一种热式流量传感器电路的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及气体传感器技术领域，特别涉及一种热式流量传感器电路。
【背景技术】
[0002] 热流量传感器指的是任何测量传感器本体与传感器位于其中的流体介质之间的 热交换的传感器。这些热流量传感器例如是气体传感器或压力传感器。热式气体传感器用 于使用气体的热传导的变化进行气体分析，利用暴露在气体中的发热体的散热量测量气体 的热传导的变化。
[0003] 热式气体传感器在各种技术领域中得到使用，在汽车用的内燃机等中，为了实现 低油耗，需要高精度地测量吸入空气的流量、温度、压力和湿度等环境状态。另外，上述传感 器还用于在以氢气作为燃料的汽车用的内燃机中通过检测氢气浓度使内燃机以最佳方式 运行。
[0004]目前主要的传感器参数都是通过对传感器的输出信号进行放大，然后通过模拟数 字转换器输出来实现的。由于运算放大器的线性工作区域极其有限，往往需要添加线性校 准电路来提高输出信号的线性度。通常模拟数字转换器设计可以得到相应的数字信号输 出，但模拟数字转换器设计相对复杂。
【发明内容】
[0005] 基于上述情况，有必要提供了一种热式流量传感器电路。
[0006] -种热式流量传感器电路，所述热式流量传感器电路包括：热电阻、与热电阻连接 的时间延迟线、与时间延迟线连接的脉冲信号发生器、与脉冲信号发生器连接的环形振荡 器、与环形振荡器连接的计数器以及与计数器连接的寄存器；其中所述时间延迟线有两条， 分别连接在热电阻两端；所述脉冲信号发生器与两条时间延迟线分别连接。
[0007] 进一步的，包括一条所述的时间延迟线，该条时间延迟线连接在所述热电阻的一 端，所述热电阻的另一端直接与所述脉冲信号发生器连接。
[0008] 进一步的，所述时间延迟线由多个延迟单元耦接而成，所述延迟单元包括两个反 相器和负载电容，所述反相器耦接负载电容。
[0009] 具体的，所述脉冲信号发生器的输入端还设置有一个异或门电路和与门电路。
[0010] 作为一种改进，所述环形振荡器还设有一个开关电路，所述开关电路受脉冲信号 发生器输出信号激发启动环形振荡器，脉冲信号结束关闭环形振荡器。
[0011] 具体的，所述开关电路为与非门电路，所述与非门电路代替环形振荡器中的一个 反相器，所述与非门电路一个输入作为开关电路，另一个输入与代替的反相器一致。
[0012] 作为一种改进，还包括温度抵消偏置电路，所述温度抵消偏置电路分别与所述环 形振荡器与时间延迟线连接。
[0013] 本实用新型一种热式流量传感器电路，通过将热电阻的两端与时间延迟线相连， 将模拟信号转换为时间信号，避免了利用放大器放大模拟信号的非线性区域，同时加入了 温度抵消补偿电路，减小传感器工作时受到热空气影响。进一步，本实用新型采用开关式环 形振荡器来代替传统环形振荡器，在电路工作时环形振荡器受到脉冲信号的控制，只在接 收到脉冲信号时工作，这样的设计可以大幅度的减小额外的功耗，同时还能延长使用寿命， 降低了成本。通过计数器直接计算脉冲信号时的环形振荡器的上升沿个数，将该数据通过 寄存器存储输出，既可以获得现对应的数字信号。无需通过模拟数字转换器进行转换，电路 设计简单稳定，利于集成和使用。
【附图说明】
[0014] 图1为本实用新型一种热式流量传感器电路的整体电路示意图；
[0015] 图2为本实用新型一种热式流量传感器电路的时间延迟线电路示意图；
[0016] 图3为本实用新型一种热式流量传感器电路的环形振荡器电路示意图；
[0017] 图4为本实用新型一种热式流量传感器电路的温度抵消偏置电路示意图。
【具体实施方式】
[0018] 为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对 本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实 用新型，并不用于限定本实用新型。
[0019] 如图1所示，一种热式流量传感器电路，所述热式流量传感器电路包括：
[0020] 热电阻，该热电阻用来探测流动空气的温度，该热电阻在没有气体流过的时候，热 端与冷端的温差相同，因此两端的电压亦相同。有气体流过的时候，平衡的温度场被破坏， 热端与冷端的温差不相同，两者的电压亦不相同，并在电阻两端产生电压差，热端与冷端的 温度差参数约为0. 012V/K，实际工作过程中温差的范围约为10~50°，因此热端与冷端的 电压差约为〇. 12~0. 6V。
[0021] 还包括时间延迟线，如图2所示，时间延迟线与热电阻相连，所述时间延迟线由多 个延迟单元耦接而成，所述延迟单元包括两个反相器和负载M0S电容，所述反相器耦接负 载电容。延迟线控制部分采用负载M0S电容，是利用负载M0S电容的电容大小于控制电压 的线性区域来提高延迟时间与温度的线性关系。由于时间延迟线的延迟时间取决于电阻两 端的输出电压，因此热电阻两端的输出电压会通过控制时间延迟线中的负载M0S电容大小 来改变延迟时间，时间延迟线的输出与脉冲信号发生器相连。
[0022] 在本实用新型中有两种实施方式，第一种方式为采用两条时间延迟线，分别连接 在热电阻的两端，其输入的脉冲时间宽度为Tdelay=Tdelayl-Tdelay2 ;第二种方式为采用一条 时间延迟线，连接在热电阻的一端，其输出的脉冲宽度为T&layl。但由于T&lay可以从很小的 时间到很大的时间延迟，而Tdelayl因为包含了基础延迟时间，这个通常只能取较大值。具体 的，在本实用新型的方案中，热温度假设为从-40度到120度，一条时间延迟线的温度只能 是Tdelayl(-40°C)到W(120°C);而采用两条时间延迟线的设计，可以做到时间延迟从 Tdelay(-40°C) =0至ljTdelay(120°C)〇因此采用两条延迟线的话，输出的信号的线性度会好 些，因为两条时间延迟线可以对干扰进行互相抵消。而采用一条延迟线有占用电路面积小 的优点，方便集成。在本实施例中，优选采用两条时间延迟线。
[0023] 在传统的热式流量传感器中，通常会将该热电阻两端的电压差值进行放大，然后 通过模拟数字转换器转换成数字信号输出。由于不确定热端与冷端的具体电压差指，电压 放大器的放大倍数很难控制，放大倍数过大容易饱和，放大倍数过小，不利于提高模数转换 的精度。本实用新型通过将热端与冷端的输出与时间延迟线相连，通过时间延迟线将该电 压差信号转换为时间差信号。该过程避免使用了线性度差的电压放大器，通过对负载MOS 电容的控制，无需考虑放大倍数，避免了使用电压放大器过程中存在的放大倍数设置的估 算，提高了信号转换的线性度。
[0024] 在本实施例中具体的，两条时间延迟线采用相同的结构，只有负载M0S电容大小 不同，除了负载M0S电容外，其他部分无论是结构，还是晶体管的大小都完全一样，由于时 间延迟基于晶体管的大小，供电电压，温度，负载电容，内部电容电阻等。因此两条延迟线所 处的环境一致，所以供电电压，温度相等，延迟线除了M0S电容不同外，其余结构完全一致， 所以由于别的因素造成时间延迟可以相互抵消，时间差完全取决于负载M0S电容的大小。
[0025] 延迟线的时间延迟由以下式子表示，
[0026]
[0027] Tdelay为延迟线的总时间延迟，N为延迟单元的个数，CWd为延迟单位的负载电容， VDD为电源电压，Isin#流入延迟单元的电流。由热电阻的两个输出端的直接与延迟线中 的偏置电压端相连，通过改变负载M0S电容的偏置电压，进而改变负载M0S电容的电容值的 大小，由于N、VDD为常数，Isink为温度抵消补偿偏置电流，根据上述的式子可知，延迟线的总 时间延迟与电容大小成正比例线性关系。考虑到负载M0S电容的工作特性，在该设计中使 用P型M0S的耗尽区来作为偏置电压的控制区域。
[0028] 脉冲信号发生器，包括输入端和输出端，如上所述的第一种方式中，所述输入端分 别连接两条时间延迟线；在第二种方式中，所述输入端分别连