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Die Erfindung betrifft einen integrierten Schaltkreis für eine Signalverarbeitung eines Sensors, mit elektronischen Komponenten, wobei der Schaltkreis Bestandteil eines Schwingkreises ist.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung oder Regelung einer Temperatur oder einer Temperaturverteilung in dem Schaltkreis oder in mindestens einer elektronischen Komponente des Schaltkreises.
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Auf dem Markt sind zahlreiche integrierte Schaltkreise - IC's - erhältlich für unterschiedliche messtechnische Anwendungen, u.a. auch für die Ansteuerung von Sensoren mit einem komplexen Widerstand (Impedanz). Beispiele für derartige Sensoren sind induktive Sensoren oder Wirbelstromsensoren, die u.a. auch für die Positions- oder Abstandsmessung verwendet werden. Dabei wird die Impedanz ausgewertet, die von der zu messenden physikalischen Größe, beispielsweise der Abstand oder die Position des Messobjektes relativ zum Sensor beeinflusst wird.
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Die Impedanzmessung kann mit Hilfe eines Schwingkreises erfolgen, wobei der Sensor selbst ein Bestandteil des Schwingkreises ist - genauer: die Impedanz des Sensors ist Teil der Gesamtimpedanz des Schwingkreises. Der Schwingkreis ist Bestandteil einer Ansteuer- und Auswerteschaltung, die entweder als Freischwinger arbeitet oder einen Festoszillator enthält. Ausgewertet werden können die Frequenz, die Amplitude oder die Phase der Schwingung.
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Neben der eigentlichen Messgröße kann es aber auch unterschiedliche Störeinflüsse geben, die die Schwingung beeinflussen. Dazu gehören insbesondere Temperaturänderungen, die sich nicht nur auf die Messgröße selbst auswirken, sondern auch auf die Bestandteile der Schaltung des Schwingkreises, beispielsweise Widerstände, Kapazitäten oder Induktivitäten, oder auf Bestandteile der Auswerteschaltung, beispielsweise Oszillator, Demodulator, Verstärker, Filter etc..
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Durch eine Temperaturänderung können sich die Werte der die Schwingung bestimmenden Parameter wie Widerstand, Induktivität oder Kapazität ändern. Damit kann das eigentliche Messsignal verfälscht werden und so eine Änderung der zu messenden physikalischen Größe vorgetäuscht werden.
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Beispielsweise führt bei Wirbelstromsensoren eine Verstimmung des Schwingkreises zu einer Änderung des Sensorsignals, wodurch eine Änderung des Abstands vorgetäuscht würde.
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Für die Signalstabilität beispielsweise eines Wirbelstromsensors ist es essentiell, dass eine Verstimmung des Schwingkreises möglichst nicht durch Störgrößen, z.B. durch eine Schwankung der Umgebungstemperatur, verursacht wird. Diese würden zu Fehlinterpretationen führen und als Abstandsänderung interpretiert werden. Bei diskreten Schaltungen kann dieser Einfluss reduziert werden, indem geeignete Bauteile verwendet werden, z.B. Kapazitäten und Widerstände mit geringen Temperaturkoeffizienten, geringen Toleranzen, hoher Güte und für die Anwendung geeignete Kapazitätstypen (X5R, X7R, COG).
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In modernen, hochintegrierten, kompakten Messsystemen werden häufig integrierte Schaltkreise (IC's), insbesondere auch anwendungsspezifische IC's - ASIC's - eingesetzt. Vorteilhaft ist dort die sehr kompakte Bauform und - bei großen Stückzahlen - der niedrigere Preis. Die in IC's oder in ASIC's verwendeten Kapazitäten und Widerstände unterliegen den technologischen Toleranzen und Temperaturkoeffizienten der CMOS-Technologie in der Halbleiterindustrie. Diese sind üblicherweise höher als bei diskreten Bauelementen und können nicht verändert werden, z.B. durch Anpassungen der Technologie; solche Änderungen sind bei stabilen Prozessen in der CMOS-Halbleiterindustrie ausgeschlossen.
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Es ist daher wünschenswert, eine integrierte Schaltung oder einen integrierten Schaltkreis zu gestalten, die oder der einen hochintegrierten, dabei aber extrem temperaturstabilen Teil einer Auswerteschaltung für Sensoren mit komplexem Widerstand bildet.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher ganz allgemein die Aufgabe zugrunde, einen Schaltkreis sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, wonach besonders genaue Messungen auch bei sich verändernden Temperaturen mit konstruktiv einfachen Mitteln ermöglicht sind.
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Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe durch einen integrierten Schaltkreis mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.
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Danach ist der integrierte Schaltkreis nach Anspruch 1 durch eine Temperiereinrichtung zur Steuerung oder Regelung einer Temperatur und/oder einer Temperaturverteilung in dem Schaltkreis und/oder in mindestens einer elektronischen Komponente des Schaltkreises gekennzeichnet.
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Gemäß dem Verfahren nach Anspruch 12 werden aufgenommene Temperaturmesswerte mit einem vorgegebenen Sollwert für die Temperatur verglichen und wird bei einer Abweichung von dem Sollwert die Temperatur und/oder Temperaturverteilung in Richtung Sollwert gesteuert oder geregelt.
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In erfindungsgemäßer Weise ist zunächst erkannt worden, dass durch geschickte Ausstattung des Schaltkreises die voranstehende Aufgabe auf überraschend einfache Weise gelöst wird. Hierzu weist der Schaltkreis in weiter erfindungsgemäßer Weise im Konkreten eine Temperiereinrichtung auf, die zur Steuerung oder Regelung einer Temperatur und/oder einer Temperaturverteilung in dem Schaltkreis und/oder in mindestens einer elektronischen Komponente des Schaltkreises ausgebildet ist. Mit einer derartigen Temperiereinrichtung kann also einerseits eine Temperatur und/oder eine Temperaturverteilung in dem Schaltkreis, beispielsweise im gesamten Schaltkreis oder in einem vorgebbaren Teil des Schaltkreises, und andererseits eine Temperatur und/oder eine Temperaturverteilung in einer oder in mehreren elektronischen Komponenten des Schaltkreises gesteuert oder geregelt werden. Durch eine derartige individuelle und komponentensensible Steuerung oder Regelung einer Temperatur und/oder einer Temperaturverteilung ist eine besonders individuelle Kompensation oder Minimierung von Temperatureinflüssen auf den Schaltkreis ermöglicht.
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Folglich sind mit dem erfindungsgemäßen integrierten Schaltkreis und dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Schaltkreis und ein Verfahren bereitgestellt, wonach besonders genaue Messungen auch bei sich verändernden Temperaturen mit konstruktiv einfachen Mitteln ermöglicht sind.
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Bei einem konkreten Ausführungsbeispiel kann der Sensor einen komplexen Widerstand (Impedanz) aufweisen und/oder ein induktiv arbeitender Sensor oder ein Wirbelstromsensor sein.
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Bei einer vorteilhaften konstruktiven Ausgestaltung des Schaltkreises kann die Temperiereinrichtung mindestens einen Temperatursensor aufweisen. Je nach Anwendungsfall können ein oder mehrere Temperatursensoren an unterschiedlichen Positionen im Schaltkreis oder auf dem Träger angeordnet werden, um insbesondere temperaturkritische Bereiche sicher zu überwachen.
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Dabei kann im Hinblick auf eine besonders genaue Messung der mindestens eine Temperatursensor im Bereich einer oder mehrerer der elektronischen Komponenten oder an einer oder mehreren der elektronischen Komponenten angeordnet sein. So können an unterschiedlichen vorgebbaren elektronischen Komponenten jeweils mindestens ein Temperatursensor angeordnet werden, um eine besonders umfassende Temperaturüberwachung bereitzustellen.
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Zur Einhaltung vorgebbarer Temperaturbereiche oder eines vorgebbaren Temperaturwerts können mittels des mindestens einen Temperatursensors aufgenommene Temperaturmesswerte mit einem vorgegebenen Sollwert oder mit vorgegebenen Sollwerten für die Temperatur mittels einer Auswerteeinrichtung vergleichbar sein. Über die Auswerteeinrichtung können geeignete Steuersignale oder Regelsignale für die Steuerung oder Regelung bereitgestellt und in geeigneter Weise ausgegeben werden.
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Im Hinblick auf eine sichere Steuerung und Regelung und besonders genaue Messungen kann die Temperiereinrichtung mindestens ein Heizelement, beispielsweise einen Widerstand oder einen Transistor, und/oder mindestens ein Kühlelement, beispielsweise ein Peltier-Element, aufweisen. Ein solches Heizelement und/oder Kühlelement kann von der Auswerteeinrichtung bereitgestellte Steuersignale oder Regelsignale erhalten, um eine sichere Steuerung oder Regelung einer Temperatur und/oder einer Temperaturverteilung zu gewährleisten.
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Weiterhin im Hinblick auf eine besonders genaue Messung sowie Steuerung und Regelung einer Temperatur und/oder Temperaturverteilung können oder kann das mindestens eine Heizelement und/oder das mindestens eine Kühlelement im Bereich einer oder mehrerer der elektronischen Komponenten oder an einer oder mehreren der elektronischen Komponenten angeordnet sein. Die konkrete Anordnung von Heizelementen und/oder Kühlelementen kann auf den jeweiligen Anwendungsfall und die konkrete Konstruktion des Schaltkreises mit seinen elektronischen Komponenten abgestimmt werden, um in der Praxis vorliegenden unterschiedlichen Erfordernissen gerecht zu werden.
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Ebenfalls hinsichtlich einer besonders genauen Messung mit einem Sensor kann oder können zur Einstellung eines Arbeitspunkts des Schwingkreises eine oder mehrere der elektronischen Komponenten als eine oder mehrere integrierte oder externe Kapazitäten ausgebildet sein, die mittels einer Schalteinrichtung zum Schwingkreis zuschaltbar und vom Schwingkreis trennbar ist oder sind.
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In besonders vorteilhafter Weise kann die Schalteinrichtung für jede Kapazität einen einzelnen Schalter aufweisen und/oder in den Schaltkreis integriert sein und/oder über eine insbesondere digitale Schnittstelle ansteuerbar sein. Hierdurch ist eine besonders individuelle Abstimmung des Schaltkreises an unterschiedliche Erfordernisse und Sensoren ermöglicht. Bei einer weiteren vorteilhaften und besonders komfortablen Ausgestaltung kann insbesondere für jeden einzelnen Schalter eine separate derartige Schnittstelle vorgesehen sein.
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Weiterhin im Hinblick auf eine besonders genaue Messung kann oder können mittels der Temperiereinrichtung zusätzlich eine oder mehrere außerhalb des Schaltkreises angeordnete Komponenten hinsichtlich ihrer Temperatur oder Temperaturverteilung steuerbar oder regelbar sein.
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Bei einem konkreten Ausführungsbeispiel kann oder können die außerhalb des Schaltkreises angeordnete Komponente oder angeordneten Komponenten eine oder mehrere externe Kapazitäten zur Einstellung des Arbeitspunkts des Schwingkreises sein.
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Im Folgenden werden Aspekte und Vorteile von Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen integrierten Schaltkreises und des Verfahrens zur Steuerung oder Regelung einer Temperatur oder einer Temperaturverteilung in einem solchen Schaltkreis oder in mindestens einer elektronischen Komponente des Schaltkreises erläutert:
- Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen integrierten Schaltkreises - in diesem Dokument IC oder auch Chip genannt - kann nach den in der Halbleiter-Technologie bekannten Verfahren hergestellt werden. Er kann eine oder mehrere integrierte Kapazitäten aufweisen, die elektronisch über integrierte Schalter zum Schwingkreis hinzugefügt oder von diesem getrennt werden können. Diese Kapazitäten beeinflussen den Schwingkreis und dienen zur Einstellung des Arbeitspunkts für den Schwingkreis. Die integrierten Schalter können über eine Schnittstelle angesteuert werden, idealerweise über eine digitale Schnittstelle des IC's. Aber auch eine analoge Schnittstelle ist möglich. Über die Schnittstelle kann dann beispielsweise in einem teilautomatisierten oder automatisierten Prozess ein Sensor einfach abgeglichen werden, indem die fertigungsbedingten Toleranzen des Sensors und/oder aller Komponenten im Schwingkreis ausgeglichen werden und die gewünschte Abstimmung des Schwingkreises vorgenommen wird.
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Weiterhin kann der IC auch andere Schaltungsteile der Ansteuer- und Auswerteschaltung enthalten. Dazu gehören beispielsweise ein oder mehrere Oszillatoren, Demodulatoren, Verstärker oder Filter. Im Idealfall enthält der IC alle für die Ansteuerung und Auswertung des Sensors erforderlichen Schaltungsteile, wodurch ein sehr kompakter und robuster Aufbau ermöglicht wird. Vorteilhaft ist es, wenn neben den rein analogen Schaltungsteilen auch digitale Schaltungselemente auf dem IC enthalten sind, d.h. dass es sich um einen sogenannten „mixed signal“ IC handelt. Digitale Schaltungsteile können etwa AD-Wandler (Analog-Digital-Wandler), digitale Regler, Rechnerkerne, digitale Schnittstellen, Speicherbereiche oder sonst übliche, für eine digitale Signalverarbeitung erforderliche Komponenten sein.
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Temperaturänderungen wirken sich in solchen mixed signal IC's vor allem auf die analogen Schaltungsteile aus. Digitale Schaltungsteile sind davon kaum betroffen, denn digitale Signale setzen sich aus einer Abfolge von den Logik-Zuständen 0 oder 1 zusammen. Die Signalpegel von Logik-Zuständen, beispielsweise 0 V (logisch „0“) und 3,3 V (logisch „1“), dürfen einer größeren Schwankungsbreite unterliegen. Bei analogen Signalen wirken sich jedoch kleinste Änderungen, beispielsweise im Millivoltbereich, die aufgrund von Störgrößen wie hier z.B. der Temperatur auftreten, erheblich auf die Signalqualität aus. Insbesondere Kapazitäten unterliegen dabei großen Änderungen aufgrund sich ändernder Temperaturen. Diese Temperaturänderungen können nicht nur durch die von außen einwirkende Umgebungstemperatur verursacht werden, sondern auch durch die im IC enthaltenen Schaltungsteile, die Verlustwärme produzieren. Diese Temperatureinflüsse können in erfindungsgemäßer Weise reduziert werden, indem die Temperatur und/oder die Temperaturverteilung des IC's gesteuert oder geregelt wird.
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Dazu können auf dem Chip an bestimmten Positionen ein oder mehrere Heizelemente angeordnet sein, die zur kontrollierten Erwärmung des IC's genutzt werden. Die Heizelemente können in der Temperatur regelbare Widerstände sein, die mit üblichen Halbleiterprozessen, beispielsweise in CMOS-Technologie, hergestellt werden. Als Regelgröße wird hier der Strom verwendet, der durch das Heizelement fließt. Aber auch andere Heizelemente sind denkbar, beispielsweise ein Transistor, der sich durch den Stromfluss erwärmt, oder auch andere, in üblichen Halbleiterprozessen herstellbare Komponenten, die kontrolliert Verlustwärme produzieren. Als Stellgröße für die Temperaturregelung dient die Ist-Temperatur des IC, die mit einem oder mehreren Temperatursensoren auf dem Chip erfasst werden kann.
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Auf dem Chip kann ebenfalls ein Temperatursensor angeordnet sein, der die aktuelle Temperatur des Chips bestimmt und hierfür ein Temperatursignal, beispielsweise eine vorzugsweise kalibrierte Spannung, ausgibt. Als Temperatursensor können Temperatursensoren dienen, die mit üblichen Halbleiterprozessen herstellbar sind. Die Solltemperatur, die der Chip durch die Heizelemente erreichen soll, kann elektronisch über eine Schnittstelle vorgegeben werden. Zweckmäßigerweise beinhaltet der IC ebenfalls einen Schaltungsteil zur Temperaturregelung. In diesem Schaltungsteil wird die aktuelle Temperatur mit der Sollwertvorgabe verglichen. Der Sollwert kann digital beispielsweise über ein Register vorgeben werden. Hierdurch kann im IC die Zieltemperatur von beispielsweise ca. 30 bis 70°C in 2.5°C Schritten über eine digitale Schnittstelle eingestellt werden. Eine alternative Möglichkeit wäre, an einem Gehäusepin des IC ein Signal von extern vorzugeben, beispielsweise über einen Widerstand, der dann die Solltemperatur vorgibt. In einem solchen Fall ist die Temperatur dann fest auf der Leiterplatte verdrahtet und kann nicht elektronisch vorgegeben werden. Aber auch eine externe Sollwertvorgabe über eine analoge Schnittstelle, beispielsweise Strom- oder Spannungswert, ist möglich. Wenn die aktuelle Temperatur unterhalb des Sollwerts liegt, regelt die Elektronik das bzw. die Heizelemente, wodurch sich diese aufheizen. Wird die Solltemperatur überschritten, wird abgeregelt oder gekühlt. Im eingeschwungenen Zustand wird die eingestellte Solltemperatur gehalten. Je nach verwendetem Heizelement kann die Regelung über den Strom, die Spannung oder auch digital geregelt werden.
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Zunächst kann mit den Heizelementen die Temperatur der besonders von Temperaturänderung abhängigen internen Kapazitäten geregelt werden. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn nicht nur die Kapazitäten, sondern die gesamte Schaltung thermalisiert wird. Bei diskreten Schaltungen ist die gesamte Schaltung - unter anderem Taktteiler, Spulen, Treiber, Auswertung, Summen- und Differenzbildung - der Umgebungstemperatur ausgesetzt, was eine Temperaturregelung erschwert oder unmöglich macht. In dem erfindungsgemäßen IC können dagegen alle Schaltungskomponenten auf konstanter Temperatur gehalten werden. Zusätzlich können auch noch die externen Komponenten außerhalb des IC, beispielsweise externe Kapazitäten zur weiteren Einstellung des Schwingkreises, mit stabilisiert werden, weil der IC die Wärme auch an die umliegenden Komponenten auf der Leiterplatte abgibt, auf die er aufgelötet sein kann.
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Darum wirken sich Schwankungen der Umgebungstemperatur nicht auf die thermostatisierte Schaltung im IC aus, also auf die ganze Auswerteschaltung. Zusätzlich wirken sich Änderungen der Umgebungstemperatur weniger stark auf die externen Kapazitäten aus, weil diese im direkten Umfeld des IC auf der Leiterplatte platziert sind. Dadurch werden die hohen externen Kapazitäten etwas stabilisiert. Zur Verbesserung der Regelungscharakteristik kann es zweckmäßig sein, auch in der Nähe der externen Kapazitäten einen oder mehrere Temperatursensoren anzubringen.
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In einer beispielhaften Ausgestaltung ändert sich bei einer Änderung der Umgebungstemperatur von 10°C mit Hilfe der erfindungsgemäßen Temperaturstabilisierung die Temperatur der Schaltungsteile im IC um maximal 0,3°C. Die Temperatur der externen Kapazitäten, die nahe dem IC auf der Leiterplatte angeordnet sind, ändert sich nur um ca. 3°C. Bei einer diskreten Schaltung hingegen würde die komplette Schaltung der vollen Temperaturänderung von 10°C ausgesetzt sein.
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Zunächst sind unterschiedliche Temperaturniveaus im IC für die korrekte Funktion der Auswerteschaltung nicht ausschlaggebend. Die relative Temperatur von Schaltungsteilen zueinander, insbesondere der Kapazitäten des Schwingkreises zueinander ist für eine stabile Funktion meist nicht relevant, da es nur auf das Verhältnis zueinander ankommt. Lediglich die absolute Temperatur muss konstant sein, da Unterschiede einkalibriert werden können.
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In besonderen Fällen könnte es jedoch sinnvoll sein, auch die relative Temperaturänderung der Komponenten auf dem IC zu regeln. Dazu könnten anstelle eines Temperatursensors auch mehrere Temperatursensoren über den Chip verteilt sein. Damit könnte auch gezielt eine Temperaturverteilung auf dem Chip gesteuert oder geregelt werden oder für unterschiedliche Betriebszustände die Temperatur an verschiedenen Orten auf dem Chip zur Regelung herangezogen werden.
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Durch die stabilisierte Temperatur des IC werden die internen Kapazitäten, die zur Arbeitspunkteinstellung des Schwingkreises verwendet werden, in ihrem Wert stabilisiert. Aber auch andere Schaltungsteile, deren Stabilität für die Ansteuerung bzw. Auswertung des Sensors ausschlaggebend ist, können damit stabilisiert werden. Durch diese aktive Regelung der Temperatur werden Schwankungen der Chiptemperatur durch äußere Einflüsse - Umgebungstemperatur - reduziert und eine langfristige Stabilisierung des Arbeitspunkts erreicht.
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Ein konkretes Ausführungsbeispiel kann ein integrierter Schaltkreis für die Signalverarbeitung eines Sensors mit einem komplexen Widerstand sein, der Bestandteil eines Schwingkreises ist und zur Einstellung des Arbeitspunktes des Schwingkreises eine oder mehrere Kapazitäten enthält, die vorzugsweise über eine Schnittstelle schaltbar sind. Der integrierte Schaltkreis weist hierbei mindestens einen Temperatursensor und mindestens ein Heizelement auf, mit denen die Temperatur und/oder die Temperaturverteilung des integrierten Schaltkreises geregelt wird.
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Das oder die Heizelemente oder der oder die Temperatursensoren können an oder in der Nähe der internen Kapazitäten angeordnet sein.
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Die Temperatur der Kapazitäten kann mit Hilfe der Temperatursensoren und Heizelemente und/oder Kühlelemente geregelt werden.
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Die Verteilung der Temperatur kann innerhalb des Schaltkreises geregelt bzw. konstant gehalten werden.
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In dem integrierten Schaltkreis können sich ein oder mehrere Kapazitäten befinden, die auf den Schwingkreis geschaltet werden können, um den Arbeitspunkt des Schwingkreises zu verändern.
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Bei einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens können die Signale der Temperatursensoren mit eine Sollwertvorgabe für die Temperatur verglichen werden.
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Des Weiteren kann die Abweichung der Temperaturen zur Nachregelung von Heizelementen und/oder Kühlelementen genutzt werden, um die Chip-Temperatur zu stabilisieren.
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Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die nachgeordneten Ansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Schaltkreises sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen
- 1 in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen integrierten Schaltkreises,
- 2 in einer schematischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen integrierten Schaltkreises und
- 3 in einer schematischen Darstellung noch ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen integrierten Schaltkreises.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen integrierten Schaltkreises mit einer Auswerteschaltung 1 für einen induktiven oder Wirbelstromsensor 2 - im Folgenden Sensor genannt -, der als sensitives Element eine Spule 3 enthält. Mit derartigen Sensoren 2 können Abstände zu einem metallischen Messobjekt (nicht gezeigt) detektiert werden. Die Auswerteschaltung 1 enthält einen Schwingkreis, bestehend aus der Induktivität L der Spule 3, einer ersten Parallelkapazität 4 und dem erfindungsgemäßen IC 5 mit internen Kapazitäten 6. Weiterhin enthält das IC 5 Heizelemente 7, einen Temperatursensor 8 und eine Temperaturregelung 9, wobei in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht alle Heizelemente 7 mit Bezugszeichen versehen sind, aber anhand der einheitlichen Größe und Verteilung über die Chipfläche als solche identifiziert werden können. Die internen Kapazitäten 6 befinden sich auf dem Siliziumchip 5 und können elektronisch zum Schwingkreis dazu geschaltet oder von diesem getrennt werden. Bei dieser Variante wird die Ist-Temperatur des IC 5 zentral mit einem Temperatursensor 8 gemessen und die Temperaturregelung 9 regelt einen Heizstrom, der mit Hilfe von Stromspiegel an alle Heizelemente 7 verteilt wird. Diese Variante eignet sich für IC's 5, bei denen die Eigenerwärmung des Chip 5 homogen und der Temperaturgradient über den Chip 5 ohne Heizelemente 7 klein ist.
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2 zeigt grundsätzlich die Auswerteschaltung 1 aus 1, jedoch ein IC 5 mit Heizelementen 7, in denen jeweils ein Temperatursensor 8 integriert ist. Die internen Kapazitäten 6 befinden sich auf dem Chip 5 und können elektronisch zum Schwingkreis dazu geschaltet oder von diesem getrennt werden. Die Temperatursensoren 8 der Heizelemente 7 können genutzt werden, um die lokale Temperatur des Siliziumchips 5 zu erfassen, und die Temperaturregelung 9 kann die Heizleistung der Heizelemente 7 individuell regeln. Diese Variante eignet sich insbesondere für Chips 5, bei denen die Eigenerwärmung des Siliziums stark inhomogen ist. Die Heizelemente 7 können gezielt zur Reduzierung der Inhomogenität genutzt werden und verringern den Temperaturgradienten über den Chip 5.
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3 zeigt eine detailliertere Auswerteschaltung 1 mit weiteren Funktionselementen: Neben dem Sensor 2 mit der Spule 3 und der externen Parallelkapazität 4 sind in dem IC 5 die übergeordneten Funktionseinheiten 10, 11, 12, 13, 14 der Sensor-Ansteuerung und -Auswertung 10, der Temperaturstabilisierung 11, der Spannungsversorgung 12, des Digitalteils 13 und eines Testmoduls 14 gezeigt.
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Für die Ansteuerung des Sensors 2 und Auswertung des Signals enthält die Funktionseinheit 10 einen Treiber 15 für die Ansteuerung der Spule 3 mit Wechselstrom, einen Demodulator 16 zur Demodulation des Signals und einen Vorverstärker oder Verstärker 17 zur Verstärkung des Signals. Zusätzlich ist ein Schalter 18 enthalten, mit dem zu der externen Parallelkapazität 4 weitere interne Kapazitäten 6 hinzu- oder weggeschaltet werden können. Damit ist eine Abstimmung des Sensors 2 möglich, so dass dieser in seinem optimalen Arbeitspunkt betrieben wird. Der Oszillator für die Ansteuerung des Schwingkreises könnte extern auf der Leiterplatte angeordnet sein, oder ebenfalls in der Funktionseinheit 10 als integrierter Oszillator 19.
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Die Funktionseinheit 11 zur Temperaturstabilisierung besteht aus den Heizelementen 7, dem oder den Temperatursensoren 8 und der Temperaturregelung 9.
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Die Funktionseinheit zur Spannungsversorgung 12 enthält einen Power-On-Reset 20, einen oder mehrere Spannungsregler 21 zur Erzeugung und Stabilisierung von internen Versorgungsspannungen für analoge und digitale Funktionseinheiten, Treiberstufen für Gleichstrom 22, Konstantstromquellen (Bias) 23 als Referenzstromquelle für spezielle Funktionseinheiten, beispielsweise zur Erzeugung von Referenzströmen für den/die Temperatursensor(en) 8.
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Die Funktionseinheit 13 für den Digitalteil enthält eine digitale Schnittstelle 24, z.B. SPI, und ein EPROM 25. Im Digitalteil könnte auch ein Rechnerkern, z.B. ein Microcontroller 26 integriert werden, beispielsweise für die Steuerung von Funktionsblöcken im IC, oder ein Analog-Digital-Wandler 27 zur Umwandlung des analogen Sensorsignals in ein Digitalsignal.
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Für Testzwecke ist zusätzlich noch ein Testmodul 14 enthalten.
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Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Ansprüche verwiesen.
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Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Auswerteschaltung, Auswerteeinrichtung
- 2
- Sensor
- 3
- Spule
- 4
- Parallelkapazität
- 5
- IC
- 6
- interne Kapazität
- 7
- Heizelement
- 8
- Temperatursensor
- 9
- Temperaturregelung
- 10
- Sensor-Ansteuerung und -Auswertung
- 11
- Temperaturstabilisierung
- 12
- Spannungsversorgung
- 13
- Digitalteil
- 14
- Testmodul
- 15
- Treiber
- 16
- Demodulator
- 17
- Vorverstärker oder Verstärker
- 18
- Schalter
- 19
- Oszillator
- 20
- Power-On-Reset
- 21
- Spannungsregler
- 22
- Treiberstufe für Gleichstrom
- 23
- Konstantstromquelle (Bias)
- 24
- digitale Schnittstelle
- 25
- EPROM
- 26
- Microcontroller
- 27
- Analog-Digital-Wandler
