DE102012217404A1

DE102012217404A1 - Measuring transducer for process instrumentation, has sensor for detecting physical or chemical dimension and for generating measuring signal, where sensor has sensor element, which is arranged on substrate

Info

Publication number: DE102012217404A1
Application number: DE201210217404
Authority: DE
Inventors: Eric Chemisky; Slava Friesen
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-09-26
Filing date: 2012-09-26
Publication date: 2013-05-16

Abstract

The measuring transducer has a sensor (1) for detecting a physical or chemical dimension and for generating a measuring signal. A control- and evaluation unit is provided to determine and output a measured value of the physical or chemical dimension in dependence of the measuring signal. The sensor has a sensor element, which is arranged on a substrate (2). An electric line (3) for monitoring the substrate for signs of cracking or breakage is arranged on the substrate in the area of the sensor element. An independent claim is included for a method for monitoring the condition of a sensor for detecting a physical or chemical dimension and for generating a measuring signal in a measuring transducer for process instrumentation.

Description

Die Erfindung betrifft einen Messumformer zur Prozessinstrumentierung mit einem Sensor zur Erfassung einer physikalischen oder chemischen Größe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Überwachung des Sensorzustands nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7. The invention relates to a transmitter for process instrumentation with a sensor for detecting a physical or chemical quantity according to the preamble of claim 1 and a method for monitoring the sensor state according to the preamble of claim 7.

In prozesstechnischen Anlagen werden zur Steuerung von Prozessen vielfältige Feldgeräte für die Prozessinstrumentierung eingesetzt. Messumformer dienen zur Erfassung von Prozessvariablen, wie beispielsweise Temperatur, Druck, Durchflussmenge, Füllstand, Dichte oder Gaskonzentration eines Mediums. Durch Stellglieder kann der Prozessablauf in Abhängigkeit von erfassten Prozessvariablen entsprechend einer beispielsweise von einer Leitstation vorgegebenen Strategie beeinflusst werden. Als Beispiele für Stellglieder seien ein Regelventil, eine Heizung oder eine Pumpe genannt. In process engineering plants, a variety of field devices are used for process instrumentation to control processes. Transmitters are used to record process variables, such as temperature, pressure, flow rate, level, density or gas concentration of a medium. By means of actuators, the process flow can be influenced as a function of detected process variables in accordance with a strategy predetermined, for example, by a control station. As examples of actuators may be mentioned a control valve, a heater or a pump.

Aus der DE 693 09 123 T2 ist ein Sensor eines Druckwandlers mit einem laminierten Substrat bekannt. Eine mit elektrischen Elementen versehene, dünne Membran aus Silizium ist oberhalb einer offenen Kammer angebracht. Druckänderungen führen dazu, dass sich die Membran in die Kammer hinein bzw. aus dieser heraus auslenkt. Die Auslenkungen rufen Änderungen eines elektrischen Parameters, üblicherweise einer Kapazität oder eines Widerstandswerts, hervor, die gemessen und in eine dem Druck entsprechende Information umgewandelt werden können. Der Einsatz von Festkörperdrucksensoren in rauer Arbeitsumgebung erfordert häufig ein Gehäuse, welches den Sensor umgibt und diesen vor einer direkten Berührung durch das Medium schützt. Dazu weist das Gehäuse druckfeste Metallteile auf, in welchen sich eine oder mehrere Messkammern befinden, die jeweils durch eine flexible, mediendichte Membran abgedeckt sind, welche die Messkammern von dem Medium trennt und sich bei einem sich ändernden Druck des Mediums verformt. Ein nicht korrosives, inertes Füllfluid, beispielsweise ein Silikonöl, ist in der Messkammer zwischen der Trennmembran und der Sensormembran vorhanden und überträgt den zu messenden Druck auf die Sensormembran. Elektrische Leitungen, welche Signale von dem Sensor zu externen Kontakten leiten, sind durch druckdichte Leitungsdurchführungen aus dem Gehäuse herausgeführt und zur Auswertung der Signale an eine Ansteuer- und Auswerteeinrichtung angeschlossen, die beispielsweise über einen Feldbus einen dem jeweiligen Druck entsprechenden Messwert an eine Leitstation oder eine speicherprogrammierbare Steuerung ausgibt. From the DE 693 09 123 T2 For example, a sensor of a pressure transducer having a laminated substrate is known. An electrically-terminated thin silicon diaphragm is mounted above an open chamber. Pressure changes cause the membrane to deflect into or out of the chamber. The deflections cause changes in an electrical parameter, usually a capacitance or a resistance, that can be measured and converted into information corresponding to the pressure. The use of solid state pressure sensors in harsh environments often requires a housing that surrounds the sensor and protects it from direct contact with the media. For this purpose, the housing has pressure-resistant metal parts, in which there are one or more measuring chambers, each of which is covered by a flexible, media-tight membrane which separates the measuring chambers from the medium and deforms as the pressure of the medium changes. A non-corrosive, inert filling fluid, for example a silicone oil, is present in the measuring chamber between the separating diaphragm and the sensor diaphragm and transmits the pressure to be measured to the sensor diaphragm. Electrical lines which conduct signals from the sensor to external contacts are led out of the housing by pressure-tight cable feedthroughs and connected to a control and evaluation device for evaluation of the signals, for example via a fieldbus corresponding to the respective pressure reading to a control station or a Programmable controller outputs.

Allgemein können Sensorelemente, die physikalische Größen, wie Druck, Temperatur oder Gaskonzentrationen, in elektrische Signale umwandeln, auf einem planaren Substrat aufgebracht werden. Dieses Substrat dient dann als mechanische Befestigung des empfindlichen Sensorelements auf einem Träger und zudem als Schutz gegen äußere Einflüsse, beispielsweise zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit. Insbesondere bei piezoresistiven Drucksensoren besteht eine Möglichkeit zum Aufbringen der elektrischen Elemente auf das Substrat darin, diese Elemente im Substrat einzubetten und das Substrat in der Nähe dieser Elemente zu dotieren, wobei ein elektrischer Kontakt zwischen dem elektrischen Element und dem Substrat besteht. Ein PN-Übergang nach Art einer Diode sorgt bei geeignetem Anlegen einer Spannung für eine elektrische Trennung von Element und Substrat. Die elektrischen Eigenschaften des PN-Übergangs sind dabei von dem Substratmaterial und der Dotierung abhängig. Eine Veränderung des Sensormaterials beispielsweise durch chemische Kontamination kann zu Veränderungen des Messsignals und somit zu einem Fehler des Messwerts führen. In general, sensor elements that convert physical quantities, such as pressure, temperature or gas concentrations, into electrical signals can be applied to a planar substrate. This substrate then serves as a mechanical attachment of the sensitive sensor element on a support and also as protection against external influences, for example, to improve the electromagnetic compatibility. Particularly in the case of piezoresistive pressure sensors, one possibility for applying the electrical elements to the substrate is to embed these elements in the substrate and to dope the substrate in the vicinity of these elements, wherein there is electrical contact between the electrical element and the substrate. A diode-type PN junction, when properly applied, provides electrical isolation of the element and substrate. The electrical properties of the PN junction are dependent on the substrate material and the doping. A change in the sensor material, for example due to chemical contamination, can lead to changes in the measurement signal and thus to an error in the measured value.

Aus der EP 2 269 009 B1 ist ein Messumformer zur Prozessinstrumentierung bekannt, bei welchem der Zustand eines Substrats, das elektrische Elemente zur Erzeugung eines Messsignals trägt, auf Veränderungen durch chemische Kontamination überwacht wird. Dazu wird der PN-Übergang in einem Testbetrieb in Durchlassrichtung geschaltet und die Flussspannung des Übergangs zur Überwachung des Zustands ausgewertet. Zudem wird anhand der Temperaturabhängigkeit der Durchflussspannung ein Vergleichswert für eine Temperatur ermittelt, mit einem auf demselben Sensor aufgebrachten Temperatursensor erfasst wird. Treten höhere Abweichungen auf, so wird auf einen Fehler des Sensors geschlossen und eine entsprechende Fehlermeldung über einen Feldbus ausgegeben. Zusätzlich werden die Sensorelemente und ihre Anschlussleitungen auf Bruch, das heißt auf elektrische Unterbrechung, überwacht. From the EP 2 269 009 B1 For example, a process instrumentation transmitter is known in which the state of a substrate carrying electrical elements to generate a measurement signal is monitored for changes due to chemical contamination. For this purpose, the PN junction is switched in a test mode in the forward direction and evaluated the forward voltage of the transition to monitor the state. In addition, based on the temperature dependence of the flow rate, a comparison value for a temperature is determined, which is detected by a temperature sensor applied to the same sensor. If higher deviations occur, an error of the sensor is concluded and a corresponding error message is output via a fieldbus. In addition, the sensor elements and their connecting lines are monitored for breakage, that is, for electrical interruption.

Die Detektion eines Sensorbruchs kann beispielsweise über eine Messung der Stromaufnahme der zu einer Wheatstone-Brücke verschalteten Messwiderstände, die in der vorliegenden Anmeldung allgemein als Sensorelemente bezeichnet werden, erfolgen. Da die Temperaturempfindlichkeit dieser Widerstände relativ hoch im Vergleich zu ihrer Druckempfindlichkeit ist, wird eine hochgenaue Ermittelung des aufgenommenen Stromes mit zusätzlicher Temperaturkompensation benötigt. Die dafür erforderliche Messelektronik ist aufgrund der geforderten Genauigkeit und geringen Bauelementestreuung in nachteiliger Weise mit hohem Aufwand verbunden. Da in immer mehr Anwendungen von Messumformern eine sehr hohe Zuverlässigkeit bei der Messung physikalischer oder chemischer Größen gefordert wird, welche durch entsprechende Zertifizierungen, zum Beispiel nach IEC 61508 , zu bestätigen ist, kann jedoch immer seltener auf eine Bruchüberwachung verzichtet werden. The detection of a sensor rupture can take place, for example, via a measurement of the current consumption of the measuring resistors connected to a Wheatstone bridge, which are generally referred to as sensor elements in the present application. Since the temperature sensitivity of these resistors is relatively high compared to their pressure sensitivity, a highly accurate determination of the absorbed current with additional temperature compensation is needed. The measurement electronics required for this purpose is disadvantageously associated with great expense due to the required accuracy and low component dispersion. As in more and more applications of transmitters a very high reliability in the measurement of physical or chemical quantities is required, which by appropriate certifications, for example IEC 61508 , to confirm, However, it is increasingly possible to dispense with breakage monitoring.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Messumformer zur Prozessinstrumentierung zu schaffen, bei welchem der Zustand eines Substrats, das Sensorelemente zu Erzeugung eines Messsignals trägt, zuverlässig und mit geringem Aufwand auf Rissbildung oder Bruch überwacht werden kann. The invention has for its object to provide a transmitter for process instrumentation, in which the state of a substrate carrying sensor elements to generate a measurement signal, can be reliably and easily monitored for cracking or breakage.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist der neue Messumformer der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale auf. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung und in Anspruch 7 ein Überwachungsverfahren beschrieben. To solve this problem, the new transmitter of the type mentioned in the characterizing part of claim 1 features. In the dependent claims advantageous developments of the invention and in claim 7, a monitoring method are described.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass in besonders einfacher Weise und mit geringem Aufwand zum einen Sensorelemente, die für die eigentliche physikalische oder chemische Größe vorgesehen sind, und zum anderen Sensorelemente für weitere Messaufgaben, zum Beispiel zu Kompensationszwecken vorgesehene Sensorelemente zur Messung der Temperatur, auf Veränderungen überwacht werden können, die mit einer Rissbildung im Substrat einhergehen. Dabei kann es vorkommen, dass eine Rissbildung des Substrats bereits zu einer detektierbaren Veränderung einer Eigenschaft, z. B. des elektrischen Widerstands, der zusätzlichen elektrischen Leitung führt, während in dem Sensorelement, in dessen Bereich die elektrische Leitung angeordnet ist, noch lediglich eine schleichende Veränderung seiner zur Erzeugung des Messsignals genutzten Eigenschaft und damit ein Verschieben des Messwerts, ein so genanntes Driften, bewirkt wird, die sich lediglich als Messwertverfälschung äußert und ohne Verwendung der zusätzlichen elektrischen Leitung nicht als Fehler erkannt werden könnte. Somit wird auch die Zuverlässigkeit der durch den Messumformer gelieferten Messwerte verbessert. Bei Auftreten eines Fehlers, der beispielsweise als Unterbrechung der zusätzlichen elektrischen Leitung erkannt wird, gibt der Messumformer eine Fehlermeldung aus und ein Prozess, in welchem der Messumformer eingesetzt wird, kann gegebenenfalls in einen sicheren Zustand gebracht werden. Damit wird der Anteil von möglichen Fehlern, die in einen sicheren Zustand führen, die so genannte „Safe Failure Fraction (SFF)“ erhöht. The invention has the advantage that in a particularly simple manner and with little effort on the one hand sensor elements that are provided for the actual physical or chemical size, and on the other sensor elements for further measurement tasks, for example, provided for compensation purposes sensor elements for measuring the temperature on Changes can be monitored, which are accompanied by cracking in the substrate. It may happen that a cracking of the substrate already to a detectable change of a property, eg. B. the electrical resistance, the additional electrical conduction leads, while in the sensor element, in the region of which the electrical line is arranged, still only a gradual change its used for generating the measurement signal property and thus a displacement of the measured value, a so-called drift, is effected, which expresses itself only as Meßwertverfälschung and without use of the additional electrical line could not be recognized as a mistake. This also improves the reliability of the measurements provided by the transmitter. If an error occurs, such as a disconnection of the additional electrical line, the transmitter will issue an error message and a process in which the transmitter is used may eventually be placed in a safe state. This increases the proportion of possible errors that lead to a safe state, the so-called "Safe Failure Fraction (SFF)".

Die zusätzliche elektrische Leitung kann in derselben Technologie auf das Substrat aufgebracht sein wie Anschlusselektroden der Sensorelemente, so dass die Fertigung des Sensors gegenüber einem herkömmlichen Sensor nicht mit einem zusätzlichen Aufwand verbunden ist. The additional electrical line can be applied to the substrate in the same technology as connecting electrodes of the sensor elements, so that the production of the sensor compared to a conventional sensor is not associated with an additional expense.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein Digitaleingang der Ansteuer- und Auswerteeinrichtung zur Detektion einer Unterbrechung der elektrischen Leitung vorgesehen. Tritt ein Riss oder Bruch des Substrats auf, reißt auch die zur Überwachung des Substratzustands vorgesehene elektrische Leitung. Dies kann durch die Ansteuer- und Auswerteeinrichtung bei Verwendung eines so genannten Pull-Up- oder Pull-Down-Widerstands in sehr einfacher Weise als Pegelwechsel an dem Digitaleingang festgestellt werden. Der am Digitaleingang anliegende Signalzustand ist beispielsweise bei Verwendung einer geeigneten Software zur Programmierung eines in der Ansteuer- und Auswerteeinrichtung eingesetzten Mikroprozessors durch ein so genanntes Polling feststellbar. Ebenso kann ein Interrupt-Eingang des Mikroprozessors verwendet werden. In a particularly advantageous embodiment of the invention, a digital input of the control and evaluation device for detecting an interruption of the electrical line is provided. If a crack or breakage of the substrate occurs, the electrical line provided for monitoring the substrate state also tears. This can be determined by the control and evaluation device when using a so-called pull-up or pull-down resistor in a very simple manner as a level change at the digital input. The signal state applied to the digital input can be detected, for example, by using a suitable software for programming a microprocessor used in the control and evaluation device by a so-called polling. Likewise, an interrupt input of the microprocessor can be used.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Sensorelement auf einer ersten Lage des Substrats und die zusätzliche elektrische Leitung, die zur Überwachung des Substratzustands dient, auf einer zweiten Substratlage angeordnet. Dabei wird die elektrische Leitung vorteilhaft so ausgeführt, dass sie aufgrund ihrer Anordnung und Ausdehnung zudem als Schirmelektrode für das Sensorelement dient. Eine besonders gute Abschirmwirkung wird dabei erreicht, wenn die elektrische Leitung mit der Versorgungsspannung oder mit der Masse des Sensors verbunden ist. Eine zusätzliche Schirmelektrode, die herkömmlich verwendet werden musste, kann nun entfallen. Wenn bisher eine flächenhaft ausgebildete Schirmelektrode zum Einsatz kam und die nun zur Zustandsüberwachung vorgesehene elektrische Leitung beispielsweise in einer Schleifen- oder Mäanderform zusätzlich die Rolle der Abschirmung übernimmt, beschränkt sich die am Sensor vorzunehmende Änderung lediglich auf eine Neugestaltung einer Maske für die Herstellung der elektrischen Leitung anstelle der Schirmelektrode und auf das Hinzufügen eines zusätzlichen Pins, um eine Widerstandsänderung oder Unterbrechung der Leitung detektieren zu können. Komplexität und Herstellungsaufwand des Sensors werden daher kaum erhöht. In a further advantageous embodiment of the invention, the sensor element is arranged on a first layer of the substrate and the additional electrical line, which serves to monitor the substrate state, on a second substrate layer. In this case, the electrical line is advantageously designed so that it also serves as a shield electrode for the sensor element due to their arrangement and extent. A particularly good shielding effect is achieved when the electrical line is connected to the supply voltage or to the ground of the sensor. An additional shielding electrode, which had to be used conventionally, can now be dispensed with. If so far an areal trained shielding electrode was used and now provided for condition monitoring electrical conduction, for example in a loop or meander shape additionally assumes the role of shielding, the change to be made to the sensor is limited only to a redesign of a mask for the production of the electrical line instead of the shield electrode and adding an additional pin to detect a change in resistance or line break. Complexity and production costs of the sensor are therefore hardly increased.

Wenn die elektrische Leitung zu dem Sensorelement elektrisch in Reihe geschaltet ist, kann zudem ein gesonderter Versorgungsanschluss für die elektrische Leitung entfallen. Bei einer Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die beispielsweise wie eine Elektrode hergestellte elektrische Leitung nicht in Reihe mit Sensorelementen, beispielsweise Sensorwiderständen, geschaltet ist, besteht dagegen die Möglichkeit, bereits im Fall einer Rissbildung einen vorliegenden Fehler zu detektieren und ein entsprechendes Warnsignal auszugeben, obwohl der Sensor noch bedingt funktionsfähig ist und ein Messsignal erzeugt. In addition, if the electrical line to the sensor element is electrically connected in series, a separate supply connection for the electrical line can be dispensed with. In an embodiment of the invention, in which the electrical lead, for example, as an electrode is not connected in series with sensor elements, such as sensor resistors, on the other hand, there is the possibility even in the case of cracking to detect a present error and output a corresponding warning signal, although the sensor is still conditionally functional and generates a measurement signal.

Bei einer Ausführungsform eines Sensors, bei welcher das Substrat, dessen Zustand überwacht wird, auf einen Sensorträger geklebt ist, können in vorteilhafter Weise Bonddrähte und deren Anschlüsse, so genannte Pads, die zur Kontaktierung der elektrischen Leitung auf dem Substrat und zur Kontaktierung weiterer Schaltungsteile des Sensors vorgesehen sind, so bemessen bzw. angeordnet werden, dass bei einem Ablösen der Substratklebung Bonddrähte, die zur Kontaktierung der elektrischen Leitung dienen, vor den Bonddrähten, die allein zur Kontaktierung von Sensorelementen des Sensors vorgesehen sind, beschädigt werden. Der Fehler einer abgelösten Klebung wird dann bereits detektiert, bevor das Messsignal des Sensors ausfällt. In one embodiment of a sensor, in which the substrate whose state is monitored, is glued to a sensor carrier, bonding wires and their connections, so-called pads, for contacting the electrical line on the substrate and for contacting further circuit parts of the Sensors are provided, are dimensioned or arranged so that in a detachment of the Substratklebung bonding wires, which serve to contact the electrical line to be damaged before the bonding wires, which are provided solely for contacting sensor elements of the sensor. The fault of a detached bond is then already detected before the measurement signal of the sensor fails.

Um sicherzustellen, dass die Bonddrähte der elektrischen Leitung als erste bei Ablösen der Klebung reißen, werden deren Pads vorzugsweise an einander gegenüberliegenden Kanten des Substrats angeordnet, so dass sie weit voneinander entfernt sind. To ensure that the bond wires are the first to break the electrical line upon peel-off of the bond, their pads are preferably placed on opposite edges of the substrate so that they are far apart.

Anhand der Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, werden im Folgenden die Erfindung sowie Ausgestaltungen und Vorteile näher erläutert. With reference to the drawings, in which an embodiment of the invention is shown, the invention and refinements and advantages are explained in more detail below.

Es zeigen: Show it:

1 eine Prinzipdarstellung eines Sensors und 1 a schematic diagram of a sensor and

2 ein Schaltbild zur Verdeutlichung einer Sensorbruchüberwachung. 2 a circuit diagram to illustrate a sensor breakage monitoring.

In den Figuren sind einander entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. In the figures, corresponding parts are provided with the same reference numerals.

Ein Sensor 1 dient zur Erfassung einer physikalischen oder chemischen Größe, im gezeigten Ausführungsbeispiel zur Erfassung eines Drucks. Auf einem Substrat 2, welches als druckempfindliche Membran ausgebildet ist, sind vier dehnungsempfindliche Widerstände R1, R2, R3 und R4 zu einer Wheatstone-Brücke verschaltet. An diese Wheatstone-Brücke wird im Betrieb des Sensors über ein Pad A und über eine elektrische Leitung 3 Versorgungsspannung angelegt. Zwischen Pads X+ und X- ist eine Spannung abgreifbar, deren Pegel dem herrschenden Druck entspricht und welche in dem gezeigten Ausführungsbeispiel das Messsignal, das durch den Sensor erzeugt wird, darstellt. Das Substrat 2, welches auch als Sensorchip bezeichnet werden kann, ist durch eine Klebung auf einem Sensorträger 4 befestigt, der häufig auch als Header bezeichnet wird. Zur Herstellung der notwendigen elektrischen Verbindungen zwischen Substrat 2 und Sensorträger 4 dienen Bonddrähte 5, 6, 7, 8 und 9, welche Pads B, X+, GND, X– und A auf dem Sensorträger 4 mit Pads B’, X+’, GND’, X–’‚ bzw. A’ elektrisch verbinden. Die elektrische Leitung 3, die als Elektrode in Form einer Schleifenleitung ausgebildet ist, beginnt am Pad A’ und endet am Pad B’. Die Leitung 3 verläuft nicht in derselben Lage wie die Lage des Substrats 2, in welcher die Widerstände R1...R4 realisiert sind, und ist deshalb als punktierte Linie dargestellt, wobei auf die Darstellung von Durchkontaktierungen, die zur Verbindung der Pads A’ und B’ mit der Leitung 3 dienen, der Übersichtlichkeit wegen verzichtet wurde. Die Leitung 3 deckt die Anordnungsfläche der Widerstände R1...R4 im Wesentlichen ab und hat, da sie im Betrieb des Sensors 1 niederohmig mit Versorgungsspannung verbunden ist, die Funktion einer Abschirmung für den Sensor. Sie verbessert somit den Signalrauschabstand des mit dem Sensor erzeugten Messsignals. Die elektrische Leitung 3 ist zudem derart ausgebildet und angeordnet, beispielsweise durch Anbringung in einer Lage, welche einer höheren Dehnung bei Druckeinwirkung ausgesetzt ist, dass eine Rissbildung oder ein Bruch des Substrats 2 möglichst bereits zu einer Unterbrechung der elektrischen Leitung 3 führt, bevor diese sich als unzulässige Verfälschung des Messsignals äußern. Weiterhin sind die Bonddrähte 5 und 9, welche zur Kontaktierung der elektrischen Leitung 3 dienen, kürzer als die übrigen Bonddrähte 6, 7 und 8 ausgeführt, so dass sie bei einem Ablösen der Klebverbindung zwischen Substrat 2 und Sensorträger 4 als erste reißen. Zudem sind die Pads B’ und A’ an einander gegenüberliegenden Kanten des Substrats 2 angeordnet. Auch dadurch wird eine frühzeitige Erkennung einer abgelösten Klebung unterstützt. A sensor 1 is used to detect a physical or chemical quantity, in the illustrated embodiment for detecting a pressure. On a substrate 2 , which is designed as a pressure-sensitive membrane, four strain-sensitive resistors R1, R2, R3 and R4 are connected to form a Wheatstone bridge. This Wheatstone bridge is powered by the sensor via a pad A and an electrical line 3 Supply voltage applied. Between pads X + and X- a voltage can be tapped, the level of which corresponds to the prevailing pressure and which in the exemplary embodiment shown represents the measuring signal which is generated by the sensor. The substrate 2 , which can also be referred to as a sensor chip, is by a bond on a sensor carrier 4 attached, which is often referred to as a header. For the preparation of the necessary electrical connections between substrate 2 and sensor carrier 4 serve bonding wires 5 . 6 . 7 . 8th and 9 which pads B, X +, GND, X- and A on the sensor carrier 4 electrically connect with pads B ', X +', GND ', X-', and A ', respectively. The electrical line 3 , which is formed as an electrode in the form of a loop line, begins at the pad A 'and ends at the pad B'. The administration 3 does not run in the same position as the position of the substrate 2 , in which the resistors R1 ... R4 are realized, and is therefore shown as a dotted line, wherein the representation of vias, for connecting the pads A 'and B' with the line 3 serve, for the sake of clarity was waived. The administration 3 covers the arrangement surface of the resistors R1 ... R4 substantially and has, since they are in the operation of the sensor 1 low impedance connected to supply voltage, the function of a shield for the sensor. It thus improves the signal-to-noise ratio of the measurement signal generated by the sensor. The electrical line 3 is also designed and arranged, for example by attachment in a layer which is exposed to a higher elongation under pressure, that cracking or breakage of the substrate 2 possibly already to an interruption of the electrical line 3 leads before they manifest themselves as impermissible falsification of the measurement signal. Furthermore, the bonding wires 5 and 9 , which for contacting the electrical line 3 serve, shorter than the remaining bonding wires 6 . 7 and 8th executed, so that they in a peel off the bond between the substrate 2 and sensor carrier 4 tear first. In addition, the pads B 'and A' are at opposite edges of the substrate 2 arranged. This also supports an early detection of a detached bond.

Anhand des in 2 dargestellten elektrischen Schaltbilds wird besonders deutlich, dass bereits eine sehr einfache Auswerteelektronik zur Überwachung des Substratzustands ausreicht. Die veränderlichen Widerstände R1, R2, R3 und R4 sind gemäß 2 zu einer Wheatstone-Brücke verschaltet. Diese wird über das Pad A und das Pad GND an Versorgungsspannung bzw. Masse angeschlossen. An den Pads X+ und X– wird das Messsignal abgegriffen, welches in bekannter Weise in einem Messumformer zur Bestimmung des Messwerts weiterverarbeitet wird, so dass diesbezüglich auf eine nähere Erläuterung verzichtet werden kann. Die elektrische Leitung 3, die bei einem Bruch des Substrats unterbrochen wird, befindet sich zwischen Anschlüssen A und B und ist als veränderlicher Widerstand symbolisiert. Tritt ein Fehler, beispielsweise ein Bruch des Substrats, auf, wird die Verbindung zwischen den Anschlüssen A und B durch die beschädigte Leitung 3 unterbrochen und der Pegel eines Signals, welches über einen Widerstand 19 auf einen Digitaleingang 20 einer Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 21 geführt ist, wird mittels eines Pull-Down-Widerstands 22 von zuvor High-Pegel auf nun Low-Pegel gezogen. Wenn es sich bei dem Digitaleingang 20 um einen Low-aktiven Interrupt-Eingang eines Mikroprozessors handelt, wird unverzüglich eine Interrupt-Routine zur Behandlung und Meldung des Fehlers ausgelöst. Mit Hilfe der Ansteuer- und Auswerteeinrichtung 21 wird die Fehlermeldung über einen Feldbus 23 weitergegeben, so dass in einem Prozess, in welchem der Messumformer zur Prozessinstrumentierung eingesetzt ist, geeignete Maßnahmen zur Behandlung oder Behebung des Fehlers ausgelöst werden können. In vorteilhafter Weise werden zur Überwachung des Substrats 2 (1) auf Rissbildung oder Bruch somit weitgehend Mittel eingesetzt, die ohnehin in Messumformern vorhanden sind. Lediglich ein Pull-Down-Widerstand 22, ein Digitaleingang 20 und eine Änderung des Layouts einer üblicherweise vorhandenen Schirmelektrode müssen ergänzt bzw. vorgenommen werden. Zudem muss das Programm eines Mikroprozessors, der üblicherweise in Ansteuer- und Auswerteeinrichtungen von Messumformern verwendet wird, um Programmabschnitte ergänzt werden, die zur Durchführung des Verfahrens zur Überwachung des Zustands des Sensors geeignet sind. Die Überwachung des Substrats auf Rissbildung oder Bruch ist daher mit einem vergleichsweise geringen zusätzlichen Aufwand gegenüber herkömmlichen Messumformern verbunden. Based on the in 2 shown electrical circuit diagram is particularly clear that even a very simple transmitter sufficient to monitor the substrate state. The variable resistors R1, R2, R3 and R4 are according to 2 connected to a Wheatstone bridge. This is connected via the pad A and the pad GND to supply voltage or ground. At the pads X + and X- the measurement signal is tapped, which is further processed in a known manner in a transmitter for determining the measured value, so that in this respect can be dispensed with a more detailed explanation. The electrical line 3 , which is interrupted at a break of the substrate, located between terminals A and B and is symbolized as a variable resistor. If an error occurs, such as a breakage of the substrate, the connection between terminals A and B will be through the damaged line 3 interrupted and the level of a signal, which has a resistor 19 to a digital input 20 a control and evaluation 21 is guided, by means of a pull-down resistor 22 pulled from high level to low level. If it is the digital input 20 to a low-active interrupt input of a Microprocessor, an interrupt routine is immediately triggered to handle and report the error. With the help of the control and evaluation device 21 the error message is sent over a fieldbus 23 so that appropriate action can be taken to handle or correct the error in a process where the transmitter is used for process instrumentation. Advantageously, to monitor the substrate 2 ( 1 ) on cracking or breakage thus largely used means that are already present in transmitters. Only a pull-down resistor 22 , a digital input 20 and a change in the layout of a commonly existing screen electrode must be supplemented or made. In addition, the program of a microprocessor, which is commonly used in control and evaluation devices of transmitters, must be supplemented by program sections that are suitable for carrying out the method for monitoring the state of the sensor. The monitoring of the substrate for cracking or fracture is therefore associated with a comparatively small additional expense compared to conventional transducers.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 69309123 T2 [0003]
EP 2269009 B1 [0005]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

IEC 61508 [0006]

Claims

Transducer for process instrumentation - with one sensor ( 1 ) for detecting a physical or chemical quantity and for generating a measuring signal and - with a control and evaluation device ( 21 ) for determining and outputting a measured value of the physical or chemical quantity as a function of the measuring signal, wherein the sensor ( 1 ) has at least one sensor element (R1, R2, R3, R4) which is mounted on a substrate ( 2 ) of semiconducting material, characterized in that on the substrate ( 2 ) in the region of the sensor element (R1 ... R4) an electrical line ( 3 ) for monitoring the substrate ( 2 ) is arranged for cracking or breakage.

Transmitter according to claim 1, characterized in that a digital input ( 20 ) of the control and evaluation device ( 21 ) for detecting an interruption of the electrical line ( 3 ) is provided.

Transmitter according to claim 1 or 2, characterized in that the sensor element (R1 ... R4) on a first layer of the substrate ( 2 ) and the electrical line ( 3 ) is arranged on a second layer of the substrate and that the electrical line ( 3 ) is formed due to their arrangement and extent as a shield electrode for the sensor element (R1 ... R4).

Transmitter according to one of the preceding claims, characterized in that the electrical line ( 3 ) is electrically connected in series with the sensor element (R1 ... R4).

Transmitter according to one of the preceding claims, characterized in that the substrate ( 2 ) on a sensor carrier ( 4 ) and that bonding wires ( 5 . 9 ) and their connections (A ', B'), so-called pads, for contacting the electrical line ( 3 ) on the substrate ( 2 ) and for contacting further circuit parts (R1, R2) of the sensor ( 1 ) are dimensioned or arranged such that, when the substrate bond is detached, bonding wires ( 5 . 9 ) for contacting the electrical line ( 3 ) before bonding wires ( 6 . 7 . 8th ), which are provided solely for contacting sensor elements (R1 ... R4), are damaged.

Transmitter according to claim 5, characterized in that two connections (A ', B') for contacting the electrical line ( 3 ) each at opposite edges of the substrate ( 2 ) are arranged.

Method for monitoring the state of a sensor ( 1 ), which serves to detect a physical or chemical quantity and to generate a measurement signal in a transmitter for process instrumentation, wherein the transmitter has a control and evaluation device ( 21 ) for determining and outputting a measured value of the physical or chemical quantity as a function of the measuring signal, wherein the sensor ( 1 ) comprises at least one electrical sensor element (R1 ... R4) mounted on a substrate ( 2 ) is arranged from semiconducting material, wherein on the substrate ( 2 ) in the region of the sensor element (R1 ... R4) an electrical line ( 3 ) for monitoring the substrate ( 2 ) is arranged for cracking or breakage and wherein a change in the electrical resistance of the electrical line ( 3 ) and for monitoring the condition of the sensor ( 1 ) is evaluated.