DE19642107A1 - Controllable sensor on single carrier chip - Google Patents

Controllable sensor on single carrier chip

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Horst Ahlers
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D3/00—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups
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Abstract

The device contains a resistive heater (2) on a ceramic chip (1) with a tapping (3) at the centre of the heater and two or three sensors (4,5,6) in thermal contact. The centre tapping allow the heater to produce a different temperature across the chip, thereby changing the characteristics of each sensor. Different types of sensor may used: two or three different gas-sensitive layers of doped tin oxide, polymers or ceramics; electro-chemical electrodes; temperature, optical or ion sensors; ozone sensitive sensors coupled with a UV diode. The data processing makes provision for compensation and normalisation.

Description

Die Erfindung wird in der Meßtechnik angewendet.The invention is used in measurement technology.

Bekannt sind steuerbare Sensoren, wie sie in der Veröffentlichung [H. Ahlers: Steuerbare Sensoren. SENSOR report 5/1993, S. 43-46] aufgeführt sind. Durch physikalische Hilfs­ größen werden Sensorkennlinien in ihren Werten verstellbar gemacht. Das physikalische Steuerprinzip ist dort erläutert. Nicht bekannt sind die technischen Lösungen.Controllable sensors are known, as are described in the publication [H. Ahlers: Controllable Sensors. SENSOR report 5/1993, pp. 43-46]. Through physical help values are made adjustable in their characteristic values. The physical The tax principle is explained there. The technical solutions are not known.

Aufgabe der Erfindung ist, Anordnungen zu finden, mit denen ein Verstellen der Sensor­ kennlinien einfach ermöglicht wird.The object of the invention is to find arrangements with which an adjustment of the sensor characteristics is simply made possible.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zwei oder mehr Einzelsensoren auf einem Trägerchip räumlich verteilt angeordnet und mit einem Temperaturerzeugungssystem auf dem Trägerchip gekoppelt sind, welches mindestens eine Anzapfung aufweist. Diese Anzapfung ist so vorzunehmen, daß Teilbereiche des Temperaturerzeugungssystems auf unterschiedliche Temperaturen gebracht werden können, die unterschiedlich auf die zwei oder mehr Einzelsensoren wirken und deren Sensorkennlinie ungleichmäßig zu ver­ schieben gestatten.According to the invention the object is achieved in that two or more individual sensors a carrier chip arranged spatially distributed and with a temperature generation system are coupled to the carrier chip, which has at least one tap. This Tapping is to be carried out so that sections of the temperature generation system are open different temperatures can be brought that are different on the two or more individual sensors act and their sensor characteristic is unevenly ver allow push.

Vorteilhaft ist auch eine zeitlich und durch die Anzapfung auch mögliche örtlich geeignete Variation der Temperatur als Temperaturwelle über das Trägerchip, als Abfolge stocha­ stischer Signale, als Bitfolge, als Sinuswelle, als Sägezahn usw.It is also advantageous to have a suitable location in terms of time and the tapping Variation of the temperature as a temperature wave over the carrier chip, as a sequence stocha static signals, as a bit sequence, as a sine wave, as a sawtooth, etc.

Gekoppelt werden können alle Einzelsensoren mit diesem örtlich und zeitlich variierten Temperaturerzeugungssystem, die in irgendeiner Weise eine Temperaturabhängigkeit aufweisen. Das sind alle Sensoren, zumindest in ihren temperaturabhängigen Arbeits­ bereichen. Wichtig ist die Kopplung von zwei oder mehr Einzelsensoren, weil dadurch die unterschiedliche Aufheizung zu unterschiedlichen Quotienten oder Differenzen führt, die eine Erhöhung der Vielfalt der gewonnenen Signale hervorruft.All individual sensors can be coupled with this, which varies in location and time Temperature generation system that is in some way a temperature dependency exhibit. These are all sensors, at least in their temperature-dependent work areas. It is important to couple two or more individual sensors, because this means that different heating leads to different quotients or differences that causes an increase in the diversity of the signals obtained.

Mathematisch in Matrizenschreibweise gesehen, wird durch die erfindungsgemäße Anord­ nung die Koeffizientenmatrix funktionell von der Ansteuerung des Temperaturerzeugungs­ systems abhängig gemacht, so daß die Übertragungsfunktionen variabel werden und an die Meßaufgabe adaptieren können. Das ist ein bedeutender Fortschritt gegenüber in ihren Sensorkennlinien steuerbaren Sensoren, weil es durch geeignete Ansteuerung des Temperaturerzeugungssystems auch immer eine Kompromißmenge gibt, die sich für zwei oder mehr Sensoren als optimal erweist.Seen mathematically in matrix notation, is by the arrangement according to the invention the coefficient matrix functionally by controlling the temperature generation systems made dependent, so that the transfer functions are variable and to the Can adapt measuring task. This is a significant step forward in their Sensor characteristics controllable sensors because it can be controlled by suitable control of the Temperature generation system also always gives a compromise amount, which is for two or more sensors prove optimal.

In Ausgestaltung der Erfindung wurde gefunden, daß zwei oder drei Einzelsensoren, gekoppelt mit dem angezapften Temperaturerzeugungssystem besonders günstig sind, da sie gegenseitige Normierungen und/oder Kompensationen ermöglichen. So ist beispiels­ weise die Differenzbildung S1 der Sensorsignale U1 und U2 mit den Referenzsignalen U1Ref und U2Ref in folgender Form möglich:
In an embodiment of the invention, it has been found that two or three individual sensors, coupled with the tapped temperature generation system, are particularly advantageous since they enable mutual standardization and / or compensation. For example, the difference S 1 of the sensor signals U 1 and U 2 with the reference signals U 1Ref and U 2Ref is possible in the following form:

S1 = (U1 - U1Ref) - K1 (U2 - U2Ref)
= (U1 - K1 U2) + (K1 U2Ref - U1Ref). S 1 = (U 1 - U 1Ref ) - K 1 (U 2 - U 2Ref )
= (U 1 - K 1 U 2 ) + (K 1 U 2Ref - U 1Ref ).

Darin ist K1 ein Faktor, der so bestimmt wird, daß der Klammerausdruck (K1 U2Ref - U1Ref) gleich Null wird. In gleicher Weise sind S2 und S3 zu bilden und Kompensation herbei­ zuführen. Vor Beginn der Messungen mit den Sensoren müssen damit K1 und weiter K2 und K3 ermittelt werden. Für zwei Sensoren ist diese Kompensation erstmalig möglich und für drei Sensoren durch zyklische Vertauschung zu erreichen. Wird das System der zwei oder drei Sensoren durch die angezapfte Heizung nichtlinear verändert, muß die Bestimmung der K-Faktoren wiederholt werden. Damit sind neue funktionelle Zusammenhänge vorhan­ den, die zur zusätzlichen Meßsignalgewinnung genutzt werden können und die erweiterte Steuerbarkeit der Sensoranordnung demonstrieren.Here K 1 is a factor which is determined in such a way that the bracketed expression (K 1 U 2Ref - U 1Ref ) becomes zero. S 2 and S 3 are to be formed in the same way and compensation is to be brought about. Before starting measurements with the sensors, K 1 and further K 2 and K 3 must be determined. This compensation is possible for two sensors for the first time and can be achieved for three sensors by cyclical swapping. If the system of two or three sensors is changed non-linearly by the tapped heater, the determination of the K factors must be repeated. This means that new functional relationships exist which can be used for additional measurement signal acquisition and demonstrate the increased controllability of the sensor arrangement.

Diese Einzelsensoren können u. a. sein:
These individual sensors can include:

  • - zwei oder drei gleiche oder verschiedene Gassensoren aus Zinndioxid oder Polymeren oder Keramiken- Two or three identical or different gas sensors made of tin dioxide or polymers or ceramics
  • - zwei oder drei gleiche oder verschiedene elektrochemische Elektroden für Ionen- Two or three identical or different electrochemical electrodes for ions
  • - zwei oder drei gleiche oder verschiedene wellenlängenselektive optische Kanäle- Two or three identical or different wavelength-selective optical channels
  • - zwei oder drei verschiedene Sensoren für Leitfähigkeit, Licht und Ionen- two or three different sensors for conductivity, light and ions
  • - zwei oder drei verschiedene Sensoren aus zwei gasempfindlichen Schichten und einer UV-Fotodiode- Two or three different sensors consisting of two gas-sensitive layers and one UV photodiode
  • - zwei oder drei verschiedene Sensoren für Glukose, Säuregehalt und Phenol.- Two or three different sensors for glucose, acidity and phenol.

Die Erfindung soll an einigen Ausführungsbeispielen erläutert werden.The invention will be explained using a few exemplary embodiments.

Fig. 1 enthält ein Keramikchip (1) mit den Abmaßen 2 × 2,1 mm2. Auf diesem ist ein Platinheizer (2) mit 14 Ohm bei 20 °C aufgebracht, der eine Anzapfung (3) in der Mitte aufweist. Es lassen sich damit eine linke Seite, eine rechte Seite und der Gesamt­ widerstand mit unterschiedlichen Strömen beschicken, so daß Wärmewellen und auch unterschiedliche Temperaturgradienten erzeugt werden können. Drei unterschiedlich halb­ leitende, gasempfindliche Schichten (4), (5) und (6) aus dotiertem Zinndioxid SnO2 können so in ihren Werten variiert werden. Fig. 1 comprises a ceramic chip (1) having the dimensions of 2 x 2.1 mm 2. A platinum heater ( 2 ) with 14 ohms at 20 ° C is applied to this, which has a tap ( 3 ) in the middle. It can be a left side, a right side and the total resistance with different currents, so that heat waves and different temperature gradients can be generated. The values of three differently semiconducting, gas-sensitive layers ( 4 ), ( 5 ) and ( 6 ) made of doped tin dioxide SnO 2 can be varied.

Fig. 2 zeigt ein Keramikchip (1) nach Fig. 1, das unterschiedlich ozonempfindliche Schichten (4) und (6) aufweist und eine UV-Diode (7) aus Siliziumkarbid, die bei 254 nm Lichtwellenlänge empfängt und bei geeignetem Arbeitsstrom um 430 nm Licht senden kann. Dies kann zur Ozonerzeugung für die Referenzbildung benutzt werden. Durch Ansteuerung der Heizung mit Sinus- oder Rechteckwellen kann die Reaktion der drei Einzelanordnungen (4), (6), (7) über eine phasenempfindliche Schaltung detektiert werden. Fig. 2 shows a ceramic chip ( 1 ) according to Fig. 1, which has different ozone-sensitive layers ( 4 ) and ( 6 ) and a UV diode ( 7 ) made of silicon carbide, which receives at 254 nm light wavelength and with a suitable working current around 430 nm Can send light. This can be used to generate ozone for reference generation. By controlling the heating with sine or square waves, the reaction of the three individual arrangements ( 4 ), ( 6 ), ( 7 ) can be detected via a phase-sensitive circuit.

Fig. 3 zeigt ein Keramikchip (1) nach Fig. 1 mit einer ionensensitiven Elektrode (8) für pH, einer Elektrode (9) für Chlor, einer Elektrode (10) für Kupfer mit einer Referenzelektrode (11). Dieses System kann durch den Platinheizern (2) ungleichmäßig aus der technischen Ruhelage gebracht werden und sich an die zu messende Flüssigkeit adaptieren. Fig. 3 shows a ceramic chip ( 1 ) according to Fig. 1 with an ion-sensitive electrode ( 8 ) for pH, an electrode ( 9 ) for chlorine, an electrode ( 10 ) for copper with a reference electrode ( 11 ). This system can be brought out of the technical rest position unevenly by the platinum heaters ( 2 ) and adapt to the liquid to be measured.

Fig. 4 zeigt ein Keramikchip (1) nach Fig. 1 mit einem dSd-Mikrosystem® nach Patent­ anmeldung PCT/EP95/00250 als leuchtenden Temperatursensor, der durch ungleich­ mäßige Wärmefelder in seiner Symmetrie verstellt oder die erst dadurch hergestellt werden kann. Fig. 4 shows a ceramic chip ( 1 ) according to Fig. 1 with a dSd microsystem ® according to the patent application PCT / EP95 / 00250 as a luminous temperature sensor, which is adjusted in its symmetry by non-uniform heat fields or which can only be produced thereby.

Claims (9)

1. Temperaturerzeugungssystem auf oder in Trägerchips dadurch gekennzeichnet, daß es mindestens eine Anzapfung zur Teilansteuerung aufweist und daß es mit zwei oder drei Sensoren gekoppelt ist.1. Temperature generation system on or in carrier chips, characterized in that it has at least one tap for partial control and that it is coupled to two or three sensors. 2. Temperaturerzeugungssystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Anzapfung mittig ist.2. Temperature generation system according to claim 1, characterized in that the Tapping is in the middle. 3. Temperaturerzeugungssystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder drei gasempfindliche Schichten räumlich verteilt gekoppelt sind.3. Temperature generation system according to claim 1, characterized in that two or three gas-sensitive layers are coupled spatially distributed. 4. Temperaturerzeugungssystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß elektro­ chemische Elektroden räumlich verteilt gekoppelt sind.4. Temperature generation system according to claim 1, characterized in that electro chemical electrodes are coupled spatially distributed. 5. Temperaturerzeugungssystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß Temperatursensoren gekoppelt sind.5. Temperature generation system according to claim 1, characterized in that Temperature sensors are coupled. 6. Temperaturerzeugungssystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß optische Sensoren gekoppelt sind.6. Temperature generation system according to claim 1, characterized in that optical Sensors are coupled. 7. Temperaturerzeugungssystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß unter­ schiedliche Einzelsensoren gekoppelt sind.7. Temperature generation system according to claim 1, characterized in that under different individual sensors are coupled. 8. Temperaturerzeugungssystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß ozon­ empfindliche Einzelsensoren mit einer UV-Diode gekoppelt sind.8. Temperature generation system according to claim 1, characterized in that ozone sensitive individual sensors are coupled to a UV diode. 9. Temperaturerzeugungssystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß Kompen­ sation und Normierungen bei der Signalauswertung vorgesehen sind.9. Temperature generation system according to claim 1, characterized in that Kompen sation and standards are provided in the signal evaluation.
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