DE102010063613B4

DE102010063613B4 - Passiver fernabfragbarer Temperatursensor

Info

Publication number: DE102010063613B4
Application number: DE102010063613A
Authority: DE
Inventors: Dr. Kiesewetter Olaf; Anatolij Ewert; Reinhard Sender; Nils Kiesewetter; Alexander Kraußer
Original assignee: UST Umweltsensortechnik GmbH
Current assignee: UST Umweltsensortechnik GmbH
Priority date: 2010-06-24
Filing date: 2010-12-21
Publication date: 2012-09-27
Anticipated expiration: 2030-12-22
Also published as: DE102010063613A1

Abstract

Fernabfragbarer Temperatursensor, der von einer externen Basisstation mittels elektromagnetischer Strahlung mit Energie versorgt und von dieser ausgelesen wird, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem keramischen Träger eine ferroelektrische Schicht und Elektroden für Sensoren aufgebracht sind, wobei mindestens zwei temperaturabhängige Schwingkreise eine elektrische Anordnung bilden, welche mit einem Widerstandsnetzwerk verbunden ist, bei dem jeweils zwei Widerstände einen Spannungsteiler bilden, deren Einzelwiderstände unterschiedliche Temperaturkoeffizienten sowie unterschiedliche elektrische Widerstandswerte aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft einen passiven fernabfragbaren Temperatursensor, der von einer externen Basisstation mittels elektromagnetischer Strahlung mit Energie versorgt und von dieser ausgelesen wird.
Bekannte Anordnungen für passive fernabfragbare Sensoren nutzen die Dämpfung von ausgestrahlter elektromagnetischer Strahlung durch einen Schwingungskreis im Resonanzfall. Die Resonanz wird dabei durch temperaturabhängige Induktivitäten oder Kapazitäten verändert, somit ist die Resonanzfrequenz ein Maß für die Temperatur des Schwingkreises. Nachteile sind die hohen Ungenauigkeiten dieser Anordnungen.
In DE 102 53 278 B4 wird eine energieautarke Reifenmesseinrichtung beschrieben, bei der mit einem Piezowandler mechanische Energie in ein elektrisches Wechselsignal gewandelt und diese zum Betreiben eines Sensors verwendet wird, der Informationen über Zustände oder Zustandsänderungen per Funk an eine Basisstation übermittelt.
Höhere Genauigkeiten werden mit Lösungen erreicht, die SAW-Sensoren verwenden. Nachteilig ist hierbei die kostenaufwendige Herstellung der Elemente wegen der erforderlichen komplizierten Fertigungstechnologien.
Aus DE 199 11 369 A1 ist ein Oberflächen-Wellen-Wandler bekannt, der auf ein elektromagnetisches Eingangssignal reagiert, indem bei Anregung mit einem Signal ein den Oberflächen-Wellen-Wandler identifizierendes Signal aussendet.
In DE 101 34 432 A1 ist eine integrierte Schaltung zur kontaktlosen in-Situ-Erfassung der Temperatur eines Wafers und ein entsprechendes Erfassungsverfahren angegeben. Diese Schaltung weist eine Signalerfassungseinrichtung, eine temperaturabhängige Impedanzeinrichtung, eine zweite Signalspannungseinrichtung und eine Übertragungseinrichtung auf.
Ferner ist in DE 690 07 842 T2 eine Vorrichtung zum Messen physikalischer Parameter, insbesondere Temperaturen, beschrieben, welche eine Sonde enthält, die mit einem Sensorelement verbunden ist, und die eine Empfangsschaltung beinhaltet, mit der eine Wechselspannung erzeugt wird, die in Abhängigkeit vom gemessenen Wert des physikalischen Parameters moduliert werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor der eingangs genannten Art anzugeben, der bei hohen Temperaturen einsetzbar ist und sich durch hohe Genauigkeit und kostengünstige Herstellung auszeichnet.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem fernabfragbaren Sensor gelöst, der die im Anspruch 1 genannten Merkmale aufweist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Anordnung verwendet temperaturabhängige Schwingungskreise, die insbesondere durch temperatur- und spannungsabhängige Bauelemente, vorzugsweise durch Kondensatoren, gesteuert werden und über ein Widerstandsnetzwerk mit Widerständen, die unterschiedliche Temperaturkoeffizienten aufweisen, ausgewertet werden.
Hierzu sind auf einem keramischen Träger eine ferroelektrische Schicht und Elektroden für Sensoren aufgebracht, wobei mindestens zwei temperaturabhängige Schwingkreise eine elektrische Anordnung bilden, welche mit einem Widerstandsnetzwerk verbunden sind, bei dem jeweils zwei Widerstände einen Spannungsteiler bilden, deren Einzelwiderstände unterschiedliche Temperaturkoeffizienten sowie unterschiedliche elektrische Widerstandswerte aufweisen.
Vorteilhafte Anordnungen verwenden als keramischen Träger Al₂O₃ und/oder Elektroden aus Platin, die einen Messwiderstand bilden können.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung enthält ein Thermoelement, welches in Abhängigkeit von der Temperatur eine Spannung induziert, die eine weitere Verstimmung der Schwingkreise in Abhängigkeit von der angelegten Frequenz bewirkt und damit die Genauigkeit erhöht.
Die Anordnung zeichnet sich dadurch aus, dass keine Energiequellen und keine klassischen aktiven Bauelemente wie integrierte Schaltkreise, Transistoren und dergleichen benötigt werden, so dass auch Hochtemperaturausführungen realisiert werden können.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. 1 zeigt hierzu schematisch eine Schaltungsanordnung.
Das fernabfragbare Sensorelement ist auf einem keramischen Grundträger angeordnet, der aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, vorzugsweise aus einer hochisolierten Oxidschicht, z. B. Al₂O₃ _, besteht und auf dem eine ferroelektrische Schicht sowie Elektroden für Sensoren aufgebracht sind. Diese Materialien ermöglichen den Einsatz bei hohen Temperaturen von mehr als 1000°C.
Die hohe Wärmeleitfähigkeit ist notwendig, um den Sensor am Messobjekt thermisch ohne Verluste und mit geringem statisch-thermischem Messfehler anzukoppeln. Gleichzeitig dient die Oxidkeramik, die bis zu Temperaturen von 1600°C im Fertigungsprozess belastet werden kann, als Trägerkörper für die Elektroden, die vorzugsweise aus Platin bestehen und somit gleichzeitig so ausgeformt werden können, dass sie einen hochohmigen Messwiderstand bilden, der einen Temperaturkoeffizienten von 3,85 × 10^–3 besitzt. Im dargestellten Realisierungsbeispiel werden zwei spannungssteuerbare Resonanzkreise 1 und 2, die z. B. als LC-Schwingkreis oder als Streifenresonator ausgebildet sein können, verwendet. Die Resonanzkreise 1 und 2 sind spannungssteuerbar, z. B. über Varaktor-Dioden oder spezielle Keramikschichten. Das vom Sender ausgestrahlte Signal ist amplituden- oder frequenzmoduliert mit einer NF-Komponente versehen. Die an den Resonanzkreisen 1 und 2 anliegende Spannung wird mit Gleichrichtern 3 und 4 gleichgerichtet und, nachdem sie mit dem Demodulator 5 von NF-Komponenten entkoppelt wurden, dem aus den Widerständen 6, 7, 8 und 9 bestehenden Widerstandsnetzwerk zugeführt. Als Gleichrichter dienen vorzugsweise Schottky-Dioden oder andere nichtlineare Bauelemente. Die Widerstände 6 und 8 sowie die Widerstände 7 und 9 fungieren als Spannungsteiler. Damit können unterschiedliche Steuerspannungen realisiert werden.
Die Widerstände der Spannungsteiler 6 und 8 sowie 7 und 9 weisen jeweils unterschiedliche Temperaturkoeffizienten auf. Damit ergeben sich unterschiedliche Resonanzpunkte für die beiden Resonanzkreise 1 und 2. Aus den Amplituden und der Phaselage der Resonanzpunkte können Informationen über die Temperatur gewonnen werden.
Die ferroelektrischen Schichten weisen bei Anlegen von verschiedenen Spannungen verschiedene dielektrische Werte auf und erzeugen somit verschiedene Kapazitäten. Damit kann das Sensorsystem als Schwingkreis ausbildet werden. Der Schwingkreis enthält eine Varaktoranordnung, deren negativer Kennlinienverlauf genutzt wird, um aus einer infolge von Temperaturänderungen bewirkten Phasenverschiebung einer empfangenen elektromagnetischen Strahlung die Temperatur zu bestimmen.
Diese Anordnung kann ohne interne Energieversorgung eine elektomagnetische Strahlung empfangen und wieder aussenden, wobei unterschiedliche Temperaturen zu einer Phasenverschiebung zwischen empfangener und über eine speziell angepasste Antenne wieder ausgesendeter Strahlung führt und somit ein Temperatursignal übertragen werden kann.
Werden mehr als zwei Schwingkreise verwendet, können in bestimmten Temperaturbereichen verschiedene Materialparameter genutzt werden.
Beispielsweise ist es möglich, mit Schwingkreis I und II im Bereich von –40°C–80°C zu arbeiten und mit Schwingkreis II und III oder mit Schwingkreis III und IV im Bereich von 60°C–300°C zu arbeiten, wobei die Parameter der Schichten und Temperaturkoeffizienten so gestaltet sein sollen, dass eine Überlappung der Bereiche vorhanden ist, die mindestens die technologische Streubreite der Bauelemente abdeckt.
Bezugszeichenliste

1, 2: Resonanzkreis
3, 4: Gleichrichter
5: Demodulator
6, 7, 8, 9: Widerstände

Claims

Fernabfragbarer Temperatursensor, der von einer externen Basisstation mittels elektromagnetischer Strahlung mit Energie versorgt und von dieser ausgelesen wird, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem keramischen Träger eine ferroelektrische Schicht und Elektroden für Sensoren aufgebracht sind, wobei mindestens zwei temperaturabhängige Schwingkreise eine elektrische Anordnung bilden, welche mit einem Widerstandsnetzwerk verbunden ist, bei dem jeweils zwei Widerstände einen Spannungsteiler bilden, deren Einzelwiderstände unterschiedliche Temperaturkoeffizienten sowie unterschiedliche elektrische Widerstandswerte aufweisen.
Fernabfragbarer Temperatursensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Träger aus Al₂O₃ besteht.
Fernabfragbarer Temperatursensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden aus Platin bestehen.
Fernabfragbarer Temperatursensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden einen Messwiderstand bilden.
Fernabfragbarer Temperatursensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Thermoelement vorhanden ist, welches in Abhängigkeit von der Temperatur eine Spannung induziert, die eine weitere Verstimmung der Schwingkreise in Abhängigkeit von der angelegten Frequenz bewirkt.