DE69002409T2

DE69002409T2 - Integrierte Halbleiterschaltung für thermische Messungen.

Info

Publication number: DE69002409T2
Application number: DE90201455T
Authority: DE
Inventors: Johan Hendrik Huijsing; Frank Robert Riedijk
Original assignee: Bronkhorst High-Tech BV
Current assignee: Bronkhorst High-Tech BV
Priority date: 1989-06-23
Filing date: 1990-06-07
Publication date: 1993-12-02
Anticipated expiration: 2010-06-08
Also published as: DE69002409D1; EP0404218A1; NL8901602A; ATE92182T1; ES2043252T3; EP0404218B1; DK0404218T3; JP2999227B2; JPH0342534A; US5064296A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Halbleiterschaltung für die Messung von thermischen Signalen, die aus zumindest einem Komparatar mit einem ersten Eingang, einem zweiten Eingang und einem elektrischen Ausgang besteht, und einer zwischen dem Ausgang und dem ersten Eingang des Komparators angeschlossenen Rückkopplungsschleife.
Eine derartige Schaltung ist bekannt aus Sensors and Actuators, Band 12, Nr.1, Juli 1987, Seite 9 - 21, in welcher Schrift eine integrierte Halbleiterschaltung für Messungen des Wärmeflusses beschrieben wird, die aus einem Komparator mit einem ersten Eingang, einem zweiten Eingang und einem elektrischen Ausgang besteht, als auch einer Rückkopplungsschleife, die zwischen dem Ausgang und dem ersten Eingang des Komparators geschaltet ist.
Bei dieser Schaltung ist jedoch die Rückkopplungsschleife, über die die Temperatur der Schaltung geregelt wird, analog, d.h. die für die Erwärmung der Einrichtung benötigte Energie ist konstant und nicht pulsierend. Folglich bietet die Einrichtung keindirektes digitales Ausgangssignal an und kann daher nicht als ein 'eleganter Meßfühler' verwendet werden. Ein weiterer Nachteil der bekannten Schaltung ist ihre Istabilität wenn die VerstärKung zu groß wird (sicherlich kann kein Komparator verwendet werden) und Schwingungen entstehen.
In Electronic Letters, Band 24, Nr.9, vom 28.04.1988, Seite 542 - 543, wird eine Halbleiterschaltung beschrieben, die aus einem Heizelement und einem Temperaturfühler besteht. Die in das Heizelement gesteckte Energie wird mit Hilfe einer integrierten Verstärkereinheit mit einer positiven Rückkopplungsschleife gemessen. Dieser Verstärker ist jedoch nicht in dieselbe Schaltung integriert, die den Meßfühler und das Heizelement trägt. Da eine endliche Übertragungszeit des Heizelements und ein Temperaturfühler mit einem hohen Verstärkungsfaktor vorhanden sind, wird die Schaltung oszillieren. Da eine nahezu unendlich große Verstärkung vorliegt, wird die Schwingung nicht sinusförmig sein, sondern die Schwingung wird zwischen Strom 'ein' und Strom 'aus' in einer nicht definierten Weise geschehen. Die Schwingungsfrequenz ist durch die Einführung einer Temperatur-Hysterese geregelt. Die Schaltung erzeugt ein Arbeitszyklus-Ausgangssignal, das kein direktes digitales Signal ist.
Diese Schaltung ist theoretisch geeignet, um physikalische Größen wie Strömungsgeschwindigkeit, Druck, Infrarot-Strahlung oder den effektiven Wert einer elektrischen Spannung oder eines elektrischen Stroms (RMS) zu messen, wobei in diesen Fällen der Einfluß der zu messenden Größe auf die Wärmeübertragung einer erwärmten integrierten Halbleiterschaltung (Chip) gegenüber ihrer Umgebung bestimmt wird. Bei diesen Messungen tritt eine zweifache Signalumwandlung ein: von dem physikalischen Bereich (Strömungsgeschwindigkeit, Druck, IR-Strahlung oder RMS- Wert) in den thermischen Bereich und von dem thermischen in den elektrischen Bereich.
Dieser bekannte Schaltkreis kann nicht mit einem Taktgeber kombiniert werden, da dies leicht den Arbeitszyclus stören könnte, was zu enormen systematischen Fehlern führen würde. Darüberhinaus ist die notwendige Hysterese, auch wenn sie gering gehalten werden kann, im Widerspruch mit einem Arbeiten bei konstanter Temperatur.
Im US-A 4 693 116 werden ein Gerät zum Messen des Gasflusses zusammen mit einem Halbleiterchip und einer Meßschaltung offengelegt. Der Halbleiterchip schließt eine elektrische Heizeinrichtung und zwei Temperatur-Meßelemente ein. Eines dieser Temperatur-Meßelemente befindet sich näher bei der Heizeinrichtung als das andere. Die Meßschaltung erzeugt als Antwort auf den Strömungswert des Gases, das durch eine Gaspassage strömt, eine Spannung. Das Antwortsignal ist in diesem Gerät nicht digital und die Meßschaltung, in der vielmehr elektrische als thermische Signale verarbeitet werden, ist auf dem Halbleiterchip nicht integriert.
In Sensors and Actuators, Band 14, Nr.3, vom 29.04.1988, Seite 293 - 297, wird, ähnlich wie in den oben besprochenen Electronic Letters, Band 24, Nr.9, Seite 542 - 543, ein Halbleiter beschrieben, der aus einem Heizelement und einem Temperatur-Meßfühler besteht, die sich auf einem Chip befinden. Die Erwärmung des Chips wird von einem Komparator und einem Schmitt-Trigger geregelt. Wie der in der letztgenannten Druckschrift beschriebene Schaltkreis, erzeugt die Schaltung ein Arbeitszyklus-Ausgangssignal, das den oben genannten Nachteil aufweist, falls diese Schaltung mit einem Taktgeber kombiniert wird.
Zweck der Erfindung ist, eine integrierte Halbleiterschaltung für thermische Messungen zu schafien, die ein oder mehrere Ausgangssignale liefert, die für die Verarbeitung in einem Mikroprozessor geeignet sind.
Dieses Ziel wird, gemäß der Erfindung, mit einer Schaltung verwirklicht, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der erste Eingang und der zweite Eingang des Komparators thermische Eingänge sind; der Ausgang des Komparators ein digitaler elektrischer Ausgang ist; die Schaltung eine Additionseinrichtung für Wärmeströme besitzt mit einem Ausgang, der mit einer Wärmekapazität verbunden ist, mit einem Temperatur-Ausgang, der mit dem ersten thermischen Eingang des Komparators verbunden ist; die Rückkopplungsschleife aus einem digital-analogen (DA) Signalumwandler besteht, der ein analoges thermisches Ausgangssignal liefert, und einer Torschaltungs-Einheit, deren erster Eingang mit dem Ausgang des Komparators verbunden ist, ein zweiter Eingang, der mit einem Taktgeber verbunden ist, und einem digitalen elektrischen Ausgang, der mit dem Eingang des digital-analogen (DA) Signalumwandlers verbunden ist.
In einer Schaltung gemäß der Erfindung ist die Meßgenauigkeit der Schaltung systematisch verbessert, da bestimmte Signalverabeitungen im thermischen Bereich stattfinden können, selbst bevor die Verarbeitung der Signale zum (analogen oder digitalen) elektrischen Bereich (das Eintreten von hiermit verbundenen Verarbeitungsfehlern) stattfindet.
In einer Verwirklichung einer Schaltung gemäß der Erfindung kann die Additionseinrichtung über Möglichkeiten verfügen, um negative Wärmeströme zu addieren, und der DA-Umwandler verfügt über ein Kühlelement.
Die Vorteile der Erfindung sind besonders offenkundig in einer Schaltung, bei der die Signal-Rückkopplungsschleife Bauteile enthält, die im Zusammenwirken mit dem Komparator einen Sigma-Delta Modulator bilden.
Ein Sigma-Delta Modulator ist eine Schaltung, die im allgemeinen aus einer Additionseinrichtung, einem Zähler (Integrator), einem Signal- Komparator, einer taktgesteuerten Flipflop-Schaltung und einem 1-bit DA- Signalumwandler besteht.
Ein für den thermischen Bereich geeigneter Sigma-Delta Modulator könnte z.B. bestehen aus einer Additionseinrichtung, in der zwei eintretende Wärmeströme zu einem austretenden Wärmestrom zusammengefügt werden, einer Wärmekapazität, die sich wie ein Integrator verhält, einem thermischen Signal-Komparator für wei eintretende thermische Signale und ein austretendes elektrisches Signal, eine bekannte taktgesteuerte Flipflop-Schaltung und in der Rückkopplungsschleife ein 1-bit thermischer DA-Umwandler, der bin digitales elektrisches Signal in einen analogen Wärmestrom verwandelt und dieses Signal wiederum durch die Wärmekapazität integriert wird. Auf diese Weise ist die Anzahl der erzeugten Impulse ein Maß für den Wärmefluß in der Einrichtung.
Die Genauigkeit einer Schaltung gemäß der Erfindung wird in der Hauptsache durch die Genauigkeit des in der Schaltung integrierten DA- Umwandlers und die Genauigkeit des Additionsvorgangs bestimmt. In einer derartigen Schaltung wird die Ungenauigkeit, die bei der Umwandlung eines thermischen Meßfühler-Signals in ein elektrisches Signal verursacht wird, ausgeschaltet, zumindest aber auf die Ungenauigkeit des Komparators verringert.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erklärt.
Fig.1 zeigt als ein praktisches Beispiel für den Teil einer Schaltung gemäß der Erfindung, wo das von dem Meßfühler kommende Signal verarbeitet wird, einen Sigma-Delta Modulator, der sich für die Signalverarbeitung im thermischen Bereich eignet.
In Figur 1 stellt der Pfeil 1 einen von dem Meßfühler kommenden Wärmestrom dar, der in der Additionseinrichtung 2 mit dem von dem 1-bit (thermischen) DA-Umwandler 3 herrührenden Energie-Impuls 4 vereinigt wird. Das summierte Signal (ein Wärmestrom) 5 wird in einen Integrator 6 (eine Wärmekapazität) geleitet. Das von dem Integrator kommende Signal 7 (eine Temperatur) wird in dem Signal-Komparator 8 mit einem Referenzsignal 9 (ebenfalls eine Temperatur) verglichen. Eine Torschaltung 10 läßt ein Taktgeber-Signal 11 zu dem Ausgang durch, sobald das Signal 7 größer als das Referenzsignal 9 ist. Das Ausgangssignal 12 wird über den DA-Umwandler 3 rückgekoppelt; sobald das im Integrator 6 vereinte Eingangssignal 1 einen Wert überschreitet (bestimmt durch das Referenzsignal 9), liefert der DA-Umwandler 3 einen Energie-Impuls 4. Die Anzahl der vom Tor 10 durchgelassenen Takt-Impulse 11 ist ein Maß für die Signalstärke, das heißt für den gemessenen Wärmestrom 1. Die gestrichelte Linie 13 stellt schematisch die Trennung zwischen dem (analogen) thermischen Bereich links und dem (digitalen) elektrischen Bereich rechts von der gestrichelten Linie 13 dar.

Claims

1. Integrierte Halbleiterschaltung zur Messung von thermischen Signalen, bestehend aus zumindest einem komparator (8) mit einem ersten Eingang, einem zweiten Eingang und einem elektrischen Ausgang, und eine Rückkopplungs-Schleife, die den ersten Ausgang mit dem Eingang des Komparators (8) verbindet,

dadurch gekennzeichnet, daß der erste Eingang und der zweite Eingang des Komparators (8) thermische Eingänge sind;

der Ausgang des Komparators (8) ein digitaler elektrischer Ausgang ist; die Schaltung eine Additionseinrichtung (2) für Wärmeströme enthält mit einem Ausgang, der mit einer wärmekapazität (6) verbunden ist, die ihrerseits einen Temperatur-Ausgang besitzt, der mit dem ersten thermischen Eingang des Komparators (8) verbunden ist;

die Rückkopplungs-Schleife einen digital-analogen (DA) Signalumwandler (3) besitzt, der ein analoges thermisches Ausgangssignal liefert, und eine Torschaltung (10), deren erster Eingang mit dem Ausgang des Komparators (8) und deren zweiter Eingang mit einem Taktgeber verbunden sind, und einen digitalen elektrischen Ausgang besitzt, der mit dem Eingang des digital-analogen (DA) Umwandlers (3) verbunden ist.

2. Integrierte Halbleiterschaltung gemäß Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Additionseinrichtung (2) über die Möglichkeit verfügt, negative Wärmeströme hinzuzufügen, und der DA-Umwandler (3) ein Kühlelement besitzt.