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Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung.
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In der Prozessmesstechnik, Analytik und bei chemosensitiven Anwendungen ist es zunehmend von Interesse, chemische Information in ein mikrocontroller-kompatibles Signal umzusetzen. Beispiele sind der Nachweis von toxischen oder explosiven Gasen sowie die Messung und Analyse von Gas- und Ionenkonzentrationen. Heutige chemische Sensoren setzen bei der Wechselwirkung mit einer chemischen Substanz Masse-, Temperatur-, Lichtintensitäts-, Widerstands-, Kapazitäts- oder Potentialänderungen in ein elektrisches Signal um, dessen Zeitspanne, Frequenz, Strom oder Spannung ein Maß für die zu messende Gas- oder Ionenkonzentration ist.
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Stand der Technik ist es, Zeit und Frequenz mit einem Time-to-Digital Converter (TDC) und die analogen Signale Strom und Spannung mit einem Analog-to-Digital Converter (ADC) mikrocontroller-kompatibel aufzubereiten. Durch Kombination der CMOS-Technologie mit der MEMS- (Microelectromechanical Systems) Technologie ist es gelungen, monolithisch integrierte chemische Sensoren auf ADC-Basis herzustellen. Das TDC-Verfahren hingegen wird bisher überwiegend zusammen mit diskreten resistiven und kapazitiven Sensoren eingesetzt, deren elektrische Signale z.B. mittels eines RC-Gliedes in Zeitspannen umgesetzt werden können.
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Aus der
US6287776 B1 ist ein Detektionssystem für dielektrische Eigenschaften von verschiedenen Hybridisierungskomplexen bekannt.
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Aus „RAMAKRISHNAN. V.; BALSARA. Poras. T.: Very High Precision Vernier Delay Line Based Cmos Pulse Generator. In: IEEE, Vol.06, 2005, 8225-228, ISSN 0-7803-9516-5/05" ist ein CMOS Puls Generator bekannt, der auf einer Vernier Delay Line beruht.
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Unzulänglichkeiten bekannter Sensoreinrichtungen beruhen auf der Störanfälligkeit ihrer analogen Sensorsignale und auf der Komplexität der eingesetzten ADC-Schaltungen, sowie auf der aufwändigen Schaltlogik zum Einsatz von TDC-Schaltungen und darauf, dass Streukapazitäten und Schaltwiderstände die erzielbare Signalauflösung begrenzen.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, die bekannten Sensoreinrichtungen zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
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Eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung weist einen Signaleingang für ein getaktetes Eingangssignal auf oder sie erzeugt dieses selbst. Auch die Rückkopplungsleitung wird im Rahmen der Erfindung, insbesondere bei einem TDC, als Signaleingang für ein getaktetes Eingangssignal bezeichnet werden. Durch zumindest ein erstes chemisch sensitives Verzögerungselement wird das Eingangssignal als Reaktion auf das Einwirken eines chemischen Mediums (Gas, Flüssigkeit etc.) und gegebenenfalls als Reaktion auf andere Umgebungseinflüsse, beispielsweise die Temperatur, hinsichtlich der zeitlichen Charakteristik, beispielsweise hinsichtlich der Taktdauer, der Laufzeit oder der Phasenverschiebung, beeinflusst, insbesondere verzögert, und in ein entsprechend beeinflusstes erstes Ausgangssignal umgesetzt. Eine Konvertierungseinrichtung, wie beispielsweise ein Zeit-zu-Digital-Konvertierer (TDC) ist derart eingerichtet, dass in Abhängigkeit von dem ersten Ausgangssignal ein digitales Signal erzeugt wird.
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Dadurch wird erreicht, dass durch die Sensoreinrichtung direkt ein von dem Einwirken eines chemischen Mediums, beispielsweise von der Konzentration eines chemischen Mediums, abhängiges digitales Signal erzeugt wird.
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Durch eine vorzugsweise einstellbare Taktdauer des Eingangssignals kann das Verhältnis von Taktdauer zu Verzögerungszeit eingestellt werden. Denn bei periodischem Takt, der zur Steigerung des Signal/Rausch-Verhältnisses, beispielsweise per Mittelung, vorteilhaft ist, sollte die Taktdauer größer als die Verzögerungszeit sein.
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Es ist ein zweites insbesondere gleichartiges Verzögerungselement vorgesehen, durch welches das oder ein getaktetes Eingangssignal insbesondere als Reaktion auf Betriebsspannungs- und Umgebungseinflüsse, wie beispielsweise die Temperatur, hinsichtlich der zeitlichen Charakteristik beeinflusst und in ein zweites Ausgangssignal umgesetzt wird. Das zweite Verzögerungselement wird als Referenz-Verzögerungselement hinsichtlich des chemischen Mediums, beispielsweise hinsichtlich der Konzentration des chemischen Mediums, verwendet und ist daher chemisch weniger sensitiv als das erste Verzögerungselement oder chemisch im Wesentlichen gar nicht sensitiv. Die Konvertierungseinrichtung ist nun derart eingerichtet, dass in Abhängigkeit von dem ersten Ausgangssignal und dem zweiten Ausgangssignal ein digitales Signal erzeugt wird.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Verzögerungszeit zumindest eines der beiden Verzögerungselemente elektrisch einstellbar ist. Dies ermöglicht die Anbindung an einen Referenztakt mittels eines Delay Locked Loop. Die Einstellung erfolgt beispielsweise bei CMOS-Invertern durch den Biasstrom.
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Beispielsweise basieren beide Verzögerungselemente auf einem CMOS-Inverter, einem CMOS Transmission Gate oder einem CMOS Pass Gate.
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Vorzugsweise ist die Konvertierungseinrichtung derart eingerichtet ist, dass in Abhängigkeit von der Beeinflussungs-Differenz, beispielsweise der Laufzeitdifferenz oder der Phasenverschiebung, oder dem Beeinflussungs-Verhältnis, beispielsweise dem Laufzeitverhältnis, zwischen erstem Ausgangssignal und zweitem Ausgangssignal ein digitales Signal erzeugt wird.
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Das erste Verzögerungselement umfasst vorzugsweise einen chemosensitiven Feldeffekttransistor und/oder einen resisitven Sensor und/oder einen kapazitiven Sensor.
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Unter Einwirkung der chemischen Substanz wird beim Einsatz eines chemosensitiven Feldeffekttransistors ein Schwellwert, insbesondere die Einsatzspannung VTO, des Feldeffekttransistors verschoben, beim Einsatz eines resisitven Sensors der Sensorwiderstand geändert bzw. beim Einsatz eines kapazitiven Sensor die Sensorkapazität geändert
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Es werden zur Erhöhung der Auflösung und damit zur Verbesserung der Messgenauigkeit mindestens zwei Verzögerungsglieder, die jeweils das erste und das zweite Verzögerungselement umfassen, hintereinander geschaltet.
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Es ist mindestens ein Verzögerungsglied Bestandteil einer zyklischen Zeit-zu-Digital-Konvertierungs-Struktur (TDC). Dies hat den Vorteil, dass der TDC selbst sensitiv ist und nicht lediglich das Messglied. Zudem bieten zyklische TDCs eine sehr kompakte TDC-Struktur.
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Alternativ dazu ist beispielsweise mindestens ein Verzögerungsglied Bestandteil einer Vernier-Delay-Line (VDL) oder einer anderen Struktur, auf der eine Zeit-zu-Digital-Konvertierung beruht.
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Vorzugsweise ist die Sensoreinrichtung in einer integrierten CMOS- oder CMOS-MEMS-Schaltung realisiert. Durch eine monolithisch integrierte Realisierung in CMOS-MEMS-Technologie wird ein hohes Potential an geringem Platzbedarf und geringer Leistungsaufnahme gegenüber Versionen mit diskreter Sensorik geschaffen. Dabei ist vorteilhafterweise das SchaltungsLayout der beiden Verzögerungselemente in jedem Verzögerungsglied so ausgeführt, dass Kreuzempfindlichkeiten, insbesondere gegen Schwankungen der Betriebsspannung und der Temperatur, aber auch gegen weitere chemische Substanzen, wie z.B. Feuchtigkeit, minimiert werden.
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Besonders bevorzugt ist die Verwendung eines periodischen Eingangssignals mit einem dem Ausgang nachgeschalteten digitalen Tiefpass-Filter, um beispielsweise durch Mittelwertbildung das Signal/Rausch-Verhältnis zu verbessern.
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Durch ein weiteres Verzögerungselement oder eine weitere Verzögerungsleitung mit fest eingestellter Verzögerung kann die Empfindlichkeit der Sensoreinrichtung kalibriert werden, indem beispielsweise die chemisch erzeugte Laufzeitdifferenz mit der fest eingestellten „Kalibrierdifferenz“ verglichen wird. Durch ein DLL-Verfahren können Schwankungen der Betriebsspannung kompensiert werden, indem beispielsweise eine Anbindung an einen Referenztakt mittels eines Delay Locked Loop erfolgt.
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Die vorgeschlagenen Neuerungen betreffen somit insbesondere die Realisierung eines voll digitalen chemischen Sensors, dessen chemisch sensitive Elemente vorzugsweise integrale Bestandteile eines Time-to-Digital Converters sind, so dass es einer Umwandlung eines analogen elektrischen Signals in ein digitales Signal nicht mehr bedarf.
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Durch die Erfindung oder ihre Weiterbildungen werden insbesondere einer oder mehrere der folgenden Vorteile erreicht:
- - Reduzierung der Kosten für chemische Sensoren durch Vollintegration in Halbleitertechnologie;
- - Verringerung der Sensorsystemgeometrie durch integrierte Ansteuer-/Auswerteelektronik in Halbleitertechnologie (Single-Chip-Lösung);
- - Reduzierung des Systemherstellaufwandes gegenüber diskreten Bauelementen und damit eine Erhöhung der Prozesssicherheit und des Qualitätsniveaus;
- - Reduzierung von parasitären Kapazitäten und Widerständen gegenüber diskreter Aufbau- und Verbindungstechnik;
- - Reduzierung der Störanfälligkeit bei der Übertragung eines analogen Ausgangssignals zur Wandlerstufe, damit eine Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses und damit eine Erhöhung der Messgenauigkeit;
- - Reduzierung der Leistungsaufnahme durch die Sensoreinrichtung.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren näher erläutert:
- 1 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild eines Inverters als Verzögerungselement;
- 2 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild eines Inverters als Verzögerungselement;
- 3 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild eines getakteten Verzögerungsglieds;
- 4 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Verzögerungsgliedes;
- 5 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild eines digitalen chemischen Sensors mit Ringoszillatoren und nachgeschaltetem TDC oder Frequenzzähler;
- 6 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild eines digitalen chemischen Sensors mit zyklischer TDC Struktur;
- 7 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild eines digitalen chemischen Sensors mit VDL-TDC-Struktur.
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Das in 1 gezeigte Verzögerungselement VZE ist als Inverter, insbesondere als CMOS-Inverter, ausgeführt und umfasst ein oder zwei MOSFETs Q1, Q2, die chemisch sensitiv sind.
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Werden in einem CMOS-Inverter ein oder zwei chemisch sensitive MOSFETs oder Ionen-selektive ISFETs verwendet, so verschiebt sich unter Einwirkung einer chemischen Substanz der Schwellwert VTO des entsprechenden Transistors. In einem einfachen Modell des Inverters berechnet sich dann die Laufzeitverzögerung TP des Taktimpulses V2 (Eingangssignal) am
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Ausgang out (Ausgangssignal) des Inverters zu:
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Darin bezeichnen L und W die Gatelänge und -breite der Transistoren, CL die Lastkapazität, Cox die Gatekapazität und µ die Ladungsträgerbeweglichkeit. Wird die Betriebsspannung V1 nicht groß gegen VTO gewählt, so ändert sich TP messbar mit VTO.
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Das in 2 gezeigte Verzögerungselement VZE unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten Verzögerungselement dadurch, dass alternativ oder ergänzend zu dem zumindest einen MOSFET ein Widerstandssensor R2 und/oder ein kapazitiver Sensor C3 chemisch sensitiv sind. Die Laufzeitverzögerung kann dann alternativ oder ergänzend auch durch eine Einwirkung einer chemischen Substanz auf den Widerstandssensor R2 oder den kapazitiven Sensor C3 erreicht werden, wie hier beispielhaft für den n-Kanal-FET Q1 gezeigt ist.
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3 zeigt ein getaktetes Verzögerungsglied VZG, das zwei Verzögerungselemente VZE1, VZE2 enhält. Da die Laufzeitverzögerung des chemisch sensitiven Verzögerungselements VZE1 auch von der Betriebsspannung V1 und der Betriebstemperatur abhängt, wird im Verzögerungsglied VZG ein zweites, chemisch weniger oder chemisch nicht sensitives aber sonst physikalisch gleichartiges Verzögerungselement VZE2 verwendet. Das Schaltungslayout wird so gestaltet, dass sich Prozess- und Fertigungstoleranzen im Wesentlichen nicht auswirken. Werden beide Verzögerungselemente VZE1, VZE2 im Verzögerungsglied VZG von derselben Betriebsspannung V1 und demselben Taktimpuls V2 (Eingangssignal) gespeist, so ist die zeitliche Differenz zwischen den Ausgangssignalen out1, out2 ein Maß für die chemisch wirksame Größe, insbesondere für die Konzentration der chemischen Substanz.
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4 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines Verzögerungsgliedes VZG mit einem Eingang „in“ für das getaktete Eingangssignal, einem verzögerten Ausgangssignal „out c“ des chemisch sensitiven Verzögerungselements VZE1 und einem verzögerten Ausgangssignal „out“ des chemisch insensitiven Verzögerungselements VZE2. Durch eine Hintereinanderschaltung der Verzögerungselemente kann der Verzögerungseffekt gesteigert werden und/oder es entstehen andersartige Sensorstrukturen (siehe 5, 6 und 7).
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5 zeigt eine digitale chemische Sensoreinrichtung mit Ringoszillatoren und nachgeschaltetem Zeit-zu-Digital-Konvertierer TDC oder Frequenzzähler. Die in 5 in der oberen Reihe dargestellten Verzögerungselemente (deren Ausgang jeweils mit out c bezeichnet ist) der Verzögerungsglieder werden dabei durch Hintereinanderschaltung und mittels einer Rückkopplungsleitung zu einem Ringoszillator verschaltet, ebenso die in der unteren Reihe dargestellten Verzögerungselemente.
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Anders als in dem Beispiel gemäß 4 haben die beiden Verzögerungsleitungen keinen gemeinsamen Eingang. Die Schwingungsdauer/Frequenz des oberen Oszillators, die mit einem TDC/Frequenzzähler ausgewertet wird, ist chemisch sensitiv, die des unteren Oszillators, die ebenfalls mit einem TDC/Frequenzzähler ausgewertet wird, ist es nicht. Die chemische Information ergibt sich dann aus der entstehenden Differenz oder dem Verhältnis der TDC/Frequenzzählersignale.
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6 zeigt eine beispielhafte Ausführung einer digitalen chemischen Sensoreinrichtung mit zyklischer TDC Struktur. Analog zur 5 werden die oberen und die unteren Verzögerungselemente (jeweils paarweise zusammengefasst zu einem Verzögerungsglied VZ1, VZ2, VZn) jeweils für sich zu einem zyklischen TDC verschaltet.
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In der zyklischen TDC-Struktur hat mindestens ein Verzögerungselement jeder Verzögerungsleitung oder mindestens ein Einkoppelelement (hier beispielhaft UND- und ODER-Gatter mit den Eingängen: „in“, „Reset“) eine Kanalbreite, die um den Faktor β größer ist, als die aller übrigen Gatter. Dadurch kommt es bei jedem Durchlauf des bei „in“ eingespeisten Impulses zu einer diskreten Kürzung der Impulsbreite, bis der Ausgangsimpuls schließlich nicht mehr nachgewiesen werden kann.
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Ein Zähler Z zählt die Zahl der nachweisbaren Ausgangsimpulse zu einem eingespeisten Eingangssimpuls. In einem einfachen Modell ist die Reduktion der Pulsweite pro Durchlauf folgendem Faktor proportional:
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Entwurfsparameter sind das Transistorlayout (insbesondere der Faktor β), die Zahl der Verzögerungsglieder in jeder Verzögerungsleitung und die Breite des eingespeisten Taktimpulses. Sie werden so aufeinander abgestimmt, dass der Eingangsimpuls kürzer ist, als die kürzeste der Laufzeit des Impulses durch die Verzögerungsleitungen und dass eine hinreichende Messauflösung erzielt wird. Ein Vergleich der Zählerstände des chemisch sensitiven und des nicht sensitiven Zweiges liefert die chemische Information. Der Reset-Impuls ist erforderlich, um die zyklischen TDCs zu Beginn der Messung in den stabilen Ausgangszustand („out“, „out c“) „Low“ zu setzen und gegebenenfalls, um die Zähler zurückzusetzen.
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7 zeigt eine digitale chemische Sensoreinrichtung mit VDL (Vernier-Delay-Line) -TDC-Struktur, in welche die Verzögerungselemente VZE eingebettet sind. Die Low-High-Übergänge des Start- und Stop-Impulses werden in die Verzögerungsleitungen mit definiertem Zeitabstand eingespeist. Die Laufzeitverzögerung sei in diesem Beispiel in der chemisch sensitiven Verzögerungsleitung größer als in der Vergleichsleitung, die Taktflanke des Startimpulses liege vor der Taktflanke des Stop-Impulses. Während der Impulsläufe durch beide Verzögerungsleitungen vergleicht jedes D-Flipflop, welcher Impuls zuerst kommt. Die digital codierte Position in der Verzögerungsleitung, an der das Stop-Signal das Start-Signal eingeholt hat, liefert die chemische Information mit einer Auflösung, die der Laufzeitdifferenz der Laufzeitglieder entspricht.