WO2010054811A1

WO2010054811A1 - Thermoelelektrische leistungsmesszelle und entsprechenendes messverfahren

Info

Publication number: WO2010054811A1
Application number: PCT/EP2009/008060
Authority: WO
Inventors: Thomas Reichel; Michael Katzer; Toralf Bratfisch; Werner Perndl; Martin Hassler; Andrea Deutinger
Original assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Current assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Priority date: 2008-11-17
Filing date: 2009-11-12
Publication date: 2010-05-20
Anticipated expiration: 2011-05-17
Also published as: DE102008057607B4; US20120126786A1; DE102008057607A1; US9194895B2

Abstract

Eine Leistungsmesszelle beinhaltet zumindest ein Thermoelement (30) und zumindest zwei Heizelemente (20, 21, 25). Ein erstes Heizelement (20, 21) ist von einem Messsignal beheizbar. Mittels des Thermoelements (30) ist eine Temperatur messbar. Die beiden Heizelemente (20, 21, 25) weisen einen sehr geringen Abstand auf. Das zumindest eine Thermoelement (30) und die beiden Heizelemente (20, 21, 25) weisen eine hohe thermische Kopplung auf.

Description

Thermoelektrische Leistungsmesszelle und entsprechendes

Messverfahren

Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische Leistungsmesszelle und ein Verfahrung zur thermoelektrischen Messung von Leistung.

Zur Messung von elektrischer Leistung, insbesondere von Mirkowellenleistung im Bereich von 1 GHz bis HOGHz, ist der Einsatz von Thermoelementen bekannt. Eine Messschaltung wird üblicherweise vor der ersten Inbetriebnahme kalibriert. Messschaltungen sind jedoch nicht über eine lange Zeit unveränderlich. So nimmt die

Genauigkeit der Messung mit der Zeit ab. Aus diesem Grund müssen derartige Messgeräte in regelmäßigen Abständen erneut kalibriert werden.

So zeigt die US 2007/0176768 Al einen Mikrowellen- Leistungs-Sensor. Dieser beinhaltet zwei Heizwiderstände und mehrere Thermoelemente. Die Heizwiderstände sind jeweils an unterschiedlichen Enden der Thermoelemente angebracht. Der erste Heizwiderstand ist mit dem Mikrowellensignal verbunden. In einem ersten Messverfahren wird lediglich dieser erste Heizwiderstand durch das Mikrowellensignal beheizt. Darüber hinaus wird in einem zweiten Messverfahren der zweite Heizwiderstand mit einem Gleichstrom DC verbunden. Der Gleichstrom DC wird dabei so eingestellt, dass die Thermoelemente eine Spannung von OV ausgeben. In diesem Zustand weisen die Enden der Thermoelemente eine identische Temperatur auf. Die Leistung des Mikrowellensignals entspricht dann der Leistung des bekannten Gleichstroms. Obwohl dieses Verfahren die Messgenauigkeit gegenüber dem ersten Verfahren erhöht, ist es nachteilhaft, da bei steigender Leistung des Mikrowellensignals zunehmend mehr Leistung in dem Sensor umgesetzt wird. Dies führt zu einer geringen Leistungstragfähigkeit des Sensors. Darüber hinaus ergibt sich durch die zwei räumlich und thermisch getrennten Heizelemente ein großer Platzbedarf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Leistungsmesszelle und ein Verfahren zur Leistungsmessung zu schaffen, welche einen geringen Platzbedarf, eine hohe Messgenauigkeit, eine hohe Leistungstragfähigkeit und eine hohe Langzeitstabilität erbringen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß für die

Leistungsmesszelle durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 und für das Verfahren durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der hierauf rückbezogenen Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Leistungsmesszelle beinhaltet zumindest ein Thermoelement und zumindest zwei Heizelemente. Ein erstes Heizelement ist von einem Messsignal beheizbar. Mittels des Thermoelements ist eine Temperatur messbar. Die beiden Heizelemente weisen einen sehr geringen Abstand auf. Das zumindest eine Thermoelement und die beiden Heizelemente weisen eine hohe thermische Kopplung auf. So ist eine genaue Messung bei geringem Platzbedarf gewährleistet. Eine Verifikation der Kalibrierung der Leistungsmesszelle ist möglich. Eine hohe Langzeitstabilität ist so gegeben. Die Heizelemente sind bevorzugt auf einer Seite des Thermoelements angeordnet und beheizen bevorzugt die eine Seite des Thermoelements. So ist eine hohe Temperaturdifferenz zwischen den beiden Seiten des Thermoelements und damit ein hoher Messsignalpegel gegeben.

Mittels des zweiten Heizelements ist bevorzugt eine Verifikation einer Kalibrierung der Leistungsmesszelle durchführbar. So kann bestimmt werden wenn die Messgenauigkeit des Leistungsmesszelle unter ein bestimmtes Niveau gefallen ist und eine erneute Kalibrierung durchgeführt werden muss.

Das zumindest eine Thermoelement besteht bevorzugt aus einer Paarung aus einer Kupfer-Nickel-Legierung und Kupfer. So ist eine ausreichend hohe Thermospannung bei Einsatz erprobter Materialien möglich. Eine einfache Herstellung im Dünnschichtverfahren ist so möglich.

Die Leistungsmesszelle beinhaltet bevorzugt mehrere Thermoelemente. Die mehreren Thermoelemente sind bevorzugt zumindest teilweise in Serie geschaltet. Die in Serie geschalteten Thermoelemente bilden bevorzugt zumindest eine Thermosäule. So ist eine Erhöhung der Thermospannung auf ein Vielfaches möglich. Dies erhöht die Messgenauigkeit .

Vorteilhafterweise sind die Heizelemente und das zumindest eine Thermoelement auf einer Membran angeordnet. Die thermische Leitfähigkeit der Membran bestimmt bevorzugt die Messgenauigkeit und die Leistungstragfähigkeit der Leistungsmesszelle. So ist ein kontrollierter Wärmeabfluss möglich. Auch eine genaue Einstellung der Messgenauigkeit und der Leistungstragfähigkeit der Leistungsmesszelle ist so möglich.

Bevorzugt besteht die Membran aus Siliziumoxid und/oder Silizium. So ist der Einsatz einer Standard-Silizium- Technologie möglich.

Zur Verifikation einer Kalibrierung der Leistungsmesszelle ist das zweite Heizelement bevorzugt mit zumindest einem Verifikationssignal bekannter Leistung beaufschlagbar. Das zweite Heizelement erhitzt bei Beaufschlagung mit dem Verifikationssignal das Thermoelement auf eine weitgehend bekannte Temperatur. Eine Verifikationseinrichtung bestimmt bevorzugt zumindest den Messwert des zumindest einen Thermoelements bei der zumindest einen weitgehend bekannten Temperatur, zeichnet diesen auf und vergleicht ihn mit der bekannten Leistung des Verifikationssignals. So ist eine Überprüfung der Messgenauigkeit möglich. Wird eine erneute Kalibrierung durchgeführt, wenn die Genauigkeit abfällt, so ist eine sehr große Langzeitstabilität erreichbar.

Das zweite Heizelement ist vorteilhafterweise derart mit einem Substitutionssignal ansteuerbar, dass die von dem Thermoelement bestimmte Temperatur unabhängig von dem Messsignal weitgehend konstant ist. Die Leistung des Messsignals wird bevorzugt aus dem Substitutionssignal bestimmt. So ist die in der Leistungsmesszelle umgesetzte Leistung unabhängig von dem Messsignal konstant. Nichtlineare Effekte werden damit vermieden. Eine hohe Leistungstragfähigkeit wird so erreicht. Das Verifikationssignal und das Substitutionssignal sind bevorzugt Gleichstrom-Signale. So sind eine einfache Signalverarbeitung und eine genaue Messung möglich.

Das Leistungsmessgerät beinhaltet bevorzugt eine

Brückenschaltung. Die Brückenschaltung beinhaltet dabei vorteilhafterweise zwei Pfade. Die Brückenschaltung beinhaltet bevorzugt das Thermoelement in einem der Pfade. Vorteilhafterweise steuert ein verstärktes Messsignal der Messbrücke das zweite Heizelement an. So ist eine einfache Regelung der thermischen Leistung an den Heizelementen möglich.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Messung der elektrischen Leistung eines Messsignals ist ein erstes Heizelement von dem Messsignal beheizbar. Zumindest ein Thermoelement misst eine Temperatur, welche im Wesentlichen der Temperatur des ersten Heizelements entspricht. Die an dem ersten Heizelement gemessene Temperatur wird zur Bestimmung einer Leistung des

Messsignals genutzt. Ein zweites Heizelement wird mit einem Substitutionssignal beaufschlagt während das erste Heizelement mit dem Messsignal beaufschlagt wird, oder mittels eines zweiten Heizelements wird eine Verifikation einer Kalibrierung der Messung der Leistung durchgeführt. Das zumindest eine Thermoelement und die beiden Heizelemente sind bevorzugt stark thermisch gekoppelt. So ist eine genaue Messung bei geringem Platzbedarf gewährleistet. Durch die Verifikation der Kalibrierung ist eine Überprüfung der Langzeitstabilität möglich. Durch die Substitution wird eine gleichbleibende im Leistungsmessgerät umgesetzte Leistung erreicht. Zur Verifikation der Kalibrierung der Messung der Leistung werden bevorzugt die folgenden Schritte durchgeführt:

- Abschalten des ersten Heizelements;

- Beaufschlagung eines zweiten Heizelements mit einem Verifikationssignal bekannter Leistung;

- Bestimmung der von dem Thermoelement gemessenen Leistung, und

- Vergleich der von dem Thermoelement gemessenen Leistung mit der bekannten Leistung des Verifikationssignals.

So ist eine Überprüfung der Messgenauigkeit möglich. Eine Korrektur von Abweichungen der Messwerte gegenüber einer ideal linearen Kennlinie ist weiterhin möglich.

Alternativ wird das zweite Heizelement bevorzugt derart mit einem Substitutionssignal angesteuert, dass Veränderungen des von dem Thermoelement bestimmten Messsignals kompensiert werden. Die von dem Thermoelement bestimmte Temperatur ist bevorzugt unabhängig von dem Messsignal weitgehend konstant. Die Leistung des Messsignals wird vorteilhafterweise aus dem Substitutionssignal bestimmt. So wird in dem Leistungsmessgerät eine konstante Leistung umgesetzt. Dies verhindert Messungenauigkeiten auf Grund von Temperaturdrift und anderer nichtlinearer Effekte.

Mehrere Thermoelemente werden bevorzugt genutzt. Die Signale der mehreren Thermoelemente werden zumindest teilweise addiert. Die Thermoelemente deren Signale addiert werden bilden bevorzugt zumindest eine

Thermosäule. So ist eine Erhöhung der Thermospannung auf ein Vielfaches möglich. Dies erhöht die Messgenauigkeit. Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung, in der ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist, beispielhaft beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 den Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Leistungsmesszellezelle im

Querschnitt;

Fig. 2 den Aufbau des ersten Ausführungsbeispiels in der Draufsicht;

Fig. 3a den Aufbau des ersten Ausführungsbeispiels in der Draufsicht in einer gegenüber der Fig. 2 anderen Schichtebene;

Fig. 3b den Aufbau eines zweiten Ausführungsbeispiels in der Draufsicht;

Fig. 4 ein detailliertes drittes Ausführungsbeispiel der erfindungemäßen Leistungsmesszelle in einer Schrägansicht;

Fig. 5 den zu Fig. 4 gehörigen Schichtaufbau in einer vergrößerten Schrägansicht;

Fig. 6 ein Ablaufdiagramm eines ersten

Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen

Verfahrens;

Fig. 7 ein Ablaufdiagramm eines zweiten

Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen

Verfahrens, und Zunächst wird anhand der Fig. 1 - 5 der Aufbau und die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Leistungsmesszelle erläutert. Mittels Fig. 6 und 7 wird anschließend die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Identische Elemente wurden in ähnlichen Abbildungen zum Teil nicht wiederholt dargestellt und beschrieben.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Leistungsmesszelle in einer Schnittdarstellung. Die erfindungsgemäße

Leistungsmesszelle beinhaltet ein Silizium-Substrat 12. Mittels Oxidierung der Oberfläche und selektiver Ätzung wird aus dem Silizium-Substrat 12 eine Membran 11 und ein Rahmen 10 aus Silizium geformt. Die Membran besteht dabei aus einer unteren Siliziumoxid-Schicht und einer oberen Silizium-Schicht. Auf einem ursprünglich reinen Silizium- Substrat wird hierzu eine Siliziumoxid-Schicht und darauf erneut eine Silizium-Schicht aufgebracht. Mittels rückseitiger Ätzung wird ein Teil des Siliziums des Substrats entfernt. Es ergibt sich eine Vertiefung 13 in dem Silizium-Substrat 12. Durch die zusätzliche nicht entfernte Silizium-Schicht über der Silizium-Oxid-Schicht ergibt sich eine dünne, jedoch stabile Membran 11. Alternativ kann die Membran aus einer einzelnen dickeren Siliziumoxid-Schicht bestehen.

Auf der Vorderseite der Membran 11 sind, wie im Folgenden gezeigt, weitere Bauelemente der Leistungsmesszelle angeordnet .

In Fig. 2 wird das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Leistungsmesszelle in einer Draufsicht dargestellt. Hier wird die Oberseite der Darstellung aus Fig. 1 gezeigt. Eine Koplanarleitung 18 wird durch eine Mittelleitung 29, drei Aussparungen 23, 24, 28 und eine umgebende Metallisierung gebildet. Die Koplanarleitung ist mit zwei Heizwiderständen 20, 21 verbunden. Die beiden Widerstände 20, 21 sind auf ihrer der Koplanarleitung abgewandten Seite mit der umgebenden Metallisierung und damit mit einem Masseanschluss verbunden. Die beiden Heizwiderstände 20, 21 bilden somit einen gemeinsamen Heizwiderstand 29 gegen Masse. Eine erste Streifenleitung

26 ist mit einem dritten Heizwiderstand 25 verbunden. Die der ersten Streifenleitung 26 abgewandte Seite des dritten

Heizwiderstands 25 ist mit einer zweiten Streifenleitung

27 verbunden. Die Streifenleitungen 26, 27 und der Heizwiderstand befinden sich innerhalb einer Aussparung 19 der Metallisierung. An Stelle von Streifenleitungen und Koplanarleitungen sind ebenso andere Leitungsformen einsetzbar.

Die zuvor beschriebene Struktur ist, wie im Abschnitt zu Fig. 1 angedeutet, auf der Oberseite eines Silizium- Substrats 12 aufgebaut. Die Heizwiderstände 20, 21, 25 sind dabei im Zentrum der Membran 11 angeordnet. Der Rahmen 10 dient dabei der strukturellen Stabilität der Leistungsmesszelle. Weiterhin ist der Rahmen 10 thermisch sehr gut an ein Gerätegehäuse gekoppelt und stellt damit eine nahezu ideale Temperatursenke dar.

Über die Koplanarleitung 18 wird ein Messsignal eingespeist. Das Messsignal wird über die Heizwiderstände 20, 21 nach Masse abgeführt. Das Messsignal beheizt dabei die Heizwiderstände 20, 21. Die in den Heizwiderständen 20, 21 umgesetzte thermische Leistung ist dabei proportional zu der Leistung des Messsignals. Da die Heizwiderstände 20, 21 auf der Membran 11 angebracht sind, kann die eingebrachte thermische Leistung nicht sofort abfließen. Stattdessen stellt sich eine

Gleichgewichtstemperatur der Membran 11 ein. Aus dieser Gleichgewichtstemperatur kann auf die Leistung des Messsignals geschlossen werden. Die Heizwiderstände 20, 21, 25 sind dabei mögliche Ausführungen der erfindungsgemäßen Heizelemente.

Wie anhand der Fig. 3a im Folgenden gezeigt, wird diese Gleichgewichtstemperatur mittels zumindest eines Thermoelements 30 gemessen.

Über die erste Streifenleitung 26 kann ein Signal eingespeist werden. Das Signal wird über den dritten Heizwiderstand 25 an die zweite Streifenleitung 27 übertragen. Der Heizwiderstand 25 wird dabei analog zu den Heizwiderständen 20, 21 von dem Signal beheizt. Die an dem dritten Heizwiderstand 25 umgesetzte thermische Leistung ist proportional zu der Leistung des Signals. Bei alleiniger Einspeisung des Signals ergibt sich ebenfalls eine Gleichgewichtstemperatur.

Aufgrund der großen räumlichen Nähe des ersten und zweiten Heizwiderstands 20, 21 zu dem dritten Heizwiderstand 25 ergibt sich eine starke thermische Kopplung dieser Bauelemente. Eine Temperaturerhöhung an einem der

Heizwiderstände 20, 21, 25 resultiert in einer nahezu ebenso großen Temperaturerhöhung an sämtlichen weiteren Heizwiderständen 20, 21, 25. Die Temperatur der Heizwiderstände 20, 21, 25 ist damit nahezu identisch. Für die gemeinsame Temperatur der Heizwiderstände 20, 21, 25 ist es damit unerheblich, in welchem der Heizwiderstände 20, 21, 25 Leistung umgesetzt wird. Fig. 3a zeigt eine andere Schichtebene des ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Leistungsmesszelle. Hier wird eine Mehrzahl von Thermoelementen 30 dargestellt. Die Thermoelemente 30 sind dabei über den in Fig. 2 dargestellten Strukturen galvanisch getrennt angeordnet. Der besseren Übersichtlichkeit halber wurden die in Fig. 2 dargestellten Strukturen hier zusätzlich gestrichelt dargestellt, obwohl sie in einer anderen Lage der Leistungsmesszelle angeordnet sind. Die Thermoelemente 30 bestehen dabei jeweils aus einem aktiven Bereich 31 und Zuleitungen 32. Der aktive Bereich 31 besteht dabei aus einer Verbindung eines Kupfer-Kontakts mit einem Kupfer- Nickel-Kontakt. Sowohl der Kupfer-Kontakt wie auch der Kupfer-Nickel-Kontakt verfügen dabei über eine eigene Zuleitung 32, welche deckungsgleich, jedoch galvanisch getrennt voneinander angeordnet sind. Die galvanische Trennung der übereinander angeordneten Zuleitungen 32 wird durch eine dazwischen liegende Isolationsschicht erreicht. Die Thermoelemente 30 sind weiterhin durch isolierende Schichten nach oben und unten galvanisch getrennt. Die Gesamtheit der Isolationsschichten, der Kupfer-Schicht und der Kupfer-Nickel-Schicht wird dabei als Thermoelement- Schicht bezeichnet.

Alternativ ist eine Anordnung der Zuleitungen nebeneinander ohne Isolationsschicht möglich. Dies wird anhand von Fig. 3b näher erläutert.

Die aktiven Bereiche 31 der Thermoelemente 30 liegen dabei in einem weitgehend konstanten Abstand zu einer äußeren Begrenzung eines der Heizwiderstände 20, 21 aus Fig. 2 und sind von identischer Ausdehnung. Die aktiven Bereiche 31 liegen in geringem Abstand zu den Heizwiderständen 20, 21, 25. So ist eine weitgehend identische Temperatur und damit ein weitgehend identisches Ausgangssignal der aktiven Bereiche 31 der Thermoelemente 30 bei Beaufschlagung der Heizwiderstände 20, 21 mit einem Messsignal bzw. des Heizwiderstands 25 mit einem weiteren Signal gewährleistet .

Die Zuleitungen 32 verbinden dabei die aktiven Bereiche 31 der Thermoelemente 30 mit dem Rand der Leistungsmesszelle. Die zweite Seite der Thermoelemente liegt damit im Bereich des Randes der Leistungsmesszelle und damit auf einem konstanten Umgebungstemperaturniveau. Dort werden die Signale der Thermoelemente 30 abgegriffen. Die Zuleitungen 32 sind dabei derart angeordnet, dass sie einen großen Teil der Fläche der Leistungsmesszelle bedecken. Der

Abstand zwischen jeweils benachbarten Zuleitungen 32 ist dabei weitgehend konstant.

Zur Erhöhung des Signalpegels sind die Thermoelemente 30 zumindest teilweise in Serie geschaltet. In Serie geschaltete Thermoelemente bilden Thermosäulen. Zur Vermeidung von elektromagnetischen Einstreuungen ist eine Umkehrung der Laufrichtung des elektrischen Stroms durch einen Teil der Thermoelemente 30 möglich. So werden elektromagnetische Einstreuungen, welche in einem ersten Teil der Thermoelemente 30 mit identischer Laufrichtung des elektrischen Stroms auftreten, durch die elektromagnetischen Einstreuungen, welche in einem zweiten Teil der Thermoelemente 30 mit umgekehrter Laufrichtung des elektrischen Stroms auftreten, kompensiert. Bevorzugt weisen jeweils benachbarte Thermoelemente eine unterschiedliche Stromrichtung auf. Durch den weitgehend konstanten Abstand benachbarter Thermoelemente 30 heben sich Störungen so weitgehend auf. Das in Fig. 3b dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht weitgehend dem in Fig. 3a dargestellten

Ausführungsbeispiel. Die unterschiedlichen Materialien der Thermoelemente 80 sind jedoch nicht übereinander in unterschiedlichen Schichten angeordnet, sondern nebeneinander in einer einzelnen Schicht. So wird jedes Thermoelement 80 von einer Kupfer-Nickel-Zuleitung 82, einer Kupfer-Zuleitung 83 und einem aktiven Bereich 81 gebildet. Die Thermoelement-Schicht enthält in diesem Ausführungsbeispiel keine Isolationsschicht, welche die Kupfer-Schicht und die Kupfer-Nichel-Schicht trennt. Dieser Aufbau ermöglicht eine einfachere Herstellung.

In Fig. 4 wird ein detailliertes drittes

Ausführungsbeispiel der erfindungemäßen Leistungsmesszelle in einer Schrägansicht dargestellt. Auf einem Silizium- Substrat 85 ist eine Thermoelement-Schicht 81 aufgebracht. Dazwischen liegen weitere Schichten, auf welche anhand der Fig. 5 näher eingegangen wird. Die Thermoelement-Schicht 81 besteht aus zwei Silizium-Nitrid Schichten, zwischen welchen die Thermoelemente bestehend aus einer Kupfer- Schicht und Kupfer-Nickel-Schicht eingebettet sind. Die Silizium-Nitrid-Schichten dienen dabei der galvanischen Trennung der Thermoelemente von dem Substrat und den darüber liegenden Schichten. Bei Anordnung der Kupfer- Schicht und der Kupfer-Nickel-Schicht übereinander wird optional eine zusätzliche Silizium-Nitrid-Schicht dazwischen angebracht. Auf der Thermoelement-Schicht 81 ist eine Widerstands-Schicht aus einer Nickel-Chrom- Legierung aufgebracht, aus welcher die Heizwiderstände 92, 93, 97 geformt sind. Weiterhin ist auf der Thermoelement- Schicht 81 und auf der Widerstands-Schicht eine Gold- Schicht 82 aufgebracht. Die Gold-Schicht 82 dient dabei der Kontaktierung der verschiedenen Bauteile und der elektromagnetischen Abschirmung der Leistungsmesszelle.

Mittels der Streifenleitungen 95, 96 wird die Heizleistung in den Heizwiderstand 97 eingebracht. Die Anschlüsse 98, 99 dienen der Kontaktierung der Thermoelemente. Der Anschluss 100 dient der Umkehrung der Stromrichtung durch einen Teil der Thermoelemente. Dies dient wie zuvor beschrieben der besseren Kompensation von elektromagnetischen Einkopplungen. Eine Überkreuzung der Leitungen der Thermoelemente ist hierfür notwendig. Diese Überkreuzung ist nur durch ein Verlassen der Schichtebene der Thermoelemente möglich. Dabei werden sowohl die Streifenleitungen 95, 96 als auch die Anschlüsse 98, 99, 100 von der Gold-Schicht 82 gebildet.

Mittels einer Koplanarleitung 101 wird das Messsignal den Heizwiderständen 92, 93 zugeführt. Die Koplanarleitung 101 wird dabei von der Mittelleitung 83, den drei Aussparungen 90, 91, 94 und der übrigen Metallisierung der Gold-Schicht 82 gebildet. Auch die Mittelleitung 83 wird dabei durch die Gold-Schicht 82 gebildet. Mittels der Aussparung 94 wird die Mittelleitung 83 weiterhin von der übrigen Metallisierung der Gold-Schicht 82 isoliert. Die Heizwiderstände sind dabei direkt zwischen den

Mittelleiter 83 und die übrige Metallisierung der Gold- Schicht 82 geschaltet. Sie weisen jeweils einen Abschlusswiderstand von im Ausführungsbeispiel 100 Ohm auf. In Kombination ergibt sich somit ein Abschluss der Koplanarleitung mit 50 Ohm. Auch die Koplanarleitung 101 weist einen Wellenwiderstand von 50 Ohm auf. Es treten somit in einem sehr breiten Frequenzbereich nahezu keine Reflexionen an den Heizwiderständen 92, 93 auf. Der Bereich V in Fig. 4 ist in Fig. 5 vergrößert dargestellt und wird im Folgenden in größerem Detail beschrieben.

Fig. 5 zeigt den zu Fig. 4 gehörigen Schichtaufbau in einer vergrößerten Schrägansicht. Auf dem in Fig. 4 dargestellten Substrat 85 aus Silizium ist eine Ätz-Stop- Schicht 84 aus Siliziumoxid aufgebracht. Die Ätz-Stop- Schicht 84 dient der definierten Beendigung des Ätzvorgangs, mit welchen das Substrat unter der anhand von Fig. 1 erläuterten Membran 11 entfernt wird. Auf der Ätz- Stop-Schicht 84 ist eine weitere Silizium-Schicht 80 aufgebracht. Diese Schicht dient der mechanischen Stabilität der Membran 11. Direkt auf der Silizium-Schicht 80 ist die anhand von Fig. 4 näher beschriebene Thermoelement-Schicht 81 aufgebracht. Auf der Thermoelement-Schicht 81 ist die anhand von Fig. 4 erläuterte Gold-Schicht 82 aufgebracht.

Die Aussparungen 90, 91, welche den Mittelleiter von der übrigen Metallisierung der Gold-Schicht 82 trennen, sind dabei sowohl in der Gold-Schicht 82 als auch in der Thermoelement-Schicht 81 ausgebildet. So ist eine sichere galvanische Trennung gewährleistet. Die Aussparungen 90, 91 sind dabei derart strukturiert, dass die in Fig. 4 gezeigte Koplanarleitung 101 einen über ihre Länge konstanten Wellenwiderstand von 50 Ohm aufweist. Hierzu sind die Aussparungen 90, 91 mit einer stufenweise in Richtung der Heizwiderstände 92, 93 abnehmenden Breite ausgestattet. Diese Abstufung ist in der Strukturierung der Rückseite begründet. So ist im Bereich des Rahmens 10 eine größere Breite notwendig um den konstanten Wellenwiderstand zu erreichen, als im Bereich der Membran 11. In Fig. 6 wird ein Ablaufdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Die Thermoelemente 30 wie auch die Heizwiderstände 20, 21, 25 verändern sich im Laufe der

Zeit geringfügig. Dies hat eine geringe Langzeitstabilität der Messergebnisse zur Folge. Um diesen Effekt zu kompensieren, werden Verifikationsmessungen durchgeführt. Bei einer Verifikationsmessung wird zunächst in einem ersten Schritt 50 die Einspeisung des Messsignals in die Heizwiderstände 20, 21 unterbrochen. In einem zweiten Schritt 51 wird ein Verifikationssignal in den dritten Heizwiderstand 25 eingespeist. Die Leistung des Verifikationssignals ist dabei bekannt. Für die Verifikation wird davon ausgegangen, dass die

Veränderungen des dritten Heizwiderstands 25 den Veränderungen des ersten und zweiten Heizwiderstands 20, 21 entsprechen.

Durch die Einspeisung des Verifikationssignals in den dritten Heizwiderstand 25 fällt dort eine thermische Leistung an. Wie anhand Fig. 2 erläutert, stellen sich ein thermisches Gleichgewicht und damit eine Gleichgewichtstemperatur ein. Mittels der Thermoelemente 30 wird in einem dritten Schritt 52 diese

Gleichgewichtstemperatur bestimmt. In einem vierten Schritt 53 wird die bekannte Leistung des Verifikationssignals mit der gemessenen Leistung verglichen. Diese Berechnung erfolgt durch eine externe nicht dargestellte Verifikationseinrichtung. Eine weitere Erhöhung der Genauigkeit kann durch Bestimmung von Kompensationswerten erzielt werden. Diese werden zur Fehlerkorrektur jedes zukünftigen Messwerts herangezogen. Die Genauigkeit kann weiter erhöht werden, indem die Schritte 51 bis 53 für unterschiedliche bekannte Leistungen des Verifikationssignals wiederholt werden.

Fig. 7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens. Üblicherweise werden bei der Messung lediglich das erste und zweite Heizelement 20, 21 genutzt. Dies führt jedoch zu dem Nachteil, dass die in der Leistungsmesszelle umgesetzte Leistung proportional zu der Leistung des Messsignals ist. Dies führt zu nichtlinearen Effekten welche nicht vollständig beseitigt werden können. Um besonders genaue Messergebnisse zu erzielen, wird die Leistungsmesszelle im so genannten Substitutionsmodus betrieben. Die Heizelemente 20, 21, 25 sind dabei z.B. über eine Brückenschaltung miteinander verschaltet. Die Verschaltung erfolgt dabei bevorzugt derart, dass die gemeinsam an den Heizelementen 20, 21, 25 umgesetzte Leistung konstant ist. Dies wird durch ein Substitutionssignal, welches in das dritte Heizelement 25 eingespeist wird, erreicht. Das Substitutionssignal hat dabei stets eine Leistung, welche der Differenz der angestrebten konstanten Gesamtleistung und der Leistung des Messsignals entspricht. Die Leistung des Messsignals wird dabei anhand des bekannten Substitutionssignals berechnet.

Zur Leistungsmessung im Substitutionsmodus wird in einem ersten Schritt 60 den Heizwiderständen 20, 21 ein Messsignal zugeführt. In einem zweiten Schritt 61 wird mittels der Thermoelemente 30 die resultierende

Gleichgewichtstemperatur bestimmt. In einem dritten Schritt 62 wird ein Substitutionssignal in das dritte Heizelement 25 eingespeist. Das Substitutionssignal ist bekannt und weist eine Leistung auf, welche der Differenz einer gewünschten Gesamtleistung und der an den Heizelementen 20, 21 anfallenden Leistung entspricht. Das Substitutionssignal wird dabei bestimmt, indem die Temperatur an den Thermoelementen 30 auf einem konstanten, gewünschten Niveau gehalten wird. Anhand des bekannten Substitutionssignals wird die Leistung des Messsignals bestimmt .

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Wie bereits erwähnt, können unterschiedliche Materialien für die Thermoelemente eingesetzt werden. Auch die Nutzung einer höheren Anzahl von Heizelementen ist denkbar. Alle vorstehend beschriebenen Merkmale oder in den Figuren gezeigten Merkmale sind im Rahmen der Erfindung beliebig vorteilhaft miteinander kombinierbar.

Claims

Ansprüche

1. Leistungsmesszelle mit zumindest einem Thermoelement (30, 71, 80) und zumindest zwei Heizelementen (20, 21, 25, 73, 74), wobei ein erstes Heizelement (20, 21, 73) von einem

Messsignal beheizbar ist, wobei mittels des Thermoelements (30, 71, 80) eine

Temperatur messbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Heizelemente (20, 21, 25, 73, 74) einen sehr geringen Abstand aufweisen, und dass das zumindest eine Thermoelement (30, 71, 80) und die beiden Heizelemente (20, 21, 25, 73, 74) eine hohe thermische Kopplung aufweisen.

2. Leistungsmesszelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet:, dass die Heizelemente (20, 21, 25, 73, 74) auf einer Seite des Thermoelements (30, 71, 80) angeordnet sind, und dass die Heizelemente (20, 21, 25, 73, 74) die eine Seite des Thermoelements (30, 71, 80) beheizen.

3. Leistungsmesszelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des zweiten Heizelements (25, 74) eine Verifikation einer Kalibrierung der Leistungsmesszelle durchführbar ist.

4. Leistungsmesszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Thermoelement (30, 71, 80) aus einer Paarung aus einer Kupfer-Nickel-Legierung und Kupfer besteht .

5. Leistungsmesszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsmesszelle mehrere Thermoelemente (30, 80) beinhaltet, dass die mehreren Thermoelemente (30, 80) zumindest teilweise in Serie geschaltet sind, und dass die in Serie geschalteten Thermoelemente (30, 80) zumindest eine Thermosäule bilden.

6. Leistungsmesszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizelemente (20, 21, 25, 73, 74) und das zumindest eine Thermoelement (30, 71, 80) auf einer Membran (11) angeordnet sind, und dass die thermische Leitfähigkeit der Membran (11) die Messgenauigkeit und die Leistungstragfähigkeit der Leistungsmesszelle bestimmt.

7. Leistungsmesszelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (11) aus Siliziumoxid und/oder Silizium besteht .

8. Leistungsmesszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verifikation einer Kalibrierung der Leistungsmesszelle das zweite Heizelement (25) mit einem Verifikationssignal bekannter Leistung beaufschlagbar ist, dass das zweite Heizelement (25) bei Beaufschlagung mit dem Verifikationssignal das Thermoelement (30, 80) auf zumindest eine bekannte Temperatur erhitzt, und dass eine Verifikationseinrichtung den Messwert des zumindest einen Thermoelements (30, 80) bei der zumindest einen bekannten Temperatur bestimmt, aufzeichnet und mit der Leistung des Verifikationssignals vergleicht.

9. Leistungsmesszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Heizelement (25, 74) derart mit einem Substitutionssignal ansteuerbar ist, dass die von dem Thermoelement (30, 71, 80) bestimmte Temperatur unabhängig von dem Messsignal weitgehend konstant ist, und dass die Leistung des Messsignals aus dem Substitutionssignal bestimmt wird.

10. Leistungsmesszelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verifikationssignal und das Substitutionssignal Gleichstrom-Signale sind.

11. Verfahren zur Messung der elektrischen Leistung eines Messsignals, wobei ein erstes Heizelement (20, 21, 73) von dem

Messsignal beheizbar ist, wobei zumindest ein Thermoelement (30, 71, 80) eine

Temperatur misst, welche im Wesentlichen der Temperatur des ersten Heizelements (20, 21, 73) entspricht, wobei die an dem ersten Heizelement (20, 21, 73) gemessene

Temperatur zur Bestimmung einer Leistung des Messsignals genutzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Heizelement (74) mit einem Substitutionssignal (U_SUb) beaufschlagt wird während das erste Heizelement (73) mit dem Messsignal beaufschlagt wird, oder dass mittels eines zweiten Heizelements (25) eine Verifikation einer Kalibrierung der Messung der Leistung durchgeführt wird, wobei das zumindest eine Thermoelement (30, 71, 80) und die beiden Heizelemente (20, 21, 25, 73, 74) stark thermisch gekoppelt sind.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verifikation der Kalibrierung der Messung der Leistung die folgenden Schritte durchgeführt werden:

- Abschalten des ersten Heizelements (20, 21) ;

- Beaufschlagung eines zweiten Heizelements (25) mit einem Verifikationssignal bekannter Leistung; - Bestimmung der von dem Thermoelement (30, 80) gemessenen Leistung, und

- Vergleich der von dem Thermoelement (30, 80) gemessenen Leistung mit der bekannten Leistung des Verifikationssignals .

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Heizelement (25, 74) derart mit einem Substitutionssignal (U_Sub) angesteuert wird, dass Veränderungen des von dem Thermoelement (30, 71, 80) bestimmten Messsignals kompensiert werden und dass die von dem Thermoelement (30) bestimmte Temperatur unabhängig von dem Messsignal weitgehend konstant ist, und dass die Leistung des Messsignals aus dem Substitutionssignal (U_Sub) bestimmt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verifikationssignal und das Substitutionssignal (U_SUb) Gleichstrom-Signale sind.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Thermoelemente (30, 80) genutzt werden, dass die Signale der mehreren Thermoelemente (30, 80) zumindest teilweise addiert werden, und dass die Thermoelemente (30, 80) deren Signale addiert werden zumindest eine Thermosäule bilden.