Der Fluke 842591 ist ein thermischer RMS-Konverter, der zum Beispiel im Fluke 5790A eingesetzt wurde. Das 5790A ist ein Wechselspannungsnormal das Spannungen zwischen 700mV und 1000V mit Frequenzen zwischen 10Hz und 1MHz mit einer Genauigkeit von +/-24ppm messen kann. Der Frequenzbereich bis 30MHz ist mit +/-0,35% spezifiziert. Eine ausführliche Analyse dieses Geräts findet sich bei xDevs: https://xdevs.com/fix/f5790a/. Der Fluke 842591 RMS-Konverter dient der Umwandlung eines im Rahmen der Spezifikationen beliebigen Wechselspannungssignals in ein äquivalentes Gleichspannungssignal, das dann den Effektivwert darstellt.
Der RMS-Konverter befindet sich auf einem Keramikträger mit einer aufgeklebten Abdeckung. 842591 ist die interne Bezeichnung des Bausteins, die sich auch im Servicemanual des Fluke 5790A findet. Die Zahlen 767707 waren geschwärzt und lassen sich ebenso wenig zuordnen wie die Zeichen L21W10.
Das Service Manual des Fluke 5790A gibt einen ersten Eindruck wie der RMS-Konverter aufgebaut ist. Wie beim LT1088 sind auch hier zwei Widerstände integriert, deren Temperaturen über zwei Diodenstrecken bestimmt werden. Während beim LT1088 tatsächlich nur die Basis-Emitter-Strecken von jeweils vier Transistoren aus dem Gehäuse herausgeführt werden, kann man beim Fluke 842591 zwei vollständige Transistoren kontaktieren.
Die Fluke Application Note "Design and Evaluation of the 792A AC/DC Transfer Standard" zeigt wie der RMS-Konverter verschaltet wird. Das zu vermessende Eingangssignal heizt den linken Bereich über den integrierten Widerstand auf. Die Transistoren bilden mit einer Stromsenke und zwei Kollektorwiderständen einen Differenzverstärker. Die Ausgangsspannung dieses Differenzverstärkers ist proportional zur Differenz der Basis-Emitter-Spannungen der beiden Transistoren. Da die Basis-Emitter-Spannung proportional zur Temperatur ist, ist die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers ebenso proportional zur Temperatur. Ein Operationsverstärker liest diese Ausgangsspannung ein, bestromt den rechten Widerstand entsprechend und heizt so den rechten Bereich auf. Letztlich stellt sich ein Gleichgewicht ein, bei dem die thermische Leistung auf der rechten Seite der thermischen Leistung auf der linken Seite entspricht. Die Spannung Vout ist zu diesem Zeitpunkt der Effektivwert der Spannung Vin, da sie die gleiche thermische Leistung generiert.
Es handelt sich im Grund um ein einfaches und effektives Messprinzip, das direkt den gewünschten Wert bestimmt, die Gleichspannung, die eine äquivalente thermische Leistung erzeugt. In einem idealen System kann das Eingangssignal eine beliebige Kurvenform aufweisen. Die tatsächliche Umsetzung eines solchen Konverters ist selbstverständlich etwas schwieriger. Die beiden Systeme müssen möglichst gleich aufgebaut und den gleichen Umgebungsbedingungen ausgesetzt sein. Soll der Sensor sehr schnell reagieren, so müssen die thermischen Kapazitäten möglichst klein sein. Gleichzeitig müssen die Systeme bestmöglich von der Umgebung isoliert sein. Eine gute Isolation der Systeme gegeneinander reduziert die Einschwingzeit.
Auf der Rückseite des Keramikträger ist eine Metallfläche als Schirmung aufgebracht und mit einem ansonsten isolierten Pin verbunden.
Das Material, das den Deckel mit dem Keramikträger verbindet, scheint dem Material zu entsprechen, mit dem auch normale Keramikgehäuse verschlossen werden. Im Verhältnis zum eigentlichen Konverter-Element ist das Gehäuse sehr großzügig ausgelegt.
Das Die des RMS-Konverters ist 4,0mm x 3,0mm groß. Die beiden Elemente des Wandlers sind deutlich zu erkennen. In der oberen rechten Ecke des Dies fehlt ein relativ großes Stück. Entweder erfolgt das Heraustrennen aus dem Wafer unsauber oder das Die wurde bei der Weiterverarbeitung beschädigt.
Zwischen dem RMS-Konverter und dem Keramikträger befindet sich ein zusätzliches Keramikelement. Da die beiden Kreise des Wandlers an sich schon von der Umgebung thermisch isoliert sind, sollte eine weitere Wärmeisolierung nicht notwendig sein. Entweder dämpft die kleine Keramikplatte mechanische Spannungen oder sie erleichtert lediglich das Handling während der Herstellung.
Der zusätzliche Keramikträger ist ungefähr 0,3mm dick. Das Die ist mit ungefähr 0,06mm auffällig dünn. Die geringe thermische Masse ermöglicht eine kurze Einschwingzeit.
Das Die enthält lediglich die zwei Elemente mit jeweils einem Heizwiderstand und einem Transistor als Temperatursensor. Es ist selbstverständlich symmetrisch aufgebaut.
Die beiden Heizer/Sensor-Kombinationen befinden sich auf kleinen Siliziuminseln mit einer Kantenlänge von ungefähr 0,36mm, die aus dem restlichen Die herausgeätzt wurden. Sie werden lediglich durch die Metalllage fixiert. Der Aufbau garantiert eine gute thermische Isolation von der Umgebung.
Das Design hat Fluke 1985 entwickelt. Abgebildet sind ganze 9 Masken: 1 (vermutlich) / 2 / 2.7 / 3 / 4 / 4.5 / 5 / 6 / 7. Die Buchstaben dürften die Revisionen kennzeichnen. Demnach wäre die Maske 6 ganze 11 mal überarbeitet worden.
Ein Rechteck am Rand des Dies wurde während des Abgleichs der Heizerwiderstände mit dem Laser beschriftet. Es könnte sein, dass man darüber den Abgleichvorgang zurückverfolgen konnte.
Die zwei Siliziuminseln sind absolut symmetrisch aufgebaut. In der oberen Hälfte befindet sich der abgeglichene Heizerwiderstand. Im unteren Bereich ist der Transistor zur Temperaturmessung integriert. Laut der Application Note "Design and Evaluation of the 792A AC/DC Transfer Standard" handelt es sich um einen besonders rauscharmen Transistor. Die grüne Fläche stellt dabei den Kollektor dar. Der bräunliche Bereich ist die Basisdotierung, die in der Mitte kontaktiert wird. Auf der Innenseite der Elemente befindet sich der Emitter. Bei Basis und Emitter bildet sich ein doppelter Kreis durch die Metalllage ab. Im Fall des Emitters lässt sich das durch die Emitterfläche erkären, die in die Basisfläche integriert ist. Im Fall der Basiskontaktierung würde man eigentlich nur einen Kreis erwarten, den Rand der Durchkontaktierung. Im Gegensatz zur Kontaktierung von n-Schichten kann man p-Schichten ohne weitere Maßnahmen kontaktieren. Vielleicht wurde der Basiskontakt trotzdem speziell behandelt, um die Eigenschaften des Transistors zu optimieren.
Das linke Element wurde durch eine thermische Überlastung beschädigt. Auf Grund der thermischen Isolation von der Umgebung reicht bereits relativ wenig Energie, um lokal hohe Temperaturen zu erzeugen. Anscheinend hat dabei nur die Metalllage Schaden genommen. Nicht nur die Kontaktierung des Heizerwiderstands hat sich verfärbt, auch der Transistorbereich wurde derart heiß, dass sich die Metalllage dunkel gefärbt hat.
Seitlich betrachtet kann man gut die Form der Elemente erkennen und dass sie nur über die Metalllage fixiert sind.
Bei dem beschädigten Element haben sich die Metallleitungen des Heizers sogar abgelöst und nach oben gebogen.
