DE19922564A1

DE19922564A1 - Thermoelectric sensor for electrical protection device

Info

Publication number: DE19922564A1
Application number: DE1999122564
Authority: DE
Inventors: Philippe Hazard
Original assignee: Schneider Electric SE
Current assignee: Schneider Electric SE
Priority date: 1998-05-18
Filing date: 1999-05-17
Publication date: 1999-11-25
Also published as: FR2778742A1; FR2778742B1

Abstract

The sensor has a resistor (3) and a thermocouple (4) on a silicon substrate (2), connected to a layer made of an electrically and thermally insulating material, especially a silicon compound. The resistor and thermocouple are arranged on a central region (12) which is connected via bridges (11) to the peripheral region (13). A central silicon mass (5), which is thermally isolated from the substrate is arranged under the central region. An Independent claim is included for the use of the sensor in an electrical protection device.

Description

Die Erfindung betrifft einen thermoelektrischen Sensor, insbesondere für Elektrogeräte, mit einem Widerstand und einem Thermoelement auf einem Silizium- Substrat, verbunden mit einer Schicht aus einem elektrisch und thermisch isolierenden Material, das insbesondere aus einer Siliziumverbindung bestehen kann.The invention relates to a thermoelectric Sensor, especially for electrical devices, with a Resistor and a thermocouple on a silicon Substrate bonded with a layer of one electrically and thermally insulating material that consist in particular of a silicon compound can.

Aus dem Patent EP 615 266 kennt man beispielsweise einen thermoelektrischen Sensor für ein Elektrogerät, bestehend aus einem von einem Strom durchlaufenen Widerstand und aus einem Temperatursensor, wobei die vom Widerstand abgegebene Wärmeleistung vom Temperatursensor gemessen wird.One knows, for example, from the patent EP 615 266 a thermoelectric sensor for an electrical device, consisting of one traversed by a stream Resistance and from a temperature sensor, the heat output from the resistor from Temperature sensor is measured.

Beim in IEEE Electron Devices Vol. 13 N° 7, July 1992 beschriebenen Sensor sind ein Heizwiderstand aus Polysilizium und ein Thermoelement aus Polysilizium auf einer elektrisch und thermisch isolierenden Schicht aus einer Siliziumverbindung angeordnet, wobei die Schicht selbst auf einem Siliziumsubstrat gelagert ist.At IEEE Electron Devices Vol. 13 N ° 7, July Sensor described in 1992 are made of a heating resistor Polysilicon and a thermocouple made of polysilicon an electrically and thermally insulating layer a silicon compound arranged, the layer itself is stored on a silicon substrate.

Die vorliegende Erfindung soll einen thermoelektrischen Sensor liefern, der nach den Technologien der Mikroelektronik hergestellt wird, kleine Abmessungen aufweist und über einen thermischen Speicher sowie über eine Zeit konstante verfügt, die für Elektrogeräte für den Motorschutz oder für Schutzschalter geeignet ist. Er kann auf dem gleichen Substrat integrierte elektronische Funktionen aufweisen. Die Solidität des Sensors kann verbessert werden, ohne die Wärmebeständigkeit zu reduzieren.The present invention is intended to deliver thermoelectric sensor according to the Technologies of microelectronics is manufactured has small dimensions and a thermal Memory as well as has a constant time for Electrical devices for motor protection or for Circuit breaker is suitable. He can be on the same Integrated electronic functions exhibit. The solidity of the sensor can be improved without reducing the heat resistance.

Der erfindungsgemässe Sensor ist hauptsächlich dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand und das Thermoelement auf einem mittleren Bereich angeordnet sind, der über Brücken mit einem Gürtelbereich verbunden ist, und dass eine mittlere, thermisch vom Substrat isolierte Siliziummasse unter dem besagten mittleren Bereich angeordnet ist.The sensor according to the invention is mainly characterized in that the resistance and that Thermocouple arranged on a central area are that of bridges with a belt area is connected, and that a medium, thermally from Silicon mass insulated under the substrate middle area is arranged.

Nachstehend wird die Erfindung näher erläutert, unter Bezugnahme auf als Beispiel dienende Ausführungsformen, die auf den bei liegenden Zeichnungen dargestellt sind, auf denen:The invention is explained in more detail below. referring to example Embodiments based on the accompanying drawings are shown on which:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemässen thermo elektrischen Sensors ist Fig. 1 is a perspective view of a first embodiment of the inventive thermo-electric sensor

Fig. 2 ein Schnitt nach II-II der Fig. 1 ist ; Fig. 2 is a section according to II-II of Fig. 1;

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform des Sensors ist, wo dieser mit elektronischen Schaltkreisen innerhalb einer monolithischen Schaltung verbunden ist; Fig. 3 is a second embodiment of the sensor where it is connected to electronic circuits within a monolithic circuit;

Fig. 4 eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemässen Sensors darstellt,Represents Fig. 4 shows a third embodiment of the inventive sensor,

Fig. 5 eine erste Anwendung des erfindungsgemässen Sensors in einem Schutzgerät des Typs Schutzschalter oder Motorabgangsschalter darstellt; Fig. 5 illustrates a first application of the inventive sensor in a protective device of the type circuit breaker or motor circuit switch;

Fig. 6 eine zweite Anwendung des erfindungsgemässen Sensors in einem Schutzgerät des Typs Schutzschalter oder Motorabgangsschalter darstellt. Fig. 6 in a protective device of the type represents a second application of the inventive sensor breaker or motor circuit switch.

Der auf den Fig. 1 bis 6 dargestellte Sensor umfasst einen von einem Strom durchlaufenden Widerstand 3 und ein Thermoelement 4, wobei die vom Widerstand 3 abgegebene Wärmeleistung vom Thermoelement 4 gemessen wird.The sensor shown in FIGS. 1 to 6 comprises a current-carrying resistor 3 and a thermocouple 4 , the thermal output from the resistor 3 being measured by the thermocouple 4 .

Der insgesamt mit 10 bezeichnete Sensor ist mit den Technologien der Mikroelektronik des Typs CMOS, BICMOS oder bipolar auf einem Siliziumsubstrat realisiert. Am Ende des Herstellungszyklus findet eine Gravuretappe des Siliziums statt.The sensor, designated as a whole by 10 , is realized with the technologies of the microelectronics of the type CMOS, BICMOS or bipolar on a silicon substrate. At the end of the manufacturing cycle, an engraving stage of the silicon takes place.

Der Heizwiderstand 3 ist auf einer Schicht 1 aus einem elektrisch und thermisch isolierenden Material des Typs Silizium-Verbindung (SiO2 oder Si3N4) angeordnet, wobei diese Isolierschicht ihrerseits auf einem Siliziumsubstrat 2 angeordnet ist. Das Thermoelement 4 ist ebenfalls auf der Schicht 1 angeordnet. Der Widerstand 3 besteht aus Polysilizium. Das Thermoelement 4 besteht aus Polysilizium oder aus einer anderen, mit dem Träger verträglichen Technologie beispielsweise Aluminiums).The heating resistor 3 is arranged on a layer 1 made of an electrically and thermally insulating material of the silicon compound type (SiO2 or Si3N4), this insulating layer in turn being arranged on a silicon substrate 2 . The thermocouple 4 is also arranged on the layer 1 . The resistor 3 consists of polysilicon. The thermocouple 4 consists of polysilicon or of another technology compatible with the carrier, for example aluminum).

Der Widerstand 3 und das Thermoelement 4 sind auf einem mittleren Bereich 12 angeordnet, der mit Brücken 11 mit einem Gürtelbereich 13 der Schicht 1 verbunden ist. Bei den Ausführungsformen der Fig. 1 und 3 verbinden die Brücken 11 den mittleren Bereich mit den Winkeln des Gürtels 13 der Schicht 1.The resistor 3 and the thermocouple 4 are arranged on a central region 12 , which is connected by bridges 11 to a belt region 13 of the layer 1 . In the embodiments of FIGS. 1 and 3, the bridges 11 connect the middle region to the angles of the belt 13 of the layer 1 .

Unter dem mittleren Bereich 12 der Schicht 1 ist eine Siliziummasse 5 angeordnet. Diese Masse 5 ist thermisch vom Substrat 2 isoliert und verleiht eine Wärmekapazität. Die Baugruppe weist eine thermische leitkonstante auf, die proportional zum Produkt des Widerstands und der Wärmekapazität ist, und verhält sich wie ein RC-Filter erster Ordnung. Der Heizwiderstand 3 aus Polysilizium ist durch die Schicht 1 vom Siliziumsubstrat isoliert. In gleicher Weise ist das Thermoelement 4 durch die Schicht 1 vom Silizium isoliert.A silicon mass 5 is arranged under the central region 12 of the layer 1 . This mass 5 is thermally insulated from the substrate 2 and gives a heat capacity. The assembly has a thermal conductivity constant that is proportional to the product of resistance and heat capacity, and behaves like an RC filter of the first order. The heating resistor 3 made of polysilicon is isolated from the silicon substrate by the layer 1 . In the same way, the thermocouple 4 is isolated from the silicon by the layer 1 .

An der Schicht 1 mündende Schächte 6 erstrecken sich zwischen den Brücken 11 und zwischen der mittleren Masse 5 und dem Substratgürtel 2. Sie dienen zur thermischen Isolierung der Siliziummasse 5 in Bezug auf das Substrat 2.Shafts 6 opening at the layer 1 extend between the bridges 11 and between the middle mass 5 and the substrate belt 2 . They are used for thermal insulation of the silicon mass 5 in relation to the substrate 2 .

Vorzugsweise besteht das Thermoelement 4 aus mehreren in Serie geschalteten Thermoelementen. Die von den Thermoelementen gelieferte Spannung schwankt entsprechend der in die Masse 5 geleiteten Wärmeleistung. Die Wärmeverbindung befindet sich auf dem Bereich 12, während die Kälteverbindung am Gürtel 13 angeordnet ist.The thermocouple 4 preferably consists of several thermocouples connected in series. The voltage supplied by the thermocouples fluctuates in accordance with the heat output conducted into the mass 5 . The heat connection is located on the area 12 , while the cold connection is arranged on the belt 13 .

Die Abmessungen der Hängearme und der Masse sind so gewählt, dass sie einen Kompromiss zwischen der Zeitkonstante, der Resonanzfrequenz, der Stoss beständigkeit des Sensors bilden.The dimensions of the hanging arms and the mass are so elected to compromise between the Time constant, the resonance frequency, the shock form the resistance of the sensor.

Bei der Ausführungsform der Fig. 3 ist der Sensor in einen dem Widerstand 3 zugeordneten elektronischen Schaltkreis 71 und in einen dem Thermoelement 4 zugeordneten Schaltkreis 72 integriert.In the embodiment of FIG. 3, the sensor is integrated in an electronic circuit 71 assigned to the resistor 3 and in a circuit 72 assigned to the thermocouple 4 .

Bei der Ausführungsform der Fig 4 ist der Sensor durch eine grössere Anzahl von Brücken 11 als bei der vorherigen Ausführung verstärkt. Auf einigen Brücken sind Heizwiderstände 31 aus Polysilizium vorgesehen. Man kann die von diesen Widerständen 31 auf den Brücken erhaltene Heizung regeln, so dass die Temperatur auf diesen Brücken einem in Bezug auf die Sensor-Temperatur positiven, gleichen oder negativen Gradienten entspricht. Je nach Fall erhöht, behält oder verringert man den Wärmewiderstand. In the embodiment of FIG. 4 , the sensor is reinforced by a larger number of bridges 11 than in the previous embodiment. Heating resistors 31 made of polysilicon are provided on some bridges. The heating obtained from these resistors 31 on the bridges can be regulated so that the temperature on these bridges corresponds to a positive, equal or negative gradient with respect to the sensor temperature. Depending on the case, the heat resistance is increased, maintained or reduced.

Der thermoelektrische Sensor 10, der gerade beschrieben wurde, ist insbesondere dazu bestimmt, in einem elektrischen Schutzgerät einer Last M (beispielsweise Motor) verwendet zu werden, des Typs Schutzschalter oder eines Motorabgangs, wie beispielsweise auf Fig. 5 oder 6 dargestellt. Auf einer Stromleitung L umfasst das Gerät einen Stromsensor 8, der den Strom I1 misst und einen Ausgangsstrom I2 liefert. Bei einer Fehlerdetektion schützt das Gerät die Last M, indem es auf einen Schalter KM wirkt.The thermoelectric sensor 10 which has just been described is in particular intended to be used in an electrical protective device of a load M (for example a motor), of the circuit breaker type or a motor outlet, as shown for example in FIG. 5 or 6. On a power line L, the device comprises a current sensor 8 , which measures the current I1 and supplies an output current I2. In the event of a fault detection, the device protects the load M by acting on a switch KM.

Bei der Ausführungsform der Fig 5 wird das Ausgangssignal 12 des Stromsensors 8 in eine elektronische Verarbeitungsschaltung 91 geführt, die den effektiven Strom der zu schutzenden Last M berechnet. Die Schaltung 91 liefert einen Strom proportional zum effektiven Strom und versorgt den Heizwiderstand 3 des Sensors. Die vom Widerstand 3 verbrauchte Leistung ist proportional zum Stromviereck und stellt den thermischen Zustand der zu schützenden Last M dar. Dieser thermische Zustand wird vom Thermoelement 4 gemessen, dessen Ausgangssignal an die elektronische Schaltung 91 gesendet wird, die das öffnen des Schalters KM im Fehlerfall steuert.In the embodiment of FIG. 5 , the output signal 12 of the current sensor 8 is fed into an electronic processing circuit 91 which calculates the effective current of the load M to be protected. The circuit 91 supplies a current proportional to the effective current and supplies the heating resistor 3 of the sensor. The power consumed by the resistor 3 is proportional to the current square and represents the thermal state of the load M to be protected. This thermal state is measured by the thermocouple 4 , the output signal of which is sent to the electronic circuit 91 , which controls the opening of the switch KM in the event of a fault .

Im Sensor 10 wird der thermische Zustand der Last in Form einer Temperaturabweichung in Bezug auf die Umgebungstemperatur verkörperlicht. Diese Temperatur abweichung wird nach einer Stromversorgungs unterbrechung aufrechterhalten, indem eine thermische Speicherfunktion realisiert wird, durch Ersetzen des Paares Kapazität-Widerstand, das normalerweise dieser Funktion zugeordnet ist. Der Sensor ermöglicht einen bemerkenswerten Zuverlässigkeitsgewinn in Bezug auf die Lösung Kapazität-Widerstand bei einem Betrieb bei Umgebungstemperaturen von über 100°.The thermal state of the load is embodied in sensor 10 in the form of a temperature deviation with respect to the ambient temperature. This temperature deviation is maintained after a power cut by implementing a thermal storage function by replacing the capacitance-resistance pair that is normally associated with that function. The sensor enables a remarkable gain in reliability with regard to the capacitance-resistance solution when operating at ambient temperatures of over 100 °.

Bei der Ausführungsform der Fig. 6 erhält der thermoelektrische Sensor 10 das Ausgangssignal 12 direkt vom Stromsensor und führt direkt die Berechnung des thermischen Zustandes der zu schützenden Last M durch. Das Thermoelement 4 steuert eine elektronische Schaltung 92, die ihrerseits den Schalter KM steuert. Der Sensor ersetzt eine analogische oder digitale Elektronikschaltung, die der Berechnung des effektiven Stromes und des thermischen Zustandes gewidmet ist.In the embodiment of FIG. 6, the thermoelectric sensor 10 receives the output signal 12 directly from the current sensor and directly calculates the thermal state of the load M to be protected. The thermocouple 4 controls an electronic circuit 92 , which in turn controls the switch KM. The sensor replaces an analog or digital electronic circuit, which is dedicated to the calculation of the effective current and the thermal state.

Der Sensor funktioniert wie folgt:
Der Umlauf eines Stromes im Widerstand 3 bewirkt das Aufheizen der Masse 5 durch Joule-Effekt. Das Thermoelement 4 misst die Temperaturabweichung zwischen der Siliziummasse 5 und dem Substrat 2, das die Umgebungstemperatur aufweist. Verluste durch Konvektion mit der Luft können den Wärmewiderstand verringern. Sie werden beseitigt, indem man den Sensor unter Vakuum setzt.The sensor works as follows:
The circulation of a current in the resistor 3 causes the mass 5 to be heated by the Joule effect. The thermocouple 4 measures the temperature deviation between the silicon mass 5 and the substrate 2 , which has the ambient temperature. Air convection losses can reduce thermal resistance. They are eliminated by placing the sensor under vacuum.

Selbstverständlich kann man sich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, Varianten und Detailverbesserungen vorstellen und ebenfalls die Verwendung von gleichwertigen Mitteln in Betracht ziehen.Of course you can, without the frame leaving the invention, variants and Introduce detailed improvements and also the Consider using equivalent means pull.

Claims

1. Thermoelectric sensor, in particular for electrical devices, with a resistor ( 3 ) and a thermocouple ( 4 ) on a silicon substrate ( 2 ), connected to a layer ( 1 ) made of an electrically and thermally insulating material, in particular made of a silicon compound can exist, characterized in that the resistor ( 3 ) and the thermocouple ( 4 ) are arranged on a central region ( 12 ) which is connected via bridges ( 11 ) to a belt region ( 13 ), and that a central, thermally from Substrate ( 2 ) insulated silicon mass ( 5 ) is arranged under said central region ( 12 ).

2. Sensor according to claim 1, characterized in that the bridges ( 11 ) via the corners connect the central region ( 12 ) with the angles of the belt region ( 13 ).

3. Sensor according to claim 1 or 2, characterized in that in the layer ( 1 ) and in the silicon ( 2 ) provided shafts ( 6 ) between the bridges ( 11 ) extend to the average silicon mass ( 5 ) in relation to the Thermally isolate silicon substrate ( 2 ).

4. Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the resistor and the thermocouple associated electronic circuits ( 71 , 72 ) are integrated in the silicon substrate.

5. Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the bridges ( 11 ) carry heating resistors ( 31 ).

6. Application of the sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor is installed in an electrical protective device, so that the resistor made of polysilicon ( 3 ) is coupled to a current sensor ( 8 ).