測量和控制半導體氣體傳感器中的加熱溫度的布置和方法
【專利摘要】測量和控制半導體氣體傳感器中的加熱溫度的布置和方法。該布置包括作為測量裝置的自動控制系統(tǒng)由加熱電阻器和致動單元組成的控制回路，測量裝置測量表示加熱電阻器的溫度的物理量，致動單元控制加熱電阻器的電源。加熱電阻器的簡單控制電路的問題被解決，原因是致動單元由具有第一和第二脈沖持續(xù)時間的脈動電壓源組成，加熱電阻器在第一脈沖持續(xù)時間內連接至操作電壓，在第二脈沖持續(xù)時間內與操作電壓分離，第一和/或第二脈沖持續(xù)時間被控制為校正變量；且原因是提供恒定電流源和測量裝置，恒定電流源在第二脈沖持續(xù)時間期間將測量電流施加至加熱電阻器，測量裝置測量加熱電阻器上的測量電壓降，測量裝置的輸出在控制回路中設計為受控變量反饋。
【專利說明】
測量和控制半導體氣體傳感器中的加熱溫度的布置和方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種用于控制半導體氣體傳感器中的加熱溫度的布置，所述布置包括控制回路，所述控制回路作為測量裝置的自動控制系統(tǒng)由加熱電阻器和致動單元組成，其中所述測量裝置測量表示所述加熱電阻器的溫度的物理量，而所述致動單元控制所述加熱電阻器的電源。
[0002]本發(fā)明還涉及一種用于測量和控制半導體氣體傳感器中加熱電阻器的加熱溫度的方法。
【背景技術】
[0003]半導體氣體傳感器，也稱為金屬氧化物(簡稱Μ0Χ)半導體氣體傳感器，是導電性傳感器。所述半導體氣體傳感器由傳感器電阻器組成，所述傳感器電阻器需要加熱至工作溫度。所述傳感器電阻器的感覺有源層的電阻在與被檢測氣體接觸時發(fā)生改變。氣體與傳感器表面進入至理想地完全可逆反應中。由于它們的化學性質，金屬氧化物氣體傳感器適合于廣泛的應用領域以及所有反應氣體的檢測。取決于所用的材料和被檢測的氣體，常規(guī)的是操作溫度介于300 °C與900 0C之間。
[0004]半導體氣體傳感器的使用領域非常多樣化，并且從安全技術(爆炸、泄露、火災和中毒防護)延伸到排放和空氣質量監(jiān)測到質量保證和過程計量技術。測量范圍取決于被檢測氣體，并且從十億分之幾延伸至百分之幾。檢測的限制取決于氣敏(gas-sensitive)材料。操作溫度同樣取決于敏感層的材料和傳感器的最佳響應行為。
[0005]傳感器電阻器需要被加熱到的工作溫度還對傳感器電阻器的靈敏度和選擇性有影響，并且因此必須盡可能精確地得到調整。對于氣體傳感器而言的良好選擇性意味著，所述氣體傳感器的傳感器反應是針對目標物質(例如，被檢測氣體)，并且只有這個物質被檢測。通常由加熱電阻器來完成加熱，所述加熱電阻器良好地熱耦接至傳感器電阻器。對于工作溫度的測量而言，相關人員使用單獨的溫度感測器或利用加熱電阻器的溫度依賴性。例如，加熱電阻器可由鉑制成，并且隨后所述加熱電阻器具有精確限定的溫度依賴性。在本發(fā)明中，不使用單獨的溫度感測器，而是將加熱電阻器用于加熱以及工作溫度的測量。
[0006]可經(jīng)由電阻器的電功率來控制加熱電阻器的溫度。對此，存在已知的各種方法:
[0007]相關人員可使用致動元件來調整加熱電阻器上的電壓或流過加熱電阻器的電流。在這種情況下，功率損耗發(fā)生在整個模擬致動元件上，這會減損布置的電效率。圖1展示樣例性布置。例如，相關人員會使用晶體管或電位計作為模擬致動元件。具有極低電阻值的分流電阻器116充當電流測量結果115。同時，截取用于加熱電流和加熱電壓的測量信號114。
[0008]另一方法在于，使用數(shù)字致動元件來開啟和關閉加熱電阻器上的電壓或流過加熱電阻器的電流，從而使得所需平均功率由導通時間和斷開時間產(chǎn)生。開啟和關閉可以按照脈沖寬度或脈沖密度調制的形式出現(xiàn)。理想地，歸功于數(shù)字操作，致動元件沒有自身的功率損耗，并且可實現(xiàn)極高的電效率。
[0009]對于加熱而言，電壓必須施加至加熱電阻器，并且電流必須流動。所得到的電功率在加熱電阻器中轉換為熱量并導致加熱電阻器的加熱，從而加熱傳感器電阻器。為了控制電功率(并且因此控制加熱電阻器和傳感器電阻器的溫度)，加熱電阻器上的電壓或流過加熱電阻器的電流必須加以控制。
[0010]對于溫度的測量而言，必須對加熱電阻器的電阻值進行測量，因為電阻值是傳感器電阻器的溫度的量度。但對此來說，加熱電阻器上的電壓和流過加熱電阻器的電流必須是已知的或被測量的。
[0011]然而，使得能夠進行加熱和溫度測量的已知致動電路非常復雜，并且僅具有低電效率。圖1中舉例所示的電路布局極為簡單，但由于模擬致動元件和分流電阻器的高功率損耗，所述電路具有較差效率。數(shù)字致動元件盡管不具有自身的功率損耗，但會使加熱電阻的測量變得非常復雜:一方面，相關人員必須在導通時間期間，如借助于分流電阻器，而測量流過加熱元件的電流，但這將再一次減損功率效率。另一方面，在導通時間期間加熱電阻器上的電壓將必須是已知的。這將是(未知)操作電壓減去數(shù)字致動元件上的(未知)電壓降再減去分流電阻器上的電壓降的結果。

【發(fā)明內容】

[0012]因此，本發(fā)明所提議解決的問題在于表明一種用于半導體氣體傳感器中的加熱電阻器的致動電路，所述致動電路消除現(xiàn)有技術的前述缺陷并且使得能夠對加熱電阻器的電功率進行簡單控制，所述致動電路可測量加熱電阻器的電阻值并且具有高電效率。具有低功率損耗的電路恰恰對于移動用途而言尤其重要。
[0013]同時，加熱電阻器的溫度并且因此半導體氣體傳感器的傳感器電阻器的溫度應精確地適合于測量要求。這個溫度調適也應該在布置的工作電壓Vdd經(jīng)受不可預知的波動時可精確地適應。因此，工作電壓Vdd從測量過程的去耦尤其重要。
[0014]本發(fā)明的問題依據(jù)所述布置得以解決，原因在于致動單元由脈動電壓源組成，所述脈動電壓源具有第一脈沖持續(xù)時間和第二脈沖持續(xù)時間，其中在第一脈沖持續(xù)時間期間，加熱電阻器連接至工作電壓VDD，而在第二脈沖持續(xù)時間期間，加熱電阻器與工作電壓Vdd分離，所述脈動電壓源的第一脈沖持續(xù)時間和/或第二脈沖持續(xù)時間可被控制為校正變量;并且原因在于提供恒定電流源和測量裝置，其中所述恒定電流源在第二脈沖持續(xù)時間期間將測量電流施加至加熱電阻器，而所述測量裝置測量加熱電阻器上的測量電壓降，所述測量裝置的輸出在所述控制回路中被設計為受控變量反饋。致動單元用來在第一脈沖持續(xù)時間(致動單元的導通時間)期間將加熱電阻器連接至電源，即，電壓被施加并且電流流過加熱電阻器，所述加熱電阻器進而變暖，即，被加熱。電壓Vdd不是恒定的，而是經(jīng)受波動，這在加熱電阻器的加熱中必需考慮到。在第二脈沖持續(xù)時間(致動單元的斷開時間)期間，加熱電阻器與電源分離并且不連接至恒定電流源，所述恒定電流源將已知測量電流發(fā)送穿過加熱電阻器，在此期間，測量裝置測量由測量電流在加熱電阻器上所產(chǎn)生的電壓降。在斷開時間期間由測量電流產(chǎn)生的電壓降是加熱電阻器的電阻值的量度，并且因此是傳感器電阻器的溫度的量度。如此一來，加熱電阻器的測量從布局中的其余部去耦并且不再經(jīng)受電源的波動電壓Vdd。測量裝置被設計為電壓測量電路并且可從測量信號產(chǎn)生信號，所述信號對應于加熱電阻器的溫度并且因此對應于傳感器電阻器的溫度。這個信號構成由致動單元和測量裝置形成的控制回路中的受控變量，從而使得以這種方式，傳感器電阻器的溫度可通過致動單元的致動得到精確調整。通過施加恒定測量電流，相關人員只需測量加熱電阻器上的電壓來確定穿過加熱電阻器的功率。歸功于這種布局，上述情形可在高電效率下完成，因為在這種切換和測量布局中幾乎不存在損耗，原因在于首先在此類測量布局中先前使用的模擬致動元件已除去，所述模擬致動元件是最大損耗源，其消耗總功率的約70%，并且其次，不使用分流電阻器，所述分流電阻器將取決于自身尺寸而產(chǎn)生約10%的功率損耗。雖然測量電流源也產(chǎn)生功率損耗，但測量電流可保持為較低的，以便最小化功率損耗。
[0015]在一個有利實施方案中，致動單元被設計為數(shù)字可切換的。也就是說，例如，像MOSFET等開關通過PffM信號導通和斷開。
[0016]此外，差分放大器被配置在控制回路中以用于確定受控變量反饋與控制變量之間的控制偏差。另外，產(chǎn)生器和比較器被配置來產(chǎn)生校正變量。從測量裝置的測量信號產(chǎn)生的溫度信號從用于期望溫度的標稱值設置點中被減去，并且在誤差放大器中放大。放大偏差在比較器中與調制信號(如三角形或鋸齒形信號)相比較，所述調制信號在產(chǎn)生器中產(chǎn)生。比較的結果是用于控制致動元件和測量裝置的校正變量。校正變量可以是(例如)脈沖寬度調制(PffM)信號。
[0017]依據(jù)所述方法，本發(fā)明的問題得以解決，原因在于通過導通狀態(tài)的第一脈沖持續(xù)時間和斷開狀態(tài)的第二脈沖持續(xù)時間來向加熱電阻器供應脈沖電壓，其中第一脈沖持續(xù)時間和/或第二脈沖持續(xù)時間構成控制回路的校正變量，并且加熱電阻器在第二脈沖持續(xù)時間期間接收恒定電壓源的測量電流，其中由測量電流在加熱電阻器上所產(chǎn)生的電壓被測量并用作受控變量。尤其有利的是，電壓的測量與電源電壓Vdd獨立分開完成。如此一來，測量結果不會受到非恒定的，即波動的電源電壓的影響。波動電源電壓Vdd意味著如下這種電壓:此電壓的直流電壓值在時間上不是恒定的而是根據(jù)應用而變化。例如，在作為直接電池操作的應用中，電池電壓取決于充電條件。負載波動也可發(fā)生，如傳輸器開啟或關閉時移動電話中的電壓波動。本發(fā)明還提供覆蓋廣泛操作電壓范圍的能力，如2.6V至3.6V。在第一脈沖持續(xù)時間(致動單元的導通時間)期間，加熱電阻器連接至電源，即，電壓被施加并且電流流過加熱電阻器，于是加熱電阻器由此變暖，即，被加熱。在第二脈沖持續(xù)時間(致動單元的斷開時間)期間，加熱電阻器與電源分離并且現(xiàn)在連接至電流源，從而使得已知的測量電流流過加熱電阻器，于是由測量電流在加熱電阻器上所產(chǎn)生的電壓降同時借助于測量裝置來測量。同時，意味著測量電路取決于用于致動單元的控制信號而被激活或去活。在導通時間期間，測量電路被去活，并且在斷開時間期間，測量電路被激活并測量加熱電阻器上的電壓。在斷開時間期間由測量電流產(chǎn)生的電壓降是加熱電阻器的電阻值的量度，并且因此是傳感器電阻器的溫度的量度。電壓測量電路可因此產(chǎn)生信號，所述信號對應于加熱電阻器的溫度并且因此對應于傳感器電阻器的溫度，其中通過從用于控制加熱電阻器的布置的非恒定電源電壓去耦而完成所述測量。這個信號構成由致動元件和測量裝置形成的控制回路中的受控變量，從而使得以這種方式，傳感器電阻器的溫度可通過致動元件的致動而得到精確調整。
[0018]對于所提議方法而言重要的是，有規(guī)律地測量加熱電阻器的溫度以便抵消溫度偏差。為此，借助于致動機構而在第一切換狀態(tài)和第二切換狀態(tài)之間存在定期切換。致動單元確保:在致動單元的導通時間中，加熱電阻器連接至電源，即，電壓施加至加熱電阻器，所述電壓使加熱電阻器變暖；以及在致動單元的斷開時間中，加熱電阻器連接至電流源，從而使得可測量加熱電阻器的溫度。
[0019]在根據(jù)本發(fā)明的方法中，通過測量電流測量的、加熱電阻器上的電壓是加熱電阻器的加熱溫度的量度并且充當受控變量，而受控變量從設置點設置中被減去，并且偏差在放大器中被放大。設置點設置取決于半導體氣體傳感器的種類和半導體氣體傳感器的使用領域。取決于所使用的傳感器電阻器材料和有待被檢測的氣體類型，可經(jīng)由加熱電阻器來調整傳感器電阻器的精確溫度。通過控制系統(tǒng)，對傳感器溫度進行追蹤的可能性是毫無疑問的。
[0020]借助于比較器而將加熱溫度和溫度的設置點設置的偏差與調制信號相比較，并且用于控制致動單元和測量電路的校正變量從比較的結果中產(chǎn)生。例如，校正變量可以是PWM信號。第一切換狀態(tài)的持續(xù)時間和第二切換狀態(tài)的持續(xù)時間形成定時比率m，并且加熱電阻器中產(chǎn)生的熱量依據(jù)定時比率m來調整。與(例如)這個脈沖寬度調制信號的總時間相比而言，定時比率，即，導通時間的分量，決定加熱電阻器中產(chǎn)生的熱量。
【附圖說明】
[0021 ]現(xiàn)將借助于樣例性實施方案更為具體地解釋本發(fā)明。
[0022]附圖展示如下內容
[0023]圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術的用于半導體氣體傳感器中的加熱電阻器的致動電路，所述致動電路用于測量加熱電阻器的溫度；
[0024]圖2是根據(jù)本發(fā)明的驅動電路，其用于半導體氣體傳感器中的加熱電阻器；
[0025]圖3是經(jīng)典控制回路的示意圖；
[0026]圖4是根據(jù)本發(fā)明的驅動和測量電路，其作為控制回路中的自動控制系統(tǒng)而用于半導體氣體傳感器中的加熱電阻器。
【具體實施方式】
[0027]圖2展示根據(jù)本發(fā)明的驅動和測量電路100。致動機構102(如充當開關的晶體管)用來在第一脈沖持續(xù)時間(致動單元的導通時間)期間將加熱電阻器101連接至電源，S卩，電壓被施加并且電流流過加熱電阻器101，加熱電阻器101以此方式變暖，S卩，被加熱。在第二脈沖持續(xù)時間(致動單元的斷開時間)期間，加熱電阻器101與電力源分離并且通過與恒定電流源103的連接而橋接，于是恒定電流源103將已知的測量電流發(fā)送穿過加熱電阻器101，并且在此期間，借助于測量裝置104而由測量電流在加熱電阻器101上產(chǎn)生的電壓降得以測量。在斷開時間期間由測量電流產(chǎn)生的電壓降是加熱電阻器101的電阻值的量度，并且因此是傳感器電阻器的溫度的量度。電壓測量電路104可因此產(chǎn)生信號106，所述信號106對應于加熱電阻器101的溫度并且因此對應于傳感器電阻器的溫度。此信號106構成由致動元件102、測量裝置104和自動控制器形成的控制回路200中的受控變量(所述自動控制器由產(chǎn)生器111和比較器112形成)，從而使得以這種方式可通過致動元件102的致動來精確調整傳感器電阻器的溫度。
[0028]圖3展示經(jīng)典控制回路的示意圖，尤其是針對所使用的自動控制術語的說明和匹配。
[0029]圖4示意性地展示根據(jù)本發(fā)明的布置，所述布置用于控制半導體氣體傳感器中的加熱溫度。驅動和測量電路精確對應于圖2所示的驅動和測量電路。從測量裝置的測量信號產(chǎn)生的溫度信號106從用于期望溫度的設置點設置107中被減去，并且在誤差放大器108中放大。放大偏差109在比較器112中與調制信號110(如三角形信號或鋸齒形信號)相比較，所述調制信號110在產(chǎn)生器111中產(chǎn)生。比較的結果是用于控制致動元件102和測量裝置104的脈沖寬度調制(PWM)信號105。
[0030]參考符號列表
[0031]100驅動和測量電路
[0032]101加熱電阻器
[0033]102致動元件
[0034]103電流源
[0035]104測量裝置
[0036]105 PffM信號、校正變量
[0037]106用于溫度測量值、電壓值的信號
[0038]107設置點設置
[0039]108差分放大器
[0040]109控制偏差，S卩，設置點與測量值之間的放大偏差[0041 ] HO調制信號
[0042]Hl用于產(chǎn)生調制信號的產(chǎn)生器
[0043]112比較器
[0044]113用于調制信號的輸入信號
[0045]114用于加熱電流和加熱電壓的測量信號
[0046]115用于加熱電流的測量信號
[0047]116用于電流測量的分流電阻器
[0048]200控制回路
【主權項】
1.一種用于控制半導體氣體傳感器中的加熱溫度的布置，所述布置包括控制回路，所述控制回路作為測量裝置(104)的自動控制系統(tǒng)(100)由加熱電阻器(101)和致動單元(102)組成，其中所述測量裝置(104)測量表示所述加熱電阻器的溫度的物理量，而所述致動單元(102)控制所述加熱電阻器的電源，所述布置的特征在于所述致動單元(102)由脈動電壓源組成，所述脈動電壓源具有第一脈沖持續(xù)時間和第二脈沖持續(xù)時間，其中在所述第一脈沖持續(xù)時間期間，所述加熱電阻器連接至操作電壓Vdd，而在所述第二脈沖持續(xù)時間期間，所述加熱電阻器與所述操作電壓Vdd分離，所述脈動電壓源的第一脈沖持續(xù)時間和/或第二脈沖持續(xù)時間可被控制為校正變量(105)，并且特征在于提供恒定電流源(103)和測量裝置(104)，其中所述恒定電流源(103)在所述第二脈沖持續(xù)時間期間將測量電流施加至所述加熱電阻器(101)，而所述測量裝置(104)測量由于所述測量電流而在所述加熱電阻器(101)上引起的測量電壓降，所述測量裝置(104)的輸出在所述控制回路(200)中被設計為受控變量反饋(106)。2.根據(jù)權利要求1所述的用于控制半導體氣體傳感器中的加熱溫度的布置，其特征在于:所述致動單元(102)被設計為數(shù)字可切換的。3.根據(jù)權利要求1所述的用于控制半導體氣體傳感器中的加熱溫度的布置，其特征在于:差分放大器(108)被配置在所述控制回路(200)中以用于確定所述受控變量反饋(106)與控制變量(107)之間的控制偏差(109)，并且產(chǎn)生器(111)和比較器(112)被設計來產(chǎn)生所述校正變量(105)。4.一種用于測量和控制半導體氣體傳感器中加熱電阻器的加熱溫度的方法，所述方法利用根據(jù)權利要求1至3所述的布置，其中表示所述加熱電阻器(101)的溫度的物理量構成控制回路(200)的所述受控變量(106)，所述方法的特征在于:通過導通狀態(tài)的第一脈沖持續(xù)時間和斷開狀態(tài)的第二脈沖持續(xù)時間向所述加熱電阻器(101)供應脈沖電壓，其中所述第一脈沖持續(xù)時間和/或所述第二脈沖持續(xù)時間構成所述控制回路(200)的所述校正變量(105)，并且所述加熱電阻器(101)在所述第二脈沖持續(xù)時間期間接收恒定電壓源(103)的測量電流，其中由所述測量電流在所述加熱電阻器上產(chǎn)生的電壓(106)被測量并用作受控變量。5.根據(jù)權利要求4所述的用于測量和控制半導體氣體傳感器中加熱電阻器的加熱溫度的方法，其特征在于:借助于致動元件(102)而在所述第一切換狀態(tài)與所述第二切換狀態(tài)之間存在定期切換。6.根據(jù)權利要求5所述的用于測量和控制半導體氣體傳感器中加熱電阻器的加熱溫度的方法，其特征在于:由所述測量電流在所述加熱電阻器上產(chǎn)生的所述電壓(106)從設置點設置(107)中被減去，并且偏差(I 09)在放大器(108)中被放大。7.根據(jù)權利要求6所述的用于測量和控制半導體氣體傳感器中加熱電阻器的加熱溫度的方法，其特征在于:所述加熱溫度(106)與所述設置點設置(107)的所述偏差(109)借助于比較器(112)而與調制信號(110)相比較，并且用于控制所述致動單元(102)和所述測量電路(104)的所述校正變量(105)是從所述比較的結果中產(chǎn)生。8.根據(jù)權利要求7所述的用于測量和控制半導體氣體傳感器中加熱電阻器的加熱溫度的方法，其特征在于:所述校正變量(105)是PffM信號。9.根據(jù)權利要求6所述的用于測量和控制半導體氣體傳感器中加熱電阻器的加熱溫度的方法，其特征在于:所述第一切換狀態(tài)的持續(xù)時間和所述第二切換狀態(tài)的持續(xù)時間形成定時比率m，并且所述加熱電阻器(101)中產(chǎn)生的熱量依據(jù)所述定時比率m來調整。
【文檔編號】G01N27/12GK106053546SQ201610239246
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年4月18日
【發(fā)明人】M·格奧爾基, R·施賴伯
【申請人】微電子中心德累斯頓有限公司