DE2935308A1

DE2935308A1 - Verfahren zur temperaturmessung.

Info

Publication number: DE2935308A1
Application number: DE19792935308
Authority: DE
Inventors: Gerhard 8200 Rosenheim Krause; Ing.(grad.) Reinhold 8058 Altenerding Rigauer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1979-08-31
Filing date: 1979-08-31
Publication date: 1981-03-12

Description

Verfahren zur Temperaturmessung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturmessung, bei dem ein mit einer Vorspannung beaufschlagtes Sperrschicht-Halbleiterbauelement als Temperaturfühler dient.
Zur Temperaturmessung werden bereits Sperrschicht-Halbleiterbauelemente als statische Sensoren eingesetzt. Bei diesen Sensoren wird der Zusammenhang zwischen der Temperatur und dem Spannungsabfall in Durchlaßrichtung (Flußspannung) der Halbleiterbauelemente ausgenutzt, wobei der Strom in Durchlaßrichtung (Flußstrom) konstant gehalten wird. Aus diesem Zusammenhang kann die Temperatur ermittelt werden. Das Konstanthalten des Flußstroms ist über längere Zeiten aber mit einem erheblichen Aufwand verbunden, zumal jeder einzelne Sensor gesondert abgeglichen werden muß.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das ohne großen Aufwand durchgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Temperatur aus dem differentiellen Innenwiderstand des Sperrschicht-Halbleiterbauelements ermittelt wird.
Der differentielle Innenwiderstand eines Sperrschicht-Halbleiterbauelements kann nämlich wie folgt berechnet werden: R diff = k.T e . I (1) mit k = Boltzmann-Konstante = 1,38 . 10-23 Ws/°K, T = Temperatur in OK, e = Elementarladung = 1,6 10-19 As, und I = durch pn-3bergang fließender Strom.
Wird durch das Halbleiterbauelement, wie zum Beispiel eine Diode, ein konstanter Wechselstrom mit einem definierten Arbeitspunkt geschickt, so liegt an der Diode eine Wechselspannung, die proportional zur Rdiff und mit entsprechender Gleichung (1) proportional zur Temperatur der Sperrschicht ist, wobei dieser Zusammenhang unabhängig von Kennlinienstreuungen der Diode ist.
Damit ist es möglich, die einzelnen Sensoren auszutauschen, ohne eine erneute Kalibrierung des Nullpunkts und des Skalenfaktors vornehmen zu müssen.
Dies ist besonders für Fieberthermometer vorteilhaft, da dann jedem Patienten ein einfach aufgebauter Sensor überreicht werden kann, der zur Messung an ein Meßgerät angeschlossen wird. Die Temperaturmessung erfolgt dabei in wenigen Sekunden. Probleme der Sterilisation der Thermometer treten bei diesem Verfahren nicht auf.
Um den Einfluß der logarithmischen Kennlinie der Diode möglichst klein zu halten, muß mit einem Vorstrom der Arbeitspunkt so eingestellt werden, daß dieser in einem quasilinearen Kennlinienabschnitt liegt.
Die Größe der zu messenden Ausgangs spannung UAusg wird bei einem eingeprägten Gleichstrom I und einem durch den pn-Ubergang fließenden Wechselstrom IN bestimmt durch: = = . Rdiff = IN # k # T (2) e # I Der eingeprägte Gleichstrom I darf nur so groß gewählt werden, daß er an den Bahnwiderständen noch keinen merklichen Spannungsabfall erzeugt. Außerdem sollte gewährleistet sein, daß durch die erzeugte Verlustleistungswärme die Sperrschicht nicht unzulässig aufgeheizt wird.
Im weiter unten beschriebenen Ausführungsbeispiel wird ein Verhältnis zwischen dem Vorstrom I und dem Uberlagerungsstrom I,von etwa 10/1 gewählt.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung näher erläutert, deren einzige Fig. 1 aus vier Fig. 1 a bis 1 d besteht, die in der in einem Lochdiagramm dargestellten Weise zusammenzusetzen sind und eine Schaltung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigen.
In der Fig. 1 sind vorgesehen: Widerstände R 1 und R 2 mit jeweils 1 k0hm, Widerstände R 3 und R 4 mit jeweils 470 Ohm, Widerstände R 5 und R 6 mit jeweils 22 k0hm, ein Widerstand R 7 mit 470 Ohm, ein Widerstand R 8 mit 220 Ohm, ein Widerstand R 9 mit 10 k0hm, ein Widerstand R 10 mit 470 kOhm, ein Widerstand R 11 mit 47 k0hm, ein Widerstand R 12 mit 156 k0hm, ein Widerstand R 13 mit 2,2 k0hm, ein Stellwiderstand R 14 mit 150 Ohm, Widerstände R 15 bis R 17 mit jeweils 5,6 k0hm, ein Widerstand R 18 mit 2,2 k0hm, Widerstände R 19 und R 20 mit jeweils 47 k0hm, ein Widerstand R 21 mit 1,5 MOhm, ein Widerstand R 22 mit 2,2 k0hm, ein Widerstand R 30 mit 47 kOhm, ein Widerstand R 31 mit 1,5 MOhm, ein Widerstand R 32 mit 47 kOhm, ein Widerstand R 33 mit 2,2 k0hm, ein Widerstand R 34 mit 100 k0hm, ein Widerstand R 35 mit 7,5 k0hm, ein Widerstand R 36 mit 390 k0hm, Widerstände R 37 und R 38 mit jeweils 27 k0hm bis 33 k0hm, ein Widerstand R 39 mit 47 k0hm, ein Widerstand R 40 mit 2,2 k0hm, ein Widerstand R 41 mit 470 k0hm, ein Widerstand R 42 mit 100 Ohm, Widerstände R 43 bis R 45 mit jeweils 10 kOhm, ein Widerstand R 46 mit 100 Ohm, ein Widerstand R 48 mit 47 k0hm, ein Widerstand R 49 mit 100 k0hm, ein Widerstand R 50 mit 2,2 k0hm, ein Kondensator C 1 mit 470 /uF, Kondensatoren C 2 und C 3 mit 33 nF, ein Kondensator C 4 mit 100 pF, ein Kondensator C 5 mit 200 pF, ein Kondensator C 6 mit 1 /uF, ein Kondensator C 7 mit 68 pF, ein Kondensator C 8 mit 0,68 /uF, ein Kondensator C 9 mit 470 pF, ein Kondensator C 10 mit 22 pF, ein Kondensator C 11 mit 1,5 nF, Kondensatoren C 12 und C 13 mit jeweils 10 nF, ein Kondensator C 14 mit 22 nF, ein Kondensator C 15 mit 250 pF, ein Kondensator C 16 mit 100 pF, ein Kondensator C 16' mit 2,2 /uF, ein Kondensator C 17 mit 100 pF, ein Kondensator C 18 mit 25 /uF, ein Kondensator C 19 mit 100 pF, zwei Dioden D 1 und D 2 jeweils vom Typ BA 127, eine Z-Diode D 3 vom Typ Z 5, 6, eine Fühlerdiode D 4 vom Typ BA 127, Dioden D 5 und D 6 jeweils vom Typ BA 127, Transistoren T 1 und T 2 jeweils vom Typ BC 108, ein Transistor T 3 vom Typ BC 141, Operationsverstärker V 1 bis V 7 jeweils vom Typ TAA 761, eine mit einer Spannung von +15 V beaufschlagte Leitung 1 und Ausgangsanschlüsse 2 und 3, an denen die Ausgangsspannung UAusg liegt.
Die Diode D 4 wirkt als Temperaturfühler. Sie ist in den Gegenkopplungskreis des Operationsverstärkers.V 1 geschaltet. Über den Widerstand R 11 wird ein Vorstrom von ca. 100 /uA eingeprägt: UD3 - 0,7 V (3) I # R 11 Über den Widerstand R 10 wird ein Wechselstrom von UD3 - 0,7 V - 0,2 V I## # 10 µA (4) R 10 überlagert.
Der Ausgangsgleichspannung von ca. 0,7 V des Operationsverstärkers V 1 ist somit nach Gleichung (1) eine Ausgangswechselspannung von = Rdiff . I = 1 k (T + LI T) e . 1 überlagert.
Dies ergibt bei Raumtemperatur ein Ausgangssignal von 2,59 mV. Eine Temperaturänderung von 1 0K bedeutet also eine Spannungsänderung von 8,63 /uV.
Diese geringen Spannungswerte erfordern je nach zu messendem Temperaturbereich eine sehr hohe Verstärkung des Wechselsignals.
BeisPiel Soll eine Temperaturänderung von 50 OK eine Ausgangsspannungsänderung von 10 V bewirken, so muß das Wechselsignal folgendermaßen verstärkt werden: 10 V = 23175.
50 . 8,63 /uV Da jedoch das Signal bei Raumtemperatur ( 300 OK) 300 . 8.63 /uV = 2,59 mV beträgt, würde eine Verstärkung von 23175 2,59 mV . 23175 = 60 V bedeuten, was den Betriebsspannungsbereich des Operationsverstärkers V 1 überschreiten würde.
Aus diesem Grunde erfolgt in der Schaltung eine Kompensation des Wechselspannungssignals bei einer definierten Temperatur (zum Beispiel O °C), so daß nur noch das Temperatur-knderungs-Signal verstärkt wird.
Diese Kompensation geschieht in der Stufe des Operationsverstärkers V 3, die als Subtrahierstufe und Verstärker geschaltet ist.
Die Ausgangs spannung UavD des Operationsverstärkers V 3 beträgt: UaV3 = V3 (Uy1 - UV2) + Uv1.
Das Eingangssignal des Operationsverstärkers V 2 wird vom gleichen Punkt der Schaltung über R 12 und R 14 abgenommen, wie das der Sensordiode D 4 zugeführte Signal, um ein gleiches Verhalten der zu subtrahierenden Spanzungen zu gewährleisten. Mit dem Widerstand R 14 kann die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers V 3, wie oben beschrieben, auf 0 V eingestellt werden.
Im Operationsverstärker V 4 wird das durch die Temperaturänderung bewirkte Ausgangssignal des Operationsverstärkers V 3 weiter verstärkt.
Da die Stufen der Operationsverstärker V 1 und V 2 unterschiedliches Laufzeitverhalten aufweisen, entstehen jeweils beim Umschalten eines Rechtecksignals Spannungsspitzen. Außerdem wirken sich bei den niedrigen Signalpegeln und der hohen Verstärkung Rausch- und Störsignale störend aus. Aus diesem Grunde wird nach dem Operationsverstärker V 4 ein Filter geschaltet, welches nur noch die Grundfrequenz des Wechselsignals durchläßt und alle anderen Frequenzen ausfiltert.
In der anschließenden Stufe des Operationsverstärkers V 6 erfolgt die Gleichrichtung des verstärkten Meßsignals. Es steht am Ausgang des Operationsverstärkers V 6 in Form einer Gleichspannung zur Verfügung.
Bei der Gleichrichtung wird die auswertbare Amplitude noch einmal halbiert.
Eine weitere Verstärkung des Gleichspannungssignals und ein Abgleich des Verstärkungsfaktors erfolgt im Opera- tionsverstärker V 7. Hier wird auch die Offsetspannung abgeglichen, sowie, wenn gewünscht, eine der Signalgröße überlagerte Gleichspannung eingestellt.
Die erzielbare Genauigkeit hängt vom Verhältnis: Rauschstrom/Signalstrom ab. Die dominierende Rauschquelle ist dabei das Schrotrauschen der Sensordiode D 4. Dieses errechnet sich nach folgender Formel: mit = effektiver Rauschstrom, 1 = eingeprägter Gleichstrom (Vorstrom), und gf = effektive Rauschbandbreite.
Wird von einer effektiven Rauschbandbreite (abhängig von der Güte des Filters) von 10 Hz ausgegangen, so läßt sich mit der beschriebenen Methode eine Genauigkeit von erreichen.
1 Figur 15 Patentansprüche

Claims

Patentansprüche Verfahren zur Temperaturmessung, bei dem ein mit einer Vorspannung beaufschlagtes Sperrschicht-Halbleiterbauelement als Temperaturfühler dient, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Temperatur aus dem differentiellen Innenwiderstand des Sperrschicht-Halbleiterbauelements (D 4) ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß der differentielle Flußwiderstand ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Wechselstrom durch das Sperrschicht-Halbleiterbauelement (D 4) geleitet wird, und daß der Spannungsabfall am Sperrschicht-Halbleiterbauelement (D 4) für die Temperaturmessung ausgewertet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß das Sperrschicht-Halbleiterbauelement (D 4) eine Diode ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Arbeitspunkt des Sperrschicht-Halbleiterbauelements (D 4) so eingestellt wird, daß dieses in einem quasilinearen Kennlinienabschnitt arbeitet.
6. Verfahren nach Anspruch 3, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß das Verhältnis des Wechselstroms Ins zum eingeprägten Gleichstrom I , also = = 0,03 bis 0,3, insbesondere 0,1, beträgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Sperrschicht-Halbleiterbauelement (D 4) in eine Gla-, Kunststoff- oder Keramikhülle eingebettet und mit einer Steckvorrichtung versehen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß das Sperrschicht-Halbleiterbauelement (D 4) in einem Fieberthermometer verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Sperrschicht-Halbleiterbauelement (D 4) im Gegenkopplungskreis eines ersten Operationsverstärkers (V 1) liegt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß dem Sperrschicht-Halbleiterbauelement (D 4) ein erster Widerstand (R 11) vorgeschaltet ist.
11. Verfahren nach Anspruch 9, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß dem ersten Operationsverstärker (V 1) ein zweiter Widerstand (R 10) vorgeschaltet ist.
12. Verfahren nach Anspruch 11, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß dem ersten Operationsverstärker (V 1) und einem zweiten Operationsverstärker (V 2) ein dritter Operationsverstärker (V 3) nachgeschaltet ist, der als Subtrahierverstärker arbeitet.
13. Verfahren nach Anspruch 12, d a d u r c h g -e -k e n n z e i c h n e t , daß dem dritten Operationsverstärker (V 3) ein vierter Operationsverstärker (V 4) nachgeschaltet ist.
14. Verfahren nach Anspruch 13, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß dem vierten Operationsverstärker (V 4) ein Filter nachgeschaltet ist, das lediglich die Grundfrequenz eines Wechselsignals durchläßt und alle übrigen Frequenzen ausfiltert.
15. Verfahren nach Anspruch 14, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß dem Filter ein fUnfter Operationsverstärker zur Gleichrichtung des verstärkten Meßsignals nachgeschaltet ist.