CN109315065A - 用于电路监测的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于监测电子设备的环境特性的系统和方法。电子设备可以包括印刷电路板(100)和部件。传感器(140)放置在印刷电路板(100)上，并且可以在该部件和板(100)之间，并且连接到监测器(160)或检测器(160)。终端用户设备(170)可用于存储、评估、显示和理解通过监测器(160)从传感器(140)接收的数据。

Description

用于电路监测的系统和方法
背景技术
包括半导体和硬盘驱动器的电子设备需要极高的性能水平。即使质量或环境条件的稍有下降，也可能导致严重的操作差异。电子设备运行和制造的环境条件可能变化很大。为了适当地利用工具(诸如电子装置)，可靠的测量和数据对于某些领域(例如医学领域)可能是至关重要的。
发明内容
[在完成权利要求后，将完成本发明的该部分]。
附图说明
图1示出了从芯片的底视图看的电路上的监测器。
图2示出了从芯片的顶侧看的电路上的监测器。
图3示出了板载化学传感器。
图4示出了印刷电路板上的离子选择性电极。
图5示出了板载气体传感器。
图6示出了片上气体传感器。
图7a示出了阻抗感测配置。
图7b示出了阻抗感测配置的典型使用。
图8a示出了电容感测配置。
图8b示出了电容感测配置的典型使用。
图9a示出了电压感测配置。
图9b示出了电压感测配置的典型使用。
图10a示出了压力感测配置。
图10b示出了压力感测配置的典型使用。
图11a示出了湿度感测配置。
图11b示出了湿度感测配置的典型使用。
图12a示出了加速度计配置。
图12b示出了加速度计配置的典型使用。
图13a示出了应变计感测配置。
图13b示出了应变计感测配置的典型。
图14a示出了温度感测配置。
图14b示出了温度感测配置的典型使用。
图15a示出了辐射感测配置。
图15b示出了辐射感测配置的典型使用。
图16a示出了磁场感测配置。
图16b示出了磁场感测配置的典型使用。
具体实施方式
电子电路组件的监测可以防止不合时宜的故障。本发明的实施方式包括用于实时监测电特性变化的方法和装置，这些变化可能是由于在生产期间电路组件的污染，这可能导致故障。当电路处于最终使用环境中时，诸如当电路处于现场时，也可以执行该监测。现场环境可以是任何环境(诸如室外环境、室内环境或内部(诸如人体内部)环境)。在电路用于人体内部的示例中，本发明可以是电子健康监测器，该电子健康监测器监测可能导致故障状况的污染的潜在关键电路和硬件。监测可能导致用户警报或向操作员或维修技术人员发出警报。作为警报的结果，可以由这些技术人员执行纠正动作，或者在电子健康监测器的情况下由医生执行纠正动作。
在考虑实时监测和评估对部件的影响的同时，还可以考虑如下所述的监测器或检测器或终端使用设备、来自传感器的日期/时间戳数据，以便环境的变化或与环境相关的特性的变化与事件相关联。
本发明的实施方式提供对集成电路、其它电子设备(包括传感器)、计算设备和辅助支持电子设备的监测。例如，电子设备的特性被实时监测，并且可以用于通知决策制定元件关于任何相关风险和任何相关可靠性，因为监测可能涉及可能的故障模式。与可靠性相关的其它模式(诸如性能受到影响的模式或其它测量或受影响的但不一定导致失败的模式)可能会受到影响。例如，它可能是导致劣化或故障的化学污染。
虽然存在许多非电化学故障模式，但是出于该实施方式的目的，电化学模式是由任何化学物质或其它污染物对电路的影响引起的定义模式。可以通过感测设备(诸如集成电路)的电特性的变化来测量这种污染的影响。为了获得高可靠性，应当从所讨论的设备中清除会对该设备产生负面影响的污染物，诸如离子污染或会引起腐蚀或不期望的电化学反应的污染。在该上下文内的清洁可以被定义为电路板上没有污染。污染可以在板载部件下面，并可能导致设备故障或劣化。特别地，清洁是指板上不存在离子物质或电化学活性物质。应理解，清洁不限于任何特定来源或化学特性。更确切的说，污染或物理缺陷涉及利用特别注重的电气冲击(诸如漏电流、介电损耗、寄生电容)、以及通过电化学冲击(例如电偶腐蚀、树枝状生长和电化学迁移)影响电路的那些污染或物理缺陷。本发明的实施方式可以在能够收集数据并将该数据操纵到决策点的板上、或组件传感器或设备或系统上提供。收集设备或设备子系统可靠性数据的能力可以减少停机时间或可以致使挽救生命的决策或动作。本发明的实施方式提供了一种设备和系统，其能够监测电子资产的电气性能，以防止其工作环境的变化(特别是板的清洁度或物理完整性)以及板上和部件下的随时间的变化。
污染的位置以及污染的类型也可以是重要的。汇集在部件下的残留物可能仍然实际上是活性的和离子的。焊剂类型、放置、清洗特性、焊膏量、PCB清洁度和部件类型污染可能会影响污染袋。因此，可以看出清洁度和污染是“多变量”问题。
还可能存在各种各样的污染源。污染源可能包括部件上的制造残留物，PCB上的电镀盐和未固化的焊接掩模、助焊剂残留物、人体诱导溶剂体油和有机物的物料处理、加工装置、清洁机器效率、独特的非标准工艺和军事、修补和返工操作。可能还有其它污染源或未列出的原因。本发明的实施方式不限于任何特定的污染或原因，或污染或原因的列表。本领域技术人员能够理解各种各样的污染和原因以及可能存在其它未知的污染或原因。例如，任何和所有污染或原因都可能由于间歇性连接、腐蚀、电气短路或电弧放电而导致问题或劣化。这些效果可能会对设备功能和终端用户要求产生负面影响。在某些情况下，这些效果可能危及国家安全或使人们的生命处于危险之中。即使是对生命不重要或与国家安全不相关的产品，终端用户通常不会容忍不间断的服务。当产品不能提供长期可靠性时，业务可能会丢失。
如上所述，对电子设备(诸如印刷电路板(printed Circuit board，PCB))的污染是包含电子设备的整个组件或产品的可靠性的关注点。虽然许多消费电子应用可能不关心电子产品的可靠性，特别是长期可靠性，但在许多行业中(诸如军事行业、医疗行业、资本设备行业、航空航天行业、工业行业和石油勘探行业)，电子产品的故障被认为是不可接受的，并且成本极高。这主要是由于生命损失事故的风险，或设备不可操作的昂贵或漫长的时期导致巨大的意外成本，或者在航空航天应用中，诸如修复故障电子设备的卫星不在选项里。此外，电子设备的污染的知识可以允许电子设备的制造商或物品的销售者基于产品的预期寿命做出商业决策。
可以具有可用于收集关于不同污染物或电参数变化的数据许多传感器。可以在板上或在电路上与本发明一起使用的传感器的示例包括：电特性传感器(电阻特性传感器、电流特性传感器、电压特性传感器、阻抗特性传感器、电抗特性传感器、介电常数特性传感器和射频特性传感器)，环境/气象传感器(温度传感器、气压传感器、湿度传感器、光传感器、气流传感器、冷凝传感器)，化学传感器(离子选择性电极、恒电位电池、电化学电池、伏安法场效应晶体管、化学选择性场效应晶体管、电化学传感器)，气体传感器，和物理传感器(应力传感器、应变传感器、压力传感器)。
电阻传感器可以在板上或在电路上，并且允许测量两个电极之间的电阻。根据测量的电阻，可以在部件下方或板表面上评估污染物的存在。
电容传感器可以在板上或在电路上，并且允许测量两个电极之间的电容。根据测量的电容，可以评估部件下方或板表面上污染物的存在。例如，在许多部件类型和电路类型中，电容必须相对较低才能正常工作。超过某一阈值的电容测量值可以表明存在污染物。
阻抗传感器可以在板上或在电路上，并且可以提供电阻和电容的组合的指示。结合频域可以提供对电路板上或部件下方污染物的存在的更详细的评估。例如，在高速电子设备和射频电子设备的情况下，这可以是有用的。
电压传感器可以在板上或在电路上，并且允许测量电极之间的电压泄漏。根据发现的电压泄漏，可以在部件下方或板上评估污染物的存在。
电流传感器可以在板上或在电路上，并且允许使用热敏电阻或电极之间的其它类型的温度传感器来测量温度。在板上或在部件下方确定的温度可以帮助确定半导体(诸如二极管、晶体管和更复杂的集成电路(integrated circuit，IC))的寿命。监测部件下方的变化允许根据随时间的温度变化来分析IC老化。
湿度传感器可以在板上或在电路上，并且允许测量由电极测量的湿度。湿度感测可以帮助评估吸湿可能性，因为其可以涉及器件下方或板上的离子的激活和移动。
化学传感器可以在板上或在电路上，并且可以允许一个或多个化学类型传感器。化学传感器允许化学物质的高度选择性监测(诸如免疫测定)，或响应许多不同的电化学活性物质的非选择性技术(诸如氧化还原电位(Oxidation Reduction Potential，ORP)电极)。一些化学传感器可能能够小型化，以便它们可以放置在部件下方、不使用试剂且因此消除维护，它们是固态或使用凝胶材料以避免污染电路，或者它们可以输出容易转换成电子信号的信号。化学传感器包括但不限于离子选择电极(ion select electrode，ISE)，该离子选择电极包括pH电极、库仑法场效应晶体管、电位法场效应晶体管、伏安法场效应晶体管、电流分析法场效应晶体管和化学选择性场效应晶体管。设备所处的特定环境可以确定用于监测的特定化学传感器类型以及监测的化学物质。例如，如果待监测的电子设备处于流体环境中，该流体环境的特定pH水平可能导致对设备的过度腐蚀，则可以使用pH电极并且会挑选存在于被监测设备的潜在问题。电子组件将检测局部环境的变化，并且变化可以与电子设备的可靠性相关联。例如，可以将关联记录为对设备的累积损坏，并使用精算类型表来确定预计寿命。
气体传感器可以在板上或在电路上，并且允许检测部件下方的气体流入，该气体可以直接劣化组件或者可以允许发生会导致进一步的劣化或故障的电化学反应。这种气体的示例是酸性气体、碱性气体、含硫性气体或腐蚀性气体。
辐射传感器可以在板上或在电路上，并且允许测量辐射。这种辐射可以是α、β、γ或X射线辐射。根据发现的放射性测量的量，可以评估辐射的影响。作为在电路组件上分配离散传感器的替代方案，辐射传感器可以放置在辐射敏感的特定部件(诸如存储器和微处理器)下方。这将允许确定对特定部件的辐射暴露。
物理传感器可以在板上或在电路上，并且允许测量特定部件处的物理应力(例如应力、应变和压力)。物理感测为电子设备提供可靠性评估，因为它能够识别部件上的应力或应变变化。物理感测允许评估物理损坏、滥用、温度变化、甚至导致与劣化或故障相关的操作条件的变化的电化学过程。
传感器可以在板上或在部件上或在部件下方，并且取决于期望的用途可以是有线的或无线的。传感器使用方式和位置的多样性允许许多不同的应用和环境情境。
传感器可以提供原始数据流，该原始数据流可以通过各种不同的电子设备或其它设备被操纵成有用的数据。这些设备包括但不限于微处理器、模数转换器和本领域技术人员已知的其它公知设备。
在本发明的实施方式中，用作传感器的导电迹线可以优选地位于部件之下或部件上。迹线可以连接到监测电路。然后，监测电路可用于向操作员或系统功能部件警告潜在的设备功能劣化或故障。
本发明的实施方式可以使用导电材料或迹线作为传感器和电路来监测电子组件的关键区域的某些电特性。如上所述，可以监测的电特性包括但不限于：电阻、电容、电感、电压、电流、介电常数和/或温度。温度虽然是气象概念，但由于它可以通过电学方法(诸如通过使用热敏电阻)测量，因此被列为电气特性。本领域技术人员会认识到，热敏电阻可以基于温度改变电阻。热电偶还可以通过监测电压变化来测量温度。应理解，温度是关于可以在电路板上使用的晶体管、二极管、IC和其它电子部件的寿命的有用预测器。
上面提到的所有传感器以及其它传感器可以用于从传感器到微处理器或计算系统且然后到终端设备的数据采集。也可以使用不同类型传感器的组合。
传感器通常需要某种电源。能量源可以在板(诸如电源层或接地层)上，或者能量源可以是基于电池的源。可以使用能量收集技术，例如光伏或热电能量收集技术。也可以使用本领域技术人员已知的其它技术。
在本发明的实施方式中，监测可以连续地或周期性地完成，这取决于被监测设备的情境和用户可操作选项、或设计选项。
在本发明的实施方式中，迹线可以由任何导电材料构成。本领域技术人员能够理解电子制造过程中使用的常用材料。这些材料可包括例如铜、银、金、镍、铝、钯或金属合金。也可以使用其它导电材料。取决于用于包含本发明实施方式的产品的预期环境，可优选不同的导电金属。例如，耐腐蚀的金属或合金可以优于铜的是较低价格点以及在腐蚀性环境中的立即可用性。如本领域技术人员能够理解的，铜在氯离子存在下经受快速腐蚀，但金不会。在这样的环境中，优选金，使得迹线不会受到与被监测装置相同的腐蚀作用。迹线材料的腐蚀可能以被感测产品被改变的相同方式改变电气特性。本领域技术人员能够理解用于预期大气的优选材料。
从优选实施方式的该描述中可以理解，对导电迹线的预期方式没有限制。如上所述，本发明的实施方式可以在电路板上或在电路上。由本发明的实施方式采用的迹线不需要具有任何特定形状或位于任何特定位置。然而，应理解，迹线不应当位于对被监测设备的期望操作产生负面影响的位置。
从对这些实施方式的该描述中可以理解，不希望限制传感器迹线与监测电路的连接。本发明的板上和电路上实现方案都考虑到在部件下方、或者在部件自身的底侧、或者在部件下面的电路板上的实现方案。迹线和监测器之间的连接的示例是电连接，诸如引线、焊料凸块和部件上的焊盘。本领域技术人员能够理解电连接不同物体的各种方法。例如，在集成电路上进行连接的一种方法是在部件和电路板之间使用另外未使用的连接。本领域技术人员能够理解各种部件封装(诸如双列直插封装(Dual Inline Package，DIP)、小外形IC封装(Small Outline IC package，SOIC)、球栅阵列(Ball Grid Array，BGA)封装、栅格阵列(Land Grid Array，LGA)封装、倒装芯片、和其它封装技术)将具有比设备要求更多的到电路板的连接(例如引线、引线键合、焊盘、球、焊点)。通常，这些连接通常是焊接的，但是与部件内的器件和电路板上的焊盘电断开。这些未连接的连接或浮动连接可以由本发明的实施方式使用而不影响部件功能。例如，在本发明的电路上的方法中，传感器迹线可以方便地连接到设备上的这些连接，然后电路板上的相应连接可以连接到监测电路。在本发明的板载实施方式中，这些焊盘可以用作有用的连接点。
在本发明的实施方式中，未使用的连接可以由部件制造商设计以连接到本发明的监测设备。这种实现方案可以考虑板载微处理器可以包含监测电路。这样的实施方式将传感器和监测电路完全保持在部件上，而不是使用其中迹线必须连接到板和附加电路的未修改的部件。
基于所需的电特性，本领域普通技术人员可以设计根据本发明的实施方式的监测电路并且理解本文公开的内容。应理解，测量可以是无源的。无源监测将没有施加到传感器迹线的电压或电流。这种无源监测可以例如在具有导体的热电偶布置的温度测量中完成。在非无源实施方式中，例如，可以将小电压(诸如3.3伏)施加到一对传感器迹线，然后在它们之间测量电流。应理解，这些是实现方案的示例，并且监测电路不因此受到限制。
可以通过本领域技术人员理解的任何技术来制造本发明的实施方式所使用的传感器。用于制造迹线的技术的一些示例是电解沉积、电镀、导电油墨或聚合物、线、箔、平版印刷和光刻。
板上的电气部件的底侧不容易测量。在这些部件的底侧设置迹线允许这种测量。例如，除了上述一种或多种方法之外，光反应性无机盐可以以图案沉积在电路的底侧。沉积的金属可以通过多种方法中的任何一种进行电镀或添加。沉积工艺的一个示例是美国专利8,784,952的沉积工艺，本文实施该专利的教导和公开的所有内容。
如上所述，本发明的实施方式监测部件下方的迹线中的电阻。当存在污染物时，迹线之间的电阻可能会降低，以指示污染物中的离子。这可以作为污染物的指标。如果电阻降低到某个值之下，则可以触发部件下方的电导率可能导致劣化性能或故障的指示。
本发明提供了一种用于及时收集关于电子电路卡中和周围的可靠性的信息和数据的装置、系统和方法。
本发明的实施方式还提供了将来自迹线和监测器的数据发送或传送到用于计算的设备或用于板或电路外部的基于决策的信息通信的设备的能力。所使用的通信系统例如可以是无线(Wi-Fi、蓝牙、蜂窝、近场通信)、有线(串行以太网或并行连接)、光学(诸如光纤或红外)、或通信领域的技术人员所理解的其它通信方法中的一种。所有这些方法可用于从传感器到微处理器或计算系统、然后到终端用户或终端设备的数据采集。应理解，也可以使用通信方法的组合。
数据传输是通用的，并且可以被处理且经由蓝牙连接被传送到终端用户设备，诸如膝上型电脑、智能电话或其它设备。并且终端用户或计算机程序可以进一步处理所传送的信息以确定可接受的或不可接受的产品条件。
可以在板上执行数据处理和信息传送，但是具有到终端用户设备的单独电路。作为示例，使用单独的电路可以用于已经利用具有足够带宽余量的蓝牙收发器以允许附加数据传输的系统。
取决于污染监测环境的情境，可能需要大规模数据存储、操纵和分析。处理后的数据可以产生在集成电路内并传送到终端用户设备以进行进一步的计算和评估。设备可以登录到用作数据存储区域的服务器位置。当设备访问互联网时，可以执行数据的自动上传。这可能对需要远程访问健康记录的环境有用，并且可以是更大的设备网络的一部分。
可以在设备的电路内使用蜂窝收发器。系统可以直接与服务器通信并提交自己的处理数据。这对于需要远程访问健康记录的资产可能很有用，并且可以是更大的设备网络的一部分。这可以消除对系统的物理访问的需求，并允许完全远程的系统监测。应理解，将需要一些对蜂窝信号的访问。
离散电路可用于执行数据处理、存储和数据到存储器的蜂窝传输。这在远程系统中可能很有用，并且已经包含经由蜂窝连接存储和传送数据的部件。
可以使用中央在线数据处理和存储服务器。服务器位置可以执行数据处理任务。这可以允许集成电路经由蜂窝连接提交原始数据。终端用户可以远程可视化数据，并且可以执行与最新研究或情境发展一致的数据操纵，而无需硬件或固件更改。该方法对于难以访问的远程部署资产可以是有用的，并且可以作为网络化系统的一部分存在。
可以在集成电路外部执行板载存储和数据传输。
本发明提供了一种装置、系统和方法，用于及时收集关于电子电路卡组件或系统中和周围的可靠性的信息和数据以确定其可靠性，因为它涉及电化学故障模式或随着时间的推移不利地影响性能的条件。
图1示出了从芯片的底视图看的电路上的监测器。对于图1中所示的示例，漏电流检测器被示出为本发明的实施方式。示出了芯片或板100的底侧。所示的芯片100在QFN之后大致建模。QFN是四方扁平无引脚封装，通常用于表面贴装电子设计。应理解，可以在类似的设计上使用其它类型的传感器，并且可以使用其它类型的电路封装。图1的示例不旨在将本发明限制于任何特定类型的产品或监测。
电源连接器120允许将电力施加到芯片。芯片100还示出了一对导热垫150。在该示例中，导热垫150被示出为分开的。可以存在单个导热垫150。导热垫150允许传热。在芯片100上示出了两个未连接的连接器(non-connected connection，NC)130。NC连接器130未连接到硅片。如其它地方所述，未连接连接件的存在是许多芯片封装中的常见做法。这里示出的实施方式使NC连接器150具有优势。
传感器140被示出连接在NC连接器150之间且连接到NC连接器150。所示的传感器是在芯片100的表面上沉积的金属膜。如上所述，该实施方式示出了沉积在芯片100的底侧的金属膜传感器140。金属膜传感器140可以通过任何适当的方法产生。芯片上的NC焊盘130用于进行电连接。NC焊盘130中的一个NC焊盘将通向检测电路160和地。跨芯片100从一个VCC 120到另一个VCC 120泄漏的任何电流通常将通过NC引脚130，穿过传感器向下流到板100并且到达检测器电路160。然后，示出的检测电路以在其它处所述的适当方式与用于评估和估计的终端使用设备170连接。
可以在检测电路160或终端使用设备170处适当地执行来自传感器140的原始数据的计算和分析。检测电路也可以在板100上。还应理解，出于示例的目的，图1中所示的传感器是电流泄漏检测器的传感器。传感器140可以是任何合适类型的检测器。
图2示出了从芯片顶侧看的电路上的监测器。出于示例的目的，这是与图1中所示的相同的传感器。图2中的虚线元件被示出为表示它们位于板100下方。芯片或板100示出为具有多个连接点110。电源120连接到一对引脚。NC连接器130未连接到硅片。如其它地方所述，未连接的连接器的存在是许多芯片封装中的常见做法。这里示出的实施方式使NC连接器150具有优势。
传感器140被示出连接在NC连接器150之间且连接到NC连接器150。所示的传感器是在芯片100的表面上沉积的金属膜。如上所述，该实施方式示出了沉积在芯片100的底侧的金属膜传感器140。金属膜传感器140可以通过任何适当的方法产生。芯片上的NC焊盘130用于进行电连接。NC焊盘130中的一个NC焊盘将通向检测电路160和地。跨芯片100从一个VCC 120到另一个VCC 120泄漏的任何电流通常将通过NC引脚130，穿过传感器向下流到板100并且到达检测器电路160。然后，示出的检测电路以在其它处所述的适当方式与用于评估和估计的终端使用设备170连接。
板100上的板迹线155经由未连接的连接器130将传感器140连接到检测电路160。板迹线155是通向检测器160和地的标准PCB(印刷电路板)迹线。。在该示例中，检测器160是安培计。然而，应该理解，可以使用能够提供电流泄漏检测的任何电路或检测器。此外，应该理解，任何电路都可以用于在适当的情况下检测任何其它特性。
可以在检测电路160或终端使用设备170处适当地执行来自传感器140的原始数据的计算和分析。检测电路也可以在板100上。还应理解，出于示例的目的，图1中所示的传感器是电流泄漏检测器的传感器。传感器140可以是任何合适类型的检测器。
芯片100还示出了一对导热垫150。在该示例中，导热垫150被示出为分开的。可以存在单个导热垫150。导热垫150允许传热。在芯片100上示出了两个未连接的连接器(non-connected connection，NC)130。
图3示出了板载化学传感器。出于图2中的示例的目的，化学传感器340基于石墨烯场效应晶体管(graphene field effect transistor，GFET)。在一个实施方式中，化学传感器340 GFET是薄且小的芯片，该芯片在其它关键部件被添加到板300上之前附接到该板300。在替选实施方式中。化学传感器340 GFET可以完全集成到板300中。在两个实施方式中，化学传感器340 GFET位于板300上的其它部件下方。多个焊盘310也示出在板300上。焊盘310提供用于将位于传感器340顶上的部件(未示出)的连接点。
通常，GFET能够测量pH并且可缩放以能够适合在板300上的其它部件之下。如本领域技术人员能够知晓的，GFET通常由硅衬底制成。石墨烯是碳(或固体材料)的唯一形式，其中每个原子可从两侧进行化学反应。石墨烯也是零间隙半导体。化学传感器340 GFET由源极341、漏极342和石墨烯栅极345组成。源极341和漏极342示出为引线键合335到电路板300上的焊盘330。如本领域技术人员所理解的，引线键合335到焊盘330可以以常规方式进行。随着基于化学传感的pH变化，电流以可预测的方式变化。可以监测电流。参考电极350连接到化学传感器340 GFET。电极350作为监测器360的一部分或者与监测器360分开(如图所示)来提供监测能力。然后，示出的监测器350以其它地方描述的适当方式与终端使用设备370连接以进行评估和估计。
可以在检测电路160或终端使用设备370处适当地执行来自传感器340的原始数据的计算和分析。检测电路也可以在板300上。还应理解，出于示例的目的，图3中所示的传感器是化学检测器的传感器。可以适当地使用其它化学传感器用于部件和板的预期用途。
图4示出了印刷电路板上的离子选择性电极。示出了板400的底侧。板400具有多个焊盘410，焊盘410焊接或以其它方式附接到板。示出了焊盘410之间的多个电连接。还示出了电极440，其具有到焊盘410的电连接420。电极440是ISE(Ion Selective Electrode，离子选择性电极)。ISE是将溶解在溶液中的特定离子的活性转换为电势的换能器(或传感器)。电压取决于离子活性水平。实质上，ISE 440与和电极相互作用的物质成比例地改变该ISE 440的电压。ISE 440可以是印刷在板400上的小型离子选择性电极丝网。
电连接420示出了到芯片的电连接。这些电连接可以是金属迹线。本领域技术人员能够理解在印刷电路板上提供电连接的各种方法。电连接通向芯片上的焊盘，该焊盘可以连接到板400上的电路以实现ISE测量。焊盘410还可以连接到将信号传送到板400上的迹线的其它焊盘410，该迹线通向用于ISE测量的电路。传感材料445(例如可以是聚合物或无机晶体)通过电连接420向电极440提供传感输入。电极440可以通过任何方法连接到检测电路。本领域技术人员能够理解如何将电极440连接到检测电路。检测电路可以连接到终端使用设备445。应当理解，传感材料445可以是能够感测离子活性的任何材料。
可以在检测电路450或终端使用设备460处适当地执行来自传感器445和电极440的原始数据的计算和分析。检测电路也可以在板400上。还应理解，出于示例的目的，图4中所示的传感器是离子选择性电极的传感器。传感器445可以是任何合适类型的检测器。
图5示出了板载气体传感器。板500具有多个焊盘510。迹线540位于板500上。迹线540可以是镀银的裸露迹线。迹线540可以以常规工艺制造和镀敷。如图所示，迹线540的一部分位于板500的表面上，并且银暴露于环境(在部件下方)。迹线540连接到适当的检测器电路550。可以使检测器电路550能够检测迹线540中的电阻变化或者何时电路处于断开或未连接状态。例如，含硫气体(硫、二氧化硫、硫化氢等)对银非常有腐蚀性。随着银迹线腐蚀，导致迹线540的电阻变化。这是由于腐蚀导致银变成不导电的硫化银(AgS)。迹线540以使得其比板500上的其它银部件更小和更薄的方式电镀到板上。因为迹线540比板500上的其它镀银连接更薄，所以迹线540的故障发生得更快。迹线540的故障提供了板载部件即将劣化或故障的指示。该部件会位于迹线540的顶部上方。
检测器550可以是用于确定迹线540的电阻的任何合适的装置。然后，示出的检测电路550以其它地方描述的适当方式与终端使用设备560连接以用于评估和估计。可以在检测电路550或终端使用设备560处适当地执行来自传感器540的原始数据的计算和分析。此外，应理解，可以根据所涉及的环境的性质利用其它类型的迹线。例如，芯片可以用于具有不同类型的气体的环境，并且特定金属可以关于所述气体特定地腐蚀。本领域技术人员能够理解不同气体对不同金属的腐蚀作用。
图6示出了片上气体传感器。示出的板或芯片600具有多个焊盘610。传感器640放置在板600上。传感器640可以位于板600的底侧或者可以位于部件下方。传感器640通过任何合适的部件连接到检测器650。检测器通过任何合适的部件连接到终端使用设备660。
传感器640是金属氧化物半导体化学电阻器。本领域技术人员能够理解利用这种化学电阻器的气体传感技术。传感器640连接到板上的两个NC焊盘620。传感器640由被半导体金属氧化物642覆盖的两个叉指型电极641组成。各个电极641连接到NC焊盘620中的一个NC焊盘。在图6中，电极641上的交叉影线用于指示电极641上的金属氧化物层642。可以使用任何合适的沉积技术在板600上沉积电极641和金属氧化物641。随着金属氧化物642腐蚀，导电性变化，并且连接到NC焊盘620的检测器650将能够感测到该变化。检测器连接到终端使用设备660。
检测器650可以是用于确定电极641的电特性的任何合适的部件。然后，示出的检测电路650以其它地方描述的适当方式与终端使用设备660连接以进行评估和估计。可以在检测电路650或终端使用设备660处适当地执行来自传感器640的原始数据的计算和分析。此外，应理解，可以根据所涉及的环境的性质使用许多合适类型的金属氧化物642。例如，芯片600可以用于具有不同类型的气体的环境，并且特定金属可以关于所述气体特定地腐蚀。本领域技术人员能够理解不同气体对不同金属的腐蚀作用。
图7a示出了阻抗感测配置。板700示出为具有部件上的传感器710、电源部720、数据传输部730、数据处理部740和外部传感器750。外部传感器760可以是板700上的传感器。因此，图7示出了两种替选方案，即板载传感器和部件上的传感器。应理解，可以单独使用板载传感器，可以单独使用部件上的传感器，或者可以组合使用两种传感器。部件上的传感器710和板载传感器760可各自包括两个叉指型电极。两个叉指型电极提供阻抗感测机制。传感器向检测器(未示出-但类似于图1-图6)提供信息，然后检测器可以向终端使用设备(未示出-但类似于图1-图6)提供信息。
图7b示出了阻抗感测配置的典型使用。板700示出为具有部件微控制器770。传感器760位于微控制器770下方。传感器经由连接765连接到适于监测阻抗变化的检测器电路(未示出)。
图8a示出了电容感测配置。板800示出为具有部件上的传感器810、电源部820、数据传输部830、数据处理部840和外部传感器850。外部传感器860可以是板800上的传感器。因此，图8示出了两种替选方案，板载传感器和部件上的传感器。应理解，可以单独使用板载传感器，可以单独使用部件上的传感器，或者可以组合使用两种传感器。部件上的传感器810和板载传感器860包括能够改变电容的一对平行电极。电极将以能够监测电极对的电容的合适方式电连接检测器(未示出)，并且检测器将适当地连接到终端使用设备(未示出)。
图8b示出了电容感测配置的典型使用。板800示出为具有部件微控制器870。传感器860位于微控制器870下方。传感器通过连接875连接到适于监测电容变化的检测器电路(未示出)。
图9a示出了电压感测配置。板900示出为具有部件上的传感器910、电源部分920、数据传输部930、数据处理部940和外部传感器950。外部传感器960可以是板900上的传感器。因此，图9示出了两种替选方案，板载传感器和部件上的传感器。应理解，可以单独使用板载传感器，可以单独使用部件上的传感器，或者可以组合使用两种传感器。板载传感器960和部件上的传感器910包括电压源、接地端和一对迹线。提供电压感测机制。随着传感器两端的电压变化，传感器向检测器(未示出)提供信息。
图9b示出了电压感测配置的典型使用。板900示出为具有电子开关970。开关970示出为经由开关970的源极、栅极和漏极连接到板900，这将是正常安装。迹线960经由连接975连接到适于监测迹线960之间的电压变化的检测器电路(未示出)。
图10a示出了压力感测配置。板1000示出为具有部件上的传感器1010、电源部1020、数据传输部1030、数据处理部1040和外部传感器1050。外部传感器1060可以是板1000上的传感器。因此，图10示出了两种替选方案，板载传感器和部件上的传感器。应理解，可以单独使用板载传感器，可以单独使用部件上的传感器，或者可以组合使用两种传感器。部件上的传感器1010和板载传感器1060包括大气压力传感器。传感器向检测器(未示出)提供信息，然后检测器可以向终端使用设备(未示出)提供信息。
图10b示出了压力感测配置的典型使用。板1000示出为具有光电检测器1080。光电检测器可能对气压变化敏感。气压传感器1060位于板1000下方。传感器1060通过适当的连接与适于监测大气压力变化的检测器电路连接。
图11a示出了湿度感测配置。板1100示出为具有部件上的传感器1110、电源部1120、数据传输部1130、数据处理部1140和外部传感器1150。外部传感器1160可以是板1100上的传感器。因此，图11示出了两种替选方案，板载传感器和部件上的传感器。应理解，可以单独使用板载传感器，可以单独使用部件上的传感器，或者可以组合使用两种传感器。部件上的传感器1110和板载传感器1160包括湿度传感器。传感器向检测器(未示出)提供信息，然后检测器可以向终端使用设备(未示出)提供信息。
图11b示出了湿度感测配置的典型使用。板1100示出为具有高压电源1170。电压源可对湿度变化敏感。湿度传感器1160位于板1100上。传感器1160通过适当的连接与适于监测湿度变化的检测器电路(未示出)连接。
图12a示出了加速度计配置。板1200示出为具有部件上的传感器1210、电源部1220、数据传输部1230、数据处理部1240和外部传感器1250。外部传感器1260可以是板1200上的传感器。因此，图12示出了两种替选方案，板载传感器和部件上的传感器。应理解，可以单独使用板载传感器，可以单独使用部件上的传感器，或者可以组合使用两种传感器。部件上的传感器1210和板载传感器1260包括加速度计。传感器向检测器(未示出)提供信息，然后检测器可以向终端使用设备(未示出)提供信息。
图12b示出了加速度计配置的典型使用。板1200示出为具有晶体振荡器。晶体振荡器可能对速度的突然变化敏感。加速度计1260在板1200上。加速度计1260经由合适的连接1265与适于监测加速度变化的检测器电路(未示出)连接。
图13a示出了应变计感测配置。板1300示出为具有部件上的传感器1310、电源部1320、数据传输部1330、数据处理部1340和外部传感器1350。外部传感器1360可以是板1300上的传感器。因此，图13示出了两种替选方案，板载传感器和部件上的传感器。应当理解，可以单独使用板载传感器，可以单独使用部件上的传感器，或者可以组合使用两种传感器。部件上的传感器1310和板载传感器1360包括能够测量应力水平的应变计。传感器向检测器(未示出)提供信息，然后检测器可以向终端使用设备(未示出)提供信息。
图13b示出了应变计感测配置的典型。板1300示出为具有多球FPGA 1370。FPGA可对物理应力敏感。应变计1360通过合适的连接1365与适于监测应变变化的检测器电路(未示出)连接。
图14a示出了温度感测配置。板1400示出为具有部件上的传感器1410、电源部1420、数据传输部1430、数据处理部1440和外部传感器1450。外部传感器1460可以是板1400上的传感器。因此，图14示出了两种替选方案，板载传感器和部件上的传感器。应理解，可以单独使用板载传感器，可以单独使用部件上的传感器，或者可以组合使用两种传感器。部件上的传感器1410和板载传感器1460包括能够测量温度变化的热敏电阻。传感器向检测器(未示出)提供信息，然后检测器可以向终端使用设备(未示出)提供信息。
图14b示出了温度感测配置的典型使用。板1400示出为具有MOSFET 1470。MOSFET1470可对温度变化敏感。热敏电阻1460通过合适的连接1465与适于监测热敏电阻温度变化的检测器(未示出)连接。热敏电阻1460经由穿过板的热通孔1480连接到MOSFET 1470。热通孔1480允许MOSFET 1470的温度信息影响热敏电阻1460。
图15a示出了辐射感测配置。板1500示出为具有部件上的传感器1510、电源部1520，数据传输部1530、数据处理部1540和外部传感器1550。外部传感器1560可以是板1500上的传感器。因此，图15示出了两种替选方案，板载传感器和部件上的传感器。应理解，可以单独使用板载传感器，可以单独使用部件上的传感器，或者可以组合使用两种传感器。部件上的传感器1510和板载传感器1560包括盖革(Geiger)计数器电路模块。传感器向检测器(未示出)提供信息，然后检测器可以向终端使用设备(未示出)提供信息。
图15b示出了辐射感测配置的典型使用。板1500示出为具有存储器模块1570。存储器1570可以对某些辐射水平敏感。盖革计数器模块1560通过合适的连接1565与适于监测辐射水平变化的检测器(未示出)连接。
图16a示出了磁场感测配置。板1600示出为具有部件上的传感器1610、电源部1620、数据传输部1630、数据处理部1640和外部传感器1650。外部传感器1660可以是板1600上的传感器。因此，图16示出了两种替选方案，板载传感器和部件上的传感器。应当理解，可以单独使用板载传感器，可以单独使用部件上的传感器，或者可以组合使用两种传感器。部件上的传感器1610和板载传感器1560包括磁力计。传感器向检测器(未示出)提供信息，然后检测器可以向终端使用设备(未示出)提供信息。
图16b示出了磁场感测配置的典型使用。板1600示出为具有起搏器集成芯片1670。起搏器IC可对磁性敏感。磁力计1660通过合适的连接1665与适于监测辐射水平变化的检测器(未示出)连接。
应理解，传感器类型和布置的组合可以在单个板上或在部件上进行。例如，热敏电阻可以与复合电容/电阻传感器结合使用，以提供多种外部影响的信息。在环境具有多个方面的情况下，可以组合传感器以考虑多个因素。传感器的组合允许一个特征的变化与环境的另一个特征的可能变化相关联。
已经出于说明和描述的目的呈现了本发明的前述描述。其并非旨在穷举或将本发明限制于所公开的精确形式，并且鉴于上述教导，其它修改和变型也是可以的。选择和描述实施方式是为了最佳地解释本发明的原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员能够在适于预期的特定用途的各种实施方式和各种修改中最佳地利用本发明。除了受现有技术限制之外，所附权利要求旨在被解释为包括本发明的其它替选实施方式。

Claims (40)

1.一种用于监测电子设备的环境特性的系统，所述电子设备包括印刷电路板和至少一个部件，其特征在于，所述系统包括：
传感器，所述传感器与所述部件和所述印刷电路板中的一者连接，其特征在于，所述传感器为所述环境中的至少一个元件提供响应；
检测器，所述检测器与所述传感器连接，其特征在于，所述检测器包括能够监测来自所述传感器的数据的装置。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括终端用户设备，并且所述检测器与所述终端用户设备通信以将监测的数据发送到所述终端用户设备，并且所述终端用户设备能够累积和显示所述数据。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述终端用户设备标记所述数据的日期。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感器包括沉积在所述印刷电路板上的金属膜，并且其特征还在于，所述金属膜与所述印刷电路板上的未连接焊盘连接，并且所述检测器与所述印刷电路板上的所述未连接焊盘连接。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述检测器是安培计。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感器包括化学传感器。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述化学传感器是石墨烯场效应晶体管(GFET)。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统还包括参考电极，所述参考电极与所述GFET连接并且连接在所述GFET和所述检测器之间的中间，并且其特征在于，所述GFET包括源极、漏极和石墨烯栅极，所述源极连接到所述印刷电路板上的未连接焊盘，并且所述漏极连接到所述印刷电路板上的未连接焊盘。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感器包括离子选择性电极。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述离子选择性电极包括聚合物和无机晶体中的一种。
11.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述离子选择性电极丝网印刷在所述印刷电路板上。
12.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述系统还包括连接到所述离子选择性电极并向所述检测器提供数据的电极。
13.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感器包括气体传感器。
14.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述气体传感器包括含硫气体传感器。
15.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述含硫气体传感器包括镀银的裸露迹线。
16.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述气体传感器包括叉指型电极和金属氧化物半导体。
17.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感器包括阻抗感测传感器。
18.如权利要求17所述的系统，其特征在于，所述阻抗感测传感器包括叉指型电极。
19.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感器包括电容传感器。
20.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感器包括电压传感器。
21.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感器包括压力传感器。
22.如权利要求21所述的系统，其特征在于，所述压力传感器包括气压传感器。
23.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感器包括湿度传感器。
24.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感器包括加速度计。
25.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感器包括应变计。
26.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感器包括温度传感器。
27.如权利要求26所述的系统，其特征在于，所述传感器包括热敏电阻。
28.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感器包括辐射传感器。
29.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述辐射传感器包括盖革计数器。
30.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感器包括磁场传感器。
31.如权利要求30所述的系统，其特征在于，所述磁场传感器包括磁力计。
32.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述印刷电路板包括顶侧和底侧，并且其特征在于，所述部件位于所述印刷电路板的所述顶侧，且所述传感器位于所述印刷电路板的所述底侧。
33.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述传感器位于所述部件下方。
34.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述印刷电路板包括顶侧和底侧，并且其特征在于，所述部件位于所述印刷电路板的所述顶侧，且所述传感器位于所述印刷电路板的所述顶侧。
35.一种监测电子设备的环境特性的方法，所述电子设备包括印刷电路板和至少一个部件，其特征在于，所述方法包括：
将传感器放置在所述印刷电路板上；
将检测器连接到所述传感器；以及
将所述检测器连接到终端用户设备。
36.如权利要求35所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：将所述传感器连接到所述印刷电路板的一个或多个未连接焊盘。
37.如权利要求35所述的方法，其特征在于，所述传感器位于所述部件和所述印刷电路板之间。
38.如权利要求35所述的方法，其特征在于，所述印刷电路板包括顶侧和底侧，所述部件连接到所述印刷电路板的所述顶侧，并且所述将传感器放置在所述印刷电路板上的步骤包括将所述传感器放置在所述印刷电路板的所述底侧。
39.如权利要求35所述的方法，其特征在于，所述将传感器放置在所述印刷电路板上的步骤包括在所述印刷电路板的两个未连接焊盘之间沉积金属膜。
40.如权利要求35所述的方法，其特征在于，所述传感器包括温度传感器、大气压力传感器、湿度传感器、光传感器、气流传感器、冷凝传感器、气体传感器、电流泄漏传感器、电容传感器、电压传感器、化学传感器、离子选择性电极传感器、阻抗传感器、加速度传感器、应变计传感器、辐射传感器和磁场传感器中的一者。
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