用于测量温度的方法和装置与流程

本发明涉及一种用于测量温度的方法、一种相应的装置以及一种相应的计算机程序。

背景技术：

可以在使用光电的传感器下记录红外线辐射。为了在此达到足够的图像质量，必须对所述传感器进行冷却。

技术实现要素：

面对这种背景，用这里所介绍的方案介绍按照独立权利要求所述的、一种用于测量温度的方法、此外一种使用这种方法的装置以及最后一种相应的计算机程序。有利的设计方案从相应的从属权利要求和以下的说明书中产生。

可以探测到红外线辐射，方法是：测量将所述红外线辐射吸收的吸收面的温度。在恒定地辐射时，在流向所述吸收面的能量、温度与从所述吸收面上流出的能量之间出现平衡。在此所述能量流入基本上代表着入射的红外线辐射并且确定所述吸收面的温度。能量流出取决于所述吸收面的温度并且基本上通过热传导中产生。

在使用针对被辐射的物体的温度测量下探测红外线辐射的做法被称为测辐射热的原理。使用所述测辐射热的原理的传感器被称为辐射热计。

微型辐射热计可以在金属-绝缘体-半导体-电容的基础上构成。在此大的优点在于：与部分地在微型辐射热计中所使用的pn-二极管相比在提高了三个数量级的温度敏感性的同时获得非常高的微型化潜力。

可以在电流测量的基础上或者在通过在两种尤其高的频率下的测量来确定阻抗的基础上对这样的传感器进行测评。

在进行电流测量时所述电流很小并且在电压恒定时由于电流与温度的二次幂的关系而在测评线路中需要多个十个一组的电流测量范围。在确定阻抗时，需要两次测量。此外，在这种情况下忽略串联电阻。这对于其长度为几毫米的馈电线来说在没有大的误差下难以将就。

当前的方案说明一种用于在测辐射热的原理的基础上进行温度测量的测评原理，对于所述测辐射热的原理来说作为温度敏感的元器件来使用金属-绝缘体-半导体-隧道-电容器。在多个这样的电容器的情况下可以放弃开关矩阵，所述开关矩阵在通过电流测量进行测评时是必要的。

介绍一种用于在使用具有作为电容来连接的金属-绝缘体-半导体结构的传感器下测量温度的方法，所述金属-绝缘体-半导体结构具有取决于温度的自动放电，其中所述方法具有以下步骤：

在使用在测量时刻加载在所述电容上的电位下确定代表着所述传感器的温度的信息。

传感器可以被称为传感器像素（sensorpixel）并且可以是由大量有规律地布置的传感器像素构成的、图像式的传感器矩阵的组成部分。金属-绝缘体-半导体结构可以包括至少一个金属层、至少一个半导体层和至少一个布置在所述金属层与所述半导体层之间的绝缘层或者隔离层。所述绝缘层将所述金属层与所述半导体层隔开。随着温度的上升，通过所述隔离层产生上升的隧道电流。如果在所述金属层与所述半导体层之间加载电位并且将所述金属-绝缘体-半导体结构用作电容器，则在将所述电容器与所加载的电压差分开之后所述隧道电流引起所述电位的下降。越热，所述隧道电流就越大。因为知道所述关系，所以所述电位的下降代表造成的温度。

所述方法可以具有在所述测量时刻之前进行的充电的步骤，在所述充电的步骤中将所述电容充电到起始电位。所述电位可以在所述测量时刻在所述电容上来检测。通过所定义的起始电位，可以定义用于所述电压降的基准量（referenz）。

所述方法可以具有在所述测量时刻之前进行的分开的步骤，在所述分开的步骤中将所述电容在分开时刻至少在一侧无电位地连接。在所述分开时刻与所述测量时刻之间可以等候一测量持续时间。通过所述分开可以开始所述电压降。所述测量持续时间可以与有待测量的温度相匹配。

此外，可以在使用处理规定（verarbeitungsvorschrift）下确定所述温度信息。处理函数（verarbeitungsfunktion）可以描绘在所述测量时刻所述温度与所述电位之间的关系。所述处理规定比如可以被保存在数值表中。通过处理规定可以快速地求得所述温度。

所述处理规定可以描绘通过取决于温度的自动放电引起的电压降。所述处理规定可以以公式的形式来加以保存。由此可以实现高的精度。

所述方法可以具有跟随在所述测量时刻之后的放电的步骤，在所述放电的步骤中将所述电容放电到平衡电位。这个平衡电位通过以下方式来产生：在这个平衡电压之下所述隧道电流再也不能得到维持。

所述方法可以具有另一个确定的步骤，在所述另一个确定的步骤中在使用在跟随的时刻加载在所述电容上的另一个电位下确定另一个温度信息。通过多个彼此先后相随的确定的步骤，可以检测到温度变化过程。

此外，这里所介绍的方案提供了一种用于测量温度的装置，该装置被构造用于在相应的机构中实施、操控或者实现这里所介绍的方法的一种变型方案的步骤。通过本发明的、这种以装置的形式实现的实施变型方案，本发明基于的任务也可以快而有效地得到解决。

装置在此可以是指一种电的仪器，该电的仪器处理传感器信号并且据此输出控制信号和/或数据信号。所述装置可以具有接口，所述接口可以按照硬件方式和/或软件方式来构成。在按照硬件方式的实施方式中，所述接口比如可以是所谓的系统-asic的、包括所述装置的极为不同的功能的一部分。但是也可能的是，所述接口具有自身的集成的开关电路或者至少部分地由离散的元器件所构成。在按照软件方式的实施方式中，所述接口可以是软件模块，所述软件模块除了其它的模块之外也存在于微型控制器上。

所述装置可以与所述传感器相耦联或者包括所述传感器。

也有利的是一种具有程序代码的计算机程序产品或者计算机程序，所述程序代码可以保存在机器可读的载体或者存储介质、比如半导体存储器、硬盘存储器或者光学存储器上并且尤其在所述程序产品或者程序在计算机或者装置上被执行时用于实施、实现并且/或者操控按前面所描述的实施方式之一所述的方法的步骤。

附图说明

下面借助于附图对这里所介绍的方案示范性地进行详细解释。附图示出：

图1是按照本发明的一种实施例用于对温度进行测量的电位的曲线的图示；

图2是按照本发明的一种实施例用于对温度进行测量的方法的流程图；

图3是按照本发明的一种实施例用于对温度进行测量的装置的方框图；并且

图4是按照本发明的一种实施例用于对温度进行测量的开关频率的图示。

在以下对本发明的有利的实施例所作的说明中，为在不同的附图示出的并且起类似作用的元件使用相同的或者类似的附图标记，其中放弃对于这些元件的重复的描述。

具体实施方式

图1示出了按照本发明的一种实施例用于对温度t1，t2进行测量的电位104的电压曲线100，102的图示。所述电压曲线100，102在图表中绘示出来，该图表在其横坐标上已经绘示出时间并且在其纵坐标上已经绘示出电压。

所述电压曲线100，102对按照这里所介绍的方案用于测量温度的金属-绝缘体-半导体结构（mis）的使用来说表示出特征。在此，所述金属-绝缘体-半导体结构作为电容来连接。为了进行测量，首先将电压vdd加载到所述金属-绝缘体-半导体结构的馈电线上。由此将所述通过金属-绝缘体-半导体结构构成的电容器在充电阶段106充电到所定义的起始电位108。

在分开时刻110，将所述电容器的馈电线与所述电压vdd分开。在所述电容器的另一个触点上加载着接地电位gnd。现在在所述金属-绝缘体-半导体结构上由于所述金属-绝缘体-半导体结构中的隧道电流而开始电压降112。所述隧道电流取决于温度。由此所述电压降112同样取决于温度。所述电容器上的电压104在不同的时间间隔范围上不取决于温度地一直下降到由设计决定的最小值v0。所述电压降112额外地取决于所述起始电位108的水平。

通过所述温度依赖关系，所述金属-绝缘体-半导体结构按其温度在测量时刻114具有不同的电位116，118。在所述分开时刻110与所述测量时刻114之间等候预先确定的测量持续时间120。

在这里所介绍的方案中，在测量时刻114在所述金属-绝缘体-半导体结构上测得不同的电位116，118。因为已知所述电压降112、所述测量持续时间120和所述温度依赖关系，所以可以从所述电位116，118中推断出所述金属-绝缘体-半导体结构的温度。

在一种实施例中，在所述测量时刻114之后在复位时刻122处使所述金属-绝缘体-半导体结构上的电压104复位。换句话说，使由所述金属-绝缘体-半导体结构构成的电容器短路。由此在所述电容器的接头上加载着平衡电位124（=0v）。

所介绍的测量原理基于mis电容的、由于取决于温度的隧道电流引起的自动放电112。事先将所述mis电容充电到已知的电位vdd108。所述强烈地取决于温度的隧道电流在将所述电容与电源电压分开110之后引起自动放电112。在一定的时间120之后剩下的电压116，118用作测量信号，从所述测量信号中提取出所述温度t1，t2。所述电压测量通过以下方式变得容易：在准备阶段中已经非常精确地知道了测量范围。最大可确定的电压通过vdd来确定，最小的电压v0从一种电压中产生，在该电压下所述隧道电流崩溃。在图1中示出了示范性的信号曲线100，102。

换句话说，图1示出了电压曲线100，102连同充电106、集成（integrieren）112或者说通过所述隧道电流进行的放电112以及可选的复位122这些步骤。在此示出了具有充电阶段106、集成阶段112和可选的复位阶段122的时间/电压图表。在所述充电阶段106中将所述电容充电到预先确定的电位vdd108。在所述集成阶段112中，所述电容的电压104在取决于温度下从所述电位vdd108下降到基准电位v0。在此所述电压104指数般地下降。所述下降112的时间常数取决于温度。所述温度t1，t2越大，所述电位104就下降得越快。在所述集成阶段112中输入预先确定的测量时刻114。在所述测量时刻114，所述电容在不同的温度t1和t2时具有不同的电位116，118。在所述复位阶段122中使所述电容短路并且所述电位104快速地下降到零。

为了提高敏感性，可以提高所述电位vdd。但是，这受到所述金属-绝缘体-半体体结构的绝缘体层的击穿电压的限制。原则上处于5v的范围内的电压是足够的。

图2示出了按照本发明的一种实施例用于测量温度的方法200的流程图。所述方法200能够在使用具有作为电容来连接的、具有取决于温度的自动放电的金属-绝缘体-半导体结构的传感器下来实施。所述方法200具有确定的步骤202，在所述确定的步骤中在使用在测量时刻加载在所述电容上的电位下确定代表着所述传感器的温度的温度信息。

在一种实施例中执行在所述测量时刻之前的充电的步骤204，在所述充电的步骤中将所述电容充电到起始电位。在所述测量时刻在所述电容上检测所述电位。

在另一种实施例中，执行在所述测量时刻之前的分开的步骤206，在所述分开的步骤中在分开时刻将所述电容至少在一侧无电位地连接。在此，在所述分开时刻与所述测量时刻之间等候一测量持续时间。

在一种实施例中，所述方法200具有一个跟随在所述测量时刻之后的放电的步骤208。在所述放电的步骤208中，将所述电容放电到平衡电位。

所述方法200的步骤可以重复，用于在使用在跟随着的时刻处加载在所述电容上的另一个电位下获得至少另一个温度信息。

图3示出了按照本发明的一种实施例用于测量温度的装置300的方框图。所述装置300被构造用于操控用于测量温度的传感器302。在所述装置300上，可以执行像比如在图2中所示出的那样的方法。

所述传感器302在这里比如具有九个分别通过一个金属-绝缘体-半导体结构来构成的电容304，所述电容以具有三行和三列的矩阵来布置。每个行都通过行导线z1，z2，z3相连接。每个列都通过列导线s1，s2，s3相连接。

所述行导线z1，z2，z3相应地以能够转换的方式与接地线相连接。在此，在这种实施例中，n-信道-金属-氧化物-半导体-场效应晶体管306用作开关。所述列导线s1，s2，s3相应地同样通过n-信道-金属-氧化物-半导体-场效应晶体管306以能够转换的方式与接地线相连接或者通过p-信道-金属-氧化物-半导体-场效应晶体管308以能够转换的方式与电位vdd相连接。所述n-信道-金属-氧化物-半导体-场效应晶体管306可以被称为nmostg或者说nmos传输门。所述p-信道-金属-氧化物-半导体-场效应晶体管308可以被称为pmostg或者说pmos传输门。所述n-信道-金属-氧化物-半导体-场效应晶体管306和所述p-信道-金属-氧化物-半导体-场效应晶体管308被构造用于将相应的电位耦联到所述矩阵上。所述列导线s1，s2，s3额外地相应地与高阻抗的运算放大器310相连接。将所述运算放大器310用于进行电压测量。在所述运算放大器310的输出端上，各由一个用于确定的机构312来截取所述相应的列的电容304之一的电位。所述用于确定的机构312被构造用于在使用在所述测量时刻加载在所述电容304上的电位下确定温度信息314。在此，所述温度信息314代表着所述传感器302的电容304之一的温度。

所述用于测量的装置300在逻辑上被划分为用于运行的部分316和用于测评的部分318。在此，所述用于测评的部分318包括所述n-信道-金属-氧化物-半导体-场效应晶体管306和所述p-信道-金属-氧化物-半导体-场效应晶体管308。所述运算放大器310构成在所述用于运行的部分316与所述用于测评的部分318之间的接口。

借助于来自微型辐射热计阵列302的局部部分来进行详细的描述。s1到s3代表着所述列导线，z1到z3代表着所述行导线。

所述asic100可以用几乎每种asic工艺成本有利地来制造。

在图3中示出了所述行导线z1，z2，z3和列导线s1，s2，s3的线路技术上的接合（abschluss）。

仅仅示范性地选择了所示出的电容304的数目。按照所描述的方案，所述传感器302具有至少一个电容304。所述传感器302也可以作为所述用于测量的装置300的一部分来理解。

图4示出了按照本发明的一种实施例用于测量温度的开关频率400的图示。所述开关频率400可以在像比如在图3中所示出的那样的用于测量的装置上来实施。所述开关频率400作为时间上的过程来示出。在此在所述开关频率400的行中示出了用于所述传感器的每个列导线s1，s2，s3和用于所述传感器的每个行导线z1，z2，z3的操控。

在此示出，如何在所述充电阶段106中一行一行地将所述传感器充电到所定义的电位vdd上并且随后一行一行地开始所述电压降112。在结束所述温度测量之后，使所有列导线s1，s2，s3和行导线z1，z2，z3复位122。

换句话说，示出了一种在通过取决于温度的隧道电流进行电容的自动放电的基础上进行位置分辨的温度测量的原理。

测评原理400由充电的步骤106、自动放电的步骤112和读出的步骤构成。在步骤106中将所有电容充电到vdd，也就是将所有列导线置于vdd上并且将所有行导线敷设到地电线（0v）上。在所述自动放电的步骤112中，开始所述自动放电，方法是：浮动地（floatend）设置或者分开所述馈电线。在所述读出的步骤中一行一行地读出所述电压。为此，将所述列导线高阻抗地连接到所述进行电压测量的放大器上。将所述行导线先后敷设到接地线上。

可选地进行复位，在复位时将所有电位敷设到0v上。

为了在所有像素中将所述测量时间保持恒定，也可以时间延迟地实施各个阶段。所述测量时间对应于供通过所述隧道电流进行放电所用的时间。这一点在图4中的时序图表中示出。在此，在每个节拍中示出了所述行导线或者列导线上的电位。f在此描绘浮动的高阻抗的电位并且fm描绘通过运算放大器来测量的浮动的电位。为此，如在图3中那样连接所述行导线和列导线的端部。

仅仅示范性地选择了所描述的并且在附图中示出的实施例。不同的实施例可以完全或者关于各个特征彼此组合。一种实施例也可以通过另一种实施例的特征来得到补充。此外，这里所介绍的方法步骤可以重复以及以与所描述的顺序不同的顺序来执行。

如果一种实施例包括在第一特征与第二特征之间的“和/或”联结，则可以对此如此地进行解读：使得所述实施例按照一种实施方式不仅具有所述第一特征而且具有所述第二特征，并且按照另一种实施方式要么仅仅具有第一特征要么仅仅具有所述第二特征。