DE112018007013T5

DE112018007013T5 - Sensorvorrichtung

Info

Publication number: DE112018007013T5
Application number: DE112018007013.1T
Authority: DE
Inventors: Satoru Shimizu; Kazuyuki Ono
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2018-02-05
Filing date: 2018-11-30
Publication date: 2020-11-05
Also published as: JP2019135465A; WO2019150745A1; CN111670348A; US20200355560A1

Abstract

Eine Sensorvorrichtung enthält ein Sensorelement (151) und einen Schaltungs-Chip (160). Das Sensorelement erfasst eine Temperatur eines Messobjektes und gibt ein Temperatursignal entsprechend der Temperatur des Messobjektes aus. Der Schaltungs-Chip empfängt das Temperatursignal und führt eine Signalverarbeitung durch. Das Temperatursignal enthält einen Sensorfehler, der durch eine Temperaturdifferenz zwischen dem Messobjekt und dem Sensorelement verursacht wird. Wenn das Temperatursignal den Sensorfehler enthält, tritt eine dem Sensorfehler entsprechende Temperaturdifferenz zwischen dem Sensorelement und dem Schaltungs-Chip auf. Der Schaltungs-Chip weist ein Erfassungselement (165) auf, das eine Temperatur des Schaltungs-Chips erfasst. Der Schaltungs-Chip korrigiert das Temperatursignal entsprechend einer Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des Schaltungs-Chips, die von dem Erfassungselement erfasst wird, und der Temperatur des Messobjektes, die von dem Sensorelement erfasst wird, und gibt ein korrigiertes Temperatursignal zur Außenseite aus.

Description

Querverweis auf betreffende Anmeldung
Diese Anmeldung basiert auf der am 5. Februar 2018 eingereichten japanischen Patentanmeldung Nr. 2018-18285, deren Offenbarung hiermit durch Bezugnahme darauf enthalten ist.
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zum Erfassen der Temperatur eines zu messenden Messobjektes.
Stand der Technik
Eine Sensorvorrichtung, die ein Sensorelement zum Erfassen der Temperatur eines Messobjektes und einen Schaltungs-Chip zur Durchführung einer Signalverarbeitung eines Temperatursignals des Sensorelementes enthält, ist beispielsweise aus der Patentliteratur 1 bekannt. Das Sensorelement und der Schaltungs-Chip sind als unabhängige Vorrichtungen voneinander getrennt angeordnet.
Literatur des Stands der Technik
Patentliteratur
Patentliteratur 1: JP 2017 - 129 536 A
Zusammenfassung der Erfindung
Da in dem Stand der Technik das Sensorelement und der Schaltungs-Chip getrennt voneinander angeordnet sind, unterscheiden sich jedoch der Einfluss von Wärme auf das Sensorelement und der Einfluss von Wärme auf den Schaltungs-Chip voneinander. Aufgrund von Wärme, die von dem Schaltungs-Chip über das Sensorelement zu dem Messobjekt geleitet wird, kann ein Sensorfehler aufgrund einer Temperaturdifferenz zwischen dem Messobjekt und dem Sensorelement auftreten.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sensorvorrichtung zu schaffen, die einen Sensorfehler verringern kann, der durch eine Temperaturdifferenz zwischen einem Messobjekt und einem Sensorelement verursacht wird.
Eine Sensorvorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält ein Sensorelement und einen Schaltungs-Chip. Das Sensorelement erfasst eine Temperatur eines zu messenden Messobjektes und gibt ein Temperatursignal entsprechend der Temperatur des Messobjektes aus. Der Schaltungs-Chip empfängt das Temperatursignal und führt eine Signalverarbeitung durch.
Das Temperatursignal enthält einen Sensorfehler, der durch eine Temperaturdifferenz zwischen dem Messobjekt und dem Sensorelement verursacht wird. Wenn das Temperatursignal den Sensorfehler enthält, tritt eine dem Sensorfehler entsprechende Temperaturdifferenz zwischen dem Sensorelement und dem Schaltungs-Chip auf.
Außerdem weist der Schaltungs-Chip ein Erfassungselement auf, das eine Temperatur des Schaltungs-Chips erfasst. Der Schaltungs-Chip korrigiert das Temperatursignal entsprechend einer Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des Schaltungs-Chips, die durch das Erfassungselement erfasst wird, und der Temperatur des Messobjektes, die durch Sensorelement erfasst wird, und gibt ein korrigiertes Temperatursignal zur Außenseite aus.
Bei einer derartigen Konfiguration ist es möglich, den der Temperaturdifferenz entsprechenden Sensorfehler unter Verwendung der Korrelation zwischen dem Sensorfehler und der Temperaturdifferenz zwischen dem Schaltungs-Chip und dem Sensorelement zu korrigieren. Daher kann der Sensorfehler, der durch die Temperaturdifferenz zwischen dem Messobjekt und dem Sensorelement verursacht wird, verringert werden.
Figurenliste
Die obige und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen deutlich. Es zeigen:

1 eine Schnittansicht einer Sensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 ein Blockdiagramm eines Sensor-Chips und eines Schaltungs-Chips;
3 ein Diagramm, das eine spezielle Schaltung des Sensor-Chips und des Schaltungs-Chips zeigt;
4 ein Diagramm, das eine Wärmeschaltung entsprechend der Konfiguration, die in 1 gezeigt ist, zeigt;
5 ein Diagramm, das eine Korrelation zwischen einem Sensorfehler und einer Temperaturdifferenz zwischen dem Schaltungs-Chip und dem Sensorelement zeigt;
6 ein Diagramm, das einen Fehlerkorrekturwert in Abhängigkeit von (über) der Temperaturdifferenz zwischen dem Schaltungs-Chip und dem Sensorelement zeigt;
7 ein Diagramm, das einen korrigierten Sensorfehler zeigt;
8 ein Diagramm, das einen Sensorfehler aufgrund des Einflusses einer Umgebungstemperatur und einen korrigierten Sensorfehler zeigt;
9 ein Diagramm, das einen Sensorfehler aufgrund des Einflusses einer Wärmeerzeugung des Schaltungs-Chips und einen korrigierten Sensorfehler zeigt;
10 eine Schnittansicht, die einen Fließgeschwindigkeitsunterschied zwischen einem Messobjekt, das außerhalb eines Gehäuses fließt, und einem Messobjekt, das innerhalb des Gehäuses fließt, zeigt; und
11 ein Diagramm, das einen Sensorfehler aufgrund des Einflusses einer Reaktionsverzögerung des Sensorelementes und einen korrigierten Sensorfehler zeigt.

Beschreibung der Ausführungsformen
Im Folgenden werden mehrere Ausführungsformen zum Ausführen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben. In den folgenden Ausführungsformen werden Teile, die Teilen in den vorhergehenden Ausführungsformen entsprechen, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, und deren Beschreibung wird nicht wiederholt. Wenn in einer jeweiligen Ausführungsform nur ein Teil einer Konfiguration beschrieben ist, kann hinsichtlich anderer Teile der Konfiguration auf eine zuvor beschriebene Ausführungsform Bezug genommen werden. Außerdem ist es möglich, nicht nur Teile zu kombinieren, deren Kombination wie in den Ausführungsformen spezifiziert möglich ist, sondern auch teilweise Ausführungsformen zu kombinieren, auch wenn dieses hier nicht speziell beschrieben ist, solange wie die Kombination kein Problem darstellt.
Erste Ausführungsform
Im Folgenden wird eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben. Eine Sensorvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist in der Lage, die Temperatur eines zu messenden Messobjektes zu erfassen. Die Sensorvorrichtung ist beispielsweise an einem Rohr als einem Befestigungsobjekt fixiert und erfasst die Temperatur des Messobjektes innerhalb des Rohres. Das Messobjekt ist beispielsweise ein Medium wie beispielsweise Öl. Das Messobjekt kann ein anderes Medium wie beispielsweise eine Flüssigkeit, beispielsweise ein Kühlmittel oder Gas, sein.
Wie es in 1 gezeigt ist, enthält eine Sensorvorrichtung 100 ein Gehäuse 110, einen geformten Harzteil 120, Vergussharzteil 130, einen Formharzteil 140 und einen Sensor-Chip 150.
Das Gehäuse 110 ist hohl und wird durch Verarbeiten eines Metallmaterials wie SUS durch Schneiden bzw. Fräsen oder Ähnliches ausgebildet. Ein männlicher Gewindeteil 111, der an ein Rohr 200 als einem Befestigungsobjekt geschraubt werden kann, ist auf der Außenumfangsfläche des Gehäuses 110 ausgebildet.
Das Gehäuse 110 weist einen Mediumeinleitungsteil 112 auf der Seite eines Endes und einen Öffnungsteil 113 auf der Seite eines anderen Endes auf. Der Mediumeinleitungsteil 112 ist ein Röhrenteil, bei dem ein Mediumeinleitungsloch 114 ausgebildet ist. Das Mediumeinleitungsloch 114 kommuniziert mit dem Öffnungsteil 113. Der Öffnungsteil 113 des Gehäuses 110 ist von einer Umfangswand 115 umschlossen. Ein Teil des Mediumeinleitungsteils 112 in dem Gehäuse 110 wird an einem Durchgangsgewindeloch 202 fixiert, das in einem dicken Teil 201 des Rohres 200 angeordnet ist. Dadurch wird ein ferner Endabschnitt 116 des Mediumeinleitungsteils 112 innerhalb des Rohres 200 angeordnet. Das Rohr 200 ist beispielsweise mit Öl als dem Messobjekt gefüllt.
Außerdem weist das Gehäuse 110 an dem fernen Endabschnitt 116 des Mediumeinleitungsteils 112 einen Diffusor 117 auf. Der Diffusor 117 ist ein Teil, der in dem hohlen Teil des Rohres 200 von dem dicken Teil 201 des Rohres 200 vorsteht, und weist mehrere Öffnungen 118 auf. Außerdem dient der Diffusor 117 zum Einleiten des Messobjektes in das Mediumeinleitungsloch 114 durch eine oder mehrere der Öffnungen 118.
Der geformte Harzteil 120 ist ein Teil, der einen Verbinder zum elektrischen Verbinden der Sensorvorrichtung 100 mit einer externen Vorrichtung bereitstellt. Der geformte Harzteil 120 ist aus einem Harzmaterial wie PPS ausgebildet und weist an einem Ende einen Fixierungsteil 121, der an dem Öffnungsteil 113 des Gehäuses 110 fixiert ist, und an einem anderen Ende einen Verbinderteil 122 auf. Der Fixierungsteil 121 weist einen vertieften Abschnitt (eine Vertiefung) 123 auf, der in Richtung des Verbinderteils 122 vertieft ist.
Außerdem ist in dem geformten Harzteil 120 ein Anschluss 124 durch Umspritzen eingegossen. Ein Ende des Anschlusses 124 ist in dem Fixierungsteil 121 abgedichtet, und das andere Ende des Anschlusses 124 ist in den geformten Harzteil 120 derart eingeformt bzw. eingegossen, dass er innerhalb des Verbinderteils 122 frei liegt. Das eine Ende des Anschlusses 124 wird mit einer elektrischen Komponente des Formharzteils 140 durch Unterbringung eines Abschnittes des Formharzteils 140 in dem vertieften Abschnitt 123 verbunden.
Außerdem wird der geformte Harzteil 120 derart fixiert, dass der eine Endteil der Umfangswand 115 des Gehäuses 110 gegen den Fixierungsteil 121 gepresst wird (gecrimpt), wobei der Fixierungsteil 121 in dem Öffnungsteil 113 des Gehäuses 110 über einen O-Ring 125 angebracht bzw. eingepasst wird bzw. ist.
Der Vergussharzteil 130 ist aus einem Harzmaterial wie Epoxidharz ausgebildet und in eine Lücke zwischen dem vertieften Abschnitt 123 des geformten Harzteils 120 und dem Formharzteil 140 gefüllt. Der Vergussharzteil 130 dichtet den Abschnitt des Formharzteils 140, den Verbindungsteil des Anschlusses 124 und Ähnliches gegenüber dem Öl als dem Messobjekt ab und schützt diese.
Der Formharzteil 140 ist eine Komponente zum Halten des Sensor-Chips 150. Der Formharzteil 140 weist eine Säulengestalt mit einem Endteil 141 und einem anderen Endteil 142 auf, das dem einen Endteil 141 gegenüberliegt. Der Formharzteil 140 hält den Sensor-Chip 150 in der Nähe des einen Endteils 141.
Außerdem dichtet der Formharzteil 140 einen Abschnitt eines Anschlussrahmens 143 und eines Schaltungs-Chips 160 ab. Der Anschlussrahmen 143 ist eine Basiskomponente, an dem der Sensor-Chip 150 und der Schaltungs-Chip 160 montiert sind.
Ein ferner Endabschnitt des anderen Endes des Anschlussrahmens 143 liegt von bzw. an dem anderen Endteil 142 des Formharzteils 140 frei und ist mit dem einen Ende des Anschlusses 124 verbunden. Der Anschlussrahmen 143 kann in mehrere Teile unterteilt sein. In einem derartigen Fall kann eine elektrische Verbindung durch einen Verbindungsdraht errichtet werden. Der Anschlussrahmen 143 und der Anschluss 124 können auch durch den Verbindungsdraht verbunden werden bzw. sein.
Der Schaltungs-Chip 160 ist ein IC-Chip, der mit einer integrierten Halbleiterschaltung wie einem Speicher ausgebildet ist. Der Schaltungs-Chip 160 wird unter Verwendung eines Halbleitersubstrats ausgebildet. Der Schaltungs-Chip 160 führt dem Sensor-Chip 150 Strom zu und führt die Signalverarbeitung eines Temperatursignals, das von dem Sensor-Chip 150 ausgegeben wird, auf der Grundlage eines voreingestellten Signalverarbeitungswertes durch. Der Signalverarbeitungswert ist ein Einstellwert beispielsweise zum Verstärken, Berechnen und Korrigieren des Signalwertes des Temperatursignals. Der Schaltungs-Chip 160 ist mit dem Sensor-Chip 150 über den Anschlussrahmen 143 mittels eine Verbindungsdrahtes (nicht gezeigt) elektrisch verbunden.
Der Sensor-Chip 150 ist eine elektronische Komponente zum Erfassten der Temperatur des Messobjektes. Der Sensor-Chip 150 wird an dem Anschlussrahmen 143 durch beispielsweise eine Silberpaste montiert. Der Sensor-Chip 150 besteht aus einem plattenförmigen geschichteten Substrat, das durch Schichten von mehreren Schichten (nicht gezeigt) ausgebildet wird. Hinsichtlich der Schichten werden mehrere Wafer als eine Wafer-Level-Packung geschichtet und in einem Halbleiterprozess oder Ähnlichem verarbeitet und dann in einen jeweiligen Sensorchip 150 getrennt (diced).
Wie es in 2 gezeigt ist, weist der Sensorchip 150 ein Sensorelement 151 zum Erfassen der Temperatur des Messobjektes auf. Das Sensorelement 151 ist eine Erfassungseinheit zum Ausgeben eines Temperatursignals entsprechend der Temperatur des Messobjektes. Das Sensorelement 151 besteht aus mehreren piezoresistiven Elementen 152, deren Widerstandswerte sich entsprechend der Temperatur des Messobjektes ändern. Jedes piezoresistive Element 152 ist ein diffundierter Widerstand, der durch Ionenimplantation in eine Halbleiterschicht unter den Schichten des geschichteten Substrats ausgebildet wird.
Die Halbleiterschicht ist beispielsweise eine Einkristallsiliziumschicht vom N-Typ. Jedes piezoresistive Element 152 ist als ein Bereich vom P⁺-Typ oder ein Bereich von P-Typ ausgebildet. Das heißt, jedes piezoresistive Element 152 ist als ein Halbleiter vom P-Typ ausgebildet. Außerdem sind andere elektrische Elemente wie beispielsweise ein Draht bzw. Kabel und eine Anschlussfläche in dem Sensor-Chip 150 ausgebildet.
Die piezoresistiven Elemente 152 sind elektrisch miteinander verbunden, um eine Wheatstone-Brückenschaltung auszubilden. Die Wheatstone-Brückenschaltung erhält Gleichstrom von dem Schaltungs-Chip 160. Dadurch ist es unter Verwendung des piezoresistiven (druckelektrischen) Effektes eines jeweiligen piezoresistiven Elementes 152 möglich, als Temperatursignal eine Spannung entsprechend der Temperatur des Messobjektes zu erfassen.
Das heißt, der Sensorchip 150 erfasst die Widerstandsänderung der piezoresistiven Elemente 152 entsprechend der Wärme, die das geschichtete Substrat von dem Messobjekt empfängt, als Brückenspannung der Wheatstone-Brückenschaltung. Dann gibt der Sensor-Chip 150 die Brückenspannung als Temperatursignal aus. Der Sensor-Chip 150 ist in dem einen Endteil 141 des Formharzteils 140 abgedichtet, wobei ein Teil, der einer Temperaturerfassungseinheit entspricht, frei liegt.
Wie es in 2 gezeigt ist, weist andererseits der Schaltungs-Chip 160 eine Konstantstromschaltungseinheit 161, eine Korrekturschaltungseinheit 162, eine Vorstufeneinstelleinheit 163 und eine Folgestufeneinstelleinheit 164 auf. Die Konstantstromschaltungseinheit 161 ist eine Schaltungseinheit zum Zuführen eines konstanten Stromes zu dem Sensorelement 151 des Sensor-Chips 150.
Die Korrekturschaltungseinheit 162 ist eine Schaltungseinheit zum Erzeugen eines Korrekturwertes zum Korrigieren eines Sensorfehlers, der in dem Temperatursignal enthalten ist. Die Korrekturschaltungseinheit 162 weist ein Erfassungselement 165 und eine Fehlereinstelleinheit 166 auf. Das Erfassungselement 165 ist ein Element zum Erfassen der Temperatur des Schaltungs-Chips 160. Das Erfassungselement 165 ist ein temperaturempfindlicher Widerstand, dessen Widerstandswert sich entsprechend der Temperatur ändert. Das Erfassungselement 165 ist in dem Schaltungs-Chip 160 enthalten.
Ein Einkristallsiliziumsubstrat vom N-Typ wird beispielsweise für den Schaltungs-Chip 160 verwendet. Das Erfassungselement 165 ist auf dem Einkristallsiliziumsubstrat als ein Bereich vom P⁺-Typ oder Bereich vom P-Typ ausgebildet. Das heißt, das Erfassungselement 165 ist als ein Halbleiter vom P-Typ ausgebildet. Außerdem ist das Erfassungselement 165 ein Widerstand mit einem positiven Widerstandstemperaturkoeffizienten. Das Erfassungselement 165 ist dasselbe Widerstandselement wie das piezoresistive Element 152. Außerdem werden das Sensorelement 151 und das Erfassungselement 165 durch Widerstandselemente bereitgestellt, deren Verunreinigungskonzentrationen derart eingestellt sind, dass die jeweiligen Widerstandstemperaturkoeffizienten gleich sind.
Die Fehlereinstelleinheit 166 empfängt das Erfassungssignal des Erfassungselementes 165 und das Temperatursignal des Sensor-Chips 150 und erzeugt ein Korrektursignal zum Korrigieren eines Sensorfehlers, der in dem Temperatursignal enthalten ist, auf der Grundlage dieser Signale. Die Fehlereinstelleinheit 166 gibt das Korrektursignal an die Folgestufeneinstelleinheit 164 aus.
Die Vorstufeneinstelleinheit 163 ist mit dem Sensorelement 151 des Sensor-Chips 150 verbunden. Die Vorstufeneinstelleinheit 163 ist eine Schaltungseinheit zum Durchführen der Empfindlichkeitseinstellung des Temperatursignals, das von dem Sensorelement 151 empfangen wird. Die Folgestufeneinstelleinheit 164 ist mit der Korrekturschaltungseinheit 162 und der Ausgangsseite der Vorstufeneinstelleinheit 163 verbunden. Die Folgestufeneinstelleinheit 164 ist eine Schaltungseinheit zur Durchführung einer Offset-Einstellung für das in der Empfindlichkeit eingestellte Temperatursignal und zum Korrigieren des Sensorfehlers auf der Grundlage des Korrektursignals.
Wie es in 3 gezeigt ist, weist die Korrekturschaltungseinheit 162 genauer eine DAC/ROM-Einheit 167, mehrere Operationsverstärker 168, 169, 170, 171 und mehrere Widerstände 172, 173, 174, 175, 176, 177, 178 auf. Diese Elemente bilden einen Spannungsfolger, eine Verstärkerschaltung und Ähnliches.
Die DAC/ROM-Einheit 167 speichert Informationen wie beispielsweise Bezugspotentiale und einen Widerstandswert. Die DAC/ROM-Einheit 167 wandelt die gespeicherten Informationen in analoge Signale um und stellt die Bezugspotentiale der Operationsverstärker 169, 170 und den Widerstandswert des Widerstands 177 ein.
Die Korrekturschaltungseinheit 162 stellt das Erfassungssignal des Erfassungselementes 165 durch die Schaltungskonfiguration der obigen Elemente ein. Das Erfassungssignal ist ein Signal, dessen Signalwert proportional zu der Temperatur ist. Die Korrekturschaltungseinheit 162 weist eine Funktion zum Ausrichten des Gradienten und des Offset-Wertes des Signalwertes des Erfassungssignals an dem Gradienten und dem Offset-Wert des Signalwertes des Temperatursignals auf. Dieses dient zum Verhindern, dass das Temperatursignal korrigiert wird, wenn es keine Temperaturdifferenz zwischen dem Sensorelement 151 und dem Schaltungs-Chip 160 gibt.
Die Vorstufeneinstelleinheit 163 ist eine Schaltungseinheit zum Durchführen der Empfindlichkeitseinstellung des Temperatursignals. Die Vorstufeneinstelleinheit 163 ist eine Differenzverstärkerschaltungseinheit, die einen Widerstand 179, einen Operationsverstärker 180 und eine Empfindlichkeitseinstellschaltungseinheit 181 aufweist. Die Vorstufeneinstelleinheit 163 korrigiert die Empfindlichkeit des Temperatursignals entsprechend einem Empfindlichkeitskorrekturwert, der in der Empfindlichkeitseinstellschaltungseinheit 181 gespeichert ist, und gibt dieses aus.
Die Folgestufeneinstelleinheit 164 ist eine Schaltungseinheit zum Durchführen der Offset-Einstellung des Temperatursignals. Die Folgestufeneinstelleinheit 164 ist eine Differenzverstärkerschaltungseinheit, die Widerstände 182, 183, einen Operationsverstärker 184 und eine Offset-Einstellschaltungseinheit 185 aufweist. Die Folgestufeneinstelleinheit 164 korrigiert den Offset des in der Empfindlichkeit eingestellten Temperatursignals entsprechend einem Offset-Korrekturwert, der in der Offset-Einstellschaltungseinheit 185 gespeichert ist, und gibt dieses aus. Das Obige bildet die gesamte Konfiguration der Sensorvorrichtung 100.
Im Folgenden wird der Sensorfehler beschrieben, der in dem Temperatursignal enthalten ist. Wie es in 4 gezeigt ist, gibt es mehrere Pfade, über die die Wärme der Umgebungstemperatur das Messobjekt innerhalb des Rohres 200 erreicht.
Ein erster Pfad 101 ist ein Pfad, über den die Wärme der Umgebungstemperatur das Messobjekt innerhalb des Rohres 200 durch das Gehäuse 110 und das Rohr 200 erreicht. Ein zweiter Pfad 102 ist ein Pfad, über den die Wärme der Umgebungstemperatur das Messobjekt innerhalb des Rohres 200 über das Gehäuse 110 und das Messobjekt erreicht, das in dem Mediumeinleitungsloch 114 angeordnet ist. Ein dritter Pfad 103 ist ein Pfad, über den die Wärme der Umgebungstemperatur das Messobjekt innerhalb des Rohres 200 über den geformten Harzteil 120, den Formharzteil 140 und das Messobjekt erreicht, das in dem Mediumeinleitungsloch 114 angeordnet ist.
Ein vierter Pfad 104 ist ein Pfad, über den die Wärme der Umgebungstemperatur das Messobjekt innerhalb des Rohres 200 über den geformten Harzteil 120, den Formharzteil 140, den Schaltungs-Chip 160, den Anschlussrahmen 143, den Sensor-Chip 150 und das Messobjekt erreicht, das in dem Mediumeinleitungsloch 114 angeordnet ist.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben sich auf den Wärmefluss fokussiert, der in der genannten Reihenfolge über den vierten Pfad 104 durch den Schaltungs-Chip 160, den Anschlussrahmen 143, den Sensor-Chip 150 und das Messobjekt, das in dem Mediumeinleitungsloch 114 angeordnet ist, zu dem Messobjekt innerhalb des Rohres 200 fließt. Die Temperatur des Sensor-Chips 150 ist gleich der Temperatur des Sensorelementes 151. Daher ist im Folgenden die Temperatur des Sensor-Chips 150 die Temperatur des Sensorelementes 151.
Durch den Wärmefluss tritt eine Temperaturdifferenz zwischen dem Messobjekt innerhalb des Rohres 200 und dem Sensorelement 151 auf. Daher enthält die von dem Sensorelement 151 gemessene Temperatur einen Sensorfehler. Der Sensorfehler ist eine Komponente, die durch die Temperaturdifferenz zwischen dem Messobjekt innerhalb des Rohres 200 und dem Sensorelement 151 verursacht wird. Außerdem tritt eine Temperaturdifferenz zwischen dem Schaltungs-Chip 160 und dem Sensorelement 151 auf.
Auf der Grundlage des Auftretens der Temperaturdifferenz haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung eine Korrelation zwischen der Temperaturdifferenz zwischen dem Schaltungs-Chip 160 und dem Sensorelement 151 und der Temperaturdifferenz zwischen dem Sensorelement 151 und dem Messobjekt innerhalb des Rohres 200 gefunden.
Wie es in 5 gezeigt ist, erhöht sich die Temperaturdifferenz zwischen dem Sensorelement 151 und dem Messobjekt innerhalb des Rohres 200, wenn sich die Temperaturdifferenz zwischen dem Schaltungs-Chip 160 und dem Sensorelement 151 erhöht. Das heißt, der Sensorfehler erhöht sich mit einer konstanten Rate in Bezug auf die Temperaturdifferenz zwischen dem Schaltungs-Chip 160 und dem Sensorelement 151. Mit anderen Worten, wenn das Temperatursignal einen Sensorfehler enthält, tritt eine dem Sensorfehler entsprechende Temperaturdifferenz zwischen dem Sensorelement 151 und dem Schaltungs-Chip 160 auf.
Auf der Grundlage der obigen Korrelation haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung gedacht, dass der Sensorfehler, der in dem Temperatursignal enthalten ist, auf der Grundlage der Temperaturdifferenz zwischen dem Schaltungs-Chip 160 und dem Sensorelement 151 korrigiert werden kann. Daher weist die Sensorvorrichtung 100 der vorliegenden Ausführungsform die in den 1 bis 3 gezeigte Konfiguration auf.
Im Folgenden wird ein Verfahren zum Korrigieren des Sensorfehlers, der in dem Temperatursignal enthalten ist, beschrieben. Zunächst gibt der Sensorchip 150 die Brückenspannung des Sensorelementes 151 als Temperatursignal aus. Es kann ein Sensorfehler in dem Temperatursignal enthalten sein.
Der Schaltungs-Chip 160 empfängt das Temperatursignal von dem Sensor-Chip 150 und stellt das Temperatursignal der Korrekturschaltungseinheit 162 und der Vorstufeneinstelleinheit 163 bereit. Die Vorstufeneinstelleinheit 163 korrigiert die Empfindlichkeit des Temperatursignals entsprechend dem Empfindlichkeitskorrekturwert, der in der Empfindlichkeitseinstellschaltungseinheit 181 gespeichert ist, und gibt das in der Empfindlichkeit korrigierte Temperatursignal an die Folgestufeneinstelleinheit 164 aus.
Das Erfassungselement 165 der Korrekturschaltungseinheit 162 erfasst die Temperatur des Schaltungs-Chips 160, um ein Erfassungssignal zu erhalten. Die Fehlereinstelleinheit 166 der Korrekturschaltungseinheit 162 erzeugt einen Fehlerkorrekturwert zum Korrigieren des Sensorfehlers, der in dem Temperatursignal enthalten ist, auf der Grundlage des Temperatursignals und des Erfassungssignals.
Dadurch richtet die Fehlereinstelleinheit 166 mittels der Schaltung um die Operationsverstärker 169, 170 die konstante Erhöhungsrate des Signalwertes des Erfassungssignals in Bezug auf die Temperatur und den Offset-Wert des Signalwertes des Erfassungssignals zu jeweils der konstanten Erhöhungsrate des Signalwertes des Temperatursignals in Bezug auf die Temperatur und den Offset-Wert des Signalwertes des Temperatursignals aus. Dadurch wird das Temperatursignal nicht korrigiert, wenn keine Temperaturdifferenz zwischen dem Schaltungs-Chip 160 und dem Sensorelement 151 auftritt.
Durch die Schaltung um den Operationsverstärker 171 erzeugt die Fehlereinstelleinheit 166 dann einen Fehlerkorrekturwert, der sich mit einer konstanten Verringerungsrate verringert, die dieselbe Rate wie die konstante Erhöhungsrate des Signalwertes des Erfassungssignals in Bezug auf die Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des Erfassungssignals und der Temperatur des Temperatursignals ist.
Wie es in 6 gezeigt ist, verringert sich der Fehlerkorrekturwert mit der konstanten Verringerungsrate in Bezug auf die Temperaturdifferenz zwischen dem Schaltungs-Chip 160 und dem Sensorelement 151. Der Gradient des Fehlerkorrekturwertes wird durch Umkehren der Polarität bzw. des Vorzeichens des Gradienten des Erfassungssignals, das heißt des Gradienten des Temperatursignals erhalten. Die Korrekturschaltungseinheit 162 gibt das Signal, das dem Fehlerkorrekturwert entspricht, an die Folgestufeneinstelleinheit 164 aus.
Die Folgestufeneinstelleinheit 164 korrigiert die Empfindlichkeit des Temperatursignals entsprechend dem Offset-Korrekturwert, der in der Offset-Einstellschaltungseinheit 185 gespeichert ist. Außerdem korrigiert die Folgestufeneinstelleinheit 164 den Sensorfehler, der in dem Temperatursignal enthalten ist, durch Addieren des Fehlerkorrekturwertes zu dem Temperatursignal.
Da wie in 7 gezeigt der Fehlerkorrekturwert zu dem Temperatursignal addiert wird, wird der Sensorfehler in Bezug auf die Temperaturdifferenz zwischen dem Schaltungs-Chip 160 und dem Sensorelement 151 ausgelöscht bzw. gleich null. Wenn ein Sensorfehler in dem Temperatursignal enthalten ist, wird daher das Temperatursignal mit dem Fehlerkorrekturwert korrigiert.
Wenn andererseits der Sensorfehler nicht in dem Temperatursignal enthalten ist, gibt es keine Temperaturdifferenz zwischen dem Schaltungs-Chip 160 und dem Sensorelement 151. In diesem Fall ist der in 5 gezeigte Sensorfehler gleich null. Dementsprechend ist der in 6 gezeigte Fehlerkorrekturwert gleich null. Daher addiert die Folgestufeneinstelleinheit 164 den Fehlerkorrekturwert von null zu dem Temperatursignal. Dieses verhindert eine Korrektur des Temperatursignals, wenn keine Temperaturdifferenz zwischen dem Schaltungs-Chip 160 und dem Sensorelement 151 auftritt.
Somit korrigiert der Schaltungs-Chip 160 das Temperatursignal entsprechend der Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des Schaltungs-Chips 160, die durch das Erfassungselement 165 erfasst wird, und der Temperatur des Messobjektes, die durch das Sensorelement 151 erfasst wird. Außerdem gibt der Schaltungs-Chip 160 das korrigierte Temperatursignal zur Außenseite aus.
Wie es oben beschrieben wurde, ist es möglich, den Sensorfehler, der in dem Temperatursignal enthalten ist, entsprechend der Temperaturdifferenz unter Verwendung der Korrelation zwischen dem Sensorfehler und der Temperaturdifferenz zwischen dem Schaltungs-Chip 160 und dem Sensorelement 151 zu korrigieren. Daher ist es möglich, den Sensorfehler, der durch die Temperaturdifferenz zwischen dem Messobjekt und dem Sensorelement 151 verursacht wird, zu verringern.
Das heißt, es ist möglich, die Temperatur des Messobjektes in einer Situation zu messen, in der wahrscheinlich eine Temperaturdifferenz zwischen dem Schaltungs-Chip 160, dem Sensorelement 151, dem Inneren des Mediumeinleitungsloches 114 und/oder dem Inneren des Rohres 200 auftritt. In einem derartigen Fall ist der Sensor-Chip 150 an einer Position , die dem dicken Teil 201 entspricht, anstelle an dem zentralen Teil des Rohres 200 angeordnet, aber aufgrund der Verwendung der Temperaturdifferenz zwischen den Teilen ist es möglich, die Temperatur des Messobjektes zu messen. Insbesondere ist dieses zur Messung in dem Fall geeignet, in dem die Temperatur des Messobjektes eine sehr hohe Temperatur oder eine sehr niedrige Temperatur ist, und in einem speziellen Fall, in dem das Messobjekt eine starke Säure oder Ähnliches ist.
Ein Sensorfehler kann beispielsweise aufgrund des Einflusses der Umgebungstemperatur auftreten. Dieses ist ein Fall, in dem die Wärme der Umgebungstemperatur zu dem Sensorelement 151 über den zweiten Pfad 102 und den dritten Pfad 103 wie in 4 gezeigt geleitet wird. In diesem Fall erhöht sich der Sensorfehler, wenn sich die Temperaturdifferenz zwischen der Umgebungstemperatur und der Temperatur des Messobjektes erhöht, wie es in 8 gezeigt ist. Der Schaltungs-Chip 160 erzeugt jedoch den Fehlerkorrekturwert, korrigiert das Temperatursignal mit dem Fehlerkorrekturwert und kann dadurch den Sensorfehler auf nahezu null verringern.
Außerdem kann der Sensorfehler aufgrund des Einflusses der Erzeugung von Wärme in dem Schaltungs-Chip 160 auftreten. Dieses ist ein Fall, in dem die Wärme des Schaltungs-Chips 160 über den vierten Pfad 104 wie in 4 gezeigt durch den Anschlussrahmen 143 zu dem Sensorelement 151 geleitet wird. Wie es in 9 gezeigt ist, erhöht sich in diesem Fall der Sensorfehler mit einem Anstieg der Temperatur des Schaltungs-Chips 160, nachdem die Stromzufuhr zu dem Schaltungs-Chip 160 eingeschaltet wurde. Der Schaltungs-Chip 160 ist mit einer Halbleitervorrichtung ausgebildet und wird daher stark durch die Erzeugung von Wärme beeinflusst. Nach dem Verstreichen einer bestimmten Zeit seit dem Einschalten der Stromzufuhr zu dem Schaltungs-Chip 160 wird die Temperatur des Schaltungs-Chips 160 zu einem konstanten Wert, und der Sensorfehler wird ebenfalls zu einem konstanten Wert.
Da die Erzeugung des Fehlerkorrekturwertes in diesem Fall unmittelbar nach dem Einschalten der Stromzufuhr zu dem Schaltungs-Chip 160 gestartet wird, ist es möglich, den Sensorfehler unmittelbar nach dem Einschalten der Stromzufuhr zu dem Schaltungs-Chip 160 zu korrigieren. Daher ist es möglich, den Sensorfehler unabhängig von der Erzeugung von Wärme des Schaltungs-Chips 160 auf nahezu null zu verringern.
Wie es in 10 gezeigt ist, ist die Fließgeschwindigkeit des Messobjektes, das innerhalb des Rohres 200 fließt, in dem Inneren des Gehäuses 110 niedriger als auf dessen Außenseite. Daher kann ein Sensorfehler aufgrund der Reaktionsverzögerung des Sensorelementes 151 in Bezug auf das Messobjekt auftreten. Da es Zeit benötigt, bis das Messobjekt den Temperaturerfassungsteil des Sensor-Chips 150 erreicht, tritt in diesem Fall eine Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des Messobjektes innerhalb des Rohres 200 und der Messtemperatur zu dem Zeitpunkt der Messung während eines Übergangs auf, bei dem das Messobjekt sein Fließen startet, wie es in 11 gezeigt ist. Das heißt, die Temperatur, die von dem Sensorelement 151 erfasst wird, ist niedriger als die Temperatur des Messobjektes innerhalb des Rohres 200.
In einem derartigen Fall korrigiert der Schaltungs-Chip 160 ebenfalls das Temperatursignal auf der Grundlage des Fehlerkorrekturwertes und kann dadurch die Temperatur des Messobjektes innerhalb des Rohres 200 erlangen. Insbesondere ist es möglich, die Genauigkeit der Messtemperatur während des Übergangs, in dem das Messobjekt ein Fließen startet, zu verbessern.
Gemäß einer Modifikation kann beispielsweise ein Thermistor als ein Element zum Erfassen der Temperatur des Messobjektes verwendet werden.
Gemäß einer weiteren Modifikation kann der Schaltungs-Chip 160 eine Verarbeitung zum Einstellen der Verstärkung des Temperatursignals oder eine Verarbeitung zum Gewichten des Temperatursignals und dadurch zum Korrigieren des Sensorfehlers durchführen. Die Verstärkung und der Gewichtswert werden in Bezug auf die Temperaturdifferenz zwischen dem Schaltungs-Chip 160 und dem Sensorelement 151 eingestellt. Somit kann ein anderes Korrekturverfahren als das Verfahren zum Addieren des Fehlerkorrekturwertes zu dem Temperatursignal verwendet werden.
Gemäß einer weiteren Modifikation kann der Schaltungs-Chip 160 eine Funktion zum Schätzen der Umgebungstemperatur einer Umgebung, in der die Sensorvorrichtung 100 angeordnet ist, aufweisen. Der Schaltungs-Chip 160 erlangt drei Temperaturen, d.h. die korrekte Temperatur des Messobjektes, die durch die Korrektur des Temperatursignals erhalten wird, die Temperatur des Sensorelementes 151, die durch das Temperatursignal angegeben wird, und die Temperatur des Schaltungs-Chips 160, die durch das Erfassungselement 165 angegeben wird. Dann schätzt der Schaltungs-Chip 160 die Umgebungstemperatur aus diesen drei Temperaturen.
Das piezoresistive Element 152 gemäß der vorliegenden Ausführungsform entspricht einem Widerstandselement.
Zweite Ausführungsform
In der vorliegenden Ausführungsform werden Teile, die sich von denjenigen der ersten Ausführungsform unterscheiden, beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform erfasst das Sensorelement 151 den Druck des Messobjektes. Daher weist der Sensor-Chip 150 eine Membran (nicht gezeigt) auf.
Der Sensor-Chip 150 wird beispielsweise durch ein geschichtetes Substrat ausgebildet, das aus fünf Schichten ausgebildet ist. Von den fünf Schichten bilden beispielsweise eine erste Schicht, eine zweite Schicht und eine dritte Schicht ein SOI-Substrat, und eine vierte Schicht und eine fünfte Schicht bilden ein Hauben-Substrat. Die zweite Schicht und die dritte Schicht sind als dünnwandige Membran ausgebildet. Die dritte Schicht ist eine Halbleiterschicht aus beispielsweise Silizium, und es sind mehrere piezoresistive Elemente 152 darauf ausgebildet.
Die vierte Schicht und die fünfte Schicht weisen einen vertieften Teil auf, bei dem ein Teil, der dem Erfassungsbereich der Membran entspricht, vertieft ist. Der vertiefte Teil schafft einen Raumteil, der durch Schichten der dritten Schicht, der vierten Schicht und der fünften Schicht umschlossen wird. Der Raumteil ist beispielsweise eine Vakuumkammer. Daher ist der Druck, der von dem Sensor-Chip 150 gemessen wird, ein absoluter Druck.
Die piezoresistiven Elemente 152 werden verwendet, um den Druck und die Temperatur zu erfassen. Da die piezoresistiven Elemente 152 eine Wheatstone-Brückenschaltung wie oben beschrieben ausbilden, wird die Änderung der Mittelpunktspannung der Wheatstone-Brückenschaltung aufgrund der Widerstandsänderung der piezoresistiven Elemente 152 entsprechend der Verzerrung der Membran als ein Drucksignal ausgegeben. Die piezoresistiven Elemente 152 können separat jeweils zur Temperaturerfassung und zur Druckerfassung auf dem Sensor-Chip 150 ausgebildet sein.
Der Schaltungs-Chip 160 empfängt das Drucksignal von dem Sensor-Chip 150 und korrigiert den Druckwert des Messobjektes auf der Grundlage des korrigierten Temperatursignals. Da das piezoresistive Element 152 einen Widerstandswert aufweist, der sich entsprechend der Temperatur ändert, ist es möglich, die Genauigkeit des Druckwertes durch die Temperaturkorrektur des Druckwertes zu verbessern. Dadurch kann die Sensorvorrichtung 100 einen in der Temperatur korrigierten Druckwert zur Außenseite ausgeben.
Gemäß einer Modifikation kann der Sensor-Chip 150 mindestens eines aus der Fließrate, der Viskosität, der Feuchtigkeit und der Beschleunigung des Messobjektes zusätzlich zu dem Druck als einer physikalischen Größe, die nicht die Temperatur des Messobjektes ist, erfassen. Das heißt, der Sensor-Chip 150 weist abgesehen von der Temperaturerfassungseinheit eine Erfassungseinheit zum Erfassen der Fließrate, der Viskosität, der Feuchtigkeit oder der Beschleunigung auf. Der Schaltungs-Chip 160 korrigiert die physikalische Größe, die nicht die Temperatur des Messobjektes ist, auf der Grundlage des korrigierten Temperatursignals.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die obigen Ausführungsformen beschränkt, und es sind verschiedene Änderungen und Modifikationen innerhalb des Bereiches der vorliegenden Erfindung möglich.
Das Anbringungsobjekt der Sensorvorrichtung 100 ist nicht auf das Rohr 200 beschränkt, und die Sensorvorrichtung 100 kann an einem Anbringungsobjekt wie beispielsweise einem Behälter fixiert werden. In diesem Fall erfasst die Sensorvorrichtung 100 die Temperatur des Messobjektes innerhalb des Behälters.
Die elektrische Verbindungskomponente zwischen dem Schaltungs-Chip 160 und dem Sensor-Chip 150 ist nicht auf einen Anschlussrahmen 143 beschränkt. Der Schaltungs-Chip 160 und der Sensor-Chip 150 können beispielsweise auf einer Leiterplatte montiert sein.
Während die vorliegende Erfindung mit Bezug auf ihre Ausführungsformen beschrieben wurde, ist es selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf die Ausführungsformen und Konstruktionen beschränkt ist. Die vorliegende Erfindung deckt verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen ab. Zusätzlich zu den verschiedenen Kombinationen und Konfigurationen sind weitere Kombinationen und Konfigurationen einschließlich mehr, weniger oder nur einem einzelnen Element innerhalb des Bereiches der vorliegenden Erfindung möglich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2017129536 A [0004]

Claims

Sensorvorrichtung, die aufweist: ein Sensorelement (151), das eine Temperatur eines zu messenden Messobjektes erfasst und ein Temperatursignal entsprechend der Temperatur des Messobjektes ausgibt; und einen Schaltungs-Chip (160), der das Temperatursignal empfängt und eine Signalverarbeitung durchführt, wobei das Temperatursignal einen Sensorfehler enthält, der durch eine Temperaturdifferenz zwischen dem Messobjekt und dem Sensorelement verursacht wird, wenn das Temperatursignal den Sensorfehler enthält, eine Temperaturdifferenz zwischen dem Sensorelement und dem Schaltungs-Chip entsprechend dem Sensorfehler auftritt, und der Schaltungs-Chip ein Erfassungselement (165) enthält, das eine Temperatur des Schaltungs-Chips erfasst, und der Schaltungs-Chip das Temperatursignal entsprechend einer Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des Schaltungs-Chips, die von dem Erfassungselement erfasst wird, und der Temperatur des Messobjektes, die von dem Sensorelement erfasst wird, korrigiert und ein korrigiertes Temperatursignal zur Außenseite ausgibt.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Sensorfehler sich mit einer konstanten Erhöhungsrate in Bezug auf die Temperaturdifferenz zwischen dem Schaltungs-Chip und dem Sensorelement erhöht, und der Schaltungs-Chip einen Fehlerkorrekturwert erzeugt und den Sensorfehler durch Addieren des Fehlerkorrekturwertes zu dem Temperatursignal korrigiert, wobei sich der Fehlerkorrekturwert mit einer konstanten Verringerungsrate verringert, die dieselbe Rate wie die konstante Erhöhungsrate in Bezug auf die Temperaturdifferenz zwischen dem Schaltungs-Chip und dem Sensorelement ist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Sensor-Chip zusätzlich zu der Temperatur des Messobjektes mindestens eines aus einem Druck, einer Fließrate, einer Viskosität, einer Feuchtigkeit und einer Beschleunigung des Messobjektes als einer physikalischen Größe erfasst, die nicht die Temperatur des Messobjektes ist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Schaltungs-Chip die physikalische Größe, die nicht die Temperatur des Messobjektes ist, auf der Grundlage des korrigierten Temperatursignals korrigiert.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Sensorelement und das Erfassungselement jeweils durch ein Widerstandselement (152) bereitgestellt werden, das aus einem Halbleiter vom P-Typ ausgebildet ist, dessen Widerstandswert sich entsprechend der Temperatur des Messobjektes ändert.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Sensorelement und das Erfassungselement positive Widerstandstemperaturkoeffizienten aufweisen und Verunreinigungskonzentrationen aufweisen, die derart eingestellt sind, dass die jeweiligen Widerstandstemperaturkoeffizienten gleich sind.