Датчик

Использование: для создания датчика перепадов давления. Сущность изобретения заключается в том, что датчик для измерения перепадов давления содержит электронный чип и сенсорный чип, находящиеся внутри функционального объема, который имеет длину максимум 4-5 мм, ширину максимум 2-3 мм и высоту максимум 0,5-0,8 мм, причем сенсорный чип выполнен с возможностью измерения перепада давления в диапазоне 10-500 Пa. Технический результат: обеспечение возможности создания компактного датчика, измеряющего очень небольшие перепады давления в диапазоне 10-500 Пa. 14 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение касается датчика.

Из заявки DE 10 2010 044 616 A1 известна микросистема для фильтрующей вставки.

Из заявки DE 10 2009 040 707 A1 уже известен фильтрующий элемент, в котором с фильтрующей средой согласован датчик.

Недостатком известных фильтрующих элементов является то, что указанные датчики обычно выполнены сравнительно большими для того, чтобы измерять и оценивать одну или несколько физических величин. Изготовление таких фильтрующих элементов относительно дорого. Кроме того, большие датчики трудно устанавливать на фильтрующих элементах.

В частности, измерение очень небольших перепадов давления в диапазоне 10-500 Пa в уровне техники возможно лишь с помощью сравнительно больших датчиков, и для их установки требуется много пространства.

Кроме того, подсоединение такого сравнительно большого датчика к фильтрующему элементу является довольно трудным и дорогостоящим. Помимо этого, контактирование такого датчика происходит обычно посредством кабеля. Последнее нежелательно прежде всего потому, что работа с кабелями является трудоемкой и неприемлемой для конечных пользователей.

В основу данного изобретения положена задача создания компактного датчика.

Согласно изобретению указанная задача решается признаками независимого пункта 1 формулы изобретения.

Прежде всего было установлено, что существует потребность в миниатюризации датчика для измерения незначительных перепадов давления в диапазоне 10-500 Пa.

Затем было установлено, что миниатюризация и предпочтительно беспроводное электропитание без использования разъемных контактов делают возможным экономичное интегрирование такого датчика. Такое интегрирование и предпочтительно беспроводная, не использующая разъемные контакты передача энергии и данных не требует к тому же никаких дополнительных затрат на установку.

В соответствии с изобретением конкретно было установлено, что датчик, имеющий столь небольшой функциональный объем, особенно легко монтируется. Кроме того, может быть сэкономлен материал, если функциональный объем выбирается таким небольшим.

Таким образом решается поставленная вначале задача.

Можно использовать технологию 180 нм для того, чтобы разместить на сенсорном чипе электронику и мембрану. Это позволяет получить компактную структуру сенсорного чипа и, тем самым, функционального объема.

Внутри функционального объема могут быть расположены несколько электронных чипов и/или несколько сенсорных чипов. Благодаря этому возможно измерение нескольких физических величин.

Электронный чип может иметь несколько аналоговых и/или цифровых интерфейсов, посредством которых могут считываться различные сенсорные чипы. За счет этого один единственный электронный чип может быть скомбинирован с различными датчиками или сенсорными чипами.

С помощью электронного чипа и/или сенсорного чипа возможна или осуществляется беспроводная передача энергии и/или данных через радиоинтерфейс, в частности RFID-интерфейс (с радиочастотной идентификацией), или через не использующее разъемов соединение контактов. Благодаря этому больше не требуется трудоемкое кабельное соединение.

Сенсорный чип с преобразовательным элементом и/или сенсорный чип с преобразовательным элементом и фронт-эндом для датчика в своей совокупности могут быть изготовлены с использованием 180 нм КМОП-технологии (анг.CMOS = КМОП), в частности, для измерения перепада давления в диапазоне 10-500 Пa с разрешением в 5 Пa. Благодаря этому возможно точное и эффективное измерение давлений.

В связи с этим указанный преобразовательный элемент может быть выполнен как транзистор или резистор на кремниевой мембране. Таким образом получается очень надежное устройство.

Электронный чип и сенсорный чип могут быть размещены рядом друг с другом на одной плате. Благодаря этому реализуется очень плоская структура.

Электронный чип и сенсорный чип могут быть электрически соединены друг с другом гибкими металлическими проволочными выводами. Электронный чип и сенсорный чип могут быть, таким образом, расположены очень плотно друг к другу. Использование гибких металлических проволочных выводов позволяют простое изготовление, так как эти гибкие металлические проволочные выводы размещаются на обращенной от платы стороне таких чипов.

Электронный чип и сенсорный чип могут быть электрически связаны друг с другом посредством соединения «методом перевернутого кристалла» с использованием контактирующих выступов, а именно так называемых «Bumps» (контактных бугорков из мягкого припоя). Такое контактирование целесообразно, если электронные устройства, а именно, в частности, оксидные слои, расположенные на кремниевой подложке, обращены к плате, а чистая кремниевая сторона кремниевой подложки обращена от платы.

Сенсорный чип может содержать мембрану и электронные устройства. Сенсорный чип может состоять из кремниевой подложки, на которой и/или в которой находится электроника. Сенсорный чип может быть, тем самым, очень компактным. Возможно также, чтобы мембрана состояла только из кремниевой подложки и по меньшей мере одного или нескольких преобразовательных элементов. Преобразовательный элемент предпочтительно представляет собой легированную область.

В связи с этим сенсорный чип может содержать кремниевую подложку, в которой травлением образована мембрана, которая свободна от электронных устройств и/или оксидных слоев до преобразовательных элементов. Преобразовательные элементы предпочтительно выполнены в виде n- или p-легированных областей на мембране и/или в ней. За счет такого вытравливания мембраны также получается компактная структура сенсорного чипа, поскольку в качестве мембраны используется присутствующий в кремниевой подложке собственный материал. Поэтому мембрана выполнена как кремниевая мембрана.

Электронные устройства или оксидные слои толщиной примерно 10 мкм могут стравливаться вплоть до получения кремниевой подложки, причем с другой стороны кремниевая подложка вытравливается на глубину до 500 мкм, чтобы получилась такая мембрана.

Электронный чип и сенсорный чип могут быть расположены на одной плате, в которой образовано сквозное отверстие, причем это сквозное отверстие предоставляет единственный проводящий среду доступ в объем, который образован, соответственно, герметично ограничен платой, сенсорным чипом и охватывающим сенсорный чип уплотнительным кольцом, причем к этому объему обращена первая поверхность мембраны. Вторая поверхность мембраны, противоположная первой поверхности мембраны, обращена в атмосферу или в другое пространство, герметично отделенное от объема. За счет этого сенсорный чип может измерять перепады давления, когда на эти две поверхности мембраны воздействуют разные давления.

Функциональный объем в смысле данного описания образован лишь суммами протяженностей каждого из электронных чипов и сенсорных чипов в направлениях x, y и z. Упомянутые гибкие металлические проволочные выводы, контактирующие выступы и/или части уплотнительного кольца ничего не привносят в этот функциональный объем, соответственно, не увеличивают его. В частности, эти гибкие металлические проволочные выводы, контактирующие выступы и части уплотнительного кольца могут выступать наружу за этот функциональный объем. Часть уплотнительного кольца, находящаяся между электронным чипом и сенсорным чипом, может не учитываться в общей протяженности функционального объема в направлениях x, y или z. Определяющими являются только размеры электронных чипов и сенсорных чипов как таковых в соответствующих направлениях. На Фиг.4 в качестве примера показан расчет, соответственно, измерение протяженностей в направлениях x и z.

Сенсорный чип в связи с этим может иметь разрешение в 5 Пa. Сенсорный чип может иметь разрешение в диапазоне от 1 Пa до менее 5 Пa. Сенсорный чип может иметь разрешение в диапазоне от более 5 Пa до 10 Пa.

Для оценки данных датчика необходимо подключение датчика к приборной электронике. Такое подключение обычно осуществляется через кабель.

На чертежах показано следующее:

Фиг.1 схематичный вид датчика, причем датчик содержит только два чипа, а именно электронный чип и сенсорный чип, которые соединены друг с другом и определяют функциональный объем,

Фиг.2 схематичный вид сенсорного чипа,

Фиг.3 схематичный вид электронного чипа,

Фиг.4 схематичный вид сенсорного чипа и электронного чипа, которые соединены друг с другом посредством гибких металлических проволочных выводов, причем оксидные слои или иные электронные устройства на кремниевой подложке сенсорного чипа обращены от платы,

Фиг.5 схематичный вид сенсорного чипа и электронного чипа, которые посредством контактирующих выступов электрически соединены с платой и друг с другом, причем оксидные слои или иные электронные устройства на кремниевой подложке сенсорного чипа обращены к плате, и

Фиг.6 схематичный прозрачный вид сверху сенсорного чипа, установленного на плате, причем несколько контактирующих выступов расположены, окружая мембрану.

На Фиг. 1 показано, что датчик 2 содержит по меньшей мере один электронный чип 4 и по меньшей мере один сенсорный чип 5, которые расположены внутри функционального объема 3 длиной максимум 4-5 мм, шириной максимум 2-3 мм и высотой максимум 0,5-0,8 мм.

Участок x составляет 5 мм, участок y составляет 3 мм и участок z составляет 0,8 мм.

Электронный чип 4 имеет несколько аналоговых и/или цифровых интерфейсов, посредством которых могут оцениваться различные сенсорные чипы.

Посредством электронного чипа 4 и сенсорного чипа 5 осуществляется беспроводная передача энергии и/или данных. Это может осуществляться через радиоинтерфейс или через не использующее разъемы соединение контактов.

Электронный чип 4 и сенсорный чип 5 расположены на плате 6, которая имеет бóльшую базовую поверхность, чем указанный функциональный объем 3.

Сенсорный чип 5 имеет разрешение в 5 Пa.

На Фиг.2 показан схематичный вид сенсорного чипа 5. Сенсорный чип 5 делает возможным детектирование перепада давления в диапазоне 10-500 Пa. Сенсорный чип 5 может состоять либо только из преобразовательного элемента 10, который преобразует изменение давления в электрический сигнал, либо из преобразовательного элемента 10 с фронт-эндом 11 для датчика.

Сенсорный чип 5 с преобразовательным элементом 10 и/или сенсорный чип 5 с преобразовательным элементом 10 и фронт-эндом 11 для датчика в своей совокупности изготовляются с использованием 180 нм КМОП-технологии.

Фронт-энд 11 для датчика может содержать электронные устройства или быть выполнен как такое электронное устройство.

Преобразовательный элемент 10 может быть выполнен как транзистор или как резистор на кремниевой мембране.

На Фиг.3 показан схематичный вид электронный чипа 4. Электронный чип 4 содержит аналоговые и/или цифровые интерфейсы для подключения к другим датчикам 12 или к другим сенсорным чипам. Электронный чип 4 содержит фронт-энд 13 для датчика. Электрический чип 4 содержит микроконтроллер для обработки 14 сигнала. Электрический чип 4 содержит запоминающий элемент 15. Электрический чип 4 содержит RFID-фронт-энд 16 для бесконтактного питания и/или для питания через контактное соединение.

На Фиг.4 с привлечением дополнительного датчика 2ʹ показано, что электронный чип 4ʹ и сенсорный чип 5ʹ расположены рядом друг с другом на плате 6ʹ. Электронный чип 4ʹ и сенсорный чип 5ʹ электрически соединены друг с другом посредством гибких металлических проволочных выводов 17.

На Фиг.5 с привлечением еще одного датчика 2ʹʹ показано, что электрический чип 4ʹʹ и сенсорный чип 5ʹʹ электрически соединены друг с другом посредством соединения «методом перевернутого кристалла» с использованием контактирующих выступов 18, а именно так называемых «Bumps» (бугорков из мягкого припоя).

Как на Фиг.4, так и на Фиг.5 сенсорный чип 5ʹ, 5ʹʹ содержит мембрану 19ʹ, 19ʹʹ и электронные устройства 20ʹ, 20ʹʹ, которые могут содержать оксидные слои. Каждый сенсорный чип 5ʹ, 5ʹʹ содержит кремниевую подложку 21ʹ, 21ʹʹ, в которой травлением образована мембрана 19ʹ, 19ʹʹ, которая свободна от электронных устройств или оксидных слоев до преобразовательных элементов 10ʹ, 10ʹʹ.

Электронный чип 4ʹ, 4ʹʹ и сенсорный чип 5ʹ, 5ʹʹ расположены на плате 6ʹ, 6ʹʹ, в которой выполнено сквозное отверстие 6ʹa, 6ʹʹa, причем это сквозное отверстие 6ʹa, 6ʹʹa является единственным проводящим среду доступом в объем 22ʹ, 22ʹʹ, образованный платой 6ʹ, 6ʹʹ, сенсорным чипом 5ʹ, 5ʹʹ и охватывающим сенсорный чип 5ʹ, 5ʹʹ уплотнительным кольцом 23ʹ, 23ʹʹ, причем к объему 22ʹ, 22ʹʹ обращена первая поверхность 19ʹa, 19ʹʹa мембраны 19ʹ, 19ʹʹ.

Электронный чип 4ʹ, 4ʹʹ приклеен. Электронный чип 4ʹ, 4ʹʹ тоже содержит электронные устройства 20ʹ, 20ʹʹ. Объем 22ʹ, 22ʹʹ герметизирован только платой 6ʹ, 6ʹʹ, сенсорным чипом 5ʹ, 5ʹʹ и уплотнительным кольцом 23ʹ, 23ʹʹ, которое окружает сенсорный чип 5ʹ, 5ʹʹ.

На две разные стороны мембраны 19ʹ, 19ʹʹ действует различное давление p1 и p2. Датчик 2ʹ, 2ʹʹ может измерять перепад давления между этими сторонами, если обе эти стороны герметично отделены друг от друга, а датчик 2ʹ, 2ʹʹ установлен и герметизирован подходящим для этого образом. Это схематично показано пунктирной линией.

Уплотнительное кольцо 23ʹ, 23ʹʹ состоит предпочтительно из заливочной массы, которая может, герметизируя, затекать даже в мелкие зазоры.

На Фиг.6 в прозрачном представлении показано, что контактирующие выступы 18 окружают мембрану 19ʹʹ. Контактирующие выступы 18 должны быть размещены настолько точно, чтобы сенсорный чип 5ʹʹ, соответственно, мембрана 19ʹʹ испытывали равномерное механическое напряжение.

Интерфейс между сенсорным чипом 5, 5ʹ, 5ʹʹ и электронным чипом 4, 4ʹ, 4ʹʹ может находиться в функциональном объеме 3.

1. Датчик (2, 2', 2'') для измерения перепадов давления, содержащий электронный чип (4, 4', 4'') и сенсорный чип (5, 5', 5''), находящиеся внутри функционального объема (3), который имеет длину максимум 4-5 мм, ширину максимум 2-3 мм и высоту максимум 0,5-0,8 мм, причем сенсорный чип 5, 5', 5'') выполнен с возможностью измерения перепада давления в диапазоне 10-500 Пa.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что внутри функционального объема (3) расположены несколько электронных чипов (4, 4', 4'') и/или несколько сенсорных чипов (5, 5', 5'').

3. Датчик по п.1 или 2, отличающийся тем, что электронный чип (4, 4', 4'') имеет несколько аналоговых и/или цифровых интерфейсов для оценки различных сенсорных чипов.

4. Датчик по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что с помощью электронного чипа (4, 4', 4'') и/или сенсорного чипа (5, 5', 5'') обеспечивается беспроводная передача энергии и/или данных через радиоинтерфейс или через не использующее разъемы соединение контактов.

5. Датчик по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что сенсорный чип (5, 5', 5'') с преобразовательным элементом (10, 10', 10'') и/или сенсорный чип (5) с преобразовательным элементом (10) и фронт-эндом (11) для датчика в своей совокупности выполнены с использованием 180 нм КМОП-технологии.

6. Датчик по предыдущему пункту, отличающийся тем, что преобразовательный элемент (10) выполнен в виде транзистора или резистора на кремниевой мембране.

7. Датчик по п.1, отличающийся тем, что сенсорный чип (5, 5', 5'') имеет разрешение в 5 Пa.

8. Датчик по п.1, отличающийся тем, что сенсорный чип (5, 5', 5'') имеет разрешение в диапазоне от 1 Пa до менее 5 Пa.

9. Датчик по п.1, отличающийся тем, что сенсорный чип (5, 5', 5'') имеет разрешение в диапазоне от более 5 Пa до 10 Пa.

10. Датчик по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что электронный чип (4, 4', 4'') и сенсорный чип (5, 5', 5'') расположены рядом друг с другом на плате (6, 6', 6'').

11. Датчик по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что электронный чип (4, 4') и сенсорный чип (5, 5') электрически соединены друг с другом посредством гибких металлических проволочных выводов (17).

12. Датчик по любому из пп.1-10, отличающийся тем, что электронный чип (4'') и сенсорный чип (5'') электрически соединены друг с другом посредством соединения «методом перевернутого кристалла» с применением контактирующих выступов (18).

13. Датчик по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что сенсорный чип (5, 5', 5'') содержит мембрану (19', 19'') и электронные устройства (20', 20'').

14. Датчик по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что сенсорный чип (5', 5'') содержит кремниевую подложку (21', 21''), в которой травлением образована мембрана (19', 19''), которая свободна от электронных устройств и/или оксидных слоев до преобразовательных элементов (10', 10'').

15. Датчик по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что электронный чип (4, 4', 4'') и сенсорный чип (5, 5', 5'') расположены на плате (6, 6', 6''), в которой выполнено сквозное отверстие (6'a, 6''a), причем это сквозное отверстие (6'a, 6''a) является единственным проводящим среду доступом в объем (22', 22''), который образован платой (6, 6', 6''), сенсорным чипом (5, 5', 5'') и окружающим сенсорный чип (5, 5', 5'') уплотнительным кольцом (23', 23''), причем к объему (22', 22'') обращена первая поверхность (19'a, 19''a) мембраны (19', 19'').