for example in CMOS inverters by the bias current.
Beispielsweise basieren beide Verzögerungselemente auf einem CMOS-Inverter, einem CMOS Transmission Gate oder einem CMOS Pass Gate.For example both delay elements are based on a CMOS inverter, a CMOS transmission gate or a CMOS pass gate.
Vorzugsweise ist die Konvertierungseinrichtung derart eingerichtet ist, dass in Abhängigkeit von der Beeinflussungs-Differenz, beispielsweise der Lauf zeitdifferenz oder der Phasenverschiebung, oder dem Beeinflussungs-Verhältnis, beispielsweise dem Laufzeitverhältnis, zwischen erstem Ausgangssignal und zweitem Ausgangssignal ein digitales Signal erzeugt wird.Preferably the conversion device is set up such that depending on the influencing difference, for example the running time difference or the phase shift, or the influencing ratio, for example, the term ratio, between the first Output signal and second output signal generates a digital signal becomes.
Das Verzögerungselement umfasst vorzugsweise einen chemosensitiven Feldeffekttransistor und/oder einen resisitven Sensor und/oder einen kapazitiven Sensor.The Delay element preferably comprises a chemosensitive Field effect transistor and / or a resisitven sensor and / or a capacitive sensor.
Unter Einwirkung der chemischen Substanz wird beim Einsatz eines chemosensitiven Feldeffekttransistors ein Schwellwert, insbesondere die Einsatzspannung VTO, des Feldeffekttransistors verschoben, beim Einsatz eines resisitven Sensors der Sensorwiderstand geändert bzw. beim Einsatz eines kapazitiven Sensor die Sensorkapazität geändertUnder Influence of the chemical substance is when using a chemosensitive Field effect transistor a threshold, in particular the threshold voltage VTO, the field effect transistor shifted, when using a resisitven Sensors changed the sensor resistance or during use a capacitive sensor changes the sensor capacity
Vorzugsweise werden zur Erhöhung der Auflösung und damit zur Verbesserung der Messgenauigkeit mindestens zwei Verzögerungsglieder, die jeweils das erste und das zweite Verzögerungselement umfassen, hintereinander geschaltet.Preferably are used to increase the resolution and thus to Improvement of the measuring accuracy at least two delay elements, each comprising the first and second delay elements, connected in series.
Vorteilhafterweise ist mindestens ein Verzögerungsglied Bestandteil einer zyklischen Zeit-zu-Digital-Konvertierungs-Struktur (TDC). Dies hat den Vorteil, dass der TDC selbst sensitiv ist und nicht lediglich das Messglied. Zudem bieten zyklische TDCs eine sehr kompakte TDC-Struktur.advantageously, At least one delay element is part of one cyclic time-to-digital conversion structure (TDC). this has the advantage that the TDC itself is sensitive and not just the measuring element. In addition, cyclic TDCs provide a very compact TDC structure.
Alternativ dazu ist beispielsweise mindestens ein Verzögerungsglied Bestandteil einer Vernier-Delay-Line (VDL) oder einer anderen Struktur, auf der eine Zeit-zu-Digital-Konvertierung beruht.alternative this is, for example, at least one delay element Part of a vernier delay line (VDL) or another structure, on which is based on a time-to-digital conversion.
Vorzugsweise ist die Sensoreinrichtung in einer integrierten CMOS- oder CMOS-MEMS-Schaltung realisiert. Durch eine monolithisch integrierte Realisierung in CMOS-MEMS-Technologie wird ein hohes Potential an geringem Platzbedarf und geringer Leistungsaufnahme gegenüber Versionen mit diskreter Sensorik geschaffen. Dabei ist vorteilhafterweise das Schaltungs-Layout der beiden Verzögerungselemente in jedem Verzögerungsglied so ausgeführt, dass Kreuzempfindlichkeiten, insbesondere gegen Schwankungen der Betriebsspannung und der Temperatur, aber auch gegen weitere chemische Substanzen, wie z. B. Feuchtigkeit, minimiert werden.Preferably is the sensor device in an integrated CMOS or CMOS MEMS circuit realized. Through a monolithically integrated realization in CMOS MEMS technology has a high potential in a small footprint and low power versus versions with more discrete Sensor technology created. In this case, advantageously, the circuit layout the two delay elements in each delay element designed so that cross sensitivities, especially against Fluctuations in operating voltage and temperature, as well against other chemical substances, such as. As moisture, minimized become.
Besonders bevorzugt ist die Verwendung eines periodischen Eingangssignals mit einem dem Ausgang nachgeschalteten digitalen Tiefpass-Filter, um beispielsweise durch Mittelwertbildung das Signal/Rausch-Verhältnis zu verbessern.Especially preferred is the use of a periodic input signal with an output downstream digital low-pass filter to for example, by averaging the signal-to-noise ratio to improve.
Durch ein weiteres Verzögerungselement oder eine weitere Verzögerungsleitung mit fest eingestellter Verzögerung kann die Empfindlichkeit der Sensoreinrichtung kalibriert werden, indem beispielsweise die chemisch erzeugte Laufzeitdifferenz mit der fest eingestellten „Kalibrierdifferenz" verglichen wird. Durch ein DLL-Verfahren können Schwankungen der Betriebsspannung kompensiert werden, indem beispielsweise eine Anbindung an einen Referenztakt mittels eines Delay Locked Loop erfolgt.By another delay element or another delay line with fixed delay can the sensitivity the sensor device are calibrated by, for example, the chemically generated transit time difference with the fixed "calibration difference" is compared. Through a DLL method can be fluctuations the operating voltage can be compensated by, for example, a Connection to a reference clock by means of a delay locked loop he follows.
Die vorgeschlagenen Neuerungen betreffen somit insbesondere die Realisierung eines voll digitalen chemischen Sensors, dessen chemisch sensitive Elemente vorzugsweise integrale Bestandteile eines Time-to-Digital Converters sind, so dass es einer Umwandlung eines analogen elektrischen Signals in ein digitales Signal nicht mehr bedarf.The proposed innovations thus relate in particular to the realization a fully digital chemical sensor whose chemically sensitive elements preferably integral components of a time-to-digital converter are, making it a conversion of an analog electrical signal no longer needed in a digital signal.
Durch die Erfindung oder ihre Weiterbildungen werden insbesondere einer oder mehrere der folgenden Vorteile erreicht:
- – Reduzierung der Kosten für chemische Sensoren durch Vollintegration in Halbleitertechnologie;
- – Verringerung der Sensorsystemgeometrie durch integrierte Ansteuer-/Auswerteelektronik in Halbleitertechnologie (Single-Chip-Lösung);
- – Reduzierung des Systemherstellaufwandes gegenüber diskreten Bauelementen und damit eine Erhöhung der Prozesssicherheit und des Qualitätsniveaus;
- – Reduzierung von parasitären Kapazitäten und Widerständen gegenüber diskreter Aufbau- und Verbindungstechnik;
- – Reduzierung der Störanfälligkeit bei der Übertragung eines analogen Ausgangssignals zur Wandlerstufe, damit eine Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses und damit eine Erhöhung der Messgenauigkeit;
- – Reduzierung der Leistungsaufnahme durch die Sensoreinrichtung.
- - Reduction of the cost of chemical sensors through full integration in semiconductor technology;
- - Reduction of the sensor system geometry by integrated control / evaluation electronics in semiconductor technology (single-chip solution);
- - Reduction of the system production effort compared to discrete components and thus an increase in process reliability and quality levels;
- - Reduction of parasitic capacitances and resistances compared to discrete assembly and connection technology;
- - Reduction of the susceptibility to interference when transmitting an analog output signal to the converter stage, thus increasing the signal-to-noise ratio and thus increasing the accuracy of measurement;
- - Reduction of power consumption by the sensor device.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren näher erläutert:in the The invention will now be described by way of example with reference to FIG to the following figures:
Das
in
Werden in einem CMOS-Inverter ein oder zwei chemisch sensitive MOSFETs oder Ionen-selektive ISFETs verwendet, so verschiebt sich unter Einwirkung einer chemischen Substanz der Schwellwert VTO des entsprechenden Transistors. In einem einfachen Modell des Inverters berechnet sich dann die Laufzeitverzögerung TP des Taktimpulses V2 (Eingangssignal) amBecome in a CMOS inverter, one or two chemically sensitive MOSFETs or ion-selective ISFETs so shifts under Exposure of a chemical substance to the threshold VTO of the corresponding Transistor. In a simple model of the inverter is calculated then the propagation delay TP of the clock pulse V2 (input signal) at the
Ausgang
out (Ausgangssignal) des Inverters zu:
Darin bezeichnen L und W die Gatelänge und -breite der Transistoren, CL die Lastkapazität, Cox die Gatekapazität und μ die Ladungsträgerbeweglichkeit. Wird die Betriebsspannung V1 nicht groß gegen VTO gewählt, so ändert sich TP messbar mit VTO.Therein L and W denote the gate length and width of the transistors, C L the load capacitance, C ox the gate capacitance and μ the charge carrier mobility. If the operating voltage V1 is not chosen to be large compared to VTO, TP changes measurably with VTO.
Das
in
Anders
als in dem Beispiel gemäß
In der zyklischen TDC-Struktur hat mindestens ein Verzögerungselement jeder Verzögerungsleitung oder mindestens ein Einkoppelelement (hier beispielhaft UND- und ODER-Gatter mit den Eingängen: „in", „Reset") eine Kanalbreite, die um den Faktor β größer ist, als die aller übrigen Gatter. Dadurch kommt es bei jedem Durchlauf des bei "in" eingespeisten Impulses zu einer diskreten Kürzung der Impulsbreite, bis der Ausgangsimpuls schließlich nicht mehr nachgewiesen werden kann.In the cyclic TDC structure has at least one delay element of each delay line or at least one coupling element (here exemplified AND and OR gates with the inputs gen: "in", "Reset") a channel width which is larger by a factor β, than that of all other gates. This results in a discrete shortening of the pulse width each time the pulse fed in "in" passes, until the output pulse can finally no longer be detected.
Ein
Zähler Z zählt die Zahl der nachweisbaren Ausgangsimpulse
zu einem eingespeisten Eingangssimpuls. In einem einfachen Modell
ist die Reduktion der Pulsweite pro Durchlauf folgendem Faktor proportional:
Entwurfsparameter sind das Transistorlayout (insbesondere der Faktor β), die Zahl der Verzögerungsglieder in jeder Verzögerungsleitung und die Breite des eingespeisten Taktimpulses. Sie werden so aufeinander abgestimmt, dass der Eingangsimpuls kürzer ist, als die kürzeste der Laufzeit des Impulses durch die Verzögerungsleitungen und dass eine hinreichende Messauflösung erzielt wird. Ein Vergleich der Zählerstände des chemisch sensitiven und des nicht sensitiven Zweiges liefert die chemische Information. Der Reset-Impuls ist erforderlich, um die zyklischen TDCs zu Beginn der Messung in den stabilen Ausgangszustand („out", „out c".) "Low" zu setzen und gegebenenfalls, um die Zähler zurückzusetzen.design parameters are the transistor layout (especially the factor β), the number of delay elements in each delay line and the width of the injected clock pulse. They become so on each other tuned that the input pulse is shorter than the shortest of the duration of the pulse through the delay lines and that a sufficient measurement resolution is achieved. A comparison of the counts of the chemically sensitive and of the non-sensitive branch provides the chemical information. The reset pulse is required to start the cyclic TDCs the measurement in the stable initial state ("out", "out c ".)" Low "and, if necessary, the counters reset.
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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- - „Brunsmann, Tille, IEE Electronics Letters, Vol. 42, No. 2, Sept. 2006" [0004] - "Brunsmann, Tille, IEE Electronics Letters, Vol. 2, Sept. 2006 " [0004]
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