DE19527226A1 - Thermoelektrischer Meßkonverter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen thermoelektrischen Meßkonverter zur Messung der elektrischen Leistung und Energie.

Herkömmliche Meßkonverter zur Messung der elektronischen Leistung beruhen auf dem Prinzip der elektromechanischen Umsetzung des Produktes aus Spannung und Strom in ein mechanisches Kraftmoment. Als Nachteil dieser elektromechanischen Umsetzung wird empfunden, daß die Umsetzung nur in einem engen Frequenzbereich möglich und die Umsetzungsgenauigkeit nur gering ist.

Fortschritte auf dem Gebiet der Elektronik führten zu elektronischen Meßkonvertern. Bekannte elektronische Meßkonverter zur Präzisionsmessung der elektrischen Leistung bestehen meistens aus Schaltkreisen, die die Momentanwerte der Eingangssignale in Impuls- oder Digitalsignale für die nachfolgende Verarbeitung umwandeln. Der Nachteil dieser Schaltkreise besteht darin, daß wegen des Abtastprinzips die Meßgenauigkeit bei höheren Frequenzen durch die Abtastfrequenz begrenzt ist. Die herkömmlichen Halbleiterelemente begrenzen die maximale Frequenz der Meßsignale abhängig von der verlangten Meßgenauigkeit auf Werte von 10³ bis 10⁵Hz. Der hierbei erreichte Umsetzungsfehler beträgt etwa 10^-4 (Seppä u. a., "A Digital Three-Phase Watthour Meter", Conference on Precision Electromagnetic Measurements, Conference Digest, Ottawa, Juni 1990).

Als Nachteile der Geräte, die das Abtastprinzip benutzen, werden auch die Interferenz zwischen Meßfrequenz und Abtastfrequenz sowie die problematische Verarbeitung der Impulssignale empfunden.

Die Multipliziergeräte, die auf nichtlinearen Schaltungen oder auf dem Hall-Effekt beruhen, sind zwar konstruktiv einfach aufgebaut, doch sind durch sie eine höhere Meßgenauigkeit und Langzeitstabilität nicht möglich.

Die genauesten Meßverfahren zur Messung der elektrischen Leistung beruhen auf thermischen Effekten. Bei diesen Meßverfahren werden thermoelektrische Wandler eingesetzt. Die Leistung wird indirekt durch die Effektivwerte von Linearkombinationen der Eingangssignale gemessen. Hierbei trägt der Meßfehler etwa 10^-5. Diese thermoelektrischen Wandler sind jedoch kompliziert aufgebaut und damit teuer (K. Takahashi, S. Kusui. "A Precision Thermal Wattmeter Having a sampling Control System and an Analogue Feedback Loop", Conference on Precision Electromagnetic Measurements, Conference Digest, Ottawa, Juni 1990).

Bekannt ist auch die thermische Multiplikation mittels eines gesteuerten Widerstands und eines Temperaturfühlers, die beide auf einer gemeinsamen und gegen die Umgebung wärmeisolierten Unterlage angeordnet sind (DE 41 17 133 C1). Nachteile dieser einfachen Anordnung bestehen in der Empfindlichkeit gegen den Gleichstromanteil der zu messenden Signale und in der Beeinflussung der Meßgenauigkeit durch die Zuleitungswiderstände.

Zur herkömmlichen Wärmeisolierung der Arbeitswiderstände des thermoelektrischen Meßkonverters wird eine dünne, aus mehreren Schichten bestehende, dielektrische Membran benutzt (M. Klonz, "Current Developments in Accurate AC-DC Difference Measurements", Conference Digest, Boulde Colorado, USA, 1994). Bei einer anderen bekannten Lösung für die Wärmeisolierung ist eine durch Ätzung hergestellte Insel innerhalb eines Substrats vorgesehen, auf der nur die massiven, metallischen Zuleitungen zu den elektronischen Bauteilen mechanisch festgelegt sind (US 4257061 sowie L. Harold Slott, "A Multirange Standard for AC/DC Difference Measurements", IEEE Trans. on Inst. and Meas., IM-35, Nr. 4, Dez. 1986). Diese Zuleitungen müssen aus einem Material hergestellt werden, das ein hohes Verhältnis von elektrischer Leitfähigkeit zur Wärmeleitfähigkeit aufweist. Der Nachteil der einfachen Membran ist die problematische mechanische Stabilität gegen Spannungen, die vom Temperaturgradienten an der Membran verursacht werden. Die Herstellung der mehrschichtigen Membran ist technologisch kompliziert und damit kostenintensiv. Der Nachteil der Konstruktion mit der Festlegung der Zuleitungen auf der freien Insel liegt im komplizierten und damit teuren Herstellungsverfahren.

Ausgehend vom obigen Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen thermoelektrischen Meßkonverter zur Messung der elektrischen Leistung und Energie und das Verfahren zu dessen Herstellung so weiterzubilden, daß die genannten Nachteile weitgehend vermieden und die Herstellungskosten minimiert werden.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Das Wesen des thermoelektrischen Meßkonverters gemäß der Erfindung, der aus einem elektronisch steuerbaren Widerstand und einem Temperaturfühler besteht, welche beide auf einer gegen die Umgebung wärmeisolierten Unterlage angeordnet sind, besteht darin, daß das Ausgangssignal des Meßkonverters als lineare Kombination des Eingangssignals mit dem vom Temperaturfühler abgeleiteten Signal mittels eines Summierers erzeugt wird. Diese Anordnung ermöglicht auch das Messen solcher Eingangssignale, die einen Gleichstromanteil besitzen.

Im Hinblick auf die Minimierung des Umsetzungsfehlers, der sich aufgrund der Joule′schen Verluste in den Leitungen ergibt, ist es vorteilhaft, wenn die Zuleitungen zum Arbeitswiderstand als Potentialelektroden ausgebildet sind. Die optimale Position der Potentialelektroden ist der Ort des Wärmeisolierungsteils, der zwischen dem Arbeitswiderstand und dem Trägersubstrat angeordnet ist.

Der Meßfehler, der sich aufgrund der parasitären, kapazitiven Übertragung des Steuersignals vom steuerbaren Widerstand in den Meßsignalkanal ergibt, kann durch eine Schirmelektrode minimiert werden, die zwischen der Zuleitung zur Steuerelektrode und der Zuleitung zum steuerbaren Widerstand angeordnet ist.

Einige Meßfehlerquellen sind rechnerisch eliminierbar durch Auswertung der Messung verschiedener Kombinationen des Eingangssignals in bezug auf ein Bezugsnullsignal. Aus diesem Grund ist die Schaltung vorteilhaft mit einem elektronisch gesteuerten Umschalter versehen, der die Kombination der Eingangssignale in bezug auf das Bezugsnullsignal an die Eingänge des Meßkonverters liefert.

Ein zweiter steuerbarer Widerstand auf der gemeinsamen, gegen die Umgebung wärmeisolierten Unterlage ermöglicht eine automatische Kompensation der thermischen Wirkung der Leistungsänderung des ersten steuerbaren Widerstands mittels eines Reglers, der die Leistung des zweiten Widerstands steuert. Der zweite Widerstand ist an den Ausgang des Reglers geschaltet, wobei das Eingangssignal des Reglers vom Temperaturfühler abgeleitet ist. Die Genauigkeit dieser Kompensierung wird dadurch verbessert, daß der Regler mit einem elektronischen Multiplizierer versehen ist, dessen Eingängen Signale zugeführt werden, die direkt oder indirekt von den Eingangssignalen abgeleitet sind, und das Ausgangssignal des Multiplizierers wird zum Steuersignal des zweiten Widerstands addiert.

Im Hinblick auf die Unterdrückung des Umgebungstemperatureinflusses ist eine Doppelstruktur optimal, die zwei getrennte, im Hinblick auf den Wärmefluß aus der Umgebung symmetrisch angeordnete Unterlagen umfaßt. Diese Unterlagen sind als Membranen ausgebildet, die eine oder zwei Öffnungen in einem gemeinsamen Substrat teilweise oder ganz abdecken.

An jeder der beiden Unterlagen sind zwei steuerbare Widerstände angeordnet, in deren Symmetrieachse ein Temperatursensor liegt.

Eine Minimierung des Meßfehlers, der wegen der thermischen Asymmetrie des so gebildeten Konverters hervorgerufen wird, ist durch eine homogenisierende Metallschicht möglich, die an den thermoisolierten Unterlagen am Ort der Widerstände angeordnet ist. In vorteilhafter Weise ist die Dicke der homogenisierenden Metallschicht größer als die Dicke der thermoisolierten Unterlage, multipliziert mit dem Verhältnis der Wärmeleitfähigkeit des Materials der thermoisolierten Unterlage zur Wärmeleitfähigkeit des Materials der Metallschicht.

Wenn die homogenisierende Metallschicht aus Material besteht, dessen Temperaturleitfähigkeit (die als Verhältnis der Wärmeleitfähigkeit zur Wärmekapazität pro Volumeneinheit definiert ist) größer als die Temperaturleitfähigkeit des Materials der thermoisolierten Unterlage ist, dann wird der Wärmeausgleich nach schneller Signaländerung beschleunigt, womit die Meßgenauigkeit verbessert wird.

Der thermoelektrische Meßkonverter, dessen die thermoisolierten Unterlagen tragendes Trägersubstrat direkt oder indirekt mit einem oder mehreren Peltier-Thermoelementen versehen ist, ermöglicht es, die Temperatur der aktiven Elemente des Meßkonverters durch Kühlung auf einen Bereich mit kleinen parasitären Strömen und geringem Rauschen zu beschränken und damit die Meßgenauigkeit zu erhöhen.

Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung der monolithischen, dünnen Membran, die als thermoisolierte Unterlage dient, und der integrierten, aktiven und passiven Elemente der Meßkonverter läßt an einem Trägersubstrat durch epitaxiales Wachstum nacheinander eine Stoppschicht, eine Hochwiderstandstrennschicht und mindestens eine Aktivschicht entstehen. In der Aktivschicht werden die Halbleiterelemente hergestellt, und dann wird die dreidimensionale Struktur des Meßkonverters durch selektive, die Stoppschicht nicht angreifende Ätzung von der Seite der Aktivschicht und der Seite des Trägersubstrats her hergestellt.

Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung schematisch dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schaltplan eines thermoelektrischen Meßkonverters,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Thermoisolierteils eines symmetrischen thermoelektrischen Meßkonverters,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Thermoisolierteils eines symmetrischen thermoelektrischen Meßkonverters mit einer homogenisierenden Metallschicht und einer thermoisolierten Unterlage, die mit mehreren Peltier-Thermoelementen versehen ist, und

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer dreidimensionalen Struktur des thermoelektrischen Meßkonverters, die durch epitaxiales Wachstum und dann durch selektive Ätzung herstellbar ist.

In Fig. 1 sind zwei FET-Transistoren 1 und 5 als gesteuerte Widerstände an einer wärmeisolierten Unterlage 3 dargestellt. Ein in einer Differentialschaltung angeordneter Temperaturfühler 2 mißt die Temperaturdifferenz zwischen dieser Unterlage und dem Referenzkörper TR. Ein Operationsverstärker OA1 steuert den Strom des Transistors 1. Ein Operationsverstärker OA2 steuert den Strom des Transistors 5. Ein Operationsverstärker OA3 steuert die Spannung und damit die Leistung des Transistors 5, um das Temperaturgleichgewicht zwischen der wärmeisolierten Unterlage 3 und dem Referenzkörper TR aufrecht zu erhalten. Damit ist der thermische Einfluß der Leistungsänderung des Transistors 1 durch die Leistungsänderung des Transistors 5 automatisch kompensiert. Die Antwort dieser Regelschleife an das Eingangssignal wird durch einen elektronischen Multiplizierer 11 beschleunigt. Die Kompensierung der Gleichstromanteile der Eingangssignale erfolgt durch einen Summierer 6, dessen Ausgangssignal U_out die lineare Kombination der Eingangssignale U1 und U2 und desjenigen Signals ist, das vom Ausgangssignal des Temperaturfühlers 2 abgeleitet ist.

Fig. 2 zeigt eine Konstruktion des Thermoisolierteils eines symmetrischen thermoelektrischen Meßkonverters. Die wärmeisolierte Unterlage 3 hat die Form einer Platte, die einseitig von einem Trägersubstrat 4 gehalten ist. Der Meßkonverter ist mit einer zweiten, in bezug auf Umgebungsstörungen symmetrisch aufgebauten, wärmeisolierten Unterlage 14 mit dem Widerstand 5 und einem Temperaturfühler 13 versehen. Diese zweite Unterlage kann für die Kompensierung des Einflusses der Umgebungstemperaturänderung oder für die Zuleitung eines Vergleichssignals verwendet werden, wenn der thermoelektrische Meßkonverter als Komparator benutzt wird.

Fig. 3 zeigt eine Konstruktion eines symmetrischen, thermoelektrischen Meßkonverters, der mit einer homogenisierenden Metallschicht 27 und 28 ausgerüstet ist. Ein Substrat 20 des Meßkonverters liegt an mehreren thermoelektrischen Peltier-Elementen 29.

Fig. 4 zeigt eine dreidimensionale Struktur des Meßkonverters, die durch epitaxiales Wachstum und zweiseitige Ätzung aufgebaut wird. Auf ein Trägersubstrat 31 wird durch epitaxiales Wachstum nacheinander eine Stoppschicht 32, eine Hochwiderstandstrennschicht 33 und eine Aktivschicht 34 aufgebracht. In der Aktivschicht werden die Halbleiterelemente hergestellt, und dann wird die dreidimensionale Struktur des Meßkonverters durch eine selektive, die Stoppschicht 32 nicht angreifende Ätzung von der Seite der Aktivschicht und der Seite des Trägersubstrats her hergestellt.

Der thermoelektrische Meßkonverter gemäß der Erfindung kann auf dem Gebiet der Messung der elektrischen Leistung und Energie sowie bei der Signalverarbeitung benutzt werden.

Claims (9)

1. Thermoelektrischer Meßkonverter, der das Ausgangssignal als Produkt aus den Momentanwerten zweier Eingangssignale bildet, mit mindestens einem elektronisch steuerbaren Widerstand (1) und mindestens einem Temperaturfühler (2), die beide auf einer gemeinsamen, gegen die Umgebung wärmeisolierten Unterlage (3) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Meßkonverters durch einen Summierer (6) als lineare Kombination der Eingangssignale und des vom Temperaturfühler (2) abgeleiteten Signals erzeugt ist.

2. Meßkonverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Zuleitung des steuerbaren Widerstands (1) an seinem Wärmeisolierteil mit einer Potentialelektrode versehen ist.

3. Meßkonverter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerzuleitung des steuerbaren Widerstands (1) mit einer elektrischen Schirmelektrode (8) zwischen der Steuerzuleitung und der Zuleitung zum steuerbaren Widerstand (1) versehen ist.

4. Meßkonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektronisch gesteuerter Umschalter (10) vorgesehen ist, der zur Zuführung von mindestens zwei verschiedenen Kombinationen der Eingangssignale und des Bezugsnullsignals an die Eingänge des Meßkonverters geschaltet ist.

5. Meßkonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem auf der wärmeisolierten Unterlage (3) ein zweiter steuerbarer Widerstand (5) angeordnet ist, der an den Ausgang eines Reglers angeschaltet ist, wobei das Eingangssignal des Reglers vom Temperaturfühler abgeleitet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler mit einem elektronischen Multiplizierer (11) versehen ist, dessen Eingängen direkt oder indirekt von den Eingangssignalen abgeleitete Signale zugeführt sind, und daß der Ausgang des Multiplizierers (11) an einen Summierer (12) angeschlossen ist, der das Ausgangssignal des Multiplizierers (11) zum Steuersignal des zweiten Widerstands (5) addiert.

6. Meßkonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß er zwei getrennte, im Hinblick auf den Wärmezufluß aus der Umgebung symmetrisch angeordnete Unterlagen (21, 22) umfaßt, die als Membranen ausgebildet sind, die eine oder zwei Öffnungen in einem gemeinsamen Substrat (20) teilweise oder ganz abdecken, und daß an jeder der beiden Unterlagen zwei steuerbare Widerstände (23, 24, 25, 26) angeordnet sind sowie in der Symmetrieachse dieser Widerstände ein Temperatursensor (27, 28) angeordnet ist.

7. Meßkonverter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die thermoisolierten Unterlagen (21, 22) am Ort der Widerstände (23, 24, 25, 26) mit homogenisierenden Metallschichten (27, 28) versehen sind, deren Dicke größer als die Dicke der thermoisolierten Unterlage, multipliziert mit dem Verhältnis der Wärmeleitfähigkeit des Materials der thermoisolierten Unterlage (21, 22) zur Wärmeleitfähigkeit des Materials der Metallschicht (27, 28), ist.

8. Meßkonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das die thermoisolierten Unterlagen (21, 22) tragende Trägersubstrat (20) des Meßkonverters direkt oder indirekt mit einem oder mehreren Peltier-Thermoelementen (29) versehen ist.

9. Verfahren zur Herstellung monolithischer, dünner Membranen, die als thermoisolierte Unterlagen mit integrierten aktiven und passiven Elementen bei einem thermoelektrischen Meßkonverter dienen, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Trägersubstrat (31) durch epitaxiales Wachstum nacheinander eine Stoppschicht (32), eine Hochwiderstandssperrschicht (33) und mindestens eine Aktivschicht (34) aufgebracht wird, daß danach in der Aktivschicht die Halbleiterelemente gebildet werden und daß schließlich eine dreidimensionale Struktur des Meßkonverters durch selektive, die Stoppschicht (32) nicht angreifende Ätzung von der Seite der Aktivschicht (34) und der Seite des Trägersubstrats (31) her hergestellt wird.