pn-Thermometer

Kalibrationsfreie Temperaturmessung mit Dioden und bipolaren Transistoren mittels modellbasierter Auswertung von Strom-Spannungs-Kennlinien

Laufzeit: Januar 1999 - Dezember 2000

Es wurden Möglichkeiten der Genauigkeitssteigerung einer kalibrationsfreien Temperaturmessung mit Dioden und bipolaren Transistoren untersucht. Mit den bisher bekannten Messmethoden nach Verster und Goloub kann nur eine Genauigkeit von ca. 2 K erreicht werden. Grund dafür sind die verwendeten unzureichenden Modelle, die einen ausgeprägten linearen Bereich in der Kennlinie voraussetzen. Die reale Kennlinie zeigt jedoch Nichlinearitäten, die auf im Halbleiter ablaufende Sekundäreffekte und Eigenerwärmungseffekte zurückzuführen sind. Da die früheren Methoden eine explizite Lösung nach der Temperatur liefern sollten, konnten nur einfache Kennlinienmodelle verwendet werden, die zu vergleichsweise hohen systematischen Fehlern führten. Durch Verbesserung der Kennlinienbeschreibung als Basis für ein neuartiges Messverfahren konnte eine Genauigkeitserhöhung erreicht werden. Bei geeigneter Modellstruktur wird die Temperatur nun numerisch mit allen unbekannten Modellparametern durch Parameterextraktion berechnet. Dabei wird die Temperatur aus den Strom-Spannungs-Messdaten extrahiert und werden die von den unbekannten Parametern abhängigen Messdaten genutzt, um auf diese Parameter zurückzuschließen (inverses Problem). Durch diese Betrachtungsweise entfallen die früheren Modelleinschränkungen, so dass Kennlinienmodelle mit mehreren unbekannten Parametern eingesetzt werden können.

Links: Temperaturabhängige UI-Kennlinie eines pn-Überganges. Rechts: Kanoun-Modell

1. O. Kanoun, H.-R. Tränkler: "Model performance improvement for a calibration-free temperature measurement based on p-n junctions", Sensors & Actuators A, Vol. 101, No. 3, pp. 275-282, Oktober 2002.
2. O. Kanoun: Kalibrationsfreie Temperaturmessung auf Basis von bipolaren Transistoren, neue Perspektiven für die Messtechnik, Technisches Messen, Vol. 69 (2002), Nr. 4, S. 187, Oldenburg Verlag, 2002, ISSN 0171-8096
3. O. Kanoun: Modellgestütztes kalibrationsfreies Messverfahren auf Basis von pn-Übergängen, XV. Messtechnisches Symposium (AHMT), 13.-15.09.2001, Kiel, Tagungsband erschienen im Shaker Verlag
4. O. Kanoun: Neuartige Modelle zur kalibrationsfreien Temperaturmessung mit pn-Übergängen, Fortschrittberichte 905, Reihe 8, 2001
5. D. Neumann, A. Wagner, O. Kanoun: Influence of the Effective Emitter Area on the Temperature Behaviour of Bipolar Transistors, Smart Systems and Devices, 27.-30.03 2001, Hammamet, Tunesien, S. 733-737
6. O. Kanoun: Smart Sensor System for a Calibration-Free Temperature Measurement, Smart Systems and Devices, 27.-30.03 2001, Hammamet, Tunesien, S. 219-225
7. O. Kanoun: Modeling the P-N Junction I-U Characteristic for an Accurate Calibration-Free Temperature Measurement, IEEE Transaction on Instrumentation and Measurement, S. 901-905, Vol. 49, No. 04, 2000
8. O. Kanoun, H.-R. Tränkler: Kalibrationsfreie Temperaturmessung: Modellverbesserung erreicht größere Genauigkeit, Qualität und Zuverlässigkeit, QZ 45 7/2000, S. 898-902, Hanser Verlag
9. O. Kanoun, H.-R. Tränkler: Kalibrationsfreie Temperaturmessung durch Parameterextraktion aus der Strom-Spannungs-Kennlinie von pn-Übergängen, Technisches Messen 67, S. 171-176, tm 4/2000
10. O. Kanoun: Modellverbesserung für die kalibrationsfreie Temperaturmessung auf der Basis von pn-Übergängen, GMA Fachtagung Sensoren und Meßsysteme, 13.-14.03.2000, Ludwigsburg, VDI-Berichte Nr. 1530, S. 779-788
11. O. Kanoun, H.-R. Tränkler: Kalibrationsfreie Temperaturmessung durch Parameterextraktion aus der Strom-Spannungskennlinie von pn-Übergängen, XIII. Messtechnisches Symposium des Arbeitskreises für Hochschullehrer für Messtechnik, AHMT ´99, 30.09.-02.10.1999, Hannover
12. O. Kanoun: Temperature Measurement Based on PN-Junction I-U Characteristics: A Calibration Free Measurement for Industrial Applications, 13 TSS Annual Conference, 27.-28.07.1999, Tunis, Tunesien
13. O. Kanoun: Calibration Free Temperature Measurement through Model Parameter Extraction from the PN-Junction I-U Characteristic, 7th International Symposium on Temperature and Thermal Measurements in Industry and Science, Tempmeko´99, 01.-03.06.1999 Delft, Niederlande, S. 400-405
14. O. Kanoun, M. Horn, H.-R. Tränkler: Possibilities of a Model Performance Improvement for the Calibration-Free Temperature Measurement Based on PN-Junctions, 16th IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference IMTC'99, 24.-26.05.1999, Vol. 1, S. 6-11, Venedig
15. O. Kanoun, M. Horn, H.-R. Tränkler: Comparisation of PN-Junction Behavior Models for Temperature Measurement, Sensor ´99, Proceedings Vol. 2, S. 433-438, 18.-20.05 1999, Nürnberg
16. O. Kanoun, R. Holmer: Automatisierte Erfassung von Strom-Spannungskennlinien bipolarer Transistoren zum Einsatz in der Temperaturmessung, VIP 98 - Virtuelle Instrumente in der Praxis, 4. Kongress für industrielle Mess- und Prüftechnik, Oktober 1998, München, Hüthig