NL8901602A - Geintegreerde halfgeleider-schakeling voor thermische metingen. - Google Patents

Description

geïntegreerde halfgeleider-schakeling voor thermische metingen

De uitvinding heeft betrekking op een geïntegreerde halfgeleider-schakeling voor thermische metingen, die tenminste een temperatuur - dan wel warmtestroom-sensor en een signaal-comparator bevat, aan welke comparator een direct of indirect van de sensor afkomstig signaal en een referentie-signaal worden aangeboden.

Een dergelijke halfgeleider-schakeling is bekend uit een artikel van Y. Pan en Ü.H. Huijsing in Electronic Letters 24 (1988), 542 - 543. Deze schakeling is in beginsel geschikt voor het meten van fysische grootheden als bijvoorbeeld stroomsnelheid, druk, IR-stra-ling, of effectieve waarde van electrische spanning of stroom (RMS), waarbij steeds de invloed van de te meten grootheid op de warmteoverdracht van een opgewarmde geïntegreerde halfgeleider-schakeling (chip) naar de omgeving wordt bepaald. In deze metingen vindt tweemaal een signaal-omzetting plaats: van het fysische (stroomsnelheid, druk, IR-straling of RMS-waarde) naar het thermische domein, en van het thermische naar het elektrische domein.

De bekende halfgeleider-schakeling bestaat in principe uit een in de schakeling geïntegreerd verwarmingselement en een temperatuur-sensor. Het in het verwarmingselement gedissipeerde vermogen wordt gemeten met behulp van een geïntegreerde versterker-eenheid, waarbij gebruik wordt gemaakt van een versterker met een positieve terugkoppellus, waardoor de temperatuur met een kleine amplitude oscilleert rond een constante waarde.

Hoewel in de bekende schakeling de temperatuur als gevolg van het bestaan van een eindige overdrachtstijd van het verwarmingselement en de temperatuur-sensor bij een hoge versterkingsfactor op natuurlijke wijze zal oscilleren, verdient een schakeling met een goed gedefinieerd klok-bemonsterd signaal de voorkeur, omdat het uitgangssignaal van een dergelijke schakeling meer geschikt is voor directe verwerking in een microprocessor, en men dus de beschikking over een zogeheten "smart sensor" heeft gekregen.

Doel van de uitvinding is een geïntegreerde halfgeleider-schakeling voor themische metingen te verschaffen die een of meer uitgangssignalen geschikt voor verwerking in een microprocessor levert.

Dit doel wordt overeenkomstig de uitvinding, welke is gedaan door 3.H. Huijsing en F.R. Riedijk, gerealiseerd met een schakeling, waarvan de comparator is voorzien van een signaal-terugkop-pel-lus die een digitaal-analoog (DA) signaal-omzetter bevat.

In een schakeling volgens de uitvinding vormen de DA signaal-omzetter in de terugkoppel-lus en de comparator, in samenwerking met andere, niet noodzakelijkerwijs in de chip geïntegreerde componenten, een analoog-digitaal (AD) signaal-omzetter. De AD-omzetter is, afhankelijk van het doel waarvoor de schakeling wordt toegepast, zodanig ingericht dat deze de gewenste uitgangssignalen in digitale vorm van leveren.

In een uitvoeringsvoorbeeld van de schakeling volgens de uitvinding is de comparator een temperatuur- dan wel warmtestroom-com-parator, beschikt de DA signaal-omzetter over een vermogensuitgang en bevat de signaal-terugkoppel-lus componenten voor de overdracht van thermische (temperatuur- en warmtestroom-) signalen.

Bij dit uitvoeringsvoorbeeld wordt de meetnauwkeurigheid van de schakeling systematisch verhoogd, omdat bepaalde signaal-bewer-kingen plaats kunnen vinden in het thermische domein, nog voordat signaal-omzetting naar het (analoge of digitale) elektrische domein (met daaraan verbonden het ontstaan van conversie-fouten) plaats heeft.

In een, andere uitvoeringsvormen niet uitsluitend, voorbeeld bevat de schakeling componenten die tenminste een optel-eenheid voor warmte-stromen en een warmtecapaciteit omvatten, beschikt deze over een temperatuur- dan wel warmtestroom-comparator met een elektrische uitgang, over een 1-bits DA signaal-omzetter voor de omzetting van elektrische signalen in energie-pulsen en bevat de signaalterugkop-pel-lus een poort-schakeling voor een klok-signaal. In een variant van het laatste voorbeeld bevat de optel-eenheid middelen waarmee ook negatieve warmte-stromen worden opgeteld en bevat de 1-bits DA omzetter een zogeheten Peltier-koelelement.

De voordelen van de uitvinding komen in het bijzonder tot uitdrukking in een schakeling waarin de signaal-terugkoppel-lus componenten bevat welke in samenwerking met de comparator een zogeheten sigma-delta modulator vormen.

Een sigma-delta modulator is een schakeling die in het algemeen tenminste bestaat uit een optel-eenheid, een integrator (een capaciteit), een signaal-comparator, een klok-gestuurde flip-flop schakeling en een 1-bits DA signaal-omzetter. (De modulator ontleent haar naam aan de erin toegepaste combinatie van een integrator, vaak aangeduid met sigma, en een pulsen leverende DA omzetter, aangeduid met delta).

Een sigma-delta modulator legt een relatief gering beslag op oppervlak van de halfgeleider-schakeling, terwijl de wijze van vervaardigen van een voor het thermische domein geschikte sigma-delta modulator niet verschilt van de voor het elektrisch domein geschikte variant.

De nauwkeurigheid van een schakeling volgens de uitvinding, uitgerust met een in het thermisch domein werkzame sigma-delta modulator wordt vooral bepaald door de nauwkeurigheid van de in de schakeling geïntegreerde 1-bits DA-omzetter en van de aftrek-bewerking. In een dergelijke schakeling is de onnauwkeurigheid die wordt teweeg gebracht door de conversie van een thermisch sensor-signaal naar een elektrisch signaal geëlimineerd, althans gereduceerd tot de onnauwkeurigheid van de comparator, een 1-bits AD signaal-omzetter.

Een volgend uitvoeringsvoorbeeld van de schakeling volgens de uitvinding wordt daardoor gekenmerkt, dat het aantal temperatuurden wel warmte-sensoren en het aantal AD signaal-omzetters beide vier bedragen.

Een dergelijke schakeling is bijvoorbeeld geschikt om te worden toegepast in een thermische stroomsnelheid("flow")-meter, waarbij uit de afkoeling die een stroming ter plekke van de sensoren teweegbrengt richting en snelheid van de stroming op overigens bekende wijze kunnen worden afgeleid.

In weer een volgend uitvoeringsvoorbeeld van een schakeling volgens de uitvinding met vier sensoren is deze zodanig ingericht, dat twee temperatuur - dan wel warmtesensoren zijn geplaatst op de lijn die het de twee andere sensoren verbindende lijnstuk loodrecht snijdt, en de schakeling tevens middelen bevat waarmee de temperatuur op bepaalde plaatsen kan worden verhoogd.

De uitvinding zal thans nader worden toegelicht aan de hand van de tekening.

Fig. 1 toont als uitvoeringsvoorbeeld van het gedeelte van een schakeling volgens de uitvinding waar het van de sensor afkomsti- ge signaal wordt verwerkt een sigma-delta modulator, geschikt voor signaal-bewerking in het thermische domein.

In fig. 1. stelt de pijl (1) een van de sensor afkomstige warmte-stroom voor, welke in de optel-eenheid (2) wordt opgeteld met de uit de 1-bits (thermische) DA-omzetter (3) afkomstige energie-puls (4). Het gesommeerde signaal (een warmte-stroom) (5) wordt toegevoegd aan een integrator (6) (een warmte-capaciteit). Het van de integrator afkomstige signaal (7) (een temperatuur) wordt in signaal-comparator (8) vergeleken met een referentie-signaal (9) (eveneens een temperatuur). Een poort-schakeling (10) laat een klok-signaal (11) door naar de uitgang zodra het signaal (7) groter is dan het referentie-signaal (9). Het uitgangssignaal (12) wordt via de DA omzetter (3) teruggekoppeld; zodra het in integrator (6) geïntegreerde ingangssignaal (1) een (door het referentie-signaal (9)) bepaalde waarde onderschrijdt levert de DA omzetter (3) een energie-puls (4). Het aantal door poort (10) doorgelaten klok-pulsen (11) is een maat van de signaal-sterkte, i.c. de gemeten warmtestroom (1). De stippellijn (13) tenslotte stelt schematisch de scheiding tussen het (analoog) thermische domein links en het (digitaal) elektrische domein rechts van de stippellijn (13) voor.

Claims (7)

1. Geïntegreerde halfgeleider-schakeling voor thermische metingen, die tenminste een temperatuur - dan wel warmtestroom-sensor en een signaal-comparator bevat, aan welke comparator een direct of indirect van de sensor afkomstig signaal en een referentie-signaal worden aangeboden, met het kenmerk, dat de comparator is voorzien van een signaal-terugkoppel-lus die een digitaal-analoog (DA) signaal -omzetter bevat.

2. Geïntegreerde halfgeleider-schakeling volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de comparator een temperatuur - dan wel warmte-stroom comparator is, de DA signaal-omzetter over een vermogensuit-gang beschikt en de signaal-terugkoppel-lus componenten bevat voor de overdracht van thermische signalen.

3. Geïntegreerde halfgeleider-schakeling volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de componenten tenminste omvatten een optel-eenheid voor warmte-stromen en een warmtecapaciteit, de temperatuurden wel warmtestroom-comparator over een elektrische signaaluitgang beschikt, de digitaal-analoog signaal-omzetter een 1-bits DA omzetter voor de omzetting van elektrische signalen in energie-pulsen is en de signaal-terugkoppel-lus voorts een poort-schakeling voor een klok-signaal bevat.

4. Geïntegreerde halfgeleider-schakeling volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de optel-eenheid middelen bevat waarmee ook negatieve warmte-stromen worden opgeteld en de 1-bits DA omzetter een zogeheten Peltier-koelelement bevat.

5. Geïntegreerde halfgeleider-schakeling volgens de conclusies 1 tot en met 4, met het kenmerk, dat de signaal-terugkoppel-lus componenten bevat welke in samenwerking met de comparator een zogeheten sigma-delta modulator vormen.

6. Geïntegreerde halfgeleider-schakeling volgens de conclusies 1 tot en met 3, met het kenmerk, dat het aantal temperatuur - dan wel warmtestroom-sensoren en het aantal DA signaal-omzetters beide vier bedragen.

7. Geïntegreerde halfgeleider-schakeling volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat twee temperatuur- dan wel warmtestroom-sensoren zijn geplaatst op de lijn die het de twee andere sensoren verbinden de lijnstuk loodrecht snijdt, en de schakeling tevens middelen bevat waarmee de temperatuur op bepaalde plaatsen kan worden verhoogd.