测量和控制半导体气体传感器中的加热温度的布置和方法
【专利摘要】测量和控制半导体气体传感器中的加热温度的布置和方法。该布置包括作为测量装置的自动控制系统由加热电阻器和致动单元组成的控制回路，测量装置测量表示加热电阻器的温度的物理量，致动单元控制加热电阻器的电源。加热电阻器的简单控制电路的问题被解决，原因是致动单元由具有第一和第二脉冲持续时间的脉动电压源组成，加热电阻器在第一脉冲持续时间内连接至操作电压，在第二脉冲持续时间内与操作电压分离，第一和/或第二脉冲持续时间被控制为校正变量；且原因是提供恒定电流源和测量装置，恒定电流源在第二脉冲持续时间期间将测量电流施加至加热电阻器，测量装置测量加热电阻器上的测量电压降，测量装置的输出在控制回路中设计为受控变量反馈。
【专利说明】
测量和控制半导体气体传感器中的加热温度的布置和方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种用于控制半导体气体传感器中的加热温度的布置，所述布置包括控制回路，所述控制回路作为测量装置的自动控制系统由加热电阻器和致动单元组成，其中所述测量装置测量表示所述加热电阻器的温度的物理量，而所述致动单元控制所述加热电阻器的电源。
[0002]本发明还涉及一种用于测量和控制半导体气体传感器中加热电阻器的加热温度的方法。
【背景技术】
[0003]半导体气体传感器，也称为金属氧化物(简称Μ0Χ)半导体气体传感器，是导电性传感器。所述半导体气体传感器由传感器电阻器组成，所述传感器电阻器需要加热至工作温度。所述传感器电阻器的感觉有源层的电阻在与被检测气体接触时发生改变。气体与传感器表面进入至理想地完全可逆反应中。由于它们的化学性质，金属氧化物气体传感器适合于广泛的应用领域以及所有反应气体的检测。取决于所用的材料和被检测的气体，常规的是操作温度介于300 °C与900 0C之间。
[0004]半导体气体传感器的使用领域非常多样化，并且从安全技术(爆炸、泄露、火灾和中毒防护)延伸到排放和空气质量监测到质量保证和过程计量技术。测量范围取决于被检测气体，并且从十亿分之几延伸至百分之几。检测的限制取决于气敏(gas-sensitive)材料。操作温度同样取决于敏感层的材料和传感器的最佳响应行为。
[0005]传感器电阻器需要被加热到的工作温度还对传感器电阻器的灵敏度和选择性有影响，并且因此必须尽可能精确地得到调整。对于气体传感器而言的良好选择性意味着，所述气体传感器的传感器反应是针对目标物质(例如，被检测气体)，并且只有这个物质被检测。通常由加热电阻器来完成加热，所述加热电阻器良好地热耦接至传感器电阻器。对于工作温度的测量而言，相关人员使用单独的温度感测器或利用加热电阻器的温度依赖性。例如，加热电阻器可由铂制成，并且随后所述加热电阻器具有精确限定的温度依赖性。在本发明中，不使用单独的温度感测器，而是将加热电阻器用于加热以及工作温度的测量。
[0006]可经由电阻器的电功率来控制加热电阻器的温度。对此，存在已知的各种方法:
[0007]相关人员可使用致动元件来调整加热电阻器上的电压或流过加热电阻器的电流。在这种情况下，功率损耗发生在整个模拟致动元件上，这会减损布置的电效率。图1展示样例性布置。例如，相关人员会使用晶体管或电位计作为模拟致动元件。具有极低电阻值的分流电阻器116充当电流测量结果115。同时，截取用于加热电流和加热电压的测量信号114。
[0008]另一方法在于，使用数字致动元件来开启和关闭加热电阻器上的电压或流过加热电阻器的电流，从而使得所需平均功率由导通时间和断开时间产生。开启和关闭可以按照脉冲宽度或脉冲密度调制的形式出现。理想地，归功于数字操作，致动元件没有自身的功率损耗，并且可实现极高的电效率。
[0009]对于加热而言，电压必须施加至加热电阻器，并且电流必须流动。所得到的电功率在加热电阻器中转换为热量并导致加热电阻器的加热，从而加热传感器电阻器。为了控制电功率(并且因此控制加热电阻器和传感器电阻器的温度)，加热电阻器上的电压或流过加热电阻器的电流必须加以控制。
[0010]对于温度的测量而言，必须对加热电阻器的电阻值进行测量，因为电阻值是传感器电阻器的温度的量度。但对此来说，加热电阻器上的电压和流过加热电阻器的电流必须是已知的或被测量的。
[0011]然而，使得能够进行加热和温度测量的已知致动电路非常复杂，并且仅具有低电效率。图1中举例所示的电路布局极为简单，但由于模拟致动元件和分流电阻器的高功率损耗，所述电路具有较差效率。数字致动元件尽管不具有自身的功率损耗，但会使加热电阻的测量变得非常复杂:一方面，相关人员必须在导通时间期间，如借助于分流电阻器，而测量流过加热元件的电流，但这将再一次减损功率效率。另一方面，在导通时间期间加热电阻器上的电压将必须是已知的。这将是(未知)操作电压减去数字致动元件上的(未知)电压降再减去分流电阻器上的电压降的结果。
【发明内容】
[0012]因此，本发明所提议解决的问题在于表明一种用于半导体气体传感器中的加热电阻器的致动电路，所述致动电路消除现有技术的前述缺陷并且使得能够对加热电阻器的电功率进行简单控制，所述致动电路可测量加热电阻器的电阻值并且具有高电效率。具有低功率损耗的电路恰恰对于移动用途而言尤其重要。
[0013]同时，加热电阻器的温度并且因此半导体气体传感器的传感器电阻器的温度应精确地适合于测量要求。这个温度调适也应该在布置的工作电压Vdd经受不可预知的波动时可精确地适应。因此，工作电压Vdd从测量过程的去耦尤其重要。
[0014]本发明的问题依据所述布置得以解决，原因在于致动单元由脉动电压源组成，所述脉动电压源具有第一脉冲持续时间和第二脉冲持续时间，其中在第一脉冲持续时间期间，加热电阻器连接至工作电压VDD，而在第二脉冲持续时间期间，加热电阻器与工作电压Vdd分离，所述脉动电压源的第一脉冲持续时间和/或第二脉冲持续时间可被控制为校正变量;并且原因在于提供恒定电流源和测量装置，其中所述恒定电流源在第二脉冲持续时间期间将测量电流施加至加热电阻器，而所述测量装置测量加热电阻器上的测量电压降，所述测量装置的输出在所述控制回路中被设计为受控变量反馈。致动单元用来在第一脉冲持续时间(致动单元的导通时间)期间将加热电阻器连接至电源，即，电压被施加并且电流流过加热电阻器，所述加热电阻器进而变暖，即，被加热。电压Vdd不是恒定的，而是经受波动，这在加热电阻器的加热中必需考虑到。在第二脉冲持续时间(致动单元的断开时间)期间，加热电阻器与电源分离并且不连接至恒定电流源，所述恒定电流源将已知测量电流发送穿过加热电阻器，在此期间，测量装置测量由测量电流在加热电阻器上所产生的电压降。在断开时间期间由测量电流产生的电压降是加热电阻器的电阻值的量度，并且因此是传感器电阻器的温度的量度。如此一来，加热电阻器的测量从布局中的其余部去耦并且不再经受电源的波动电压Vdd。测量装置被设计为电压测量电路并且可从测量信号产生信号，所述信号对应于加热电阻器的温度并且因此对应于传感器电阻器的温度。这个信号构成由致动单元和测量装置形成的控制回路中的受控变量，从而使得以这种方式，传感器电阻器的温度可通过致动单元的致动得到精确调整。通过施加恒定测量电流，相关人员只需测量加热电阻器上的电压来确定穿过加热电阻器的功率。归功于这种布局，上述情形可在高电效率下完成，因为在这种切换和测量布局中几乎不存在损耗，原因在于首先在此类测量布局中先前使用的模拟致动元件已除去，所述模拟致动元件是最大损耗源，其消耗总功率的约70%，并且其次，不使用分流电阻器，所述分流电阻器将取决于自身尺寸而产生约10%的功率损耗。虽然测量电流源也产生功率损耗，但测量电流可保持为较低的，以便最小化功率损耗。
[0015]在一个有利实施方案中，致动单元被设计为数字可切换的。也就是说，例如，像MOSFET等开关通过PffM信号导通和断开。
[0016]此外，差分放大器被配置在控制回路中以用于确定受控变量反馈与控制变量之间的控制偏差。另外，产生器和比较器被配置来产生校正变量。从测量装置的测量信号产生的温度信号从用于期望温度的标称值设置点中被减去，并且在误差放大器中放大。放大偏差在比较器中与调制信号(如三角形或锯齿形信号)相比较，所述调制信号在产生器中产生。比较的结果是用于控制致动元件和测量装置的校正变量。校正变量可以是(例如)脉冲宽度调制(PffM)信号。
[0017]依据所述方法，本发明的问题得以解决，原因在于通过导通状态的第一脉冲持续时间和断开状态的第二脉冲持续时间来向加热电阻器供应脉冲电压，其中第一脉冲持续时间和/或第二脉冲持续时间构成控制回路的校正变量，并且加热电阻器在第二脉冲持续时间期间接收恒定电压源的测量电流，其中由测量电流在加热电阻器上所产生的电压被测量并用作受控变量。尤其有利的是，电压的测量与电源电压Vdd独立分开完成。如此一来，测量结果不会受到非恒定的，即波动的电源电压的影响。波动电源电压Vdd意味着如下这种电压:此电压的直流电压值在时间上不是恒定的而是根据应用而变化。例如，在作为直接电池操作的应用中，电池电压取决于充电条件。负载波动也可发生，如传输器开启或关闭时移动电话中的电压波动。本发明还提供覆盖广泛操作电压范围的能力，如2.6V至3.6V。在第一脉冲持续时间(致动单元的导通时间)期间，加热电阻器连接至电源，即，电压被施加并且电流流过加热电阻器，于是加热电阻器由此变暖，即，被加热。在第二脉冲持续时间(致动单元的断开时间)期间，加热电阻器与电源分离并且现在连接至电流源，从而使得已知的测量电流流过加热电阻器，于是由测量电流在加热电阻器上所产生的电压降同时借助于测量装置来测量。同时，意味着测量电路取决于用于致动单元的控制信号而被激活或去活。在导通时间期间，测量电路被去活，并且在断开时间期间，测量电路被激活并测量加热电阻器上的电压。在断开时间期间由测量电流产生的电压降是加热电阻器的电阻值的量度，并且因此是传感器电阻器的温度的量度。电压测量电路可因此产生信号，所述信号对应于加热电阻器的温度并且因此对应于传感器电阻器的温度，其中通过从用于控制加热电阻器的布置的非恒定电源电压去耦而完成所述测量。这个信号构成由致动元件和测量装置形成的控制回路中的受控变量，从而使得以这种方式，传感器电阻器的温度可通过致动元件的致动而得到精确调整。
[0018]对于所提议方法而言重要的是，有规律地测量加热电阻器的温度以便抵消温度偏差。为此，借助于致动机构而在第一切换状态和第二切换状态之间存在定期切换。致动单元确保:在致动单元的导通时间中，加热电阻器连接至电源，即，电压施加至加热电阻器，所述电压使加热电阻器变暖；以及在致动单元的断开时间中，加热电阻器连接至电流源，从而使得可测量加热电阻器的温度。
[0019]在根据本发明的方法中，通过测量电流测量的、加热电阻器上的电压是加热电阻器的加热温度的量度并且充当受控变量，而受控变量从设置点设置中被减去，并且偏差在放大器中被放大。设置点设置取决于半导体气体传感器的种类和半导体气体传感器的使用领域。取决于所使用的传感器电阻器材料和有待被检测的气体类型，可经由加热电阻器来调整传感器电阻器的精确温度。通过控制系统，对传感器温度进行追踪的可能性是毫无疑问的。
[0020]借助于比较器而将加热温度和温度的设置点设置的偏差与调制信号相比较，并且用于控制致动单元和测量电路的校正变量从比较的结果中产生。例如，校正变量可以是PWM信号。第一切换状态的持续时间和第二切换状态的持续时间形成定时比率m，并且加热电阻器中产生的热量依据定时比率m来调整。与(例如)这个脉冲宽度调制信号的总时间相比而言，定时比率，即，导通时间的分量，决定加热电阻器中产生的热量。
【附图说明】
[0021 ]现将借助于样例性实施方案更为具体地解释本发明。
[0022]附图展示如下内容
[0023]图1是根据现有技术的用于半导体气体传感器中的加热电阻器的致动电路，所述致动电路用于测量加热电阻器的温度；
[0024]图2是根据本发明的驱动电路，其用于半导体气体传感器中的加热电阻器；
[0025]图3是经典控制回路的示意图；
[0026]图4是根据本发明的驱动和测量电路，其作为控制回路中的自动控制系统而用于半导体气体传感器中的加热电阻器。
【具体实施方式】
[0027]图2展示根据本发明的驱动和测量电路100。致动机构102(如充当开关的晶体管)用来在第一脉冲持续时间(致动单元的导通时间)期间将加热电阻器101连接至电源，S卩，电压被施加并且电流流过加热电阻器101，加热电阻器101以此方式变暖，S卩，被加热。在第二脉冲持续时间(致动单元的断开时间)期间，加热电阻器101与电力源分离并且通过与恒定电流源103的连接而桥接，于是恒定电流源103将已知的测量电流发送穿过加热电阻器101，并且在此期间，借助于测量装置104而由测量电流在加热电阻器101上产生的电压降得以测量。在断开时间期间由测量电流产生的电压降是加热电阻器101的电阻值的量度，并且因此是传感器电阻器的温度的量度。电压测量电路104可因此产生信号106，所述信号106对应于加热电阻器101的温度并且因此对应于传感器电阻器的温度。此信号106构成由致动元件102、测量装置104和自动控制器形成的控制回路200中的受控变量(所述自动控制器由产生器111和比较器112形成)，从而使得以这种方式可通过致动元件102的致动来精确调整传感器电阻器的温度。
[0028]图3展示经典控制回路的示意图，尤其是针对所使用的自动控制术语的说明和匹配。
[0029]图4示意性地展示根据本发明的布置，所述布置用于控制半导体气体传感器中的加热温度。驱动和测量电路精确对应于图2所示的驱动和测量电路。从测量装置的测量信号产生的温度信号106从用于期望温度的设置点设置107中被减去，并且在误差放大器108中放大。放大偏差109在比较器112中与调制信号110(如三角形信号或锯齿形信号)相比较，所述调制信号110在产生器111中产生。比较的结果是用于控制致动元件102和测量装置104的脉冲宽度调制(PWM)信号105。
[0030]参考符号列表
[0031]100驱动和测量电路
[0032]101加热电阻器
[0033]102致动元件
[0034]103电流源
[0035]104测量装置
[0036]105 PffM信号、校正变量
[0037]106用于温度测量值、电压值的信号
[0038]107设置点设置
[0039]108差分放大器
[0040]109控制偏差，S卩，设置点与测量值之间的放大偏差[0041 ] HO调制信号
[0042]Hl用于产生调制信号的产生器
[0043]112比较器
[0044]113用于调制信号的输入信号
[0045]114用于加热电流和加热电压的测量信号
[0046]115用于加热电流的测量信号
[0047]116用于电流测量的分流电阻器
[0048]200控制回路
【主权项】
1.一种用于控制半导体气体传感器中的加热温度的布置，所述布置包括控制回路，所述控制回路作为测量装置(104)的自动控制系统(100)由加热电阻器(101)和致动单元(102)组成，其中所述测量装置(104)测量表示所述加热电阻器的温度的物理量，而所述致动单元(102)控制所述加热电阻器的电源，所述布置的特征在于所述致动单元(102)由脉动电压源组成，所述脉动电压源具有第一脉冲持续时间和第二脉冲持续时间，其中在所述第一脉冲持续时间期间，所述加热电阻器连接至操作电压Vdd，而在所述第二脉冲持续时间期间，所述加热电阻器与所述操作电压Vdd分离，所述脉动电压源的第一脉冲持续时间和/或第二脉冲持续时间可被控制为校正变量(105)，并且特征在于提供恒定电流源(103)和测量装置(104)，其中所述恒定电流源(103)在所述第二脉冲持续时间期间将测量电流施加至所述加热电阻器(101)，而所述测量装置(104)测量由于所述测量电流而在所述加热电阻器(101)上引起的测量电压降，所述测量装置(104)的输出在所述控制回路(200)中被设计为受控变量反馈(106)。2.根据权利要求1所述的用于控制半导体气体传感器中的加热温度的布置，其特征在于:所述致动单元(102)被设计为数字可切换的。3.根据权利要求1所述的用于控制半导体气体传感器中的加热温度的布置，其特征在于:差分放大器(108)被配置在所述控制回路(200)中以用于确定所述受控变量反馈(106)与控制变量(107)之间的控制偏差(109)，并且产生器(111)和比较器(112)被设计来产生所述校正变量(105)。4.一种用于测量和控制半导体气体传感器中加热电阻器的加热温度的方法，所述方法利用根据权利要求1至3所述的布置，其中表示所述加热电阻器(101)的温度的物理量构成控制回路(200)的所述受控变量(106)，所述方法的特征在于:通过导通状态的第一脉冲持续时间和断开状态的第二脉冲持续时间向所述加热电阻器(101)供应脉冲电压，其中所述第一脉冲持续时间和/或所述第二脉冲持续时间构成所述控制回路(200)的所述校正变量(105)，并且所述加热电阻器(101)在所述第二脉冲持续时间期间接收恒定电压源(103)的测量电流，其中由所述测量电流在所述加热电阻器上产生的电压(106)被测量并用作受控变量。5.根据权利要求4所述的用于测量和控制半导体气体传感器中加热电阻器的加热温度的方法，其特征在于:借助于致动元件(102)而在所述第一切换状态与所述第二切换状态之间存在定期切换。6.根据权利要求5所述的用于测量和控制半导体气体传感器中加热电阻器的加热温度的方法，其特征在于:由所述测量电流在所述加热电阻器上产生的所述电压(106)从设置点设置(107)中被减去，并且偏差(I 09)在放大器(108)中被放大。7.根据权利要求6所述的用于测量和控制半导体气体传感器中加热电阻器的加热温度的方法，其特征在于:所述加热温度(106)与所述设置点设置(107)的所述偏差(109)借助于比较器(112)而与调制信号(110)相比较，并且用于控制所述致动单元(102)和所述测量电路(104)的所述校正变量(105)是从所述比较的结果中产生。8.根据权利要求7所述的用于测量和控制半导体气体传感器中加热电阻器的加热温度的方法，其特征在于:所述校正变量(105)是PffM信号。9.根据权利要求6所述的用于测量和控制半导体气体传感器中加热电阻器的加热温度的方法，其特征在于:所述第一切换状态的持续时间和所述第二切换状态的持续时间形成定时比率m，并且所述加热电阻器(101)中产生的热量依据所述定时比率m来调整。
【文档编号】G01N27/12GK106053546SQ201610239246
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年4月18日
【发明人】M·格奥尔基, R·施赖伯
【申请人】微电子中心德累斯顿有限公司