DE102007056731A1

DE102007056731A1 - Konzept zum Bestimmen eines Messwerts an einem Bauelement

Info

Publication number: DE102007056731A1
Application number: DE102007056731A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr. Huppertz
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2007-11-26
Filing date: 2007-11-26
Publication date: 2009-06-18
Also published as: US20090134330A1; US8692199B2

Abstract

Bei einer Auswertevorrichtung zum Bestimmen eines Messwerts an einem Bauelement wird während der Auslese des Messwerts dem Bauelement eine Leistung zugeführt. Eine Kontrolleinrichtung dient dazu, die dem Bauelement während der Auslese zugeführte Leistung zu bestimmen.

Description

Einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf eine Auswertevorrichtung zum Bestimmen eines Messwerts an einem Bauelement und insbesondere darauf, wie eine durch eine Rückkopplung der Bestimmung des Messwerts an dem Bauelement hervorgerufene Veränderung von Parametern bzw. physikalischen Eigenschaften des Bauelements kompensiert werden kann.
Bei einer Vielzahl von praktischen Anwendungen der Mess- oder Sensortechnik ist es erforderlich, einen kleinen veränderlichen Signalanteil präzise zu bestimmen, da eine zu bestimmende Messgröße oder ein zu bestimmender Umwelteinfluss lediglich eine kleine Veränderung einer der Messung zugänglichen physikalischen Eigenschaft des Sensors bzw. des Bauelements hervorruft. Die von einer Auswertevorrichtung an dem Bauelement bzw. dem Sensor nachgewiesene Messgröße kann auch durch weitere externe Umwelteinflüsse auf unerwünschte Art und Weise verändert werden, sodass der Messwert verfälscht wird. Dies kann beispielsweise durch die Variation von Umgebungsdruck und Temperatur geschehen, sofern diese nicht die mittels des Bauelements bzw. Sensors nachzuweisenden physikalischen Messgrößen sind.
Je kleiner eine gewünschte, von der zu bestimmenden physikalischen Messgröße verursachte Änderung der Messgröße des Bauelements ist, desto gravierender können sich die oben angesprochenen zusätzlichen Änderungen bzw. Störungen dieser Messgröße auf das Messergebnis auswirken. Dies kann sogar dazu führen, dass das Messergebnis derart verfälscht wird, dass dasselbe nicht mehr aussagekräftig ist.
Als Beispiel kann ein Bolometer und die zur Auslese eines Bolometers verwendete Auswertevorrichtung bzw. Auswerte elektronik dienen. Ein Bolometer dient der Temperaturmessung bzw. der Messung von Strahlungsintensität, indem innerhalb des Bolometers elektromagnetische Wellen absorbiert werden. Dadurch erhöht sich die Temperatur des Bolometers, wobei die Temperaturänderung, die durch die einfallende Wärmestrahlung ausgelöst wird, sehr klein ist. Teilweise müssen Temperaturdifferenzen von weniger als 1 mK aufgelöst werden. Die Temperatur wird durch ein temperaturabhängiges elektrisch funktionales Bauelement bestimmt und in ein elektrisches Signal umgesetzt. Als Beispiel eines einfachen Bolometers mag ein in einem Vakuum angebrachter elektrischer Leiter dienen, der bei einer Änderung der Temperatur eine Änderung seines Widerstands erfährt, welche wiederum durch die Detektion eines bei konstanter Spannung durch den Draht fließenden Stromes bestimmt werden kann. Bei diesem Beispiel sowie bei alternativen Auswertevorrichtungen zur Auslese des Bolometers fällt in dem ausgelesenen Bolometer selbst eine elektrische Verlustleistung an. Diese ist je nach Betriebszustand des Bolometers unterschiedlich und wird durch die zur Auslese verwendete Vorrichtung selbst verursacht.
Problematisch ist, dass bei den als Beispiel verwendeten Bolometern die Erwärmung durch diese Verlustleistung selbst nicht von der derjenigen durch die zu detektierende elektromagnetische Strahlung (Infrarot-Strahlung) unterschieden werden kann. Da bei Bolometern typischerweise die durch die Verlustleistung hervorgerufene Temperaturänderung deutlich höher ist als diejenige des zu messenden Signals, also als diejenige, die durch die absorbierte elektromagnetische Strahlung hervorgerufen wird, sollten mit dem Ziel einer aussagekräftigen Auslese Gegenmaßnahmen getroffen werden. Eine Kompensation dieses Effekts könnte beispielsweise durch eine periodische Rekalibration erreicht werden, wie sie beispielsweise durch die Verwendung eines Shutters bei Infrarot-Kameras erreicht wird. Dabei wird die Kamera mittels des Shutters von den Strahlungseinflüssen abgeschirmt, so dass in diesem abgeschirmten Zustand des Sen sorelements dieses rekalibriert werden kann. Jedoch ist während dieser Zeit die Kamera blind und kann keine Bilder aufnehmen. Eine weitere Möglichkeit würde darin bestehen, die Betriebsparameter des Sensors bzw. des Bauelements sehr genau festzulegen, wobei die durch die Auslese zugeführte Verlustleistung zu berücksichtigen ist. Bevor die ermittelten Messwerte dann als aussagekräftig gelten, könnte gewartet werden bis ein stationärer Zustand erreicht ist, also der langfristige zeitliche Mittelwert der Betriebsparameter erreicht ist. Dieser stationäre Zustand könnte auch durch aufwendige äußere Regelung erreicht werden. Dies würde beispielsweise bei einem Bolometer bedeuten, die Temperatur des Substrats konstant zu halten, was beispielsweise über einen thermo-elektrischen Kühler (ein Peltier-Element) o. ä. erreicht werden kann. Die damit verbundene Regelung ist äußerst aufwendig. Alternativ könnte die Temperatur des Substrats gemessen, und anhand vieler Kalibrationspunkte, die für verschiedene Temperaturen erfasst worden sind, der Messwert korrigiert werden. Dies ist ebenfalls äußerst aufwendig, wobei darüber hinaus auch keine vollständige Kompensation erzielt werden kann, da die einzelnen, meist mikromechanisch hergestellten Bauteile hinsichtlich ihrer Parameter erhebliche Schwankungen aufweisen.
Durch Abweichung zwischen einzelnen Sensoren kann es ferner zu sekundären Effekten kommen, da beispielsweise bei den oben beschriebenen Widerstands-Balometern ein sich unterscheidender Widerstand bzw. ein sich unterscheidender Temperaturkoeffizient nicht nur das Ausgangssignal direkt beeinflusst, sondern auch die Höhe der Verlustleistung, die von der Auswertevorrichtung im Sensor erzeugt wird, und damit wiederum indirekt das Ausgangssignal.
Obwohl oben und im Folgenden hauptsächlich anhand von elektronischen Auswertevorrichtungen diskutiert, ergibt sich eine ähnliche Problematik der Rückkopplung von Auswertevorrichtungen auf das Ausleseergebnis beispielsweise auch bei mechanischen Systemen. Soll beispielsweise die Schwin gungsamplitude eines Schwingungssystems mechanisch bestimmt bzw. ermittelt werden, ist es unvermeidlich, dass durch die mechanische Koppelung der Auswertevorrichtung zu dem zu bestimmenden System dem System Leistung zugeführt oder entzogen wird, was wiederum das Ausleseergebnis verfälscht.
Es besteht somit ein Bedürfnis danach, Auswertevorrichtungen zu schaffen, die es ermöglichen, einen Messwert an einem Bauelement zuverlässiger zu bestimmen.
Bei einem Ausführungsbeispiel einer Auswertevorrichtung, die dazu geeignet ist, einen Messwert von einem Bauelement zu bestimmen, wird eine Ausleseeinrichtung verwendet, um den Messwert unter Zuführung einer Leistung an das Bauelement zu bestimmen. Die Auswertevorrichtung weist ferner eine Kontrolleinrichtung auf, die es ermöglicht die dem Bauelement durch die Ausleseeinrichtung zugeführte Leistung zu bestimmen. Folglich kann, wenn die zugeführte Leistung bekannt ist, deren Effekt auf den Messwert selbst abgeschätzt und entsprechend korrigiert werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen basiert diese Abschätzung auf einem physikalischen Modell des Bauelements und insbesondere der zur Umwandlung der beobachteten physikalischen Messgröße in einem elektrischen Messwert verwendeten Elemente des Bauelements bzw. des Sensors.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen wird die durch die Messung zugeführte Leistung bestimmt, um beispielsweise später geeignet rechnerisch kompensiert zu werden. Zusätzlich wird die Kontrolleinrichtung dazu verwendet, um die Ausleseeinrichtung derart zu steuern, dass die dem Bauelement während der Auslese zugeführte Leistung einem vorbestimmten Standardwert entspricht. Dies kann bei einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung beispielsweise dann verwendet werden, wenn eine Vielzahl gleichwirkender Sensoren ausgelesen wird und wenn deren Ausleseergebnis nach erfolgter Auslese miteinander verglichen werden soll. Wenn in einem solchen System der zu erzielende Messwert im Wesentlichen auf einem Relativwert von unterschiedlichen, zeitgleich oder zeitnah ausgelesenen, Sensoren basiert, kann eine Rückkoppelung auf die Bauelemente bzw. Sensorelemente verhindert werden. Dies kann beispielsweise erreicht werden, wenn allen Sensorelementen während der Auslese eine identische Leistung zugeführt wird, so dass der durch die Leistung hervorgerufene Effekt in allen Sensoren identisch ist.
Bei einigen Ausführungsbeispielen wird zur Messung eines Stroms als zu bestimmenden Messwert eines Bauelements ein Delta-Sigma-Modulator verwendet. Dabei ist die Bestimmung einer dem Bauelement zugeführten Leistung auf einfache Art und Weise möglich. Da bei dem Modulationsprinzip je Taktzyklus des Delta-Sigma-Modulators eine konstante durch das Bauelement fließende Ladungsmenge berücksichtigt wird, ist die Bestimmung der zugeführten Leistung oder einer insgesamt zugeführten Energie bei Kenntnis der Anzahl der während eines Messzyklus stattfindenden Ladungstransfers möglich. Dies wird insbesondere ermöglicht, indem die Daten in der Rückkoppelschleife des Delta-Sigma-Modulators ausgewertet werden. In jedem Takt fließt abhängig vom Signal der Rückkoppelschleife eine Ladung in einen Summationsknoten des Delta-Sigma-Modulators hinein oder heraus. Aus der Summe der Ladung unter Berücksichtigung der Richtung des Ladungstransfers kann die durch das Bauelement in einem Messzyklus fließende Ladungsmenge bestimmt werden.
Bei einigen Ausführungsbeispielen wird ein Bolometer mittels eines Delta-Sigma-Modulators ausgelesen bzw. es wird der Strom durch das Bolometer mittels eines Delta-Sigma-Modulators ermittelt. Folglich kann die durch die Ausleseeinrichtung im Bolometer hervorgerufene Verlustleistung auf einfachste Art und Weise berücksichtigt bzw. kompensiert werden.
Einige Ausführungsbeispiele werden nachfolgend, Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren, näher erläutert. Es zeigt:
1 ein Ausführungsbeispiel einer Auswertevorrichtung;
2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Auswertevorrichtung;
3 ein Beispiel für den sich während der Auslese ändernden Widerstandswert eines Bolometers;
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Auswertevorrichtung; und
5 ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Bestimmen eines Messwerts.
1 zeigt eine Auswertevorrichtung 2, um einen Messwert an einem mit der Auswertevorrichtung 2 verbundenen Bauelement 4 zu bestimmen. Das Bauelement 4 ist hier lediglich aus Gründen der Illustration dargestellt. Prinzipiell kann die Auswertevorrichtung 2 bzw. das in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel einer Auswertevorrichtung mit beliebigen anderen Bauelementen verbunden werden. Aufgrund der Flexibilität des Konzepts ist die Anwendung der Auswertevorrichtung auch nicht auf die Bestimmung einer bestimmten physikalischen Messgröße, wie beispielsweise des Stroms oder einer Spannung, beschränkt. Vielmehr können Ausführungsbeispiele von Auswertevorrichtungen konfiguriert sein, um unterschiedlichste Messgrößen, wie beispielsweise Strom, Spannung, einen Widerstand, oder auch eine Kraft, Reibung oder eine andere mechanische Größe zu bestimmen.
In der in 1 gezeigten prinzipiellen Darstellung ist innerhalb des Bauelements 4 ein Messwerterzeuger 6 angebracht, der den von der Auswertevorrichtung 2 zu bestimmen den Messwert erzeugt. Dieser Messwert kann beispielsweise ein von dem Messwerterzeuger 6 erzeugter Strom, eine erzeugte Spannung, ein Widerstand durch den Messwerterzeuger 6 oder ein beliebiges anderes Charakteristikum sein. Dies kann beispielsweise auch eine mechanische Eigenschaft sein, wie beispielsweise die Amplitude eines schwingenden mechanischen Systems. Die Auswertevorrichtung 2 umfasst eine Ausleseeinrichtung 8 sowie eine Kontrolleinrichtung 10. Die Ausleseeinrichtung 8 dient dazu, den Messwert von dem Bauelement 4 zu bestimmen, wobei die Ausleseeinrichtung 8 selbst dem Bauelement 4 eine Leistung zuführt bzw. einprägt, wie dies durch die Leistungsrichtung 11 graphisch angedeutet ist.
Die Kontrolleinrichtung 10 ist ebenfalls mit einer Verbindung zwischen Ausleseeinrichtung 8 und Bauelement 4 gekoppelt. Die Kontrolleinrichtung 10 bestimmt die dem Bauelement 4 von der Ausleseeinrichtung 8 zugeführte Leistung.
Da die durch die Ausleseeinrichtung 8 zugeführte Leistung bestimmt wird, kann diese beispielsweise dazu verwendet werden, um ein Ausleseergebnis des Messwerts zu korrigieren, sofern dieser von der zugeführten Leistung selbst beeinflusst wird. Beispielsweise kann bei der Auslese eines Widerstandsbolometers ein Widerstandselement dadurch beeinflusst bzw. verändert werden, dass die über dem Widerstandselement abfallende Verlustleitung den Widerstand des Widerstandselements zusätzlich verändert (aufgrund der zusätzlichen Erwärmung durch die Verlustwärme in der Regel erhöht).
Ein ähnlicher Effekt ist beispielsweise bei Dehnungsmessstreifen zu beobachten, bei denen eine Widerstandsänderung des Materials aufgrund von mechanischer Dehnung verursacht wird. Durch die Auslese wird jedoch zusätzlich elektrische Leistung in den Dehnungsmessstreifen deponiert, die ebenfalls zu einer Erwärmung des Dehnungsmessstreifens und damit einhergehend zu einer Veränderung des elektrischen Widerstands derselben führen. Auch bei diesem Beispiel ist es ohne eine Kontrolleinrichtung 10, wie sie in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel dargestellt ist, nicht möglich, die von dem eigentlich zu messenden Signal von der durch die Auswertevorrichtung verursachten Widerstandsänderung zu unterscheiden. Je nach Gerät bzw. je nach Auswertevorrichtung 2 kann dabei die Kontrolleinrichtung 10 zur Bestimmung der von der Ausleseeinrichtung 8 zugeführten Leistung unterschiedliche physikalische Messgrößen bestimmen bzw. überwachen. Bei einer zugeführten elektrischen Leistung kann beispielsweise, wenn die Ausleseeinrichtung 8 den Messwert bei einer konstanten angelegten Spannung bestimmt, die Kontrolleinrichtung 10 ausgebildet sein, den Strom zu bestimmen, der durch das Bauelement 4 fließt. Bestimmt die Ausleseeinrichtung 8 den Messwert bei konstantem eingeprägtem Strom, kann die Kontrolleinrichtung 10 die an dem Bauelement 4 anliegende variable Spannung bestimmen, um die von der Ausleseeinrichtung 8 zugeführte Leistung zu bestimmen.
Alternativ kann, wenn es nicht möglich ist, unter Konstanthaltung einer elektrischen Größe den Messwert zu bestimmen, die Kontrolleinrichtung 10 beide relevanten Größen, also Spannung und Strom, bestimmen, um beispielsweise durch Integration des Produkts der beiden Größen die in dem Bauelement 4 deponierte Energie zu bestimmen.
Ausführungsbeispiele von Auswertevorrichtungen können bei Systemen, bei denen die von der Auswertevorrichtung zugeführte Leistung einer Änderung einer der Messgröße des Sensors zugeordneten physikalischen Eigenschaft des Sensors bewirkt, die deutlich größer ist als die maximale von einer Veränderung der von dem Sensor zu messenden Größe hervorgerufenen Änderung, eine aussagekräftige Messung überhaupt erst ermöglichen.
Ein Beispiel für ein solches System ist eine Auswertevorrichtung zur Auslese von Strom durch eine Widerstandsbolo meter, die auf dem Delta-Sigma-Modulationsprinzip basiert, wie es in 2a zunächst allgemein gezeigt ist. Ein Delta-Sigma-Modulator umfasst einen Integrator 16, einen ADC 20, einen DAC 18 und einen Addierer 22. Bestimmt wird ein Signal 30, am Eingang des Delta-Sigma-Modulators.
Ein Ausgang des Integrators 16 ist mit einem Eingang des Analog-zu-Digital-Wandlers 20 verbunden, welcher das Signal am Ausgang des Integrators 16 mit einem Null-Signal vergleicht, und an seinem Ausgang abhängig von dem Vergleich beispielsweise ein Null-Bit oder ein Eins-Bit bei jedem Zyklus der getaktet betriebenen Delta-Sigma-Anordnung ausgibt.
Der im Betriebstakt am Ausgang des ADC 20 zur Verfügung gestellte Bitstrom wird zum einen als Auslesergebnis weiterverarbeitet und dient zum anderen dazu, den DAC 18 derart anzusteuern, dass, wenn das Signal am Eingang des ADC 20 größer als Null ist, ein negatives Signal auf den Addierer 22 geschalten wird, so dass sich das am Eingang des ADC 20 anliegende Signal mit jedem Betriebstakt verringert. Unterschreitet das Sigal den Wert 0, schaltet der ADC 20 um, gibt also ein anderes Bit an seinem Ausgang aus, welches wiederum über den DAC 18 bewirkt, dass von diesem Moment an ein positives Signal zu dem Eingangssignal addiert wird. Das heißt also, je Taktzyklus werden dem zu bestimmenden Signal 30 Signale konstanten absoluten Betrags hinzuaddiert bzw. Von dem Signal subtrahiert, sodass das Signal am Eingang des ADC im Mittel 0 beträgt. Ladungspakete konstanten absoluten Betrags hinzuaddiert bzw. von dem Strom 28 subtrahiert, so dass der Nettoeingangsstrom am Eingang des ADC im Mittel 0 beträgt.
Wenn mittels eines Delta-Sigma-Modulators als Signal beispielsweise der Strom durch ein Bolometer gemessen wird, kann zusätzlich zum Messergebnis die dem Bolometer zugeführte Energie bestimmt werden, indem die Daten der Rückkoppelschleife 42 ausgewertet werden. In jedem Takt fließt dann abhängig von dem Signal der Rückkoppelschleife 42 eine Ladung in den Summationsknoten 22 hinein oder hinaus. Aus der Summe der Ladungen unter Berücksichtigung der Richtung des Ladungstransfers kann die durch das Bauelement in einem Messzyklus fließende Ladungsmenge bestimmt werden.
Das in 2b dargestellten Beispiel beruht auf den grundlegenden Überlegungen der vorhergehenden Abschnitte und zeigt eine Ausleseeinrichtung 8, die einen Digitalsignalerzeuger 20, einen Addierer 22, eine erste Kapazität 24a, eine identische zweite Kapazität 24b sowie eine positive Referenzspannungsquelle 26a und eine betragsmäßig identische, negative Referenzspannungsquelle 26b umfasst. Der Digitalsignalerzeuger 20 beinhaltet intern einen Integrator zur Integration des Eingangssignals (des Stroms am Eingang) und einen Komparator, der das integrierte Signal mit „Null" vergleicht. Bestimmt werden soll ein Strom 30, der durch ein Widerstandsbolometer fließt. Die positive Referenzspannungsquelle 26a ist über einen ersten Schalter 28a mit der ersten Kapazität 24a und die negative Referenzspannungsquelle 26b ist über einen zweiten Schalter 28b mit dem zweiten Kondensator 24b verbindbar. Der erste Kondensator 24a sowie der zweite Kondensator 24b sind über einen dritten Schalter 31 mit einem ersten Eingang des Addierers 22 verbindbar, an dessen zweitem Eingang der zu bestimmende Strom 30 anliegt.
Ein Ausgang des Addierers 22 ist mit einem Eingang des Digitalsignalerzeugers 20 verbunden, welcher den Nettostrom am Ausgang des Addierers 22 mit „Null" vergleicht, und abhängig von dem Vergleich ein Null-Bit oder ein Eins-Bit je Zyklus der getaktet betriebenen Delta-Sigma-Anordnung an seinem Ausgang ausgibt. Der im Betriebstakt am Ausgang des Digitalsignalerzeugers 20 zur Verfügung gestellte Bitstrom wird zum einen als Auslesergebnis weiterverarbeitet und dient zum anderen dazu, die Schalter 28a, 28b und 31 derart anzusteuern, dass, wenn der im Digitalsignalerzeuger 20 integrierte Strom größer als Null ist, negative Ladungspa kete auf den Addierer 22 geschalten werden. Unterschreitet der Integrierte Strom 0 Coulomb, schaltet der Digitalsignalerzeuger 20 um, gibt also ein anderes Bit an seinem Ausgang aus, welches wiederum ein Umschalten der Schalter 28a, 28b und 31 bewirkt, so dass von diesem Moment an positive Ladungen zu dem Strom 30 addiert werden. Das heißt also, je Taktzyklus werden dem zu bestimmenden Strom 28 Ladungspakete konstanten absoluten Betrags hinzuaddiert bzw. von dem Strom 28 subtrahiert, so dass der Nettoeingangsstrom am Eingang des Digitalsignalerzeugers 20 im Mittel 0 Ampere beträgt.
Durch die Verwendung des Delta-Sigma-Modulationsprinzips ist es also auf einfache Art und Weise möglich, die Gesamtladung durch das auszulesende Bolometer während der Auslese zu bestimmen. Diese entspricht dem Produkt aus der Anzahl der Taktzyklen während der Auslese und der Ladung, die je Taktzyklus von einem der Kondensatoren 24a oder 24b zu dem zu messenden Strom 30 addiert wird. Folglich ist die Kontrolleinrichtung 10, die dazu dient, die dem Bolometer zugeführte Leistung zu bestimmen, mit dem digitalen Ausgang des Digitalsignalerzeugers 20 verbunden und bestimmt die Summe des Signals 42 während eines kompletten Auslesezyklus. Die elektrische Leistung ergibt sich folglich als Produkt der bei der Auslese angelegten Spannung, der Summe des Ausgangssignals des ADC und der Ladungsmenge je Taktzyklus.
Bei dem in 2b gezeigten Ausführungsbeispiel kann also auf effiziente Art und Weise mit einer Kontrolleinrichtung 10, die keine aufwendige Überwachungshardware oder sonstige Hardware zum überwachen analoger Größen umfassen muss, die zugeführte Leistung bestimmt werden. Dabei kann zum einen die absolute Leistung bestimmt werden, um das Messergebnis gegebenenfalls später rechnerisch korrigieren zu können. Zum anderen kann auch, auf äußerst einfache Art und Weise, sichergestellt werden, dass mehreren auszulesenden Bolometerelementen bzw. identischen Sensorelementen je Auslese zyklus eine identische Leistung bzw. Energie zugeführt wird, so dass die durch die zugeführte Energie hervorgerufenen Effekte, beispielsweise eine Erwärmung, in allen zu vergleichenden Sensorelementen identisch sind. Dies ermöglicht es beispielsweise bei Einsatz eines Bolometerarrays, also einer matrixförmigen Anordnung von Bolometerelementen, die globale Widerstandsänderung während einer Nachbearbeitung einfach herauszukorrigieren, was unmöglich wäre, wenn die einzelnen Pixel des Arrays individuell unterschiedliche Änderungen ihrer Messwerte erfahren.
Bei der in 2b gezeigten Kombination eines Delta-Sigma-Modulators als Ausleseeinrichtung 8 und einer damit verbundenen Kontrolleinrichtung 10 kann eine für jedes Bolometerelement identische zugeführte Leistung sichergestellt werden, indem die Summe der Ausgangssignale, die während der Auslese verwendet werden, für jedes Element identisch ist. Somit ergibt sich für jedes Element eine identische zugeführte Leistung. Dabei kann beispielsweise auch die Anzahl der Messzyklen erhöht werden, selbst wenn im Einzelfall das eigentliche Messergebnis mit hinreichender Genauigkeit mit weniger Messtakten bestimmbar wäre.
Zusammengefasst kann also die einem Bolometer während eines Auslesezyklus aus n Takten zugeführte Energie W gemäß folgender Formel bestimmt werden:

W:: zum Bolometer zugeführte Energie
U:: Spannung über dem Bolometer
N:: Anzahl der Zyklen
i_n:: Anzahl der geschalteten Kondensatoren im Zyklus n unter Berücksichtigung der Polarität
q:: Ladung auf dem Kondensator

3 veranschaulicht, am Beispiel eines Widerstandsbolometers, die Problematik bei der Auslese bestimmter Sensoren bzw. bestimmter Bauelemente, bei denen die von einer Ausleseeinrichtung aufgrund der dem Bauelement zugeführten Leistung hervorgerufene Änderung der Messgröße des Sensors größer ist als eine durch die eigentliche zu messende physikalische Größe hervorgerufene Änderung der Messgröße. 3 zeigt auf der x-Achse die Zeit t in willkürlichen Einheiten und auf der y-Achse den Widerstand R_Bol durch ein Widerstandsbolometer. Dieser betrage zu einem Zeitpunkt t₀ einen vorbestimmten Wert R₁, der einer Ausgangstemperatur eines zu beobachtenden Objekts entspricht. Steigt zu einem Zeitpunkt t₁ die Temperatur des zu beobachtenden Objektes, wird, mit einer hier vernachlässigten Latenz, zusätzliche Strahlungsenergie im Bolometer absorbiert, was zu einer Erhöhung des Widerstands R_Bol des Bolometers auf einen Wert R₂ führt, wobei vor einem Zeitpunkt t_Start noch keine Auslese des Bolometers vorgenommen wird, der Widerstandswert R₂ folglich lediglich durch die zu bestimmende physikalische Messgröße des Sensors bestimmt wird bzw. durch diese hervorgerufen wird.
Zu einem Zeitpunkt t_Start wird mit der Messung des Widerstandswerts R₂ begonnen. Wenn eine Änderung der der Messgröße des Sensors zugeordneten physikalischen Eigenschaft des Sensors (also des Widerstands des Widerstandsbolometerelements) durch eine von einer Ausleseeinrichtung zugeführte Leistung bewirkt wird, die größer ist als die maximale Veränderung der physikalischen Eigenschaft des Sensors, die von der zu bestimmenden physikalischen Messgröße hervorgerufen wird, ergibt sich das in 3 schematisch gezeigte Verhalten. Durch die von der Ausleseeinrichtung während eines Messzyklus, der zum Zeitpunkt t_Start beginnt und zum Zeitpunkt t_Stop endet, dem Bauelement bzw. dem Bolometer zugeführte Leistung ändert sich während des Messzyklus 32 der Widerstandswert R_Bol annäherungsweise linear mit der Zeit. Wie es 3 zu entnehmen ist, ist dabei die Änderung, die durch die Leistung, die dem Bolome ter durch die Ausleseeinrichtung zugeführt wird, größer als die Änderung von dem Wert R₁ zu dem Wert R₂, also als eine Änderung, die durch die von dem Sensor zu bestimmende physikalische Messgröße hervorgerufen wird. Durch Verwendung von Ausführungsbeispielen von Auswertevorrichtungen kann jedoch die dem System zugeführte Leistung bestimmt werden, so dass die aufgrund der Zuführung von Leistung durch die Ausleseeinrichtung an dem Bolometer verursachte Widerstandsänderung, also der in 3 schraffiert gezeichnete Bereich, vom Ausleseergebnis korrigiert werden kann, um auf einen um diesen systematischen Effekt korrigierten Messwert R₂ zu kommen.
Alternativ zu der rechnerischen Korrektur aufgrund der dem System zugeführten Leistung kann, falls mehrere Sensoren identischen Typs verwendet werden, wie oben bereits beschrieben, sichergestellt werden, dass die den Bolometern zugeführte Leistung je Bolometerelement identisch ist. In diesem Fall kann beispielsweise durch eine Differenzbildung einzelner Bolometerelemente der durch die zugeführte Leistung hervorgerufene Effekt korrigiert werden, da in diesem Fall für sämtliche Bolometerelemente der schraffierte Bereich 34 identisch ist. Eine Rückkopplung der Auswertevorrichtung bzw. der Ausleseeinrichtung auf das Sensorelement kann somit erfolgreich verhindert werden. Dies ermöglicht eine genaue und effiziente Auslese von Sensoren, die Querempfindlichkeiten besitzen, bei denen also die Ausleseeinrichtung bzw. Auswertevorrichtung auf das vom Sensor bestimmte Ausleseergebnis unmittelbar rückkoppelt.
Wird ein Bolometerarray bzw. eine Mehrzahl Bolometern ausgelesen, kann das einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung zugrunde liegende Konzept wie folgt zusammengefasst werden. Durch die stark unterschiedlichen Widerstände der Bolometer, die produktionsbedingt sind, kommt es häufig zu einer unterschiedlichen Eigenerwärmung bei der Auslese. Diese unterschiedlich hohen Eigenerwärmungen machen sich als Offset-Anteile am zu bestimmenden Signal bemerkbar, wie beispielsweise anhand von 3 gezeigt. Wird die Eigenerwärmung durch die Ausleseschaltung nicht erfasst, muss immer wieder ein Offsetabgleich im laufenden Betrieb durchgeführt werden.
Wenn bei der Widerstandsmessung die Spannung über dem Sensor konstant gehalten wird, bestimmt der durch das Widerstandselement fließende Strom die Eigenerwärmung bzw. den Messwert für den Widerstand des Bolometerelements. Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann auch ein konstanter Strom eingeprägt und gleichzeitig die Spannung über dem Bolometerelement gemessen werden. Alternativ ist es auch möglich, sowohl Strom als auch Spannung zu messen, sofern beide Größen variabel sind. Mittels einer Kontrolleinrichtung gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann also die elektrische Leistung, die durch die Ausleseeinrichtung dem Sensor bzw. dem Bauelement zugeführt wird, festgelegt bzw. bestimmt werden. Durch eine Variation der Messdauer kann darüber hinaus die zugeführte Energie je Messvorgang bzw. je vollständigem Messzyklus konstant gehalten werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen wird, bei konstanter Messdauer, entweder Spannung oder Strom bzw. sowohl Spannung als auch Strom variiert, um die Energiezufuhr bzw. die dem System oder dem Bauelement zugeführte Leistung während der Auslese konstant zu halten.
Bei einigen Ausführungsbeispielen, die auf dem Delta-Sigma-Modulationsprinzip basieren, ist die Eigenerwärmung bzw. die einem Bauteil zugeführte Leistung sehr einfach zu erfassen, indem das Signal im Rückkoppelzweig des Modulators aufsummiert wird. Durch Aufsummierung der Schaltvorgänge kann der Strom und damit die dem Sensor während der Auslese zugeführte Energie berechnet werden. Auf diese so bestimmte Energie bzw. die so bestimmte zugeführte Leistung kann die Messgröße, die mittels der Ausleseeinrichtung bestimmt wurde, korrigiert werden. Alternativ wird die Messung nach einer festgelegten Anzahl von Messzyklen beendet. Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann die Mes sung immer nach der gleichen Zeitdauer beendet werden und es erfolgen noch weitere Zyklen, die nicht mehr zum eigentlichen Messvorgang bzw. zum Messzyklus gehören, bis die Eigenerwärmung aller Elemente gleich ist. Damit ist die zugeführte Energie während eines Auslesezyklus für alle Sensoren gleich.
Zusammengefasst kann also durch die Kontrolle der Erwärmung bei der Auslese von Sensoren bzw. durch die Kontrolle der einem Sensor zugeführten Leistung diese vereinfacht werden. Eventuell existierende Querempfindlichkeiten bzw. Rückkopplungen der Auswertevorrichtung durch eine sich verändernde Verlustleistung bei der Auslese kann verhindert werden. Alternativ kann die Verlustleistung auch erfasst und bei der Berechnung des Nutzsignals berücksichtigt werden.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Auswertevorrichtung, die sich besonders dazu eignet, Signale mit einem hohen Offset-Anteil, der den eigentlichen Signalanteil um Größenordnungen übersteigen kann, auszulesen. Somit eignet sie sich beispielsweise zur Auslese von Bolometern bzw. des durch ein Bolometerelement fließenden Stroms 30. Anhand dieses Beispiels wird im Folgenden die in 4 gezeigte Auswertevorrichtung diskutiert. Es versteht sich von selbst, dass die Auswertevorrichtung auf beliebige andere Sensoren anwendbar ist, ohne dass dies an den entsprechenden Stellen jeweils noch explizit Erwähnung finden muss.
In 4 wird der Bolometerstrom 30 als Messgröße gemessen, dem, ähnlich wie im in 2 diskutierten Fall, durch eine Kompensationseinrichtung, die im hier gezeigten Fall einen Addierer 180 und ein Kondensatorarray 182 umfasst, eine Korrekturgröße beaufschlagt wird, um zum einen den Offset-Wert zu korrigieren und um zum anderen die Modulation gemäß des Delta-Sigma-Modulationsprinzips durchzuführen. Die mit der Korrekturgröße beaufschlagte, veränderte Messgröße 156 wird von einem analogen Filter 158, der in diesem Fall ein Integrator zweiter Ordnung ist, integriert bzw.
gefiltert, um eine gefilterte Messgröße 160 an den Eingang eines Ein-Bit Analog-zu-Digital-Wandlers 40 anzulegen. Der Ein-Bit-Wandler 40 erzeugt einen Datenstrom von Bits, welche jeweils 1 oder –1 sind, abhängig davon, ob die gefilterte Messgröße 160 am Eingang des ADC 40 größer oder kleiner als ein Referenzwert ist. Ein Dezimationsfilter 50 dritter Ordnung dient dazu, aus dem übersampelten Ein-Bit-Signal des Analog-zu-Digital-Wandlers 40 durch Dezimation ein digitalisiertes Ausgangssignal 52 zu erzeugen.
Der Digitalwert bzw. das digitale Ausgangssignal 42 des ADC 40 wird innerhalb einer Rückkoppelschleife 164 mittels eines Addierers 170 zu einem digitalen Kalibrationswert 172 addiert. Ferner wird das digitale Ausgangssignal 42 der Kontrolleinrichtung 10 zugeführt, die mittels der Beobachtung des Signals eine dem Bolometer zugeführte Leistung bestimmen kann. Bei dem in 4 gezeigten Fall hat das digitale Ausgangssignal 42 eine Auflösung von 1 Bit und der digitale Kalibrationswert 172 hat eine Auflösung von 4 Bit. Vom Addierer 170 wird also ein Fünf-Bit-Datenwort 174 erzeugt, welches in einen Thermometercode 176 transformiert wird. Der Thermometercode repräsentiert die 16 möglichen Werte des Fünf-Bit-Datenworts 174 durch 16 aneinander gereihte Bits, die jeweils 0 oder 1 sein können, wobei die Anzahl der Eins-Bits der Zahl des Fünf-Bit-Datenworts entspricht. Der Thermometercode 176 kann direkt als ein Kombinationssignal verwendet werden, um mittels der Kompensationseinrichtung 152 die von dem Kombinationssignal abhängige Korrekturgröße zu erzeugen, welche mittels des Addierers 180 zu dem Bolometerstrom 130 addiert wird.
Wie bereits erwähnt, umfasst die Kompensationseinrichtung 152 einen Summationsknoten bzw. einen Addierer 180, an dem die anliegenden Ströme aufsummiert werden, sowie einen Korrekturerzeuger 182. Der Korrekturerzeuger wiederum besteht aus einem Kondensatorarray mit 16 Kondensatoren nominal identischer Kapazität. Der Thermometercode 176 bezeichnet diejenigen Kondensatoren, deren Ladung addiert werden soll, um die Korrekturgröße zu erzeugen, die an dem Summationsknoten 180 zu der analogen Messgröße 30, also dem Bolometerstrom, addiert wird. Dabei entspricht jede Stelle des 16-Bit-Datenworts einem spezifischen Kondensator. Ist das Bit der betreffenden Stelle 1, wird der Kondensator verwendet, ist es 0, wird der Kondensator nicht verwendet. Die zum analogen Messsignal 30 addierte Korrekturgröße beinhaltet also sowohl einen Anteil, der aus einer Kalibration herrührt, der also eine erwartete, gespeicherte Größe eines Bolometer-Offsets beschreibt, als auch einen Anteil, der aus dem Delta-Sigma-Modulationsprinzip herrührt.
In dem in 4 gezeigten Fall weist die Kompensationseinrichtung 182 zusätzlich eine optionale Zufallseinrichtung 190 auf, die bei identischem Thermometercode 176 dafür sorgt, dass jeweils unterschiedliche Kombinationen von Kondensatoren des Kondensatorarrays 182 verwendet werden. Zu diesem Zweck wird, basierend auf einer von einem Rauschgenerator 192 erzeugten Zufallszahl 194 eine zufällige Permutation der 16 Bit des Thermometercodes 176 in einem Permutator 196 vorgenommen, so dass durch Schwankungen der Parameter bei der Produktion einer integrierten Schaltung hervorgerufene Kapazitätsunterschiede der nominal identischen Kondensatoren des Kondensatorarrays 182 das Messergebnis nicht verfälscht wird. Die Rückkopplungseinrichtung 164 weist zusätzlich eine optionale Bereitstellungseinrichtung 200 auf, um den Kalibrationswert 172 zu speichern und bereitzustellen. Die Bereitstellungseinrichtung 200 umfasst einen Speicher zum Speichern eines vorbestimmten Kalibrationswerts 202 und einen Noise-Shaper-Filter 204 zum Reduzieren der Auflösung des gespeicherten vorbestimmten Kalibrationswerts 202. Im dargestellten Beispiel ist der vorbestimmte Kalibrationswert 202 mit einer Auflösung von 18 Bit gespeichert, wobei dieser durch den Noise-Shaper-Filter 204 auf eine Auflösung von 4 Bit verringert wird, die von dem Digital-zu-Analog-Wandler, also der Kombination aus Kondensatorarray 182 und Zufallseinrichtung 190 noch verarbeitet werden kann.
In 4 wird also, ebenso wie im in 2 schematisch dargestellten Fall, von der Ausleseeinrichtung 8 einem auszulesenden Bolometer eine Leistung zugeführt. Diese kann von der Kontrolleinrichtung 10 auf einfache Art und Weise dadurch bestimmt werden, dass die Anzahl der Taktzyklen bzw. die mit den Taktzyklen verbundenen Datenworte und der Kalibrationswert 202 der Kontrolleinrichtung 10 bekannt ist, so dass diese die dem Bolometer durch die Ausleseeinrichtung 8 zugeführte Leistung bestimmen kann.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Bestimmen eines Messwerts eines Bauelements.
In einem Ausleseschritt 100 wird der Messwert unter Zuführung einer Leistung an das Bauelement bestimmt.
In einem Kontrollschritt wird die während des Auslesens zugeführte Leistung an das Bauelement bestimmt.
In einem weiteren, optionalen, Korrekturschritt 104b können die durch die zugeführte Leistung hervorgerufene Effekte korrigiert werden.
In einem weiteren, alternativen optionalen Einstellschritt 104b kann, basierend auf der bestimmten Leistung, die zugeführte Leistung derart beeinflusst werden, dass sie einem vorbestimmten Leistungswert entspricht, welcher für alle Auslesevorgänge identisch ist.
Obwohl bei den im Vorhergehenden beschriebenen Ausführungsbeispielen als Beispiel für die Auslese einer Messgröße überwiegend der durch ein Widerstandsbolometer fließende Strom verwendet wurde, versteht es sich von selbst, dass weitere Ausführungsbeispiele andere Sensoren auswerten bzw. andere Messgrößen bestimmen können, wobei die sich aus den Ausführungsbeispielen bzw. sich aus der Möglichkeit der Bestimmung der zugeführten Leistung gegebenen Vorteile auch für diese Ausführungsbeispiele gelten.
Dies kann beispielsweise die Auslese des Stroms durch einen Dehnungsmessstreifen bzw. eine Dehnungsmessstreifenbrücke sein. Ferner kommen nicht nur elektrisch ausgelesene bzw. ausgewertete Systeme in Betracht. Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung können auch die einem System mechanisch zugeführte Leistung bestimmen, um die durch die mechanisch zugeführte Leistung veränderten Eigenschaften des Systems berechnen zu können bzw. diese reproduzierbar wiederholen zu können.
Beispielsweise kann bei einer Kraftmessung die von einer Kraftmesseinrichtung verursachte Reibung als dem System zugeführte Leistung bestimmt werden, um die Messwertverfälschung, die aufgrund der Reibung hervorgerufen wird, korrigieren zu können.

Claims

Auswertevorrichtung (2), um einen Messwert von einem mit der Auswertevorrichtung (2) verbundenen Bauelement (4) zu bestimmen, mit folgenden Merkmalen: einer Ausleseeinrichtung (8), die ausgebildet ist, um den Messwert unter Zuführung einer Leistung an das Bauelement (4) zu bestimmen; und einer Kontrolleinrichtung (10), um die von der Ausleseeinrichtung zugeführte Leistung zu bestimmen.
Auswertevorrichtung (2) gemäß Anspruch 1, bei der die Kontrolleinrichtung (10) ausgebildet ist, die Ausleseeinrichtung (8) derart zu steuern, dass eine dem Bauelement (4) durch die Ausleseeinrichtung (8) zugeführte Leistung einem vorbestimmten Standardwert entspricht.
Auswertevorrichtung (2) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner eine Kompensationseinrichtung umfasst, um den von der Ausleseeinrichtung (8) bestimmten Messwert unter Verwendung der von der Kontrolleinrichtung (10) bestimmten Leistung zu korrigieren, um einen von durch die zugeführte Leistung hervorgerufenen Effekten befreiten korrigierten Messwert zu erhalten.
Auswertevorrichtung (2) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die von der Ausleseeinrichtung (8) zugeführte Leistung eine elektrische Leistung ist.
Auswertevorrichtung (2) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Ausleseeinrichtung (8) ausgebildet ist, um den Messwert bei konstanter an dem Bauelement (4) anliegender Spannung zu bestimmen; und die Kontrolleinrichtung (10) ausgebildet ist, um einen dem Bauteil von der Ausleseeinrichtung (8) zugeführten Strom zu bestimmen.
Auswertevorrichtung (2) gemäß Anspruch 4, bei der die Ausleseeinrichtung (8) ausgebildet ist, um den Messwert bei konstantem Strom durch das Bauelement (4) zu bestimmen; und die Kontrolleinrichtung (10) ausgebildet ist, um die an dem Bauelement (4) anliegende Spannung zu bestimmen.
Auswertevorrichtung (2) gemäß Anspruch 4, bei der die Ausleseeinrichtung (8) ausgebildet ist, den Messwert bei variablem Strom durch das Bauelement und bei variabler an dem Bauelement anliegender Spannung zu bestimmen; und bei der die Kontrolleinrichtung (10) ausgebildet ist, die variable Spannung an dem Bauelement und den variablen Strom durch das Bauelement zu bestimmen.
Auswertevorrichtung (2) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Ausleseeinrichtung (8) ausgebildet ist, um den Messwert bei konstantem Strom durch das Bauelement und bei konstanter an dem Bauelement anliegender Spannung zu bestimmen; und die Kontrolleinrichtung (10) ausgebildet ist, eine zur Bestimmung des Messwerts erforderliche Zeitdauer zu bestimmen, um eine dem Bauelement während der Bestimmung des Messwerts zugeführte Energie zu bestimmen.
Auswertevorrichtung (2) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Ausleseeinrichtung (8) einen Delta-Sigma-Modulator umfasst, der ausgebildet ist, dem Bauelement (4) während der Bestimmung des Messwerts eine Mehrzahl von vorbestimmten elektrischen Ladungsmengen in einem vorbestimmten Arbeitstakt zuzuführen.
Auswertevorrichtung (2) gemäß Anspruch 9, bei der die Kontrolleinrichtung (10) ausgebildet ist, die Anzahl von vorbestimmten elektrischen Ladungsmengen während der Bestimmung des Messwerts zu bestimmen, um die dem Bauelement während der Bestimmung des Messwerts zugeführte Energie zu bestimmen.
Auswertevorrichtung (2) gemäß Anspruch 9, bei der die Kontrolleinrichtung (10) ausgebildet ist, die Ausleseeinrichtung (8) derart zu steuern, dass die dem Bauelement durch die Anzahl der vorbestimmten Ladungen während eines die Bestimmung des Messwerts umfassenden Auslesezyklus zugeführte Energie einer vorbestimmten Standardenergie entspricht.
Auswertevorrichtung (2) gemäß Anspruch 11, bei der der Auslesezyklus einen Messwertzyklus und einen Energiezyklus umfasst, wobei während des Messwertzyklus von der Ausleseeinrichtung (8) der Messwert mit vorbestimmter Präzision bestimmt wird und wobei die Ausleseeinrichtung (8) während des Energiezyklus dem Bauelement (4) weiterhin die Leistung zuführt.
Auswertevorrichtung (2) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die ausgebildet ist, um mit einem elektrischen Sensor zur Messung einer Umwelteigenschaft verbunden zu werden, wobei die von der Ausleseeinrichtung (8) dem Sensor zugeführte Leistung eine Änderung einer der Messgröße des Sensors zugeordneten physikalischen Eigenschaft des Sensors bewirkt, die mehr als doppelt so groß ist wie die maximale Änderung der physikalischen Eigenschaft des Sensors, die von einer Änderung der zu Messenden Umwelteigenschaft hervorgerufen wird.
Verfahren zum Bestimmen eines Messwerts an einem Bauelement (4), umfassend: Auslesen des Messwerts des Bauelements (4) unter Zuführung einer Leistung an das Bauelement (4); und Bestimmen der dem Bauelement (4) während der Auslese zugeführten Leistung.
Verfahren gemäß Anspruch 14, ferner umfassend: korrigieren des ausgelesenen Messwerts unter Verwendung der bestimmten Leistung, um einen von durch die zugeführte Leistung hervorgerufenen Effekten befreiten korrigierten Messwert zu erhalten.
Verfahren gemäß Anspruch 14 oder 15, ferner umfassend: Steuern der Ausleseeinrichtung derart, dass eine dem Bauelement (4) während des Auslesens des Messwerts zugeführte Leistung einem vorbestimmten Standardwert entspricht.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine elektrische Leistung zugeführt wird.
Bolometer mit folgenden Merkmalen: einem Bolometerelement mit einem sich auf einfallende elektromagnetische Strahlung hin verändernden elektrischen Widerstand; und einer Auswertevorrichtung (2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Ausleseeinrichtung (8) ausgebildet ist, um als Messwert den Widerstand durch das Bolometerelement zu bestimmen.
Bolometer gemäß Anspruch 18, bei dem die Ausleseeinrichtung (8) ausgebildet ist, um als Messwert den bei konstanter Spannung an dem Bolometerelement durch das Bolometerelement fließenden Strom zu bestimmen.
Bolometer gemäß Anspruch 18 oder 19 mit folgendem zusätzlichen Merkmal: einer Kontrolleinrichtung, um eine durch die zugeführte Leistung verursachte Änderung des elektrischen Widerstands des Bolometerelements in dem ausgelesenen Messwert zu korrigieren, um einen korrigierten Messwert zu erhalten.