Gaszähler und Verfahren zum Ermitteln einer konsumierten Gas meter and method for determining a consumed
Gasmengeamount of gas
Hinweis auf verwandte AnmeldungenReference to related applications
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der Schweizer Patentanmeldung 1252/00, die am 23. Juni 2000 eingereicht wurde und deren ganze Offenbarung hiermit durch Bezug aufgenommen wird.This application claims priority from Swiss Patent Application 1252/00, filed on June 23, 2000, the entire disclosure of which is hereby incorporated by reference.
Hintergrundbackground
Die Erfindung betrifft einen Gaszähler und ein Verfahren zum Ermitteln einer konsumierten Gasmenge gemäss Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.The invention relates to a gas meter and a method for determining a quantity of gas consumed according to the preamble of the independent claims.
Gaszähler sind Geräte, mit denen der Gasverbrauch eines Konsumenten gemessen wird, so dass die verbrauchte Gasmenge dem Konsumenten in Rechnung gestellt werden kann. Konventionelle volumetrische Gaszähler haben den Nachteil, dass ihre Messwerte abhängig von Druck und Temperatur sind. Dies führt zu einer ungerechten Berechnung der Gaskosten.Gas meters are devices with which the gas consumption of a consumer is measured so that the amount of gas consumed can be charged to the consumer. Conventional volumetric gas meters have the disadvantage that their measured values are dependent on pressure and temperature. This leads to an unjust calculation of gas costs.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Es stellt sich deshalb die Aufgabe, einen Gaszähler und ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, die möglichst genaue Verbrauchswerte bestimmen, um eine gerechtere Berechnung der Gaskosten zu ermöglichen.It is therefore the task of providing a gas meter and a method of the type mentioned at the outset which determine consumption values which are as accurate as possible in order to enable a more just calculation of the gas costs.
Anspruchsgemäss wird diese Aufgabe gelöst, indem der Massenfluss des Gases bestimmt und über die Zeit integriert wird. Somit wird also nicht das Volumen sondern die Masse des konsumierten Gases ermittelt. Da
die Masse auch dem Brennwert des Gases entspricht, erlaubt dies eine gerechtere Gebührenberechnung.According to the claims, this task is solved by determining the mass flow of the gas and integrating it over time. So it is not the volume but the mass of the gas consumed that is determined. There the mass also corresponds to the calorific value of the gas, this allows a fairer fee calculation.
Vorzugsweise besitzt der Gaszähler einen integrierten Massenflusssensor mit einem Halbleitersubstrat mit einer Membran und darauf angeordneten Messkomponenten.The gas meter preferably has an integrated mass flow sensor with a semiconductor substrate with a membrane and measuring components arranged thereon.
Für besonders hohe Genauigkeit bei geringen Herstellungskosten werden auf dem Halbleitersubstrat gleichzeitig noch ein Analogteil und ein Digitalteil in- tegriert. Im Analogteil werden die Signale vorverarbeitet, d.h. zum Beispiel verstärkt, und sodann digitalisiert. Im Digitalteil werden die digitalisierten Daten linearisiert . Indem die Teile alle auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat integriert werden, ergibt sich eine Reduktion der Herstellungskosten. Dennoch kann dank der Linearisierung eine hohe Genauigkeit, selbst über einen grossen Bereich der Gasströmung, erzielt werden.For particularly high accuracy with low manufacturing costs, an analog part and a digital part are simultaneously integrated on the semiconductor substrate. The signals are preprocessed in the analog section, i.e. for example, amplified and then digitized. The digitized data is linearized in the digital part. By integrating the parts all on a common semiconductor substrate, there is a reduction in manufacturing costs. Nevertheless, thanks to the linearization, a high level of accuracy can be achieved, even over a wide range of gas flows.
Um den Massenflusssensor möglichst robust zu gestalten, kann über der Membran eine tensile Passivie- rungsschicht aufgebracht werden. Eine derartige Passivie- rungsschicht vermag die Membran unter einen tensilen Ge- sa tstress zu setzen. Dadurch wird ein Durchbiegen, welches z.B. eine Herabsetzung der mechanischen Stabilität verursachen würde, verhindert.In order to make the mass flow sensor as robust as possible, a tensile passivation layer can be applied over the membrane. Such a passivation layer can put the membrane under tensile stress. This causes a deflection, which e.g. would cause a reduction in mechanical stability.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Weitere Ausgestaltungen, Vorteile und Anwen- düngen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der nun folgenden Beschreibung anhand der Figuren. Dabei zeigen:Further refinements, advantages and applications of the invention result from the dependent claims and from the description that follows with reference to the figures. Show:
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines erfindungsge- mässen Gaszählers, Fig. 2 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausführung des Massenfluss-Detektors.
Fig. 3 einen Massenfluss-Detektor mit linearer Response,1 shows a block diagram of a gas meter according to the invention, FIG. 2 shows a schematic representation of a possible embodiment of the mass flow detector. 3 shows a mass flow detector with linear response,
Fig. 4 einen Schnitt durch das Sensorelement, Fig. 5 eine Draufsicht auf einen Halbleiter- baustein mit Sensorelement und Elektronikschaltungen,4 shows a section through the sensor element, FIG. 5 shows a plan view of a semiconductor module with sensor element and electronic circuits,
Fig. 6 ein Blockdiagramm des Bausteins nachFig. 6 is a block diagram of the block according to
Fig. 5 undFig. 5 and
Fig. 7 ein Blockdiagramm der Steuerung.Fig. 7 is a block diagram of the controller.
Wege zur Ausführung der ErfindungWays of Carrying Out the Invention
Übersicht:Overview:
Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm einer Ausfüh- rung der Erfindung in Form eines Gaszählers 1, wie er z.B. zur Ermittlung der Gaskosten in einem Haushalt verwendet werden kann.1 shows a block diagram of an embodiment of the invention in the form of a gas meter 1, as it is e.g. can be used to determine gas costs in a household.
Der Gaszähler besitzt einen Hauptkanal mit einer Eingangsleitung 2 und einer Ausgangsleitung 3 für das zu messende Gas. Zum Messen der Gasmenge ist ein Massenfluss-Detektor 4 vorgesehen, d.h. ein Sensor, mit der die Masse des durchströmenden Gases pro Zeiteinheit ermittelt wird. Eine Steuerung 5 wertet die Resultate des Massenfluss-Detektors 4 aus, betreibt eine Anzeige 6 und z.B. einen Chipkartenleser 7. Ferner kann sie ein Verschlussventil 8 steuern. Eine Stromversorgung 9 speist sämtliche Bauteile, vorzugsweise aus einer Batterie.The gas meter has a main channel with an input line 2 and an output line 3 for the gas to be measured. A mass flow detector 4 is provided for measuring the amount of gas, i.e. a sensor with which the mass of the gas flowing through per unit of time is determined. A controller 5 evaluates the results of the mass flow detector 4, operates a display 6 and e.g. a chip card reader 7. It can also control a closing valve 8. A power supply 9 feeds all components, preferably from a battery.
Im folgenden werden die Teile des Gaszählers 1 im einzelnen beschrieben. Dabei ist zu beachten, dass die Anwendung einiger dieser Teile nicht auf einen Gaszähler beschränkt ist. So kann z.B. der im folgenden erläuterte Massenfluss-Detektor oder das Sensorelement in einer Vielzahl von Einsatzgebieten eingesetzt werden.The parts of the gas meter 1 are described in detail below. It should be noted that the use of some of these parts is not limited to a gas meter. For example, the mass flow detector explained below or the sensor element can be used in a large number of fields of application.
Massenfluss-Detektor:Mass flow detector:
Der Massenfluss-Detektor 4 misst entweder die Massenrate, d.h. die Masse pro Zeiteinheit oder ein Inte-
gral der Massenrate, d.h. die totale Masse. Anstelle der Masse bzw. Massenflussrate kann auch die jeweilige Grosse pro Einheits-Durchflussfläche der Gasleitung ermittelt und sodann umgerechnet werden. Fig. 2 zeigt schematisch den Aufbau des Massenfluss-Detektors. Im folgenden wird als „Massenfluss" der mittlere Massenfluss pv verstanden, wobei p die Dichte und v die Geschwindigkeit des Gases ist. Soll der gesamte Massenfluss durch den Hauptkanal 2, 3 ermittelt werden, so ist p.vjj in bekannter Weise zu integrieren, wobei VJJ die mittlere Flussgeschwindigkeit im Hauptkanal ist .The mass flow detector 4 either measures the mass rate, ie the mass per unit of time, or an integer. grail the mass rate, ie the total mass. Instead of the mass or mass flow rate, the respective size per unit flow area of the gas line can also be determined and then converted. Fig. 2 shows schematically the structure of the mass flow detector. In the following, the "mass flow" is understood to mean the mean mass flow pv, where p is the density and v is the velocity of the gas. If the entire mass flow through the main channel 2, 3 is to be determined, p.vjj should be integrated in a known manner, where VJJ is the average flow velocity in the main channel.
In der vorliegenden Ausführung ist am Hauptkanal ein Bypass 10 vorgesehen, der parallel zu einem Ab- schnitt 11 des Hauptkanals 2, 3 verläuft, mit einem Eingang 12 und einem Ausgang 13. Im Bypass 10 ist ein Sensorelement 14 vorgesehen.In the present embodiment, a bypass 10 is provided on the main channel, which runs parallel to a section 11 of the main channel 2, 3, with an input 12 and an output 13. A sensor element 14 is provided in the bypass 10.
Zumindest in einem Bereich 15 zwischen den Mündungen des Bypass 10 ist ein in Fig. 2 grau darge- stellter Bereich vorgesehen, in welchem der Flusswiderstand des Gases im Vergleich zum übrigen Hauptkanal erhöht ist, um den Druckabfall Δp zwischen den Mündungen zu erhöhen .At least in an area 15 between the mouths of the bypass 10 there is an area shown in gray in FIG. 2, in which the flow resistance of the gas is increased in comparison to the rest of the main channel in order to increase the pressure drop Δp between the mouths.
Vorzugsweise ist im Sensorelement 14 eine Messanordnung angeordnet, die ein Heizorgan und symmetrisch dazu zwei Temperaturfühler aufweist. Eine bevorzugte Ausführung dieser Anordnung wird weiter unten beschrieben.A measuring arrangement is preferably arranged in the sensor element 14, which has a heating element and symmetrically two temperature sensors. A preferred embodiment of this arrangement is described below.
Die Temperaturen bei den Temperaturfühlern eines derartigen Sensorelements sind abhängig vom Produkt der Flussgeschwindigkeit vg im Bypass 10 und der Dichte p des Gases. Das Ausgangssignal S des Sensorelements ist also eine Funktion f des Massenflusses pv-ß, wobei vg die Gasgeschwindigkeit am Ort des Sensorelements 14 im Bypass 4 bezeichnet, d.h.The temperatures at the temperature sensors of such a sensor element depend on the product of the flow velocity vg in the bypass 10 and the density p of the gas. The output signal S of the sensor element is therefore a function f of the mass flow pv- β , where vg denotes the gas velocity at the location of the sensor element 14 in the bypass 4, ie
S = s(p-vB) (1)
Mittels geeigneter Linearisierung kann ein zum Massenfluss proportionales Signal erzeugt werden, so dassS = s (pv B ) (1) By means of suitable linearization, a signal proportional to the mass flow can be generated, so that
S = k-p-vB, (2)S = kpv B , (2)
wobei k eine Konstante ist.where k is a constant.
Das durch den Bypass 10 fliessende Gas erzeugt eine Druckdifferenz Δp zwischen den Mündungen der Leitungen 12 und 13. Die Druckdifferenz Δp ist von der Gasgeschwindigkeit vB im Bypass 10 abhängig, d.h.The gas flowing through the bypass 10 generates a pressure difference Δp between the mouths of the lines 12 and 13. The pressure difference Δp is dependent on the gas velocity v B in the bypass 10, ie
Δp = fB(vB) , (3)Δp = f B (v B ), (3)
wobei die Funktion fB diese Abhängigkeit beschreibt.the function f B describes this dependency.
Andererseits ist diese Druckdifferenz auch von der Strömungsgeschwindigkeit vpj im Hauptkanal abhängig, d.h.On the other hand, this pressure difference also depends on the flow velocity vpj in the main channel, i.e.
Δp = fH(vH). (4)Δp = f H (v H ). (4)
wobei die Funktion fH die Abhängigkeit des Druckabfalls von der Strömungsgeschwindigkeit im Hauptkanal beschreibt .where the function f H describes the dependence of the pressure drop on the flow velocity in the main channel.
Die Funktionen fB und fjj hängen von der Geo- metrie des Hauptkanals und des Bypass ab. Bei laminaren Strömungsverhältnissen sind fB und fjj lineare Funktionen. Bei turbulenten Strömungsverhältnissen oder bei Staudruck können fB und fjj auch von höheren Potenzen der jeweiligen Geschwindigkeit, insbesondere vom Quadrat der Geschwin- digkeit abhängen.The functions f B and fjj depend on the geometry of the main channel and the bypass. For laminar flow conditions, f B and fjj are linear functions. With turbulent flow conditions or with dynamic pressure, f B and fjj can also depend on higher powers of the respective speed, in particular on the square of the speed.
Aus Gleichung (3) und (4) ergibt sich:From equations (3) and (4) we get:
vB = fB-l(fH(vH)) = F(vH) (5)v B = f B -l (f H (v H )) = F (v H ) (5)
Die Eigenschaften des Massenfluss-Detektors können durch geeignete Wahl der Funktion F bzw. der Funktionen f und fjj optimiert werden.
Fig. 3 zeigt eine Ausführung eines Massen- fluss-Detektors mit linearer Response. Im Hauptkanal ist ein linearer Strömungswiderstand 15' angeordnet, so dass Δp proportional zu jj ist. Der Strömungswiderstand kann z.B. aus einer Vielzahl paralleler, enger Kanäle bestehen. Der Bypass weist ebenfalls einen linearen Strömungswiderstand auf, so dass gilt v °= VJJ.The properties of the mass flow detector can be optimized by suitable selection of the function F or the functions f and fjj. 3 shows an embodiment of a mass flow detector with a linear response. A linear flow resistance 15 'is arranged in the main channel, so that Δp is proportional to jj . The flow resistance can consist, for example, of a large number of parallel, narrow channels. The bypass also has a linear flow resistance, so that v ° = VJJ.
Sensorelement : Fig. 4 zeigt den Aufbau eines SensorelementsSensor element: Fig. 4 shows the structure of a sensor element
14, mit welchem der Massenfluss p-vB eines Gases gemessen werden kann.14, with which the mass flow pv B of a gas can be measured.
Das generelle Funktionsprinzip eines derartigen Bauelements ist ausführlich in „Scaling of Thermal CMOS Gas Flow Microsensors : Experiment and Simulation" von F. Mayer et al . , in Proc . IEEE Micro Electro Mechani- cal Systems, (IEEE, 1996), pp. llβff beschrieben.The general functional principle of such a component is described in detail in "Scaling of Thermal CMOS Gas Flow Microsensors: Experiment and Simulation" by F. Mayer et al., In Proc. IEEE Micro Electro Mechanical Systems, (IEEE, 1996), pp. Llβff described.
Das Sensorelement 14 ist auf einem Halbleitersubstrat 21 aus monokristallinem Silizium angeordnet, in welchem eine Öffnung 22 ausgeätzt wurde. Unter dem Begriff „Öffnung" ist sowohl eine einfache Vertiefung im Halbleitersubstrat 21, als auch ein sich ganz durch das Halbleitersubstrat 21 erstreckende Öffnung zu verstehen. Die Öffnung bzw. Vertiefung 22 wird von einer dünnen Mem- bran 23 aus einem Dielektrikum abgedeckt. Auf der Membran 23 ist eine resistive Heizung 24 aus drei Widerständen angeordnet. Symmetrisch zur Heizung 24 sind zwei Thermoelemente 25, 26 vorgesehen, die als Temperatursensoren dienen. Genau genommen handelt es sich dabei um Ther- mosäulen bestehend aus mehreren, in Serie geschalteten Thermoelementen. Im Zusammenhang mit dieser Beschreibung und den Ansprüchen wird unter dem Ausdruck Thermoelement sowohl ein einzelnes Element als auch eine Thermosäule verstanden. Thermoelemente haben gegenüber resistivenThe sensor element 14 is arranged on a semiconductor substrate 21 made of monocrystalline silicon, in which an opening 22 has been etched out. The term “opening” is understood to mean both a simple depression in the semiconductor substrate 21 and an opening extending entirely through the semiconductor substrate 21. The opening or depression 22 is covered by a thin membrane 23 made of a dielectric A resistive heater 24 composed of three resistors is arranged in membrane 23. Two thermocouples 25, 26, which serve as temperature sensors, are provided symmetrically to heater 24. Strictly speaking, these are thermopiles consisting of several thermocouples connected in series With this description and the claims, the term thermocouple is understood to mean both a single element and a thermopile
Temperatursensoren den Vorteil, dass sie praktisch keine
Drift aufweisen und auch verhältnismässig unempfindlich gegen ein Durchbiegen der Membran 23 sind.Temperature sensors have the advantage that they are practically none Have drift and are also relatively insensitive to bending of the membrane 23.
Die Thermoelemente 25, 26 und die Heizung 24 liegen so zur Flussrichtung 27, dass das Gas zuerst das erste Thermoelement 25, dann die Heizung 24 und schliess- lich das zweite Thermoelement 26 überstreicht.The thermocouples 25, 26 and the heater 24 lie in the direction of flow 27 such that the gas first sweeps over the first thermocouple 25, then the heater 24 and finally the second thermocouple 26.
Eine typische Grosse der Membran 23 beträgt z.B. 300 X 500 μm2.A typical size of the membrane 23 is, for example, 300 X 500 μm 2 .
Das Sensorelement 14, und insbesondere der Bereich der Membran 23, ist mit einer Passivierungs- schicht 28 überdeckt. Diese kann z.B. aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder einem Polymer, insbesondere Polyimid, bestehen. Die Passivierungsschicht 28 verhindert Diffusion unerwünschter Moleküle, wie z.B. Wasser, in die auf dem HalbleiterSubstrat 21 integrierten Komponenten.The sensor element 14, and in particular the area of the membrane 23, is covered with a passivation layer 28. This can e.g. consist of silicon oxide, silicon nitride or a polymer, in particular polyimide. The passivation layer 28 prevents diffusion of undesired molecules, e.g. Water, in the components integrated on the semiconductor substrate 21.
Die Passivierungsschicht 28 hat zusätzlich auch eine mechanische Aufgabe zu erfüllen. Hierzu ist sie tensil ausgestaltet, mit einer Tensilität bei Betriebstemperatur von vorzugsweise mehr als 100 MPa. Sie ist also einer Zugspannung ausgesetzt, so dass sie die Membran 23 gestrafft und somit stabil hält. Dank dieser Stresskompensation arbeitet die Membran 23 auch bei einem Druckunterschied von mehr als 3 Bar noch einwandfrei . Die Tensilität der Passivierungsschicht 23 kann mittels bekannter Verfahren durch geeignete Wahl der Herstellungsparameter gesteuert werden, siehe z.B. Dominik Jaeggi, „Thermal Convertes by CMOS Technology", Dissertation an der Eidgenössischen Technischen Hochschule von Zürich No . 11567, 1996 Wie bereits erwähnt, kann mit einem Sensorelement 14 gemäss Fig. 4 der Massenfluss des Gases ermittelt werden. Hierzu werden die Temperaturen über den Thermoelementen 25, 26 gemessen, welche vom Produkt der Flussgeschwindigkeit vB und der Dichte p des Gases abhän- gen .The passivation layer 28 also has to perform a mechanical task. For this purpose, it is designed to be tensile, with a tensility at operating temperature of preferably more than 100 MPa. It is therefore exposed to tensile stress so that it tightens membrane 23 and thus keeps it stable. Thanks to this stress compensation, the membrane 23 still works perfectly even with a pressure difference of more than 3 bar. The tensility of the passivation layer 23 can be controlled by means of known methods by suitable selection of the production parameters, see for example Dominik Jaeggi, "Thermal Convertes by CMOS Technology", dissertation at the Swiss Federal Institute of Technology in Zurich No. 11567, 1996 As already mentioned, with a 4, the mass flow of the gas is determined, for this purpose the temperatures above the thermocouples 25, 26 are measured, which depend on the product of the flow velocity v B and the density p of the gas.
Das Sensorelement 14, d.h. die Heizung 24, wird gepulst betrieben, z.B. mit einer Pulslänge zwischen
5 und 50 ms. Vorzugsweise wird jedoch nicht die Zeitverzögerung zwischen dem Heizpuls und den Thermoelementsignalen gemessen, da diese nur von der Flussgeschwindigkeit und nicht vom Massenfluss abhängt. Vielmehr werden die TemperaturSignale beider Thermoelemente 25, 26 miteinander verglichen, z.B. durch Bestimmung der Differenz der Signale oder des Quotienten der Signale. Diese Grosse ist in erster Linie vom Massenfluss abhängig.The sensor element 14, ie the heater 24, is operated in a pulsed manner, for example with a pulse length between 5 and 50 ms. However, the time delay between the heating pulse and the thermocouple signals is preferably not measured, since this only depends on the flow rate and not on the mass flow. Rather, the temperature signals of the two thermocouples 25, 26 are compared with one another, for example by determining the difference between the signals or the quotient of the signals. This size depends primarily on the mass flow.
Der gepulste Betrieb der Heizung hat den Vor- teil, dass der Stromverbrauch reduziert wird.The pulsed operation of the heating has the advantage that the power consumption is reduced.
Das Sensorelement 14 ist dank seinem Aufbau mechanisch robust und kann in jeder Stellung montiert werden .Thanks to its construction, the sensor element 14 is mechanically robust and can be mounted in any position.
Auf dem Halbleitersubstrat 21 kann weiter ei- ne Auswerteschaltung sowie Treiberschaltungen für die Heizung 24 integriert sein. Einen möglichen Aufbau all dieser Teile auf einem gemeinsamen Substrat ist in Fig. 5 gezeigt, und ein entsprechendes Blockdiagramm in Fig. 6. Die auf dem Halbleitersubstrat 21 zusammenge- fassten Komponenten sind in drei Gruppen unterteilt und umfassen einen Sensorteil 30, einen Analogteil 31 und einen Digitalteil 32. Der Sensorteil 30 enthält das oben beschriebene Sensorelement 14. Er erstreckt sich über die ganze Breite des Halbleitersubstrats 21. Da er in Kontakt mit dem zu messenden Gas kommt, sind im Sensorteil keine Schaltungselemente angeordnet. Der Analogteil 31 umfasst vorwiegend analoge Schaltungsblöcke, der Digitalteil 32 vorwiegend digitale Schaltungsblöcke. Die drei Gruppen können je auf einzelnen Halbleitersubstraten angeordnet werden, die Anordnung auf einem gemeinsamen Substrat ist jedoch aus Kostengründen und wegen der geringeren Störanfälligkeit bevorzugt.An evaluation circuit and driver circuits for the heater 24 can also be integrated on the semiconductor substrate 21. A possible structure of all these parts on a common substrate is shown in FIG. 5, and a corresponding block diagram in FIG. 6. The components combined on the semiconductor substrate 21 are divided into three groups and comprise a sensor part 30, an analog part 31 and a digital part 32. The sensor part 30 contains the sensor element 14 described above. It extends over the entire width of the semiconductor substrate 21. Since it comes into contact with the gas to be measured, no circuit elements are arranged in the sensor part. The analog part 31 mainly comprises analog circuit blocks, the digital part 32 predominantly digital circuit blocks. The three groups can each be arranged on individual semiconductor substrates, but the arrangement on a common substrate is preferred for reasons of cost and because of the lower susceptibility to interference.
Die Schaltungen sind in CMOS-Technik ausgeführt. Die kleinsten verwendeten Gatelängen der Transi- stören, insbesondere der digitalen Schalttransistoren, sind vorzugsweise im Bereich von 0.2 bis 0.8 μ , auf jeden Fall unterhalb 1.0 μm.
Dank der hohen Integrationsdichte ist es möglich, sämtliche Komponenten auf einem Halbleitersubstrat 21 mit einer Fläche von z.B. nur 15 m2 unterzubringen.The circuits are implemented in CMOS technology. The smallest gate lengths of the transistors, in particular the digital switching transistors, are preferably in the range from 0.2 to 0.8 μm, in any case below 1.0 μm. Thanks to the high integration density, it is possible to accommodate all components on a semiconductor substrate 21 with an area of, for example, only 15 m 2 .
Der ganze in Fig. 5 bzw. 6 gezeigte Baustein kann mit einer Spannung kleiner gleich 5.5 Volt gespeist werden, vorzugsweise mit 3 Volt.5 or 6 can be supplied with a voltage of less than or equal to 5.5 volts, preferably with 3 volts.
Für den Anschluss der VersorgungsSpannung und zur Kommunikation mit externen Bauteilen sind auf dem Halbleitersubstrat 21 im Bereich des Digitalteils 32 An- schlusspads 39 vorgesehen.For connection of the supply voltage and for communication with external components, 32 connection pads 39 are provided on the semiconductor substrate 21 in the area of the digital part.
Die Funktionen des Analogteils 31 und des Digitalteils 32 werden weiter unten genauer beschrieben. Hier sei lediglich kurz erwähnt, dass der Analogteil 31 zur analogen Aufbearbeitung der Signale des Sensorele- ents 14 und zur Umwandlung in digitalisierte Daten dient. Im Digitalteil 32 findet eine Linearisierung der digitalen Daten statt. Ausserde erzeugt der Digitalteil die Taktsignale der einzelnen Bauteile, und er weist einen Speicher auf, in welchem Eich- und Betriebsparameter und/oder Linearisierungskoeffizienten gespeichert werden können. Vorzugsweise werden die Linearisierungskoeffizienten in einem EEPROM gespeichert.The functions of the analog part 31 and the digital part 32 are described in more detail below. It should only be briefly mentioned here that the analog part 31 serves for the analog processing of the signals of the sensor element 14 and for the conversion into digitized data. A linearization of the digital data takes place in the digital part 32. The digital part also generates the clock signals of the individual components, and it has a memory in which calibration and operating parameters and / or linearization coefficients can be stored. The linearization coefficients are preferably stored in an EEPROM.
Durch die Geometrie der Anordnung der Bauteile auf dem Halbleitersubstrat wird eine Reduktion von Störungen erzielt. Der Analogteil 31 ist zwischen demThe geometry of the arrangement of the components on the semiconductor substrate reduces interference. The analog part 31 is between the
Sensorelement 14 und dem Digitalteil 32 angeordnet, damit die schwachen Sensorsignale von den Schaltsignalen des Digitalteils möglichst wenig beeinflusst werden.Sensor element 14 and the digital part 32 arranged so that the weak sensor signals are influenced as little as possible by the switching signals of the digital part.
Weiter ist das Sensorelement an einem Ende des Halbleitersubstrats angeordnet, so dass die übrigen Teile des Halbleitersubstrats mit dem zu messenden Gas nicht in Kontakt treten können.Furthermore, the sensor element is arranged at one end of the semiconductor substrate, so that the remaining parts of the semiconductor substrate cannot come into contact with the gas to be measured.
Wie aus Fig. 5 ersichtlich, ist das Sensorelement 14 im wesentlichen symmetrisch zu einer mittle- ren Längsachse 37 des Halbleiterbausteins angeordnet. Insbesondere liegt die Heizung 24 symmetrisch zu dieser Achse, so dass thermisch induzierte Spannungen im Sub-
strat gering bleiben. Ferner besitzt der Analogteil 31 zwei differenziell betriebene Kanäle zur Auswertung der Messignale . Damit diese Kanäle von dem Temperaturgradienten, der von der Heizung 24 im Substrat 21 erzeugt wird, in gleicher Weise beeinflusst werden, sind deren Bauteile möglichst in Bereichen gleicher Temperatur angeordnet.As can be seen from FIG. 5, the sensor element 14 is arranged essentially symmetrically with respect to a central longitudinal axis 37 of the semiconductor module. In particular, the heater 24 is symmetrical about this axis, so that thermally induced voltages in the sub- stay strat low. Furthermore, the analog part 31 has two differentially operated channels for evaluating the measurement signals. So that these channels are influenced in the same way by the temperature gradient generated by the heater 24 in the substrate 21, their components are arranged in areas of the same temperature, if possible.
Im folgenden wird die Funktionsweise des Analogteils 31 näher erläutert.The operation of the analog part 31 is explained in more detail below.
Wie in Fig. 6 gezeigt, umfasst der Analogteil eine Heizungssteuerung 50, einen als MUX/Verstärker bezeichneten Teil 51 zum Auswählen der zu verarbeitenden Signale und zu deren Vorverstärkung, und einen A/D- Wandler 52.As shown in FIG. 6, the analog part comprises a heating controller 50, a part 51 called MUX / amplifier for selecting the signals to be processed and for their pre-amplification, and an A / D converter 52.
Die Heizungssteuerung 50 dient dazu, die Te - peratur, den Strom oder die Leistung der Heizung konstant zu halten. In einer einfachen Ausführung kann die Heizung auch direkt an die (externe) VersorgungsSpannung angeschlossen werden.The heating control 50 serves to keep the temperature, the current or the output of the heating constant. In a simple version, the heater can also be connected directly to the (external) supply voltage.
Ferner umfasst der Analogteil 31 auch einen Temperatursensor 40 mit A/D-Wandler 40a zum Messen der Umgebungs- und/oder Substrat emperatur. Diese Temperatur kann die Signale der Thermoelemente 25, 26 beeinflussen. Sie wird deshalb mit den Daten der Temperatursensoren 25, 26 verknüpft, um die Abhängigkeit des Endresultats von der Umgebungs- und/oder Substrattemperatur zu reduzieren.Furthermore, the analog part 31 also comprises a temperature sensor 40 with an A / D converter 40a for measuring the ambient and / or substrate temperature. This temperature can influence the signals of the thermocouples 25, 26. It is therefore linked to the data from the temperature sensors 25, 26 in order to reduce the dependence of the end result on the ambient and / or substrate temperature.
Der Temperatu sensor 40 kann auch im Sensorteil 30, insbesondere auf der Membran 23, angeordnet sein.The temperature sensor 40 can also be arranged in the sensor part 30, in particular on the membrane 23.
Die Signale vom Analogteil 31 zum Digitalteil 32 und jene vom Digitalteil 32 zum Analogteil 31 werden gepuffert. Hierzu ist für jedes Signal ein Buffer 64 vorgesehen. Durch der Verwendung von Buffern 64 wird die Übertragung hochfrequenter Störsignale vom Digitalteil 32 in den Analogteil 31 reduziert. Der Analogteil 31 erfüllt also vielfältigeThe signals from the analog part 31 to the digital part 32 and those from the digital part 32 to the analog part 31 are buffered. For this purpose, a buffer 64 is provided for each signal. The use of buffers 64 reduces the transmission of high-frequency interference signals from the digital part 32 into the analog part 31. The analog part 31 thus fulfills a wide range
Aufgaben und umfasst mindestens 100 Transistoren.
Steuerteil:Tasks and includes at least 100 transistors. Controller:
Der Steuerteil 5 des Geräts wird in Fig. 7 dargestellt. Er umfasst den Mikrocontroller 73 und ein EEPROM 72, wobei er auf letzteres z.B. über den Digitalteil 32 des Massenflussdetektors 4 zugreift. Auch der Digitalteil 32 kann auf das EEPROM zugreifen, so dass dort u.a. die Linearisierungskoeffizienten für die Linearisierung der Messsignale gespeichert werden können. Der Mikrocontroller 73 kann z.B. ein Microprozessor mit integriertem ROM sein. Er greift auf das EEPROM 72 zu, um dort akkumulierte Gebühren abzuspeichern. Ferner steuert der Mikrocontroller 73 die auf der optionalen Anzeige 6 darzustellenden Daten und den optio- nalen Kartenleser 7.The control part 5 of the device is shown in FIG. 7. It comprises the microcontroller 73 and an EEPROM 72, with the latter e.g. accesses via the digital part 32 of the mass flow detector 4. The digital part 32 can also access the EEPROM, so that the linearization coefficients for the linearization of the measurement signals can be stored. The microcontroller 73 can e.g. be a microprocessor with integrated ROM. It accesses the EEPROM 72 in order to store accumulated charges there. Furthermore, the microcontroller 73 controls the data to be displayed on the optional display 6 and the optional card reader 7.
Es kann ausserdem auch ein Radio-Inteface 76 vorgesehen sein, über welches der Mikrocontroller 73 z.B. über ein zelluläres Telefonnetz beispielsweise mittels GSM mit einer Zentrale 84 kommunizieren kann. So kann der Gaszähler z.B. den Gasverbrauch automatisch an die Zentrale 84 weiterleiten. Es ist auch denkbar, dass die Zentrale 84 einen Tarifsatz, nach welchem der Gasverbrauch zu berechnen ist, per Funk an den Gaszähler übermittelt.A radio interface 76 can also be provided, via which the microcontroller 73 e.g. can communicate with a center 84 via a cellular telephone network, for example using GSM. For example, the gas meter automatically forward the gas consumption to the control center 84. It is also conceivable that the control center 84 transmits a tariff rate according to which the gas consumption is to be calculated to the gas meter by radio.
Anstelle des oder zusätzlich zum Radio- Interface 76 kann ein weiteres Interface 77 vorgesehen sein. Dabei kann es sich um ein drahtloses oder drahtgebundenes Interface handeln, welches z.B. für das lokale Auslesen des Gaszählers verwendet werden kann.Instead of or in addition to the radio interface 76, a further interface 77 can be provided. This can be a wireless or wired interface, which e.g. can be used for the local reading of the gas meter.
Der Mikrocontroller 73 steuert auch das Ven- til 8.The microcontroller 73 also controls the valve 8.
Der Steuerteil kann weiter eine elektronische Uhr 78 aufweisen. Diese kann z.B. verwendet werden, um zeitabhängige Tarifsätze zu verarbeiten.The control part can also have an electronic clock 78. This can e.g. can be used to process time-dependent tariff rates.
Der Steuerteil liest den momentanen Massen- fluss im Bypass 10, wie er vom Massenflussdetektor 4 bestimmt wird, über das Interface 71 des Digitalteils 32 aus und integriert diesen Wert über die Zeit. Ausserdem
rechnet er den Massenfluss im Bypass 10 auf den Massenfluss im Hauptkanal 2, 3 um. In regelmässigen Zeitabständen, z.B. immer wenn eine bestimmte Menge an Gas verbraucht wurde, oder wenn Gas für eine bestimmte Gebühren- menge konsumiert wurde, speichert er den entsprechenden Zwischenwert im EEPROM 72 ab, so dass eine Störung oder ein Wegfall der Stromversorgung zu keinem Datenverlust führt .The control part reads the instantaneous mass flow in the bypass 10, as determined by the mass flow detector 4, via the interface 71 of the digital part 32 and integrates this value over time. Furthermore he converts the mass flow in the bypass 10 to the mass flow in the main channel 2, 3. At regular intervals, for example whenever a certain amount of gas has been used or when gas has been consumed for a certain amount of charges, it saves the corresponding intermediate value in EEPROM 72, so that a fault or loss of power supply does not lead to data loss ,
Es ist auch möglich, die VersorgungsSpannung zu überwachen. Sobald diese abzufallen beginnt, wird noch der letzte Zwischenwert ins EEPROM geschrieben. In diesem Fall muss durch einen entsprechenden Puffer sichergestellt werden, dass bei einem plötzlichen Spannungsabfall noch genügend Zeit zum Sichern der Daten bleibt . Da der Steuerteil 5 also den Massenfluss des konsumierten Gases über die Zeit integriert, berechnet er die Masse des verbrauchten Gases. Aus dieser Masse wird eine entsprechende Gebühr berechnet, was entweder ebenfalls im Steuerteil 5 oder extern geschehen kann. Der Steuerteil 5 zeigt die verbrauchte Gasmenge (oder eine entsprechenden Gebühr) als Wert auf der Anzeige 6 an. Dieser Wert kann verschlüsselt sein, so dass die Gefahr einer Manipulation geringer ist.It is also possible to monitor the supply voltage. As soon as this begins to drop, the last intermediate value is written into the EEPROM. In this case, an appropriate buffer must be used to ensure that there is enough time to save the data in the event of a sudden voltage drop. Since the control part 5 thus integrates the mass flow of the consumed gas over time, it calculates the mass of the gas consumed. A corresponding fee is calculated from this mass, which can also be done either in control section 5 or externally. The control section 5 displays the amount of gas consumed (or a corresponding charge) as a value on the display 6. This value can be encrypted so that there is less risk of manipulation.
Ist ein Lesegerät 7 vorgesehen, so kann der Benutzer in dieses Gerät eine Wertkarte 80 einführen. Diese Karte enthält einen nicht-flüchtigen Speicher 82 mit einer Gutschrift für eine bestimmte Gasmasse. Der Mikrocontroller 73 öffnet das Ventil erst, wenn eine derartige Wertkarte 80 in den Kartenleser 7 eingeführt wird, und führt die Gutschrift im Speicher 82 entsprechend der konsumierten Gasmasse nach. So kann er z.B. nach Einschieben der Karte eine Gebühren- oder Mengeneinheit vom Wert im Speicher 82 subtrahieren und sodann das Ventil solange offen halten, bis eine entsprechende Gasmenge verbraucht wurde. Sodann subtrahiert er eine nächste Gebühren- bzw. Mengeneinheit vom Wert im Speicher 82, usw.
Sobald eine derartige Subtraktion nicht mehr möglich ist, wird das Ventil 8 geschlossen.If a reading device 7 is provided, the user can insert a value card 80 into this device. This card contains a non-volatile memory 82 with a credit for a certain gas mass. The microcontroller 73 does not open the valve until such a value card 80 is inserted into the card reader 7 and tracks the credit in the memory 82 in accordance with the gas mass consumed. For example, after inserting the card, he can subtract a unit of charge or quantity from the value in the memory 82 and then keep the valve open until a corresponding amount of gas has been consumed. Then he subtracts a next unit of charge or quantity from the value in the memory 82, etc. As soon as such a subtraction is no longer possible, the valve 8 is closed.
Ist ein Radio-Interface 76 vorgesehen, so können die Gaskosten bzw. die konsumierte Gasmasse über das Radio-Interface 76 einer Zentrale 84 übermittelt werden.If a radio interface 76 is provided, the gas costs or the gas mass consumed can be transmitted to a control center 84 via the radio interface 76.
Der Digitalteil 32 kann unabhängig vom Mikrocontroller 73 arbeiten, d.h. er kann die Kalibrierung und Linearisierung der Messdaten ohne Hilfe des Mikrocontrol- lers 73 durchführen. Der Mikrocontroller 73 braucht lediglich die Resultate vom Digitalteil 32 abzufragen. Dies erlaubt es, den Mikrocontroller 73 nur intermittierend und/oder bei reduzierter Taktrate zu betreiben. Dadurch wird der Stromverbrauch des Gaszählers reduziert. Ausser- dem können Störungen, die vom Mikrocontroller 73 erzeugt werden, kaum bis in den Analogteil 31 gelangen.The digital part 32 can work independently of the microcontroller 73, i.e. he can carry out the calibration and linearization of the measurement data without the help of the microcontroller 73. The microcontroller 73 only needs to query the results from the digital part 32. This allows the microcontroller 73 to be operated only intermittently and / or at a reduced clock rate. This reduces the electricity consumption of the gas meter. In addition, disturbances generated by the microcontroller 73 can hardly reach the analog part 31.
Die auf dem Halbleitersubstrat 21 angeordneten Komponenten müssen nicht dauernd in Betrieb sein. Sie können vom Mikrocontroller 73 z.B. nur periodisch einge- schaltet werden, um in regelmässigen Abständen Messungen durchzuführen. Dies führt zu einer Reduktion des Stromverbrauchs. So können z.B. Messungen nur alle 2 Sekunden durchgeführt werden.The components arranged on the semiconductor substrate 21 do not have to be in continuous operation. You can use the microcontroller 73 e.g. only be switched on periodically in order to carry out measurements at regular intervals. This leads to a reduction in electricity consumption. For example, Measurements are only carried out every 2 seconds.
Der Mikrocontroller 73 kann auch die Genauig- keit der Messungen bestimmen, indem er die Anzahl der vom Digitalteil 32 durchgeführten Mittelungen oder die Pulslänge der Heizpulse festlegt. Zur Reduktion des Stromverbrauchs kann z.B. zuerst eine Messung hoher Genauigkeit durchgeführt werden, und dann Messungen geringerer Genau- igkeit, bis letztere anzeigen, dass sich der Massenfluss offenbar geändert hat. Dann ist wieder eine Messung hoher Genauigkeit durchzuführen.The microcontroller 73 can also determine the accuracy of the measurements by specifying the number of averages carried out by the digital part 32 or the pulse length of the heating pulses. To reduce electricity consumption, e.g. a high accuracy measurement is performed first, and then lower accuracy measurements until the latter indicate that the mass flow has apparently changed. Then a high-precision measurement must be carried out again.
Die auf dem Halbleitersubstrat angeordneten Komponenten können im Dauerbetrieb oder im intermittie- renden Betrieb arbeiten, wobei der entsprechende Betriebsmodus vom Mikrocontroller 73 angewählt und vom Digitalteil 32 gesteuert wird.
Im intermittierenden Betrieb laufen bei einer Aktivierung des Halbleiterchips durch den Mikrocontroller 73 die folgenden Schritte ab:The components arranged on the semiconductor substrate can work in continuous operation or in intermittent operation, the corresponding operating mode being selected by microcontroller 73 and controlled by digital part 32. In intermittent operation, when the semiconductor chip is activated by the microcontroller 73, the following steps take place:
A) Die Heizung und die Messelektronik werden eingeschaltet.A) The heating and the measuring electronics are switched on.
B) Nach Schritt A wartet der Digital eil 32, bis sich die Heizungstemperatur stabilisiert hat. Dann führt er zuerst eine Offsetkorrektur und sodann eine Messung durch. Die Daten werden ausgegeben. C) Sodann werden die Messelektronik und dieB) After step A, the digital express 32 waits until the heating temperature has stabilized. Then he first carries out an offset correction and then a measurement. The data is output. C) Then the measuring electronics and the
Heizung ausgeschaltet und der Halbleiterchip wartet auf die nächste Aktivierung durch den Mikrocontroller.The heating is switched off and the semiconductor chip is waiting for the next activation by the microcontroller.
Im Dauerbetrieb werden ohne Unterbruch Messzyklen durchgeführt, wobei in jedem Messzyklus zuerst ei- ne Offsetkorrektur und sodann eine Messung stattfindet.In continuous operation, measurement cycles are carried out without interruption, with an offset correction and then a measurement taking place in each measurement cycle.
Wie sich aus den obigen Ausführungen ergibt, betrifft die Erfindung verschiedenste Aspekte auf dem Gebiet der Halbleiter- und Sensortechnik und insbesondere der Gasgebührenzähler. Es ist jedoch zu betonen, dass insbesondere das Sensorelement bzw. der beschriebeneAs can be seen from the above, the invention relates to a wide variety of aspects in the field of semiconductor and sensor technology, and in particular to gas charge meters. However, it should be emphasized that in particular the sensor element or the one described
Halbleiterbaustein mit Sensorteil, Analogteil und Digitalteil als Bausteine für andere Anwendungen verwendet werden können.Semiconductor component with sensor part, analog part and digital part can be used as components for other applications.
Während in der vorliegenden Anmeldung bevor- zugte Ausführungen der Erfindung beschrieben sind, ist klar darauf hinzuweisen, dass die Erfindung nicht auf diese Beschränkt ist und in auch anderer Weise innerhalb des Umfangs der folgenden Ansprüche ausgeführt werden kann.
While preferred embodiments of the invention are described in the present application, it should be clearly pointed out that the invention is not restricted to these and can also be carried out in other ways within the scope of the following claims.