CN108291844A - 数字传感器 - Google Patents

Abstract

混合电子感测部件包括附接至模拟电路的集成电路，在该模拟电路中集成有至少一个感测元件。混合感测部件响应于其环境条件的可量化变化而提供数字形式的输出。感测功能与数据处理分开，这减小了由于处理器中的功耗而导致的自发热的影响。

Description

数字传感器

背景技术

本发明涉及环境感测装置和制造这种装置的方法。

特别地，本发明涉及复合电子部件，该复合电子部件通过其子部件中之一的电阻的变化来监测环境条件的变化，并且将数字形式的环境条件的值传送给外部电子电路。特别感兴趣的是对温度的监测和传送，这在跨所有市场领域——从易腐货物的运输和存储到工业过程监测和医疗保健——的生活各方面中具有巨大的需求。

具有数字输出的温度传感器通常被称为“芯片上传感器”，其在本领域中是公知的，并且可作为单个集成电路使用或被集成到较大集成电路例如微处理器中。通常这种传感器的主要功能是监测微处理器的内部温度。通常，该类型的这种内部传感器包括具有高电导率的小半导体结，该电导率取决于结处的温度。当用于确定外部体或外部环境的温度时，本领域已知的数字传感器不合乎需要。

芯片上传感器存在的一个问题是：通过结的高电流密度导致强烈的局部自发热，由于远离结的不良热传导，局部自发热加剧。这导致错误地确定温度显著高于被监测对象的实际温度。

影响数字温度传感器的响应的其他因素是数字温度传感器相对于其物理尺寸特别是其接触面积的较高热质量以及与被监测的对象的热耦合。

经由电测量确定温度的优选方法是使用其电阻随温度变化的部件例如热敏电阻。印刷热敏电阻可以被制造成具有高电阻，通常超过1MΩ或者甚至高达数百MΩ，这导致通过装置的电流非常低，并且因此功耗非常低，并且实际上不会自发热。使用印刷热敏电阻的另外的优点是：当在薄基板上印刷时，其热质量相对于其面积较低，并且可以实现较大面积良好的热耦合。因此，更快的响应时间和更精确的测量是可能的。

然而，例如对于许多应用而言，数字温度传感器是优选的，因为与传统模拟部件例如热敏电阻相比，数字温度传感器的使用容易并且方便。特别的优点是，以诸如摄氏或华氏的单位直接输出温度的校准数字值，这对用户是有意义的。

因此，本发明的目的是产生用于监测诸如温度的环境条件并且报告结果的电子部件，该电子部件具有提供所监测条件的校准数字值的所有优点以及印刷热敏电阻的技术优点。相同结构适用于可以应用电阻传感器的任何其他环境监测，例如湿度或压力。

发明内容

根据本发明的一方面，响应于环境条件的可量化变化而提供数字形式的输出的电子感测部件包括模拟电路以及至少一个集成电路，在该模拟电路中集成有：至少一个感测元件，所述至少一个感测元件的电阻相对于环境条件的变化而改变；至少一个其他电阻器，所述至少一个其他电阻器的电阻随着环境条件的变化而保持恒定，所述模拟电路以及至少一个集成电路被连接成使得当跨模拟电路施加电位差时，向集成电路的输入端子施加两个电位，由此在集成电路的输出端子中的一个或更多个处生成独特的数字信号，其中独特的数字信号与被测量的环境条件的变化对应，所述两个电位中的一个与要测量的环境条件对应并且另一个与参考值对应。

在本发明的一些实施方式中，感测元件是负温度系数热敏电阻，该负温度系数热敏电阻的电阻随着其温度增加而减小。

优选地，通过印刷来制造至少热敏电阻和模拟电路中的互连。

在本发明的一些实施方式中，两个恒定值的电阻器与感测元件串联连接，以使得施加至集成电路的输入端的两个电位分别是跨恒定值的电阻器中的一个电阻器的电位差以及跨所述恒定值的电阻器和感测元件的电位差。

在本发明的一些实施方式中，将电位施加至独立的模数转换器，或者通过多路复用器将电位施加至单个模数转换器。

在本发明的一些实施方式中，集成电路包括微控制器或微处理器，所述微控制器或微处理器在其输出端子中的一个或更多个处提供数字值之前对数据执行附加计算。

在本发明的一些实施方式中，通过串行接口提供数字输出。

在本发明的一些实施方式中，通过同时使用多个输出端子的并行接口来提供数字输出。

在一些实施方式中，一个集成电路的输出连接至包括非易失性存储器的第二集成电路。

在本发明的一些实施方式中，微控制器连接至无线收发器集成电路或与无线收发器集成电路集成，并且天线被集成到模拟电路中或连接至模拟电路。

附图说明

现在将参照附图仅通过示例的方式更详细地描述本发明，在附图中：

图1是本发明的混合电子数字传感器的第一实施方式的示意图，该混合电子数字传感器包括具有集成电阻式传感器的模拟电子电路，该模拟电子电路被制造在附接有数字电子集成电路的基板上；

图2是本发明的混合电子传感器的第二实施方式的示意图，该混合电子传感器可以通过添加数字非易失性存储器和可再充电电池而自主地运行外部电子电路；

图3是包括混合电子传感器的无线感测系统的示意图，该混合电子传感器的模拟部分与天线集成在同一基板上并且无线收发器被附接至该混合电子传感器以用于外部通信；以及

图4是根据本发明的实施方式制造的混合数字电子温度传感器的照片。

具体实施方式

简言之，本发明是芯片上“传感器构思”的倒置，以产生具有相同功能但是性能比现有技术更好的“传感器上芯片”。这样的装置必须是混合电子感测部件，其中集成电路附接至模拟电路，该模拟电路集成有至少一个感测元件。混合感测部件响应于其环境条件的可量化变化，提供数字形式的输出。

然而，在功能上，感测与数据处理是分开的，这减少了由于处理器中的功耗而导致的自发热的影响。复合部件内部的这两种功能的这种分离还使得传感器能够被设计成具有适合于特定应用的形式和性能。感测元件的电阻相对于例如温度的环境变化而改变。电阻不能被直接测量，因此感测元件与电阻随着环境变化保持恒定的至少有一个其他电阻器一起被集成在部件的模拟部分中。它们被连接成使得当在模拟电路施加电位差时，将两个电位施加至集成电路的输入端，这两个电位中的一个与要测量的条件对应并且另一个与参考值对应。

集成电路生成与两个电位的组合对应并且因此与被监测的环境条件对应的独特数字信号。该独特的数字信号可以像两个电位的比值的数值一样简单，或者可以是应用复杂校准功能以产生具有合适单位的有意义量的结果，例如以摄氏为单位的温度、以牛顿为单位的力或以％为单位的相对湿度。

转向本发明的所示实施方式，在附图1中示出的第一实施方式中，模拟感测电路1被制造在基板2上。基板可以是片材材料或者基板可以形成要感测其环境的对象的本体部分。

在基板由片材材料形成的情况下，片材可以是刚性或柔性的，并且可以是固体膜、可以为织造或非织造的纤维材料，或者是这些材料的组合的复合物。合适的固体膜包括：聚合物，例如但不限于聚对苯二甲酸乙二醇酯(通常称为PET或聚酯)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰亚胺(PI、Kapton、Vespel)；金属箔，包括但不限于铝、铁、铜及其合金；通常被称为玻璃的无定形氧化物和硅酸盐；单晶和多晶半导体材料例如硅；以及烧结陶瓷材料。纤维材料是通常被称为以下各者的那些：纸，包括但不限于植物来源的纤维素纤维，合成聚合物纤维例如聚酯、聚酰胺、聚酰亚胺，以及玻璃和陶瓷纤维；以及包括动物或植物来源的天然纤维、合成聚合物纤维以及玻璃或陶瓷纤维的织造或非织造织物，包括但不限于纤维素、角蛋白、聚酯、聚酰亚胺、聚酰胺和芳族聚酰胺。

复合材料可以包括纤维复合物，其包括例如用固化的聚合树脂增强的织造或非织造织物或填充有纤维或颗粒填充材料的聚合物。替选地，复合材料可以由如上所述的不同片材材料的层形成，其取向可以平行于基板表面、垂直于基板表面或以任何其它角度倾斜于表面。通常，如本领域所公知的，采用后一种结构来改变片材材料的机械性能，例如增加刚度或强度，而平行于表面的层对准最经常被用于呈现不同材料的表面。这样的示例包括但不限于：在发明的制造期间为了改善沉积的材料例如油墨和粘合剂的粘附性而施加至金属片材的导电表面上的绝缘层或施加至聚合物膜的表面涂层。

基板形成对象的本体部分的实例的示例将是集成到仪器的壳体或箱体中的传感器系统的示例。可替选地，这样的系统可以被集成作为较大电子电路的部分，在这种情况下，基板将是该装置的电路板。

优选地，通过通常被电子制造、图形和媒体以及通信行业中的从业者描述为印刷的以下方法中的一个来制造模拟电路1，所述方法包括但不限于：丝网印刷、凹版印刷、移印、柔版印刷、凸版印刷、平版胶印刷、喷墨印刷和气溶胶喷射印刷。可替选地，可以通过上述行业中已知的其他涂覆和沉积技术来制造电路的一些或全部部分，包括但不限于使用光刻、压印光刻或类似技术，以结合沉积技术例如化学气相沉积、物理气相沉积、旋转涂覆，刮刀涂覆或狭缝模具涂覆来产生掩模。

模拟电路包括形成内部电路连接的导体3的图案，其通常被称为互连或布线。导体的图案包括连接焊盘4，用于安装和连接各个部件，所述各个部件包括集成电路5中的部件以及形成整个部件的一部分的任何附加电子部件例如电阻器、电容器、二极管等。导体的图案还包括附加的连接焊盘6，该焊盘6用作外部连接或部件的端子，例如用于供应电力和传输数据。

本发明的重要方面是，电阻式传感器元件7被集成到模拟电路1中。在本发明的意义上，术语集成意味着使用相同的制造工艺来将传感器7制造在与导体3的图案相同的基板2上，其中，至少一个制造步骤对于制造导电图案3和传感器元件7二者而言是共有的。将传感器元件7描述为电阻式的意味着其电阻相对于其直接环境的变化而变化。在优选实施方式中，传感器元件7用作负温度系数(NTC)热敏电阻，NTC热敏电阻的电阻随着温度增加而减小。优选地，如美国专利第9,029,180号中所描述的，通过将硅墨印刷在导电图案上来产生该传感器7，该专利通过引用并入本文。不受限制地，集成负温度系数热敏电阻可以由以下各者来替换：正温度系数热敏电阻，其电阻随着温度的增加而增加；或者金属膜电阻器例如铂，该金属膜电阻器用作其电阻随着温度的增加而线性增加的RTD(电阻式温度装置)。可以以相同方式结合的其他传感器元件包括但不限于：湿度传感器或化学传感器，其分别由在水分或特定目标化学品存在时电导率变化的材料制造；以及压力传感器或应力传感器，其由压阻式材料制造。

此外，模拟电路1包括至少第二电阻器8，并且优选地包括第三电阻器9。电阻器8和电阻器9的电阻不随感测到的环境变化而强烈地变化，就该意义而言它们固定的或恒定的。例如，如果传感器元件7是NTC热敏电阻，则电阻器8和电阻器9应当基本上与温度无关。如果电阻器8或电阻器9的电阻对环境条件的变化具有较弱的依赖性，则优选地该变化与传感器元件7的电阻变化相反。例如，如果传感器元件7是NTC热敏电阻，基本上与温度无关的电阻器8和电阻器9可以具有较弱的正温度系数的电阻，即它们的电阻可以随着温度的增加而略微增加，但是这种变化应明显更小，优选为至少比传感器元件7的数量级小的数量级。

优选地，电阻器8和电阻器9也以与传感器元件7相同的方式被集成到模拟电路1中。例如，如美国专利第9,029,180号所描述的，如果传感器元件7被印刷，则可以使用合适的电阻器墨组合物以类似的方式印刷电阻器8和电阻器9。可替选地，电阻器8和电阻器9中的一个或更多个可以被供应作为附加部件，该附加部件附接至模拟电路1中的接触焊盘并且经由接触焊盘连接。

当经由外部连接6向模拟电路1施加电位差或电压或者电流通过模拟电路1时，经由导电图案3和连接焊盘4向集成电路5的输入端子10施加两个或更多个电位。这些电位中的一个电位对应于要确定的测量条件例如温度，并且第二个电位对应于内部参考值，例如跨传感器和一个或更多个电阻器施加的总电位差。集成电路可以在向其输出端子11中的一个或更多个供应独特数字信号之前，在内部执行各种动作，该数字信号与施加至集成电路的输入端子的两个或更多个电位的组合明确对应。

在优选实施方式中，集成电路5是具有至少两个模拟输入端的微控制器或微处理器。这些输入端可以在内部连接至独立的模数转换器(ADC)通道，也可以复用到单个ADC。可替选地，附加集成电路可以附接至模拟电路作为微处理器或微控制器的输入级。作为示例，一个或更多个独立ADC可以连接至数字输入端，或者多路复用器可以用作单个模拟输入端的输入级。可能还希望将独立的多路复用器和单个ADC组合在一起作为微控制器或微处理器的数字输入的输入级。

也可能，但不希望只使用多路复用器和ADC，以便将ADC的数字输出端连接至输出端子。然而，该实施方式不是优选的，因为微控制器的使用为整个部件提供了附加功能。该功能由对传感器数据执行附加计算以提供校准数值的能力提供。这可以与计算施加至模拟输入端子的电位的比率一样简单，或者可以应用校准功能来估计实际值或被监测的环境条件的变化。例如，在温度传感器的情况下，可以以选定的温度标度例如摄氏或华氏输出实际温度。

在优选实施方式中，由集成电路计算和输出的值通过一个或更多个输出端子以串行格式传输。可以使用任何工业标准协议，包括但不限于SPI、I²C、UART、一线、两线或三线。在另一优选实施方式中，可以同时使用多个输出端子以并行格式来传输数值，其中一个端子对应于一位信息，其中信息可以包括控制字符和文本标签以及数值。

在附图2中示出的另一优选实施方式中，包括非易失性存储器的附加集成电路12附接至基板2。集成电路12连接至集成电路5的一个或更多个数字输入/输出端子，以形成整个电路的数字部分，集成电路5优选为微控制器或微处理器。优选地，两个集成电路之间的连接被集成到用于电路的模拟部分的导电图案3中。两个集成电路的数字输入/输出端子之间的连接可以利于使用串行数据格式或并行数据格式以与类似的方式向外部连接进行数据传输。

内部电池(或电池单元)13也可以附接在用于从外部电源供电的外部连接的两端，以允许传感器和微控制器自主地运行任何外部连接。以这种方式，该部件可以用作数据记录器以及传感器。理想地，电池13是可充电电池，但是同样可以应用电解电容器、超级电容器、主电池、光伏电池或任何其他电位源。

以上实施方式中的任何一个的混合电子传感器可以通过外部数据和电力连接6连接至另外的电子电路，以形成完整的感测系统。例如，如附图3所示，集成电路5可以使用串行或并行数据协议向无线收发器14传送其数据。天线15和至收发器的电力连接还可以集成到由同一基板2上的导电图案3形成的模拟传感器电路1中。如果还包括可再充电电池13，则可以从辐射场收集能量，以提供用于传感器和集成电路的电力。

参考以下非限制性示例进一步说明本发明。

示例1

图4示出了根据图1中示出的第一实施方式构造的混合电子数字温度传感器的照片。整个部件被组装到用作基板2的总厚度约为0.25mm的层压PET片材上。通过使用基于银的墨的丝网印刷来沉积导电图案3，该导电图案3包括互连、连接焊盘4和外部端子61至外部端子66，以及基本上与温度无关的电阻器8和电阻器9及NTC热敏电阻7的内部电极结构。许多合适的组合物是容易获得的，例如在本文呈现的示例中使用的DuPont 5000银导体。

本示例中使用的集成电路5是SOP-8封装的8位微控制器，该8位微控制器具有与SOIC-8封装相同的占位面积。在该示例中，微控制器是来自Atmel公司的ATTiny85。使用导电粘合剂将集成电路附接至连接焊盘4。外部连接通过如下六个端子61至端子66实现：负电源电压或公共零点V_CC 61；V_SS正电源电压62，其不可以超过微控制器的规格；串行数字传输Tx 63；串行数字接收Rx 64；以及芯片选择65。附加端子66被提供用于在开发期间进行板上编程，并且提供芯片复位功能。也可以应用作为主出/从入(MOSI)、主入/从出(MISO)以及外部时钟的端子63至端子65的替选配置。

如美国专利9,029,180和PCT公开WO2013114289所描述的，NTC热敏电阻7以及基本上与温度无关的电阻器8和电阻器9两者通过丝网印刷直接制造在印刷的银图案上，这两个专利也通过引用并入本文。如图1所示，这三个电阻彼此串联连接并且具有与微控制器相同的电源。热敏电阻和每个电阻器之间的交叉点通过导电图案3经由连接焊盘4连接至微控制器10的两个输入端，该微控制器10被配置为10位ADC。因此，微控制器的输入包括对电阻器9两端的电位差以及电阻器9和热敏电阻7两端的组合电位差一起的独立测量。这两个电位的比率提供了对传感器所经历的温度的独特测量。使用存储在微控制器中的校准函数，将该比率转换为适当标度的温度数值。

Claims (10)

1.一种电子感测部件，其响应于环境条件的可量化变化而提供数字形式的输出，所述电子感测部件包括模拟电路以及至少一个集成电路，在所述模拟电路中集成有：至少一个感测元件，所述至少一个感测元件的电阻相对于所述环境条件的变化而改变；至少一个其他电阻器，所述至少一个其他电阻器的电阻随着所述环境条件的变化而保持恒定，所述模拟电路以及至少一个集成电路被连接成使得当跨所述模拟电路施加电位差时，向集成电路的输入端子施加两个电位，由此在所述集成电路的输出端子中的一个或更多个处生成独特的数字信号，其中所述独特的数字信号与被测量的环境条件的变化对应，所述两个电位中的一个与要测量的环境条件对应并且另一个与参考值对应。

2.根据权利要求1所述的电子感测部件，其中，所述感测元件是负温度系数热敏电阻，所述负温度系数热敏电阻的电阻随着其温度增加而减小。

3.根据权利要求2所述的电子感测部件，其中，通过印刷来制造至少所述热敏电阻和所述模拟电路中的互连。

4.根据权利要求1或2所述的电子感测部件，其中，两个恒定值的电阻器与所述感测元件串联连接，以使得施加至所述集成电路的输入端的两个电位分别是跨所述恒定值的电阻器中的一个电阻器的电位差以及跨所述恒定值的电阻器和所述感测元件的电位差。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的电子部件，其中，将所述电位施加至独立的模数转换器，或者通过多路复用器将所述电位施加至单个模数转换器。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的电子部件，其中，所述集成电路包括微控制器或微处理器，所述微控制器或微处理器在其输出端子中的一个或更多个处提供数字值之前对数据执行附加计算。

7.根据权利要求6所述的电子部件，其中，通过串行接口提供数字输出。

8.根据权利要求6所述的电子部件，其中，通过同时使用多个输出端子的并行接口来提供数字输出。

9.根据权利要求7或8所述的电子部件，其中，一个集成电路的输出连接至包括非易失性存储器的第二集成电路。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的电子部件，其中，所述微控制器连接至无线收发器集成电路或与所述无线收发器集成电路集成，并且天线被集成到所述模拟电路中或连接至所述模拟电路。