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Die
Erfindung betrifft eine thermoelektrische Leistungsmesszelle und
ein Verfahrung zur thermoelektrischen Messung von Leistung.
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Zur
Messung von elektrischer Leistung, insbesondere von Mirkowellenleistung
im Bereich von 1 GHz bis 110 GHz, ist der Einsatz von Thermoelementen
bekannt. Eine Messschaltung wird üblicherweise vor der
ersten Inbetriebnahme kalibriert. Messschaltungen sind jedoch nicht über
eine lange Zeit unveränderlich. So nimmt die Genauigkeit
der Messung mit der Zeit ab. Aus diesem Grund müssen derartige Messgeräte
in regelmäßigen Abständen erneut kalibriert
werden.
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So
zeigt die
US 2007/0176768
A1 einen Mikrowellen-Leistungs-Sensor. Dieser beinhaltet
zwei Heizwiderstände und mehrere Thermoelemente. Die Heizwiderstände
sind jeweils an unterschiedlichen Enden der Thermoelemente angebracht.
Der erste Heizwiderstand ist mit dem Mikrowellensignal verbunden.
In einem ersten Messverfahren wird lediglich dieser erste Heizwiderstand
durch das Mikrowellensignal beheizt. Darüber hinaus wird
in einem zweiten Messverfahren der zweite Heizwiderstand mit einem
Gleichstrom DC verbunden. Der Gleichstrom DC wird dabei so eingestellt,
dass die Thermoelemente eine Spannung von 0 V ausgeben. In diesem Zustand
weisen die Enden der Thermoelemente eine identische Temperatur auf.
Die Leistung des Mikrowellensignals entspricht dann der Leistung
des bekannten Gleichstroms. Obwohl dieses Verfahren die Messgenauigkeit
gegenüber dem ersten Verfahren erhöht, ist es
nachteilhaft, da bei steigender Leistung des Mikrowellensignals
zunehmend mehr Leistung in dem Sensor umgesetzt wird. Dies führt
zu einer geringen Leistungstragfähigkeit des Sensors. Darüber hinaus
ergibt sich durch die zwei räumlich und thermisch getrennten
Heizelemente ein großer Platzbedarf.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Leistungsmesszelle und
ein Verfahren zur Leistungsmessung zu schaffen, welche einen geringen Platzbedarf,
eine hohe Messgenauigkeit, eine hohe Leistungstragfähigkeit
und eine hohe Langzeitstabilität erbringen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß für die Leistungsmesszelle
durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 und für
das Verfahren durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs
12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der
hierauf rückbezogenen Unteransprüche.
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Die
erfindungsgemäße Leistungsmesszelle beinhaltet
zumindest ein Thermoelement und zumindest zwei Heizelemente. Ein
erstes Heizelement ist von einem Messsignal beheizbar. Mittels des
Thermoelements ist eine Temperatur messbar. Die beiden Heizelemente
weisen einen sehr geringen Abstand auf. Das zumindest eine Thermoelement
und die beiden Heizelemente weisen eine hohe thermische Kopplung
auf. So ist eine genaue Messung bei geringem Platzbedarf gewährleistet.
Eine Verifikation der Kalibrierung der Leistungsmesszelle ist möglich. Eine
hohe Langzeitstabilität ist so gegeben.
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Die
Heizelemente sind bevorzugt auf einer Seite des Thermoelements angeordnet
und beheizen bevorzugt die eine Seite des Thermoelements. So ist eine
hohe Temperaturdifferenz zwischen den beiden Seiten des Thermoelements
und damit ein hoher Messsignalpegel gegeben.
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Mittels
des zweiten Heizelements ist bevorzugt eine Verifikation einer Kalibrierung
der Leistungsmesszelle durchführbar. So kann bestimmt werden
wenn die Messgenauigkeit des Leistungsmesszelle unter ein bestimmtes
Niveau gefallen ist und eine erneute Kalibrierung durchgeführt
werden muss.
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Das
zumindest eine Thermoelement besteht bevorzugt aus einer Paarung
aus einer Kupfer-Nickel-Legierung und Kupfer. So ist eine ausreichend hohe
Thermospannung bei Einsatz erprobter Materialien möglich.
Eine einfache Herstellung im Dünnschichtverfahren ist so
möglich.
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Die
Leistungsmesszelle beinhaltet bevorzugt mehrere Thermoelemente.
Die mehreren Thermoelemente sind bevorzugt zumindest teilweise in
Serie geschaltet. Die in Serie geschalteten Thermoelemente bilden
bevorzugt zumindest eine Thermosäule. So ist eine Erhöhung
der Thermospannung auf ein Vielfaches möglich. Dies erhöht
die Messgenauigkeit.
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Vorteilhafterweise
sind die Heizelemente und das zumindest eine Thermoelement auf einer Membran
angeordnet. Die thermische Leitfähigkeit der Membran bestimmt
bevorzugt die Messgenauigkeit und die Leistungstragfähigkeit
der Leistungsmesszelle. So ist ein kontrollierter Wärmeabfluss möglich.
Auch eine genaue Einstellung der Messgenauigkeit und der Leistungstragfähigkeit
der Leistungsmesszelle ist so möglich.
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Bevorzugt
besteht die Membran aus Siliziumoxid und/oder Silizium. So ist der
Einsatz einer Standard-Silizium-Technologie möglich.
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Zur
Verifikation einer Kalibrierung der Leistungsmesszelle ist das zweite
Heizelement bevorzugt mit zumindest einem Verifikationssignal bekannter
Leistung beaufschlagbar. Das zweite Heizelement erhitzt bei Beaufschlagung
mit dem Verifikationssignal das Thermoelement auf eine weitgehend
bekannte Temperatur. Eine Verifikationseinrichtung bestimmt bevorzugt
zumindest den Messwert des zumindest einen Thermoelements bei der
zumindest einen weitgehend bekannten Temperatur, zeichnet diesen
auf und vergleicht ihn mit der bekannten Leistung des Verifikationssignals.
So ist eine Überprüfung der Messgenauigkeit möglich.
Wird eine erneute Kalibrierung durchgeführt, wenn die Genauigkeit
abfällt, so ist eine sehr große Langzeitstabilität
erreichbar.
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Das
zweite Heizelement ist vorteilhafterweise derart mit einem Substitutionssignal
ansteuerbar, dass die von dem Thermoelement bestimmte Temperatur
unabhängig von dem Messsignal weitgehend konstant ist.
Die Leistung des Messsignals wird bevorzugt aus dem Substitutionssignal
bestimmt. So ist die in der Leistungsmesszelle umgesetzte Leistung unabhängig
von dem Messsignal konstant. Nichtlineare Effekte werden damit vermieden.
Eine hohe Leistungstragfähigkeit wird so erreicht.
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Das
Verifikationssignal und das Substitutionssignal sind bevorzugt Gleichstrom-Signale.
So sind eine einfache Signalverarbeitung und eine genaue Messung
möglich.
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Das
Leistungsmessgerät beinhaltet bevorzugt eine Brückenschaltung.
Die Brückenschaltung beinhaltet dabei vorteilhafterweise
zwei Pfade. Die Brückenschaltung beinhaltet bevorzugt das
Thermoelement in einem der Pfade. Vorteilhafterweise steuert ein
verstärktes Messsignal der Messbrücke das zweite
Heizelement an. So ist eine einfache Regelung der thermischen Leistung
an den Heizelementen möglich.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Messung der
elektrischen Leistung eines Messsignals ist ein erstes Heizelement
von dem Messsignal beheizbar. Zumindest ein Thermoelement misst
eine Temperatur, welche im Wesentlichen der Temperatur des ersten
Heizelements entspricht. Die an dem ersten Heizelement gemessene
Temperatur wird zur Bestimmung einer Leistung des Messsignals genutzt. Ein
zweites Heizelement wird mit einem Substitutionssignal beaufschlagt
während das erste Heizelement mit dem Messsignal beaufschlagt
wird, oder mittels eines zweiten Heizelements wird eine Verifikation
einer Kalibrierung der Messung der Leistung durchgeführt.
Das zumindest eine Thermoelement und die beiden Heizelemente sind
bevorzugt stark thermisch gekoppelt. So ist eine genaue Messung
bei geringem Platzbedarf gewährleistet. Durch die Verifikation
der Kalibrierung ist eine Überprüfung der Langzeitstabilität
möglich. Durch die Substitution wird eine gleichbleibende
im Leistungsmessgerät umgesetzte Leistung erreicht.
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Zur
Verifikation der Kalibrierung der Messung der Leistung werden bevorzugt
die folgenden Schritte durchgeführt:
- – Abschalten
des ersten Heizelements;
- – Beaufschlagung eines zweiten Heizelements mit einem
Verifikationssignal bekannter Leistung;
- – Bestimmung der von dem Thermoelement gemessenen Leistung,
und
- – Vergleich der von dem Thermoelement gemessenen Leistung
mit der bekannten Leistung des Verifikationssignals.
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So
ist eine Überprüfung der Messgenauigkeit möglich.
Eine Korrektur von Abweichungen der Messwerte gegenüber
einer ideal linearen Kennlinie ist weiterhin möglich.
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Alternativ
wird das zweite Heizelement bevorzugt derart mit einem Substitutionssignal
angesteuert, dass Veränderungen des von dem Thermoelement
bestimmten Messsignals kompensiert werden. Die von dem Thermoelement
bestimmte Temperatur ist bevorzugt unabhängig von dem Messsignal weitgehend
konstant. Die Leistung des Messsignals wird vorteilhafterweise aus
dem Substitutionssignal bestimmt. So wird in dem Leistungsmessgerät
eine konstante Leistung umgesetzt. Dies verhindert Messungenauigkeiten
auf Grund von Temperaturdrift und anderer nichtlinearer Effekte.
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Mehrere
Thermoelemente werden bevorzugt genutzt. Die Signale der mehreren
Thermoelemente werden zumindest teilweise addiert. Die Thermoelemente
deren Signale addiert werden bilden bevorzugt zumindest eine Thermosäule.
So ist eine Erhöhung der Thermospannung auf ein Vielfaches
möglich. Dies erhöht die Messgenauigkeit.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand der Zeichnung, in der ein vorteilhaftes
Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, beispielhaft
beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
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1 den
Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen
Leistungsmesszellezelle im Querschnitt;
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2 den
Aufbau des ersten Ausführungsbeispiels in der Draufsicht;
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3a den
Aufbau des ersten Ausführungsbeispiels in der Draufsicht
in einer gegenüber der 2 anderen
Schichtebene;
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3b den
Aufbau eines zweiten Ausführungsbeispiels in der Draufsicht;
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4 ein
detailliertes drittes Ausführungsbeispiel der erfindungemäßen
Leistungsmesszelle in einer Schrägansicht;
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5 den
zu 4 gehörigen Schichtaufbau in einer vergrößerten
Schrägansicht;
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6 ein
Ablaufdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen
Verfahrens;
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7 ein
Ablaufdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen
Verfahrens, und
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Zunächst
wird anhand der 1–5 der Aufbau
und die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Leistungsmesszelle
erläutert. Mittels 6 und 7 wird
anschließend die Funktionsweise des erfindungsgemäßen
Verfahrens gezeigt. Identische Elemente wurden in ähnlichen
Abbildungen zum Teil nicht wiederholt dargestellt und beschrieben.
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1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Leistungsmesszelle in einer Schnittdarstellung. Die erfindungsgemäße
Leistungsmesszelle beinhaltet ein Silizium-Substrat 12. Mittels
Oxidierung der Oberfläche und selektiver Ätzung
wird aus dem Silizium-Substrat 12 eine Membran 11 und
ein Rahmen 10 aus Silizium geformt. Die Membran besteht
dabei aus einer unteren Siliziumoxid-Schicht und einer oberen Silizium-Schicht.
Auf einem ursprünglich reinen Silizium-Substrat wird hierzu
eine Siliziumoxid-Schicht und darauf erneut eine Silizium-Schicht
aufgebracht. Mittels rückseitiger Ätzung wird
ein Teil des Siliziums des Substrats entfernt. Es ergibt sich eine
Vertiefung 13 in dem Silizium-Substrat 12. Durch
die zusätzliche nicht entfernte Silizium-Schicht über
der Silizium-Oxid-Schicht ergibt sich eine dünne, jedoch
stabile Membran 11. Alternativ kann die Membran aus einer
einzelnen dickeren Siliziumoxid-Schicht bestehen.
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Auf
der Vorderseite der Membran 11 sind, wie im Folgenden gezeigt,
weitere Bauelemente der Leistungsmesszelle angeordnet.
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In 2 wird
das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Leistungsmesszelle in einer Draufsicht dargestellt. Hier wird die
Oberseite der Darstellung aus 1 gezeigt.
Eine Koplanarleitung 18 wird durch eine Mittelleitung 29,
drei Aussparungen 23, 24, 28 und eine
umgebende Metallisierung gebildet. Die Koplanarleitung ist mit zwei
Heizwiderständen 20, 21 verbunden. Die
beiden Widerstände 20, 21 sind auf ihrer
der Koplanarleitung abgewandten Seite mit der umgebenden Metallisierung
und damit mit einem Masseanschluss verbunden. Die beiden Heizwiderstände 20, 21 bilden
somit einen gemeinsamen Heizwiderstand 29 gegen Masse.
Eine erste Streifenleitung 26 ist mit einem dritten Heizwiderstand 25 verbunden.
Die der ersten Streifenleitung 26 abgewandte Seite des
dritten Heizwiderstands 25 ist mit einer zweiten Streifenleitung 27 verbunden.
Die Streifenleitungen 26, 27 und der Heizwiderstand
befinden sich innerhalb einer Aussparung 19 der Metallisierung.
An Stelle von Streifenleitungen und Koplanarleitungen sind ebenso
andere Leitungsformen einsetzbar.
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Die
zuvor beschriebene Struktur ist, wie im Abschnitt zu 1 angedeutet,
auf der Oberseite eines Siliziumsubstrats 12 aufgebaut.
Die Heizwiderstände 20, 21, 25 sind
dabei im Zentrum der Membran 11 angeordnet. Der Rahmen 10 dient
dabei der strukturellen Stabilität der Leistungsmesszelle.
Weiterhin ist der Rahmen 10 thermisch sehr gut an ein Gerätegehäuse
gekoppelt und stellt damit eine nahezu ideale Temperatursenke dar.
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Über
die Koplanarleitung 18 wird ein Messsignal eingespeist.
Das Messsignal wird über die Heizwiderstände 20, 21 nach
Masse abgeführt. Das Messsignal beheizt dabei die Heizwiderstände 20, 21.
Die in den Heizwiderständen 20, 21 umgesetzte thermische
Leistung ist dabei proportional zu der Leistung des Messsignals.
Da die Heizwiderstände 20, 21 auf der
Membran 11 angebracht sind, kann die eingebrachte thermische
Leistung nicht sofort abfließen. Stattdessen stellt sich
eine Gleichgewichtstemperatur der Membran 11 ein. Aus dieser
Gleichgewichtstemperatur kann auf die Leistung des Messsignals geschlossen
werden. Die Heizwiderstände 20, 21, 25 sind
dabei mögliche Ausführungen der erfindungsgemäßen
Heizelemente.
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Wie
anhand der 3a im Folgenden gezeigt, wird
diese Gleichgewichtstemperatur mittels zumindest eines Thermoelements 30 gemessen.
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Über
die erste Streifenleitung 26 kann ein Signal eingespeist
werden. Das Signal wird über den dritten Heizwiderstand 25 an
die zweite Streifenleitung 27 übertragen. Der
Heizwiderstand 25 wird dabei analog zu den Heizwiderständen 20, 21 von
dem Signal beheizt. Die an dem dritten Heizwiderstand 25 umgesetzte
thermische Leistung ist proportional zu der Leistung des Signals.
Bei alleiniger Einspeisung des Signals ergibt sich ebenfalls eine
Gleichgewichtstemperatur.
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Aufgrund
der großen räumlichen Nähe des ersten
und zweiten Heizwiderstands 20, 21 zu dem dritten
Heizwiderstand 25 ergibt sich eine starke thermische Kopplung
dieser Bauelemente. Eine Temperaturerhöhung an einem der
Heizwiderstände 20, 21, 25 resultiert
in einer nahezu ebenso großen Temperaturerhöhung
an sämtlichen weiteren Heizwiderständen 20, 21, 25.
Die Temperatur der Heizwiderstände 20, 21, 25 ist
damit nahezu identisch. Für die gemeinsame Temperatur der
Heizwiderstände 20, 21, 25 ist
es damit unerheblich, in welchem der Heizwiderstände 20, 21, 25 Leistung
umgesetzt wird.
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3a zeigt
eine andere Schichtebene des ersten Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen Leistungsmesszelle. Hier
wird eine Mehrzahl von Thermoelementen 30 dargestellt.
Die Thermoelemente 30 sind dabei über den in 2 dargestellten Strukturen
galvanisch getrennt angeordnet. Der besseren Übersichtlichkeit
halber wurden die in 2 dargestellten Strukturen hier
zusätzlich gestrichelt dargestellt, obwohl sie in einer
anderen Lage der Leistungsmesszelle angeordnet sind. Die Thermoelemente 30 bestehen
dabei jeweils aus einem aktiven Bereich 31 und Zuleitungen 32.
Der aktive Bereich 31 besteht dabei aus einer Verbindung
eines Kupfer-Kontakts mit einem Kupfer-Nickel-Kontakt. Sowohl der
Kupfer-Kontakt wie auch der Kupfer-Nickel-Kontakt verfügen
dabei über eine eigene Zuleitung 32, welche deckungsgleich,
jedoch galvanisch getrennt voneinander angeordnet sind. Die galvanische
Trennung der übereinander angeordneten Zuleitungen 32 wird
durch eine dazwischen liegende Isolationsschicht erreicht. Die Thermoelemente 30 sind
weiterhin durch isolierende Schichten nach oben und unten galvanisch
getrennt. Die Gesamtheit der Isolationsschichten, der Kupfer-Schicht
und der Kupfer-Nickel-Schicht wird dabei als Thermoelement-Schicht
bezeichnet.
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Alternativ
ist eine Anordnung der Zuleitungen nebeneinander ohne Isolationsschicht
möglich. Dies wird anhand von 3b näher
erläutert.
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Die
aktiven Bereiche 31 der Thermoelemente 30 liegen
dabei in einem weitgehend konstanten Abstand zu einer äußeren
Begrenzung eines der Heizwiderstände 20, 21 aus 2 und
sind von identischer Ausdehnung. Die aktiven Bereiche 31 liegen in
geringem Abstand zu den Heizwiderständen 20, 21, 25.
So ist eine weitgehend identische Temperatur und damit ein weitgehend
identisches Ausgangssignal der aktiven Bereiche 31 der
Thermoelemente 30 bei Beaufschlagung der Heizwiderstände 20, 21 mit einem
Messsignal bzw. des Heizwiderstands 25 mit einem weiteren
Signal gewährleistet.
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Die
Zuleitungen 32 verbinden dabei die aktiven Bereiche 31 der
Thermoelemente 30 mit dem Rand der Leistungsmesszelle.
Die zweite Seite der Thermoelemente liegt damit im Bereich des Randes der
Leistungsmesszelle und damit auf einem konstanten Umgebungstemperaturniveau.
Dort werden die Signale der Thermoelemente 30 abgegriffen.
Die Zuleitungen 32 sind dabei derart angeordnet, dass sie
einen großen Teil der Fläche der Leistungsmesszelle
bedecken. Der Abstand zwischen jeweils benachbarten Zuleitungen 32 ist
dabei weitgehend konstant.
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Zur
Erhöhung des Signalpegels sind die Thermoelemente 30 zumindest
teilweise in Serie geschaltet. In Serie geschaltete Thermoelemente
bilden Thermosäulen. Zur Vermeidung von elektromagnetischen
Einstreuungen ist eine Umkehrung der Laufrichtung des elektrischen
Stroms durch einen Teil der Thermoelemente 30 möglich.
So werden elektromagnetische Einstreuungen, welche in einem ersten
Teil der Thermoelemente 30 mit identischer Laufrichtung
des elektrischen Stroms auftreten, durch die elektromagnetischen
Einstreuungen, welche in einem zweiten Teil der Thermoelemente 30 mit umgekehrter
Laufrichtung des elektrischen Stroms auftreten, kompensiert. Bevorzugt
weisen jeweils benachbarte Thermoelemente eine unterschiedliche Stromrichtung
auf. Durch den weitgehend konstanten Abstand benachbarter Thermoelemente 30 heben
sich Störungen so weitgehend auf.
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Das
in 3b dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht
weitgehend dem in 3a dargestellten Ausführungsbeispiel.
Die unterschiedlichen Materialien der Thermoelemente 80 sind
jedoch nicht übereinander in unterschiedlichen Schichten
angeordnet, sondern nebeneinander in einer einzelnen Schicht. So
wird jedes Thermoelement 80 von einer Kupfer-Nickel-Zuleitung 82,
einer Kupfer-Zuleitung 83 und einem aktiven Bereich 81 gebildet.
Die Thermoelement-Schicht enthält in diesem Ausführungsbeispiel
keine Isolationsschicht, welche die Kupfer-Schicht und die Kupfer-Nichel-Schicht
trennt. Dieser Aufbau ermöglicht eine einfachere Herstellung.
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In 4 wird
ein detailliertes drittes Ausführungsbeispiel der erfindungemäßen
Leistungsmesszelle in einer Schrägansicht dargestellt.
Auf einem Silizium-Substrat 85 ist eine Thermoelement-Schicht 81 aufgebracht.
Dazwischen liegen weitere Schichten, auf welche anhand der 5 näher
eingegangen wird. Die Thermoelement-Schicht 81 besteht
aus zwei Silizium-Nitrid Schichten, zwischen welchen die Thermoelemente
bestehend aus einer Kupfer-Schicht und Kupfer-Nickel-Schicht eingebettet sind.
Die Silizium-Nitrid-Schichten dienen dabei der galvanischen Trennung
der Thermoelemente von dem Substrat und den darüber liegenden
Schichten. Bei Anordnung der Kupfer-Schicht und der Kupfer-Nickel-Schicht übereinander
wird optional eine zusätzliche Silizium-Nitrid-Schicht
dazwischen angebracht. Auf der Thermoelement-Schicht 81 ist
eine Widerstands-Schicht aus einer Nickel-Chrom-Legierung aufgebracht,
aus welcher die Heizwiderstände 92, 93, 97 geformt
sind. Weiterhin ist auf der Thermoelement-Schicht 81 und
auf der Widerstands-Schicht eine Gold-Schicht 82 aufgebracht.
Die Gold-Schicht 82 dient dabei der Kontaktierung der verschiedenen Bauteile
und der elektromagnetischen Abschirmung der Leistungsmesszelle.
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Mittels
der Streifenleitungen 95, 96 wird die Heizleistung
in den Heizwiderstand 97 eingebracht. Die Anschlüsse 98, 99 dienen
der Kontaktierung der Thermoelemente. Der Anschluss 100 dient
der Umkehrung der Stromrichtung durch einen Teil der Thermoelemente.
Dies dient wie zuvor beschrieben der besseren Kompensation von elektromagnetischen Einkopplungen.
Eine Überkreuzung der Leitungen der Thermoelemente ist
hierfür notwendig. Diese Überkreuzung ist nur
durch ein Verlassen der Schichtebene der Thermoelemente möglich.
Dabei werden sowohl die Streifenleitungen 95, 96 als
auch die Anschlüsse 98, 99, 100 von
der Gold-Schicht 82 gebildet.
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Mittels
einer Koplanarleitung 101 wird das Messsignal den Heizwiderständen 92, 93 zugeführt. Die
Koplanarleitung 101 wird dabei von der Mittelleitung 83,
den drei Aussparungen 90, 91, 94 und
der übrigen Metallisierung der Gold-Schicht 82 gebildet. Auch
die Mittelleitung 83 wird dabei durch die Gold-Schicht 82 gebildet.
Mittels der Aussparung 94 wird die Mittelleitung 83 weiterhin
von der übrigen Metallisierung der Gold-Schicht 82 isoliert.
Die Heizwiderstände sind dabei direkt zwischen den Mittelleiter 83 und
die übrige Metallisierung der Gold-Schicht 82 geschaltet.
Sie weisen jeweils einen Abschlusswiderstand von im Ausführungsbeispiel
100 Ohm auf. In Kombination ergibt sich somit ein Abschluss der Koplanarleitung
mit 50 Ohm. Auch die Koplanarleitung 101 weist einen Wellenwiderstand
von 50 Ohm auf. Es treten somit in einem sehr breiten Frequenzbereich
nahezu keine Reflexionen an den Heizwiderständen 92, 93 auf.
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Der
Bereich V in 4 ist in 5 vergrößert
dargestellt und wird im Folgenden in größerem Detail
beschrieben.
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5 zeigt
den zu 4 gehörigen Schichtaufbau in einer vergrößerten
Schrägansicht. Auf dem in 4 dargestellten
Substrat 85 aus Silizium ist eine Ätz-Stop-Schicht 84 aus
Siliziumoxid aufgebracht. Die Ätz-Stop-Schicht 84 dient
der definierten Beendigung des Ätzvorgangs, mit welchen das
Substrat unter der anhand von 1 erläuterten Membran 11 entfernt
wird. Auf der Ätz-Stop-Schicht 84 ist eine weitere
Silizium-Schicht 80 aufgebracht. Diese Schicht dient der
mechanischen Stabilität der Membran 11. Direkt
auf der Silizium-Schicht 80 ist die anhand von 4 näher
beschriebene Thermoelement-Schicht 81 aufgebracht. Auf
der Thermoelement-Schicht 81 ist die anhand von 4 erläuterte Gold-Schicht 82 aufgebracht.
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Die
Aussparungen 90, 91, welche den Mittelleiter von
der übrigen Metallisierung der Gold-Schicht 82 trennen,
sind dabei sowohl in der Gold-Schicht 82 als auch in der
Thermoelement-Schicht 81 ausgebildet. So ist eine sichere
galvanische Trennung gewährleistet. Die Aussparungen 90, 91 sind
dabei derart strukturiert, dass die in 4 gezeigte
Koplanarleitung 101 einen über ihre Länge
konstanten Wellenwiderstand von 50 Ohm aufweist. Hierzu sind die Aussparungen 90, 91 mit
einer stufenweise in Richtung der Heizwiderstände 92, 93 abnehmenden
Breite ausgestattet. Diese Abstufung ist in der Strukturierung der
Rückseite begründet. So ist im Bereich des Rahmens 10 eine
größere Breite notwendig um den konstanten Wellenwiderstand
zu erreichen, als im Bereich der Membran 11.
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In 6 wird
ein Ablaufdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels des
erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Die
Thermoelemente 30 wie auch die Heizwiderstände 20, 21, 25 verändern
sich im Laufe der Zeit geringfügig. Dies hat eine geringe Langzeitstabilität
der Messergebnisse zur Folge. Um diesen Effekt zu kompensieren,
werden Verifikationsmessungen durchgeführt. Bei einer Verifikationsmessung
wird zunächst in einem ersten Schritt 50 die Einspeisung
des Messsignals in die Heizwiderstände 20, 21 unterbrochen.
In einem zweiten Schritt 51 wird ein Verifikationssignal
in den dritten Heizwiderstand 25 eingespeist. Die Leistung
des Verifikationssignals ist dabei bekannt. Für die Verifikation
wird davon ausgegangen, dass die Veränderungen des dritten
Heizwiderstands 25 den Veränderungen des ersten
und zweiten Heizwiderstands 20, 21 entsprechen.
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Durch
die Einspeisung des Verifikationssignals in den dritten Heizwiderstand 25 fällt
dort eine thermische Leistung an. Wie anhand 2 erläutert, stellen
sich ein thermisches Gleichgewicht und damit eine Gleichgewichtstemperatur
ein. Mittels der Thermoelemente 30 wird in einem dritten
Schritt 52 diese Gleichgewichtstemperatur bestimmt. In
einem vierten Schritt 53 wird die bekannte Leistung des
Verifikationssignals mit der gemessenen Leistung verglichen. Diese
Berechnung erfolgt durch eine externe nicht dargestellte Verifikationseinrichtung.
Eine weitere Erhöhung der Genauigkeit kann durch Bestimmung
von Kompensationswerten erzielt werden. Diese werden zur Fehlerkorrektur
jedes zukünftigen Messwerts herangezogen. Die Genauigkeit
kann weiter erhöht werden, indem die Schritte 51 bis 53 für unterschiedliche
bekannte Leistungen des Verifikationssignals wiederholt werden.
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7 zeigt
ein Ablaufdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels des
erfindungsgemäßen Verfahrens. Üblicherweise
werden bei der Messung lediglich das erste und zweite Heizelement 20, 21 genutzt.
Dies führt jedoch zu dem Nachteil, dass die in der Leistungsmesszelle
umgesetzte Leistung proportional zu der Leistung des Messsignals
ist. Dies führt zu nichtlinearen Effekten welche nicht
vollständig beseitigt werden können. Um besonders
genaue Messergebnisse zu erzielen, wird die Leistungsmesszelle im
so genannten Substitutionsmodus betrieben. Die Heizelemente 20, 21, 25 sind
dabei z. B. über eine Brückenschaltung miteinander
verschaltet. Die Verschaltung erfolgt dabei bevorzugt derart, dass
die gemeinsam an den Heizelementen 20, 21, 25 umgesetzte
Leistung konstant ist. Dies wird durch ein Substitutionssignal,
welches in das dritte Heizelement 25 eingespeist wird,
erreicht. Das Substitutionssignal hat dabei stets eine Leistung,
welche der Differenz der angestrebten konstanten Gesamtleistung
und der Leistung des Messsignals entspricht. Die Leistung des Messsignals
wird dabei anhand des bekannten Substitutionssignals berechnet.
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Zur
Leistungsmessung im Substitutionsmodus wird in einem ersten Schritt 60 den
Heizwiderständen 20, 21 ein Messsignal
zugeführt. In einem zweiten Schritt 61 wird mittels
der Thermoelemente 30 die resultierende Gleichgewichtstemperatur
bestimmt. In einem dritten Schritt 62 wird ein Substitutionssignal
in das dritte Heizelement 25 eingespeist. Das Substitutionssignal
ist bekannt und weist eine Leistung auf, welche der Differenz einer
gewünschten Gesamtleistung und der an den Heizelementen 20, 21 anfallenden
Leistung entspricht. Das Substitutionssignal wird dabei bestimmt,
indem die Temperatur an den Thermoelementen 30 auf einem
konstanten, gewünschten Niveau gehalten wird. Anhand des bekannten
Substitutionssignals wird die Leistung des Messsignals bestimmt.
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Die
Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel
beschränkt. Wie bereits erwähnt, können
unterschiedliche Materialien für die Thermoelemente eingesetzt
werden. Auch die Nutzung einer höheren Anzahl von Heizelementen
ist denkbar. Alle vorstehend beschriebenen Merkmale oder in den
Figuren gezeigten Merkmale sind im Rahmen der Erfindung beliebig
vorteilhaft miteinander kombinierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2007/0176768
A1 [0003]