具有流量可适应的模数转换器的流量传感器制造技术

本发明专利技术涉及具有流量可适应的模数转换器的流量传感器。一种流量传感器包括配置在两个感测热电堆（６ａ、６ｂ）之间的加热器（４）。另外，至少一个监视热电偶（１２ａ、１２ｂ）被设置用于测量加热器（４）的温度。来自监视热电偶的信号被用作转换来自感测热电堆（６ａ、６ｂ）的信号的Ａ／Ｄ转换器的基准电压。这使得能够在较高的流量上增加转换器的分辨率，这导致更精确的测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及具有加热器以及配置在加热器的对边上的第一和第二温度传感器的用于测量流体的流量的器件。该器件还包含用于将来自温度传感器的信号数字化的模数转换器。
技术介绍
例如在美国2003/0115952中说明了这种类型的流量传感器。它包括用于向模数转换器供给基准电压的基准电压发生器。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供用于改进这种器件的精度的装置。通过根据独立权利要求的流量传感器实现该目的。因此，产生用于模数转换器的基准电压的基准电压发生器适于对于流体的增加的流量速度降低基准电压。这基于测量的模拟感测信号对流体的流量的依赖性对于较弱的流量最强并且对于较强的流量速度不断变弱的理解。通过对于较高的流量速度降低基准电压，转换器的分辨率可通过在这些速度上增加完成这一点。附图说明在独立权利要求以及以下的说明中更详细地说明其它的优点和有利的实施例。本说明书参照附图，其中，图1是器件的可能的实施例的顶视图；图2是沿图1的线II-II的示意性截面图；图3是器件的电路的第一实施例的框图；图4表示感测信号ΔT、监视信号TP和感测信号的数字化值与具有恒定和非恒定的Vref输入的质量流量变化关系。图5是器件的电路的第二实施例的框图。具体实施例方式图1和图2的器件被设计为基于硅衬底1的半导体芯片，但是也可以使用其它的半导体或介电衬底。该器件也可由不被安装到共用的衬底上的离散的元件构建。通过蚀刻技术在衬底1中形成了凹口或开口2，并且它被隔膜3跨过。加热器4在隔膜3之上延伸。在图1和图2的实施例中，加热器4由三个平行的导体4a、4b、4c形成，两个外面的导体4a、4c在电气上被并联配置，而中心导体4b(具有双倍的截面)与导体4a、4c串联。分别由多个串联的热电偶构成的两个感测热电堆6a和6b形成第一和第二温度传感器。它们被配置在加热器4的上游和下游(术语“上游”和“下游”相对于与加热器的纵轴垂直的流动方向F被定义)。每个感测热电偶由在集成电路的金属层中形成的金属条7(在图1以实线表示)和在集成电路的多晶硅层中形成的多晶硅条8(在图1中以虚线表示)构成。各个热电偶的金属和多晶硅条7、8在隔膜3上的第一结9上互连。两个相邻的热电偶的多晶硅和金属条8、7在第二结10上互连，该第二结10不位于隔膜3上，而在衬底1的块体之上。例如在美国2003/0115952中说明了这种器件的操作的基本原理。沿流动方向F的流量导致来自加热器4的热量的分布变为不对称，这导致在两个热电堆6a、6b的第一结9上出现温差。同时，由于通过热传导衬底1的热交换，第二结10保持为基本上恒定的温度。由此，以下称为“感测信号”的来自热电堆6a、6b的电压差(或与其成比例的任意值)基本上是加热器4的第一结9上游和下游上的温差ΔT的度量。该温差ΔT是流体的质量流量的度量。从图1和图2可以看出，两个附加的监视热电偶12a、12b被设置在器件上，它们中的每一个位于感测热电堆6a、6b中的一个的中心上。监视热电偶12a、12b共同形成器件的监视温度传感器。各个监视热电偶12a、12b也由在位于隔膜3之上的第一结9′上互连的金属条7′和多晶硅条8′构成。监视热电偶12a、12b的第一结9′位置比感测热电堆6a、6b的第一结9更接近加热器4，并具有基本上与加热器4的温度对应的温度。金属条7′的第二端例如在第二结10′上与多晶硅引线13连接。在图1和图2的实施例中，第二结10′位于衬底1的块体之上。各个监视热电偶12a、12b因此产生基本上等于衬底1和加热器4之间的温差的电压。来自监视热电偶12a、12b的电压被添加以产生监视信号TP。在图3中示出器件的电路的实施例。它包括用于对感测信号ΔT进行数字化的A/D转换器16、用于控制穿过加热器4的电流的加热器控制17和用于处理数字化的感测信号并控制器件的微控制器18。有利的是，用于所有元件16、17和18的电路被集成到衬底1上，但它也可以至少部分上由外部部件形成。基本上，A/D转换器16可以为任意类型，诸如连续近似ADC、Δ编码ADC或∑-Δ转换器。所有这些转换器设计需要基准电压Vref并产生被Vref归一化的输入信号的数字化的值。在本上下文中，术语“归一化”应被理解为使得对于给定输入电压的输出值线性依赖于倒数值1/Vref。有利的是，A/D转换器16为诸如例如在DE 101 29 300中公开的∑-Δ转换器。该文献的“A/D-Wandler”部分的说明及其相关的图在此被加入作为参考。从图3可以看出，监视信号TP被供给A/D转换器16的基准输入作为基准电压Vref。以下说明这种测量的目的。图3的实施例的加热器控制装置17将由加热器4耗散的功率调节为恒定值。作为替代方案，它将通过加热器4的电流调节为恒定值。在图4的上面的图中示出温差ΔT与流量v的依从关系。对于零流量，ΔT＝0。随着流量增加，ΔT将开始线性升高。但是，由于穿过的流量在加热器4上具有冷却效应，因此，在较大的流量上，加热器4的温度(以及因此监视信号TP)将显著降低。由此，对于增大的流量v，曲线ΔT(v)的斜率将如图4的上面的图所示降低。如果A/D转换器16的Vref恒定，那么来自A/D转换器16的数字化值将遵循图6的下面的图的曲线“Vref＝常量”。本领域技术人员可以理解，由于A/D转换器的分辨率在其输入电压的范围上不变化，因此对于较大的质量流量v，这将导致测量分辨率的降低。但是，如上所述，Vref不是常量，而是被设为监视信号TP。由此，当加热器温度较高时A/D转换器的分辨率将较粗，而当加热器温度较低时分辨率将较细。如图4的下面的图中的曲线“Vref＝TP”所示，这导致A/D转换器16的输出上的数字化信号的线性化。由此，使用监视信号TP作为基准电压Vref使得能够在更宽的范围的质量流量上获得更恒定的数字化分辨率，这又使得能够增加测量的精度和/或使得能够降低A/D转换器的位分辨率(bit resolution)。同时，并且，如上所述，由于数字化值与比值ΔT∶TP成比例，因此使用的热电偶的塞贝克系数或其它参数的变化趋于被补偿。例如可在器件的总体温度变化时或在隔膜3受到应力时观察到这些变化。鉴于此，图1的设计具有以下的另一优点将变得十分明显监视热电偶12a、12b并联并接近感测热电堆6a、6b的相应的热电偶，因此，隔膜2中的应变将以类似的方式同时影响热电偶12a、12b和热电堆6a、6b，并将因此在A/D转换器16的输出值中被消除。在图3的实施例中，感测信号TP被用于产生基准电压Vref。一般地，可以使用产生与指示加热器4的温度的温度信号成比例的基准电压的电压源。有利的是，基准电压应与加热器4和衬底1之间的温差成比例，或者，由于衬底1的温度主要由流体的温度主导，因此基准电压应与加热器4和流体之间的温差成比例。作为替代方案，也可以从感测信号ΔT本身产生适当的基准电压Vref。即，当感测信号ΔT增加时，基准电压Vref必须降低。可以例如通过使用用于处理ΔT并用于从其产生Vref的适当的模拟电路实现这一点，但是有利的实现如图5的实施例所示的那样使用数字处理。在图5中，基准电压Vref由被微控制器18驱动的数模转换器20产生。图5的器件适于在向模数转换器16供给固定的平均基准电压Vref时本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于测量流体的流量的器件，包括：　　　　加热器（４）；　　　　配置在所述加热器（４）的相对的边上用于根据来自所述加热器（４）的上下游之间的温差产生感测信号（△Ｔ）的第一和第二温度传感器（６ａ、６ｂ）；　　　　用于将所述感测信号（△Ｔ）数字化的模数转换器（１６），其中，所述模／数转换器（１６）具有基准输入并产生被所述基准输入上的信号（Ｖｒｅｆ）归一化的所述感测信号（△Ｔ）的数字化值；　　　　与所述基准输入连接的基准电压发生器；　　　　其特征在于，所述基准电压发生器适于对于所述流体的增加的流量降低所述基准电压。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：梅尔菲利克斯，莱奇尼尔莫瑞兹，霍南格马克，冯沃德克瑞奇马卡，
申请(专利权)人：森斯瑞股份公司，
类型：发明
国别省市：CH[瑞士]