-
Technisches Gebiet
-
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Testen mehrerer Sensorvorrichtungen. Speziell betrifft die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Testen mehrerer Sensorvorrichtungen, wobei jede Sensorvorrichtung ein Sensorelement, das zum Erfassen einer Umgebungsbedingung eingerichtet ist, und ein Heizelement zum Erwärmen des Sensorelements umfasst. Die Sensorvorrichtungen sind jeweils mit Verbindungsanschlüssen für eine Versorgungsspannung und ein Erfassungssignal ausgestattet. Die vorliegende Offenbarung betrifft auch eine Platte, die in dem Verfahren verwendet werden kann. Diese Offenbarung betrifft auch eine Sensorkomponente, die durch Durchführen des Verfahrens erreicht wird.
-
Hintergrund
-
Sensorvorrichtungen können erwärmte Metalloxidschichten beinhalten, die dazu ausgelegt sind, die Anwesenheit oder die Konzentration eines speziellen Zielgases zu messen. Das Gas führt eine chemische Reaktion, wie etwa eine Oxidation, auf der Oberfläche der erwärmten Metalloxidschicht durch. Die Elektronen, die durch die chemische Reaktion erzeugt oder für diese notwendig sind, bewirken eine Änderung der Impedanz der Metalloxidschicht, die bestimmt und ausgewertet werden kann, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das die Konzentration des Zielgases anzeigt.
-
Am Ende des Produktionsprozesses der Sensorvorrichtung sollte der Sensor Kalibrierungs- und Funktionstestprozeduren unterzogen werden, um die erwarteten Spezifikationen und Genauigkeitsbereiche zu erfüllen. Jedoch können die Metalloxiderfassungselemente innerhalb der Sensorvorrichtungen Adsorbate auf ihrer Oberfläche aufweisen oder können immer noch mit Substanzen bedeckt sein, die aus dem Produktionsprozess resultieren. Zum Beispiel können die Sensorelemente mit Wassermolekülen, die in Umgebungsluft immer vorhanden sind, und Lösungsmitteln, die aus dem Produktionsprozess der Metalloxidschichten stammen, oder mit anderen Verunreinigungen bedeckt sein.
-
Während es üblicherweise eine kurze Zeit erfordert, die Sensorelemente zu erwärmen, erfordert es eine beträchtlich längere Zeit, damit die Adsorbate und Lösungsmittel von den erwärmten Sensorelementen verdampfen. Um ein gutes Kalibrierungsergebnis zu erhalten, sollte das Sensorelement den Gleichgewichtszustand bei einer erhöhten Temperatur erreichen, bevor die Kalibrierungsprozedur beginnt. Für einen typischen Metalloxidgassensor kann die Erwärmungszeit in dem Bereich von etwa 1 Sekunde (typischerweise 20 Millisekunden bis 1 Sekunde) liegen, wohingegen die Zeit, um das Gleichgewicht zu erreichen, von etwa 1 bis 30 Minuten reichen kann. Bei einem gewöhnlichen Testgerät, das eine Sensorvorrichtung nach der anderen testet, ist es kommerziell beinahe unmöglich, darauf zu warten, dass der Sensor den Gleichgewichtszustand erreicht, weil der Durchsatz drastisch niedrig wäre und der Kalibrierungsprozess sehr teuer wäre. Vorliegende Sensorvorrichtungen, die mit Metalloxidsensorelementen bei erhöhter Temperatur arbeiten, sind lediglich bloß kalibriert oder werden sogar unkalibriert verkauft.
-
Es ist daher ein Anliegen, ein Verfahren zum Testen und Kalibrieren von Sensorvorrichtungen, die das Prinzip erwärmter Metalloxidsensorschichten einsetzen, bereitzustellen, welches eine hohe Durchsatzrate aufweist und ein gutes Kalibrierungsergebnis erzielt.
-
Es ist ein Ziel der vorliegenden Offenbarung, ein Verfahren zum Testen mehrerer Sensorvorrichtungen bereitzustellen, welches eine hohe Durchsatzrate aufweist und ein gutes Kalibrierungsergebnis erzielt.
-
Es ist ein anderes Ziel der vorliegenden Offenbarung, eine Ausrüstung bereitzustellen, mit der mehrere Sensorvorrichtungen mit einer hohen Durchsatzrate getestet werden können, und ein gutes Kalibrierungsergebnis sicherzustellen.
-
Es ist noch ein anderes Ziel der vorliegenden Offenbarung, eine Sensorvorrichtung bereitzustellen, die durch die Mehrfachtestprozedur behandelt ist.
-
Kurzdarstellung
-
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Verfahren zum Testen mehrerer Sensorvorrichtungen Folgendes: Bereitstellen mehrerer Sensorvorrichtungen, wobei jede Sensorvorrichtung ein Sensorelement, das dazu eingerichtet ist, eine Umgebungsbedingung zu erfassen, ein Heizelement zum Erwärmen des Sensorelements, Verbindungsanschlüsse für eine Versorgungsspannung und wenigstens einen Verbindungsanschluss für ein Erfassungssignal, das den Zustand des Sensorelements angibt, umfasst; Bereitstellen einer Platte, wobei die Platte mehrere Gruppen von Verbindungspads umfasst, wobei die Verbindungspads jeder der Gruppen dazu eingerichtet sind, mit den Verbindungsanschlüssen einer der Sensorvorrichtungen verbunden zu werden; Montieren der Sensorvorrichtungen an die Gruppen von Verbindungspads; Anlegen einer Versorgungsspannung an die Sensorvorrichtungen und gleichzeitiges Erwärmen der Heizelemente der Sensorvorrichtungen auf eine erhöhte Temperatur; Kalibrieren der Sensorvorrichtungen wenigstens eine nach der anderen.
-
Das offenbarte Verfahren richtet sich an Sensorvorrichtungen, die ein erwärmtes Sensorelement aufweisen, wobei das Sensorelement dazu eingerichtet ist, eine Umgebungsbedingung, wie etwa eine Konzentration eines speziellen Gases oder eine Luftfeuchtigkeit in verschiedenen Umgebungen zu erfassen. Typische Anwendungsgebiete beinhalten Industrie, Hochtemperaturverarbeitung, Automobiltechnik, Klimatechnik, Mobil- und Medizinsektor. Das Erwärmen des Gassensors wird durch ein resistives Heizelement erreicht, das durch einen Erwärmungsstrom vorgespannt wird. Für Test und Kalibrierung werden die mehreren Testvorrichtungen auf einer Platte platziert, die geeignet mit Verbindungspads und Leitungen ausgestattet ist, so dass eine Versorgungsspannung gleichzeitig an die mehreren Sensorvorrichtungen angelegt werden kann, so dass die Vorrichtungen gleichzeitig auf die erhöhte Temperatur erwärmt werden können und gleichzeitig warten können, bis der Gleichgewichtszustand erreicht wird. Dann kann das Testgerät fortfahren und eine Sensorvorrichtung nach der anderen oder eine Teilgruppe von Sensorvorrichtungen nach der anderen kalibrieren. Der zeitaufwändige Prozess des Erwärmens und Erreichens des Gleichgewichtszustands wird parallel und gleichzeitig für die mehreren Sensorvorrichtungen durchgeführt, während der anschließende Kalibrierungsprozess relativ schnell ist und einzeln durchgeführt werden kann. Der Durchsatz wird insoweit erhöht, als dass der zeitaufwändige Teil der Testprozedur gleichzeitig für eine große Anzahl an Testvorrichtungen durchgeführt wird.
-
Während des Anlegens der Versorgungsspannung und des parallelen Erwärmens der Sensorvorrichtungen wird eine Testgasatmosphäre in die geschlossene Kammer des Testgeräts eingebracht. Die Testgasatmosphäre weist eine wohldefinierte Konzentration auf. Die Testgasatmosphäre umfasst das Zielgas für die Messung, für welches der Sensor zweckbestimmt ist.
-
Um den Gleichgewichtszustand zu erreichen, bewirkt die erhöhte Temperatur des Sensorelements, dass die Verunreinigungen verschwinden, wie etwa adsorbierter Wasserdampf und/oder Lösungsmittel, die von dem Herstellungsprozess des Heizelements übrig sind. In dem Gleichgewichtszustand sind Lösungsmittel verschwunden und hat der Wasserdampf ein Gleichgewicht von Desorption und Adsorption erreicht.
-
Die Testprozedur kann dann mit der Kalibrierung der Sensorvorrichtungen fortfahren, wobei üblicherweise eine Sensorvorrichtung nach der anderen kalibriert wird, was annehmbar ist, weil die Kalibrierungsprozedur relativ schnell ist. Zur Kalibrierung kann das Testgerät ein Signal von dem Sensorelement empfangen und es mit einem vorbestimmten Wert vergleichen, der die Konzentration des Testgases in der Testgasatmosphäre repräsentiert. Der Vergleich wird wenigstens einem Korrekturwert liefern, der notwendig ist, um die Erfassungseigenschaft des Sensorelements zu korrigieren, sodass die Kombination des Korrekturwertes und des Erfassungssignals die richtige Testgasatmosphärenkonzentration angibt.
-
Der Korrekturwert kann in einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) gespeichert werden, der in dem Gehäuse der Sensorvorrichtung integriert ist. Ein solcher ASIC kann für das Erzeugen des angemessenen Erwärmungsstroms aus der Versorgungsspannung, das Durchführen einer Messung bei der Sensorvorrichtung und das Durchführen geeigneter Auswertungen verantwortlich sein, um ein Ausgangssignal bereitzustellen, dass das Ergebnis der Messung angibt, wie etwa die Konzentration des Zielgases in der Umgebungsatmosphäre. Die Messung kann eine Widerstandsmessung sein, die die Änderung des Widerstandes der Metalloxidschicht als Reaktion auf die Testgasatmosphäre detektiert. Andere Messungen sind ebenfalls möglich, die ein Ausgangssignal als Reaktion auf Änderungen von Widerstand, Strom und oder Spannung an dem Sensorelement erzeugen.
-
Der ASIC kann so eingerichtet sein, dass er bestimmt, dass eine Versorgungsspannung für die erste Zeit an die Sensorvorrichtung angelegt wird. Dies ist ein Indikator für die Tatsache, dass die Test- und Kalibrierungsprozedur beginnt, sodass die Sensorvorrichtung automatisch in den Erwärmungsmodus übergeht und das Heizelement automatisch erwärmt. Das Ereignis der erstmaligen Anwendung kann durch den Status des On-Chip-Speichers dadurch bestimmt werden, dass der Schaltkreis erkennt, dass er immer noch leer ist und noch kein Korrekturwert beinhaltet.
-
Während der Kalibrierungsprozess auf Plattenebene durchgeführt werden kann, kann die Platte nach dem Abschließen des Kalibrierungsprozesses zerteilt werden, um einzelne Sensorkomponenten zu bilden. Die zerteilten Komponenten sind Zusammensetzungen der Sensorvorrichtung, die an dem zerteilten Plattenstück angebracht ist.
-
Ein abschließender Funktionstest kann dann an den separierten Zusammensetzungen durchgeführt werden, um die elektrische und funktionale Leistungsfähigkeit der abgeschlossenen Sensorkomponenten zu validieren. Funktionstests werden auch auf individueller Basis an einer Komponente nach der anderen oder einer kleinen Gruppe von Komponenten nach der anderen durchgeführt. Wie oben erklärt, wird der sehr zeitaufwendige Schritt des Erwärmens der Sensorvorrichtungen und des Wartens, um den Gleichgewichtszustand zu erreichen, stattdessen parallel und gleichzeitig für eine große Anzahl an Sensorvorrichtungen durchgeführt.
-
Die Sensorvorrichtungen können dazu eingerichtet sein, die Anwesenheit oder die Konzentration eines speziellen Zielgases, Luftfeuchtigkeitsbedingungen oder eine medizinische Gaskomponente zu erfassen. Des Weiteren können Sensoren Kombinationen von Gassensoren mit anderen Sensoren, wie etwa Drucksensoren, sein. Speziell sind die Sensorelemente dieser Sensorvorrichtungen aus Metalloxid gefertigt, wobei das Metalloxid eines von Zinnoxid, Indiumoxid, Galliumoxid oder Rutheniumoxid sein kann, wobei Sensorelemente, die aus Zinnoxid gefertigt sind, den breitesten Anwendungsbereich bereitstellen. Die in der vorliegenden Offenbarung betroffenen Sensoren können gemein haben, dass sie eine relativ lange Zeit benötigen, um den Gleichgewichtszustand zu finden.
-
Die Heizelemente sind resistive Heizleitungen, die, durch eine Isolationsschicht von den Sensorelementen isoliert, unterhalb der Sensorelemente angeordnet sein können. Die Heizelemente können einen angemessenen Bereich bedecken, der durch eine Mäanderform des Heizdrahtes erreicht werden kann. Speziell kann das Heizelement aus einem Metall aus entweder Wolfram oder Platin gefertigt sein. Es ist auch möglich, dass das Heizelement aus Palladium gefertigt ist.
-
Gemäß dieser Offenbarung werden eines oder mehrere der oben genannten Ziele durch eine Plattenanordnung für die Verwendung in dem oben beschriebenen Verfahren erreicht, welche Folgendes umfasst: ein Substrat; mehrere Gruppen von Verbindungspads, wobei die Verbindungspads dazu eingerichtet sind, mit entsprechenden Verbindungsanschlüssen einer Sensorvorrichtung verbunden zu werden; einen Draht für ein Versorgungspotential, wobei der Draht mit einem jeweiligen Verbindungspad jeder der Gruppen von Verbindungspads verbunden ist; einen anderen Draht für ein Massepotential, wobei der andere Draht mit einem anderen jeweiligen Verbindungspad jeder der Gruppen von Verbindungspads verbunden ist.
-
Die Plattenanordnung umfasst ein Substrat, auf dem mehrere Sensorvorrichtungen montiert werden können. Verbindungspads sind für jede der Sensorvorrichtungen bereitgestellt. Diejenigen der Verbindungspads, die dazu eingerichtet sind, das positive Versorgungspotential an die Sensorvorrichtungen zu liefern, sind zusammen mit einem ersten Draht verbunden. Diejenigen der Verbindungspads, die dazu eingerichtet sind, das das Massepotential an die Sensorvorrichtungen zu liefern, sind alle mit einem anderen Draht verbunden. Die mehreren Sensorvorrichtungen und die mehreren Verbindungspads können in Reihen organisiert sein, sodass zwei oder mehr Reihen auf der Plattenanordnung auf parallele Art angeordnet sind. Die Leitungen für die Versorgungsspannung und für das Massepotential können in einer oder mehreren Schichten der Mehrschichtstruktur der Platte angeordnet sein. Die Platte kann aus einem Keramikmaterial gefertigt sein, in dem mehrere Metallschichten angeordnet sind, um das Versorgungs- und Massepotential zu liefern. Allgemein können die Sensorvorrichtungen, die auf der Plattenanordnung angeordnet sein können, in einigen Reihen oder Bereichen organisiert sein und sind ihre Verbindungspads für das Versorgungspotential und das Massepotential unter Verwendung der unterschiedlichen Metallschichten innerhalb des Keramiksubstrats der Platte miteinander verbunden. Bei einer Ausführungsform können sämtliche Verbindungspads für das Versorgungspotential durch den ersten Draht miteinander verbunden sein und können sämtliche Verbindungspads für das Massepotential durch den zweiten Draht miteinander verbunden sein, sodass alle Sensorelemente, die auf der Plattenanordnung angeordnet sind, in einem Kalibrierungsprozess gleichzeitig erwärmt werden können.
-
Nach der Kalibrierung wird, wie oben besprochen, die Platte zerteilt, um die Zusammensetzungen der Sensorvorrichtung plus das zerteilten Plattenstück zu vereinzeln. Der Zerteilungsprozess schneidet die Leitungen für das Versorgungspotential und das Massepotential und erzeugt dadurch zerteilte Seitenwandteile der Plattenstücke, die Schnittflächen der Leitungen für das Versorgung- und Massepotential beinhalten. Bei einer Ausführungsform können die geschnittenen Leitungen für das Versorgungs- und Massepotential in zerteilten Seitenwandteilen der Platte enthalten sein, die sich auf gegenüberliegenden Seiten der rechteckigen Form des zerteilten Plattenstückes befindet.
-
Figurenliste
-
Es versteht sich, dass sowohl die vorausgehende allgemeine Beschreibung als auch die folgende ausführliche Beschreibung lediglich beispielhaft sind und dass beabsichtigt ist, dass sie eine Übersicht oder einen Rahmen bereitstellen, um die Natur und den Charakter der Ansprüche zu verstehen. Die begleitenden Zeichnungen sind aufgenommen, um ein tieferes Verständnis bereitzustellen und sind in diese Beschreibung aufgenommen und stellen einen Teil von dieser dar. Die Zeichnungen veranschaulichen eine oder mehrere Ausführungsformen und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien oder den Betrieb der verschiedenen Ausführungsformen zu erklären. Die gleichen Elemente in unterschiedlichen Figuren der Zeichnungen werden durch das gleiche Bezugszeichen bezeichnet.
-
In den Figuren gilt:
- 1 zeigt eine prinzipielle Draufsicht einer beispielhaften Sensorvorrichtung;
- 2 zeigt eine Ansicht auf eine Platte;
- 3 zeigt eine Seitenansicht auf eine Platte, auf der Sensorvorrichtungen angeordnet sind;
- 4 zeigt eine Ansicht auf ein zerteiltes Stück der Platte; und
- 5 zeigt ein Flussdiagramm des Prozesses zum Kalibrieren mehrerer Sensorvorrichtungen.
-
Ausführliche Beschreibung von Ausführungsformen
-
Die vorliegende Offenbarung wird nun nachfolgend vollständiger unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen, die Ausführungsformen der Offenbarung zeigen, beschrieben. Die Offenbarung kann jedoch in vielen unterschiedlichen Formen umgesetzt werden und sollte nicht als auf die hier dargelegten Ausführungsformen beschränkt ausgelegt werden. Vielmehr sind diese Ausführungsformen bereitgestellt, damit die Offenbarung einem Fachmann den Schutzumfang der Offenbarung vollständig vermittelt. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet, sondern sind so eingerichtet, dass sie die Offenbarung klar veranschaulichen.
-
1 zeigt eine Draufsicht einer Sensorvorrichtung 100. Die Vorrichtung 100 kann ein Gassensor sein, um die Anwesenheit oder Konzentration eines reaktiven Gases, wie etwa CO, CO2, NH3, NOx und VOCs (Volatile Organic Compounds - flüchtige organische Verbindungen), zu erfassen. Die Vorrichtung beinhaltet ein Substrat 110, das Siliziumdioxid sein kann. Ein Metalloxiderfassungselement 111 ist mit Anschlüssen 112, 113 verbunden, die ein Erfassungssignal bereitstellen. Ein Heizelement 114 ist unterhalb des Erfassungselements 111 angeordnet und erwärmt das Erfassungselement 111 auf eine erhöhte Temperatur, zum Beispiel etwa 300 °C, durch das Anlegen eines elektrischen Stroms, der an die Anschlüsse 115, 116 geliefert wird. Ein anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC) 120 ist ebenfalls innerhalb der Sensorvorrichtungen 100 angeordnet. Der ASIC 120 wird mit einem positiven Versorgungsignal VIN an einem Anschluss 121 und einem Massepotential GND an einem Anschluss 122 versorgt. Der ASIC erzeugt den angemessenen Versorgungsstrom, um das Heizelement 114 zu erwärmen, und liefert diesen Erwärmungsstrom an die Anschlüsse 115, 116. Der ASIC stellt eine Regelung des Erwärmungsstroms in einer Regelungsschleife bereit, sodass die Temperatur des Heizelements 114 im Wesentlichen konstant gehalten wird. Eine geeignete Temperatur kann bei 300 °C oder näherungsweise 300 °C liegen. In Abhängigkeit von dem Anwendungsgebiet sind auch andere Temperaturen möglich, die bis zu dem Bereich von zum Beispiel 800 °C reichen können. Die Anschlüsse 112, 113 liefern ein Erfassungssignal an den ASIC 120, der ein Ausgangserfassungssignal VSENSE an seinen Anschlüssen 123a, 123b erzeugt, das die erfasste Gaskonzentration angibt. Die Anschlüsse 123a, 123b können ein digitales Signal bereitstellen, das die erfasste Gaskonzentration angibt. Das digitale Signal kann durch ein gemeinsames Bus-Protokoll, wie etwa I2C, übertragen werden. Die Anschlüsse des ASIC 120, wie etwa die Anschlüsse 121, 122, 123a, 123b, sind für das Äußere der Sensorvorrichtung 100 zugänglich.
-
Das Erfassungselement 111 kann aus einem Metalloxid, wie etwa Zinnoxid, gefertigt sein. Andere Oxide sind ebenfalls verwendbar, wie etwa Indiumoxid, Galliumoxid oder Rutheniumoxid. Das Heizelement 114 kann aus einem Metall, wie etwa Wolfram, gefertigt sein. Andere Metalle sind ebenfalls verwendbar, wie etwa Platin oder Palladium. Im Betrieb interagiert das reaktive Gas mit der erwärmten Oberfläche des Metalloxidsensorelements 111 und kann oxidiert werden. Die Elektronen, die in dem Oxidationsprozess verwendet werden, bewirken eine Widerstandsänderung an den Anschlüssen 112, 113. Der Widerstandszustand des Sensorelements 111 wird in dem ASIC 120 ausgewertet und an die Anschlüsse 123a, 123b ausgegeben.
-
An dem Ende des Fertigungsprozesses der Sensorvorrichtung 100 muss der Sensor kalibriert werden, um die erwarteten Spezifikationen zu erfüllen. Jedoch kann das Metalloxidsensorelement 111 immer noch mit Substanzen von dem Herstellungsprozess, wie etwa Lösungsmitteln, die zum Bereitstellen der Metalloxidteilchen verwendet werden, kontaminiert sein. Des Weiteren können Wasserdampfmoleküle (H2O) an dem Erfassungselement 111 anhaften, da Wasserdampf in der Umgebungsgasatmosphäre fast überall vorhanden ist.
-
Das Erwärmen des Sensorelements 111 wird auf eine eher schnelle Weise in dem Bereich von etwa 20 ms bis etwa 1 s erreicht, wobei es eine viel längere Zeit erfordert, die übrig gebliebenen Lösungsmittel und den Wasserdampf von dem Erfassungselement 111 zu entfernen. Dieser Prozess kann für einige Minuten, bis zu etwa 30 Minuten, andauern. Eine Kalibrierung ist nur hilfreich, wenn die Verunreinigungen von dem Erfassungselement 111 verschwunden sind und der Wasserdampf ein Gleichgewicht von Adsorption und Resorption erreicht.
-
2 zeigt eine Platte, die in Verbindung mit der vorliegenden Offenbarung zu verwenden ist. Eine Platte 200 kann aus einem keramischen Basismaterial gefertigt sein und enthält Leitungen und Kontaktpads, die aus Metall gefertigt sind. Kontaktpads 212, 213, 215, 216 sind in einer Gruppe 210a angeordnet. Mehrere Gruppen von Verbindungspads einschließlich anderer Gruppen 210b, 210c sind auf der Platte angeordnet. Wie in der Seitenansicht aus 3 gezeigt, sind Sensorvorrichtungen 301, 302, 303 auf entsprechenden Gruppen von Verbindungspads angeordnet. Zum Beispiel sind die Anschlüsse für die Versorgungsspannung, um den Erwärmungsstrom zu erzeugen, und die Anschlüsse für das Erfassungssignal ASIC, wie etwa die Anschlüsse 121, 122, 123a, 123b (1), mit den Kontaktpads 212, 213, 215, 216 der ersten Gruppe 210a von Verbindungspads auf der Platte 200 verbunden. Die Gruppen 210a, 210b, 210c einer Reihe 230 auf der Platte 200 sind zusammen mit Leitungen 221 und 222 verbunden, die ein positives Versorgungspotential VIN bzw. ein Massepotential GND bereitstellen. Die entsprechenden Verbindungspads der Gruppen 210a bis 210c, wie etwa das Pad 216, die verwendet werden, um das positive Versorgungspotential VIN an den entsprechenden Anschluss 116 der Sensorvorrichtung 301 zu liefern, sind mit dem Draht 221 verbunden. Auf eine ähnliche Weise sind die entsprechenden Kontaktpads der Gruppen 210a bis 210c, wie etwa das Pad 215, die verwendet werden, um das Massepotential an einen Anschluss 122 der Sensorvorrichtung 301 zu liefern, mit dem Massepotentialdraht 222 verbunden. Infolgedessen sind alle Sensorvorrichtungen 301, 302, 303 der ersten Reihe 230 der Platte 200 mit denselben Versorgungsleitungen 221, 222 zum Bereitstellen des positiven Versorgungspotentials VIN und des Massepotentials GND verbunden. Ebenfalls sind die Reihen 231, 232 mit entsprechenden Leitungen für das positive Versorgungspotential VIN und das Massepotential GND verbunden. Die Versorgungspotentialleitungen unterschiedlicher Reihen können miteinander verbunden sein, sodass das volle Array der Platte 200 zur gleichen Zeit mit dem gleichen Versorgungspotential versorgt werden kann. Andere Organisationen sind ebenfalls möglich.
-
4 zeigt eine Ansicht eines Stücks der Platte nach dem Zerteilen. Die Sensorvorrichtung verbleibt kombiniert mit dem rechteckigen Plattenstück 400, das zerteilt wurde. Das Plattenstück 400 weist vier zerteilte Seitenwände auf. Zwei zerteilte Seitenwände 401, 402, die an gegenüberliegenden Enden des zerteilten Plattenstücks 400 angeordnet sind, beinhalten die geschnittenen Leitungen 216, 215, die von den entsprechenden Verbindungspads 216, 215 zu den Leitungen 221, 222 für das Versorgungs- und Massepotential VIN, GND geführt haben. Die geschnittenen Oberflächen der metallischen Verbindungsteile 416, 415 sind auf der zerteilten Plattenstückseitenwand sichtbar.
-
Nach der Fertigung einer Sensorvorrichtung und vor dem Verschicken zu dem Kunden sollten Sensorvorrichtungen kalibriert werden, sodass das Ausgangssignal VSENSE ein ordnungsgemäßes Signal bereitstellt, dass die erfasste Umgebungsbedingung angibt, wie etwa die Gaskonzentration eines speziellen reaktiven Gases. Der Kalibrierungs- und Testprozess ist in 5 dargestellt. Mehrere identische Sensorvorrichtungen 100 sind bereitgestellt. Außerdem ist die keramische Platte 200 einschließlich der metallischen Verbindungspads und der Leitungen 221, 222, die die Pads für das Potential VIN und die Pads für das Massepotential GND verbinden, bereitgestellt (Schritt 501).
-
Jede der Sensorvorrichtungen ist auf der Platte montiert und die Verbindungsanschlüsse der Sensorvorrichtungen sind mit entsprechenden Gruppen von Verbindungspads der Platte 200 ausgerichtet und verbunden (Schritt 502).
-
Die Platte 200, die mit den mehreren Sensorvorrichtungen ausgestattet ist, wird in die Testgerätmaschine eingesetzt.
-
Die Stifte zum Liefern des positive Versorgungspotentials VIN und des Massepotentials GND sind mit den Leitungen 221 und 225 verbunden (Schritt 504).
-
Die mehreren Sensorvorrichtungen werden dann mit elektrischer Leistung versorgt, sodass der ASIC 120 die jeweiligen Ströme erzeugen kann, um die Heizelemente 114 jeder Sensorvorrichtung zu erwärmen. Das Erwärmen wird gleichzeitig und simultan für sämtliche Sensorvorrichtungen parallel durchgeführt (Schritt 505).
-
Eine Testgasatmosphäre mit definierter Gaskonzentration wird eingebracht. Die Testgasatmosphäre umfasst das Gas, für das der Sensor zu kalibrieren ist und für dessen Messung der Sensor zweckbestimmt und eingerichtet ist. Das Testgerät weist eine geschlossene Kammer auf, in der die Platte positioniert ist und in der das Gas eingebracht ist (Schritt 506) .
-
Der Prozess wartet nun für eine ausreichende Zeitmenge, sodass die Verunreinigungen von dem Metalloxiderfassungselement 111 verschwinden. Verunreinigungen können Lösungsmittel sein, die von der Produktion des Erfassungselements 111 übriggeblieben sind. Des Weiteren kann Wasserdampf an dem Metalloxiderfassungselement 111 anhaften und es erfordert eine sehr lange Zeit, damit überschüssiger Wasserdampf verschwindet und das Erfassungselement 111 einen Gleichgewichtszustand von Absorption und Resorption erreicht (Schritt 507). Während das Erwärmen des Heizelements 114 und des Erfassungselements 111 in einer ziemlich kurzen Zeit von einigen Sekunden oder sogar etwa 1 Sekunde erreicht werden kann, wird die Warteperiode, bis der Gleichgewichtszustand erreicht wird, beträchtlich länger andauern. Dies kann bis zu einige Minuten dauern. Im schlechtesten Fall kann dies bis zum Ablauf von etwa 30 Minuten andauern. Das Erwärmen und Warten auf den Gleichgewichtszustand wird parallel für alle Sensorvorrichtungen, die auf dem Plattensubstrat montiert sind, durchgeführt. Nun unter Zuwendung zu Schritt 508 werden die Sensorvorrichtungen kalibriert. Der Kalibrierungsprozess kann dadurch für eine Sensorvorrichtung nach der anderen durchgeführt werden, dass die Sondennadel von dem Testgerät die Anschlüsse der Sensorvorrichtungen kontaktiert und den Kalibrierungsprozesses für diese Sensorvorrichtung durchführt. Falls ein Testgerät mehr Probennadeln und Kanäle aufweist, kann mehr als eine Sensorvorrichtung parallel getestet werden. Üblicherweise weist das Testgerät nur einige wenige Probennadeln und Kanäle auf, sodass nur eine kleine Teilmenge der mehreren Sensorvorrichtungen auf der Platte oder sogar nur eine einzige Sensorvorrichtung zur gleichen Zeit getestet werden kann. Während des Kalibrierungsprozesses wertet das Testgerät das Erfassungsausgangssignal VSENSE als Reaktion auf die bekannte Gaskonzentration aus, mit der die Kammer des Testgeräts versorgt wurde. Ein Korrekturwert wird berechnet, sodass die Kombination von Erfassungswert und Korrekturwert ein Maß für die gemessene Konzentration des Testgases ist und diese angibt. Der Korrekturwert wird auf die Eigenschaften der Sensorvorrichtung angewandt. Der Korrekturwert wird in dem ASIC das Chips, wie etwa in einem einmalig programmierbaren Speicher 124, gespeichert (Schritt 508).
-
Nachdem der Kalibrierungsprozess für alle der Sensorvorrichtungen auf der Platte abgeschlossen wurde, wird die Platte durch Zerteilungslinien zerteilt, die die Platte in mehrere Plattenstücke separieren, welche den zerteilten Teil der Platte kombiniert mit der daran angebrachten Sensorvorrichtung umfassen. Die Sensorkomponente, die eine Sensorvorrichtung plus ein Plattenstück umfasst, kann in einem Gehäuse platziert werden (Schritt 509).
-
Die einzelne Sensorkomponente wird dann einem Funktionstest unterzogen, der die elektrische und logische Funktion des Sensorschaltkreises validiert (Schritt 510).
-
Ein Vorteil der vorliegenden Offenbarung besteht darin, dass die zeitaufwändigen Teile der Test- und Kalibrierungsprozeduren parallel für mehrere Sensorvorrichtungen durchgeführt werden, sodass die durchschnittlich pro Vorrichtung aufgewandte Zeit niedrig ist. Andererseits werden die speziellen Kalibrierung- und Testprozeduren für eine einzelne Vorrichtung nach der anderen oder bestenfalls in Abhängigkeit von den Fähigkeiten der Testgerätmaschine für eine kleine Gruppe einzelner Vorrichtungen nach der anderen durchgeführt. Während der anfänglichen Schritte werden das Anlegen einer Versorgungsleistung, das Erwärmen der Vorrichtungen, das Einbringen der Gasatmosphäre und das Warten auf den Gleichgewichtszustand parallel für alle Vorrichtungen auf der Platte durchgeführt. In Abhängigkeit von dem Anwendungsgebiet des Sensors können die spezielle Testgasatmosphäre und die spezielle Temperatur, auf die das Erfassungselement zu erwärmen ist, variieren.
-
Bei einer Ausführungsform kann der ASIC 120 der Sensorvorrichtung 100 so gebildet sein, dass der ASIC bestimmt, dass die Vorrichtung noch unkalibriert ist, wenn zum Beispiel der programmierbare Speicher 124 leer ist. In diesem Fall kann der ASIC unmittelbar in den Erwärmungsmodus gehen, wenn er erkennt, dass die Versorgungsspannung VIN, GND geliefert wird.
-
Es wird für einen Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen und Variationen vorgenommen werden können, ohne von der Idee oder dem Schutzumfang der Offenbarung, wie in den angehängten Ansprüchen dargelegt, abzuweichen. Da sich Modifikationen, Kombinationen, Unterkombinationen und Variationen der offenbarten Ausführungsformen, die die Idee und den Inhalt der Offenbarung enthalten, einem Fachmann ergeben können, sollte die Offenbarung derart ausgelegt werden, dass sie alles innerhalb des Schutzumfangs der angehängten Ansprüche beinhaltet.
