CN110608842B - 水检测压力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明题为“水检测压力传感器”。本公开提供了一种水检测压力感测设备，包括具有腔体的金属外壳。压力传感器设置在裸片上并被配置为响应于压力变化而生成信号。保护介质至少部分地填充腔体并覆盖裸片。一个或多个电极设置在裸片上并用于检测保护介质上是否存在水滴。

Description

水检测压力传感器
技术领域
本发明整体涉及传感器技术，并且更具体地涉及一种水检测压力传感器。
背景技术
便携式通信设备(例如，智能电话和智能手表)越来越多地配备有环境传感器，例如压力传感器、温度传感器和湿度传感器、气体传感器和颗粒物(PM)传感器。例如，压力传感器可在智能手表或智能电话中启用健康和健身功能。然后可将测量的压力(例如，由处理器)转换为与压力相关的其他参数，例如高度、运动、流量或其他参数。压力传感器可用于测量气体或液体环境中的压力。
压力传感器在技术、设计、性能和应用方面可能有显著不同。就采用的技术而言，压力传感器可分类为例如压电、电容、电磁、光学或电位压力传感器。智能电话或智能手表中所使用的微机电系统(MEMS)型压力传感器通常为电容式压力传感器。使用临时凝胶的压力传感器已广泛用于微电子设备中，但凝胶可能易受环境污染和水堵塞的影响。需要能够检测凝胶上是否存在水滴的压力传感器。
附图说明
本主题技术的一些特征在所附权利要求书中被示出。然而，出于解释的目的，在以下附图中阐述了本主题技术的若干实施方案。
图1A至图1C是示出根据本主题技术的一个或多个方面的示例性水检测压力感测设备的不同视图的图示。
图2A-2B是示出根据本主题技术的一个或多个方面的包括加热元件的示例性水检测压力感测设备的不同视图的图示。
图3A-3B为示出根据本主题技术的一个或多个方面的水检测压力感测设备的示例性水检测机制的剖视图的图示。
图4是示出根据本主题技术的一个或多个方面的装配示例性水检测压力感测设备的过程的流程图。
图5是示出示例性无线通信设备的框图，在该示例性无线通信设备内可集成本主题技术的一个或多个水检测压力感测设备。
具体实施方式
下面示出的具体实施方式旨在作为本主题技术的各种配置的描述并且不旨在表示本主题技术可被实践的唯一配置。附图被并入本文并且构成具体实施方式的一部分。具体实施方式包括具体的细节旨在提供对本主题技术的透彻理解。然而，本主题技术不限于本文所述的具体细节，并且可在没有一个或多个具体细节的情况下来实践。在一些情况下，以框图形式示出了结构和部件，以便避免使本主题技术的概念模糊。
本主题技术涉及一种水检测微型压力感测设备(例如，具有约几毫米的尺寸)。本主题技术的压力感测设备包括用于检测水滴的一个或多个电极，并且在一些具体实施中，包括用于使水滴蒸发的一个或多个加热元件。本发明所公开的水检测压力感测设备包括金属外壳、压力传感器、保护介质和一个或多个电极。压力传感器可以是电容式或压阻式压力传感器。金属外壳包括腔体，并且压力传感器设置在腔体内的裸片上。压力传感器可响应于压力变化而产生信号。保护介质至少部分地填充腔体并覆盖裸片。电极可设置在裸片上以检测保护介质上是否存在水滴。
在一个或多个具体实施中，电极为四个拐角电极并且由对环境化学物质具有抗性的导电材料制成。将四个拐角电极与金属外壳耦合以形成共同电容或四个不同的电容。共同电容或四个不同电容的值可受水滴存在的影响(例如，大幅增加)。在一些具体实施中，在压力传感器周围形成环形电极。环形电极可以是正方形或圆形电极，并且与金属外壳形成电容。电容值可受到水滴存在的影响。在一些具体实施中，压力感测设备包括形成在裸片上的可使水滴蒸发的一个或多个电阻加热元件。电阻加热元件可围绕电极形成。在一些具体实施中，一个或多个电阻加热元件可安装在腔体内的裸片周围。
图1A至图1C是示出根据本主题技术的一个或多个方面的示例性水检测压力感测设备100的不同视图的图示。视图100A、100B和100C中所示的示例性水检测压力感测设备100(下文称为“设备100”)可为能够检测凝胶上的水滴150的微型凝胶填充的压力感测设备，如下所述。在一个或多个具体实施中，设备100的尺寸为约几毫米。图1A示出设备100的顶视图。设备100包括外壳102和覆盖有保护性介质140(例如，凝胶)的裸片120。在一些具体实施中，裸片120包括压力传感器110、一组电极130和水检测电路125。在一个或多个具体实施中，裸片120为半导体裸片，诸如其上可实现例如专用集成电路(ASIC)等多个电路的硅晶片。在一个或多个具体实施中，水检测电路125可实现为ASIC。在一些具体实施中，压力传感器110可为电容式压力传感器或压阻式压力传感器，并且可实现为在裸片120上实施的微机电系统(MEMS)。
电极130(例如，水感测电极)用于感测水滴150的存在。电极130可分布在裸片120上，并且可例如形成在裸片120的四个拐角处。在一些具体实施中，电极130可以环、环形段或电极段阵列的形式围绕压力传感器110形成。在一个或多个具体实施中，电极130由对环境化学物质具有抗性的导电材料制成。在一些具体实施中，电极130可由诸如铜(Cu)、铝(Al)、银(Ag)、石墨(C)、钛(Ti)、金(Au)等金属或其他合适的金属、合金或化合物制成。在一些具体实施中，将电极130与金属外壳102耦合以形成共同电容或四个不同的电容中的一者。在一个或多个具体实施中，共同电容或四个不同电容的值受水滴150存在的影响。当系统是干燥的并且保护介质140不存在水时，电极130与外壳102形成电容。该电容可随着水滴150的存在而改变，并且电容变化可由水检测电路125来检测。
图1B示出了通过外壳102的横截面切口的设备100的内视图100B。图1B还示出了附接到外壳102的底部的衬底160。裸片120的描述在上文中有所描述。外壳102可由诸如钢、铝等金属或其他合适的金属或金属合金制成。衬底160可由与外壳102相同的材料制成。在一些具体实施中，衬底160可由不同的材料诸如陶瓷、硅或其他合适的衬底材料制成并且可通过诸如环氧树脂等合适的粘合界面附接到外壳102。
图1C示出了设备100的剖视图100C，并且示出了裸片120设置在附接到外壳102的底部的衬底160上。如剖视图100C所示，保护介质140部分地填充由外壳102和衬底160形成的腔体。裸片120、压力传感器110和电极130的细节如上所述。
图2A-2B是示出根据本主题技术的一个或多个方面的包括加热元件170的示例性水检测压力感测设备200的不同视图200A和200B的图示。视图200A示出了通过外壳102的横截面切口的设备200的内视图。示例性水检测压力感测设备200(下文称为“设备200”)类似于图1A至图1C的设备100，不同的是添加了加热元件170。在一个或多个具体实施中，加热元件170为例如由金属或合金诸如镍铬合金(Ni-Cr)或铁铬铝合金制成的电阻加热元件。在一个或多个具体实施中，加热元件170可以一个或多个条、环、环形段、点阵列或段阵列或其他形状的形式形成在裸片120上。在一些具体实施中，加热元件170可脱离裸片120但在外壳102的腔体内形成，例如在衬底160上形成。
加热元件170能够操作为加热设备100以使水滴150蒸发。在一些具体实施中，加热元件170能够基于来自检测水滴150是否存在的水检测电路125的一个或多个信号来操作。在一个或多个具体实施中，加热元件170可例如由诸如智能电话或智能手表的主机设备的微控制器或处理器同时或独立地控制。
图2B的视图200B示出了设备200的剖视图，其中示出加热元件170与压力传感器110和电极130一起位于裸片120上。视图200B中还示出了保护介质140(例如，凝胶)上的水滴150，该保护介质填充由外壳102和衬底160形成的腔体。
图3A-3B为示出根据本主题技术的一个或多个方面的水检测压力感测设备300的示例性水检测机制的剖视图300A和300B的图示。图3A的剖视图300A示出了处于干燥状态的示例性水检测压力感测设备300(下文称为“设备300”)。设备300类似于图1C的设备100，不同的是图1C的水滴150不存在，并且示出了电容器CSB。电容器CSB表示(模拟)通过电极130(例如，水感测电极)和外壳102(主体)之间的保护介质140(例如，凝胶)的电容，该电容通过与地电位302的连接接地。在一些具体实施中，将电极130与外壳102耦合以形成共同电容或四个不同的电容中的一者。只要保护介质140上没有水滴，电容器CSB的值就相对恒定。电容器CSB为电极130的干式电容(CD)(例如，CD＝CSB)。水滴(例如，150)的存在将改变电极130和外壳102之间的电容，如下文所述。
图3B的剖视图300B示出处于润湿状态的设备300。同样，设备300类似于图1C的设备100，不同的是图3B中示出电容器CSB、CSW和CWB。电容器CSW表示通过电极130和水滴150之间的保护介质140(例如，凝胶)的电容。电容器CWB表示通过水滴150和外壳102之间的保护介质140(例如，凝胶)的电容，该电容通过与地电位302的连接接地。这三个电容相加以形成电极130的湿式电容(CW)，其可表示为：
CW＝CSB+Cdiff (1)
其中Cdiff为由于CSW和CWB而引起的差值电容，并且其值与通过以下表达式所示的CSW和CWB的值相关：
Cdiff＝(1/CSW+1/CWB)-1>0 (2)
从表达式(1)和(2)中可以清楚地看出，CW大于CD。在实施过程中，上述电容的值可在pF范围内，并且差值电容Cdiff的值可为几个pF，并且可通过图1A的水检测电路125来测量。一旦水检测电路125检测到水滴150的存在，就可直接地或通过处理器(例如，诸如智能电话或智能手表等主机设备的处理器)提醒图2A的加热元件170打开以产生能够使水滴150蒸发的热量。
图4是示出根据本主题技术的一个或多个方面的装配示例性水检测压力感测设备的过程400的流程图。过程400开始于将电容式或压阻式压力传感器(例如，图1A的110)设置在裸片(例如，图1A的120)上，以响应于压力变化来产生信号(412)。过程400还包括将一个或多个电极(例如，图1A的130)设置在裸片上，以用于水检测(例如，图1A的150)(414)。可将裸片放置在金属外壳的腔体(例如，图1A的102)中(416)。保护介质(例如，图1A的140)至少部分地填充腔体，覆盖裸片并保护该裸片免受污染物诸如水的影响(418)。
图5是示出示例性无线通信设备500的框图，在该示例性无线通信设备内可集成本主题技术的一个或多个水检测压力感测设备。在一个或多个具体实施中，无线通信设备500可为智能电话或智能手表。无线通信设备500可包括射频(RF)天线510、接收器520、发射器530、基带处理模块540、存储器550、处理器560、本振发生器(LOGEN)570和一个或多个换能器580。在本主题技术的各种实施方案中，图5中所表示的一个或多个框可被集成在一个或多个半导体基板上。例如，框520-570可在单个芯片或单个片上系统中实现，或者可在多芯片的芯片组中实现。
接收器520可包括合适的逻辑电路和/或代码，所述逻辑电路和/或代码能够操作以接收和处理来自RF天线510的信号。接收器520例如能够操作以放大和/或降频转换所接收的无线信号。在本主题技术的各种实施方案中，接收器520可操作以消除所接收信号中的噪声并且在宽泛的频率范围内可为线性的。这样，接收器520可适于根据多种无线标准、Wi-Fi、WiMAX、蓝牙和各种蜂窝标准接收信号。在本主题技术的各种实施方案中，接收器520可不需要任何SAW滤波器以及很少或完全不需要片外分立部件，诸如大电容器和电感器。
发射器530可包括合适的逻辑电路和/或代码，该逻辑电路和/或代码能够操作以处理和传输来自RF天线510的信号。发射器530例如能够操作为将基带信号升频转换为RF信号并放大该RF信号。在本主题技术的各种实施方案中，发射器530能够操作为升频转换并放大根据多种无线标准处理的基带信号。此类标准的示例可包括Wi-Fi、WiMAX、蓝牙和各种蜂窝标准。在本主题技术的各种实施方案中，发射器530能够操作为提供信号以供由一个或多个功率放大器进一步放大。
双工器512可在发射频段中提供隔离以避免接收器520的饱和或损坏接收器520的部件，并且使接收器520的一个或多个设计需求放宽。此外，双工器512可使接收频段中的噪声衰减。双工器可在各种无线标准的多个频带中操作。
基带处理模块540可包括能够操作以执行基带信号处理的合适逻辑部件、电路、接口和/或代码。基带处理模块540可例如分析所接收的信号并生成用于配置无线通信设备500的各种部件(诸如接收器520)的控制和/或反馈信号。基带处理模块540可操作以根据一个或多个无线标准对数据进行编码、解码、转码、调制、解调、加密、解密、加扰、解扰和/或以其他方式处理数据。
处理器560可包括能够处理数据和/或控制无线通信设备500的操作的适当逻辑部件、电路和/或代码。就这一点而言，处理器560可被启用以向无线通信设备500的各个其他部分提供控制信号。处理器560还可控制无线通信设备500的各部分之间的数据传输。另外，处理器560可允许操作系统的具体实施或以其他方式执行代码以管理无线通信设备500的操作。
存储器550可包括可允许存储各种类型信息的适当逻辑、电路和/或代码，诸如所接收的数据、生成的数据、代码和/或配置信息。存储器550可包括例如RAM、ROM、闪存和/或磁性存储装置。在本主题技术的各种实施方案中，存储在存储器550中的信息可用于配置接收器520和/或基带处理模块540。
本振发生器(LOGEN)570可包括能够操作以产生一个或多个频率的一个或多个振荡信号的合适逻辑部件、电路、接口和/或代码。LOGEN 570可操作以生成数字信号和/或模拟信号。这样，LOGEN 570可操作以生成一个或多个时钟信号和/或正弦信号。诸如频率和占空比等振荡信号的特性可基于来自例如处理器560和/或基带处理模块540的一个或多个控制信号来确定。
在操作中，处理器560可基于期望接收信号的无线标准来配置无线通信设备500的各种部件。无线信号可经由RF天线510接收、放大并且由接收器520降频转换。基带处理模块540可执行基带信号的噪声估计和/或噪声消除、解码和/或解调。这样，接收信号中的信息可被适当地恢复和利用。例如，该信息可为待呈现给无线通信设备的用户的音频和/或视频、待存储到存储器550的数据，和/或影响和/或启用无线通信设备500的操作的信息。基带处理模块540可根据各种无线标准来对需由发射器530传输的音频、视频和/或控制信号进行调制、编码并执行其他处理。
一个或多个换能器580可包括例如如图1A至1C和/或2A-2B所示并如上所述的本主题技术的微型水检测压力感测设备。本主题技术的微型水检测压力感测设备可容易地集成到通信设备500中，特别是当通信设备500为智能移动电话或智能手表时。在一个或多个具体实施中，处理器560可处理来自本主题技术的集成压力感测设备的在由ADC(例如，通信设备500的ADC)转换为数字信号之后的压力信号，以将测量的压力值转换为诸如高度、运动或其他参数等对应参数值。处理器560还可处理来自水检测电路(例如，图1A的125)的信号并且打开加热元件(例如，图2A的170)以加热保护介质(例如，图2A的140)。在一个或多个具体实施中，存储器550可存储所测量的压力值、例如高度或运动或其他参数等对应参数的转换值，和/或用于此类转换的查找表。
先前的描述被提供以使得本领域的技术人员能够实践本文所述的各个方面。这些方面的各种修改对本领域的技术人员而言是显而易见的，并且本文所限定的通用原则可应用于其他方面。因此，本权利要求书并非旨在受限于本文所示的方面，而是旨在使得全部范围与语言权利要求书一致，其中对奇异值中的元素的引用并非旨在意味着“一个和仅一个”，而是指“一个或多个”，除非被具体指出。除非另外特别说明，否则术语“一些”是指一个或多个。男性的代名词(例如，他的)包括女性和中性(例如，她的和它的)，并且反之亦然。标题和子标题(如果有的话)仅为了方便起见而使用并且不限制本主题公开。
谓词字词“被配置为”、“可操作以”以及“被编程以”并不意味着对某一主题进行任何特定的有形或无形的修改而是旨在可互换使用。例如，部件或被配置为监视和控制操作的处理器也可能意味着处理器被编程以监视和控制操作或者处理器可操作为监视和控制操作。同样，被配置为执行代码的处理器可解释为被编程以执行代码或可操作为执行代码的处理器。
短语诸如“方面”不意味此方面对本主题技术是必需的或者此方面应用于本主题技术的所有配置。与一个方面相关的公开可应用于所有构型，或者一个或多个构型。短语诸如方面可指一个或多个方面，反之亦然。短语诸如“配置”不意味此配置是本主题技术必需的或者此配置应用于本主题技术的所有配置。与配置相关的公开可应用于所有配置或者一个或多个配置。短语诸如配置可指一个或多个配置并且反之亦然。
字词“示例”在本文用于意指“用作示例或者例示”。本文作为“示例”所述的任何方面或者设计不一定被理解为比其他方面或者设计优选或者有利。
本领域的普通技术人员已知或稍后悉知的贯穿本公开描述的各个方面的元素的所有结构和功能等同物通过引用明确地并入本文，并且旨在被权利要求书所涵盖。此外，本文所公开的任何内容并非旨在提供给公众，而与该公开是否明确地被陈述在权利要求中无关。根据35 U.S.C.§112第六段的规定，不需要解释任何权利要求元素，除非使用短语“方法用以”明确陈述了该元素，或者就方法权利要求而言，使用短语“步骤用以”陈述了该元素。此外，术语“包括”、“具有”等在一定程度上用于说明书或权利要求中，这样的术语旨在以类似于术语“包括”当用作过渡字词用于权利要求中时“包括”被解释的方式包含在内。

Claims (20)

1.一种水检测压力感测设备，所述水检测压力感测设备包括：
金属外壳，所述金属外壳包括腔体；
压力传感器，所述压力传感器设置在裸片上并被配置为响应于压力变化而生成信号；
保护介质，所述保护介质用于至少部分地填充所述腔体并且覆盖所述裸片；和
一个或多个电极，所述一个或多个电极设置在所述裸片上并且用于检测所述保护介质上的水滴的存在。
2.根据权利要求1所述的水检测压力感测设备，其中所述压力传感器包括电容式压力传感器或压阻式压力传感器，并且其中所述一个或多个电极包括四个拐角电极，并且其中所述一个或多个电极由对环境化学物质具有抗性的导电材料制成。
3.根据权利要求2所述的水检测压力感测设备，其中所述四个拐角电极与所述金属外壳耦合以形成共同电容或四个不同电容中的一者，并且其中所述共同电容或所述四个不同电容的值受所述水滴的存在的影响。
4.根据权利要求1所述的水检测压力感测设备，其中所述一个或多个电极包括在所述裸片上并围绕所述压力传感器形成的环形电极或环的段。
5.根据权利要求4所述的水检测压力感测设备，其中所述环形电极包括正方形或圆形电极并与所述金属外壳形成电容，并且其中所述电容的值受所述水滴的存在的影响。
6.根据权利要求1所述的水检测压力感测设备，还包括一个或多个电阻加热元件，其中所述一个或多个电阻加热元件围绕所述一个或多个电极在所述裸片上形成。
7.根据权利要求1所述的水检测压力感测设备，还包括一个或多个电阻加热元件，其中所述一个或多个电阻加热元件位于所述腔体内离开所述裸片的空间中。
8.根据权利要求1所述的水检测压力感测设备，还包括检测电路，所述检测电路被配置为响应于所述保护介质上所述水滴的存在来检测所述一个或多个电极的电容的变化，其中所述检测电路在所述裸片上实现，并且其中所述检测电路使用专用集成电路ASIC来实现。
9.一种通信设备，所述通信设备包括：
处理器；和
设备，所述设备包括：
外壳，所述外壳包括腔体；
压力传感器，所述压力传感器设置在裸片上并且被配置为响应于压力变化而生成信号；
保护介质，所述保护介质被设置为覆盖所述裸片并至少部分地填充所述腔体；
一个或多个电极，所述一个或多个电极设置在所述裸片上；和
检测电路，所述检测电路被配置为响应于所述保护介质上的水滴的存在而检测所述一个或多个电极的电容变化。
10.根据权利要求9所述的通信设备，其中所述压力传感器包括电容式压力传感器或压阻式压力传感器，并且其中所述一个或多个电极设置在所述裸片上。
11.根据权利要求9所述的通信设备，其中所述一个或多个电极由对环境化学物质具有抗性的导电材料制成，并且其中所述一个或多个电极包括四个拐角电极。
12.根据权利要求11所述的通信设备，其中所述外壳包括金属外壳，其中所述四个拐角电极与所述金属外壳耦合以形成共同电容或四个不同电容中的一者，并且其中所述共同电容或所述四个不同电容的值受所述水滴的存在的影响。
13.根据权利要求12所述的通信设备，其中所述一个或多个电极包括围绕所述压力传感器形成的环形电极，并且其中所述环形电极包括正方形或圆形电极并且所述一个或多个电极的所述电容利用所述金属外壳形成，并且其中所述电容的值受所述水滴的存在的影响。
14.根据权利要求9所述的通信设备，其中所述设备还包括能够由所述处理器控制的一个或多个电阻加热元件，其中所述一个或多个电阻加热元件围绕所述裸片上的所述一个或多个电极形成。
15.根据权利要求9所述的通信设备，其中所述设备还包括能够由所述处理器控制的一个或多个电阻加热元件，其中所述一个或多个电阻加热元件在所述腔体内离开所述裸片而设置。
16.一种水检测压力感测装置，所述水检测压力感测装置包括：
金属外壳，所述金属外壳包括腔体；
压力传感器，所述压力传感器被设置在所述腔体内的裸片上并被配置为响应于压力变化而生成信号；
保护介质，所述保护介质被设置为覆盖所述裸片；和
一个或多个电极，所述一个或多个电极被设置以便于检测所述保护介质上水滴的存在。
17.根据权利要求16所述的水检测压力感测装置，其中所述一个或多个电极包括四个拐角电极，并且其中所述一个或多个电极由对环境化学物质具有抗性的导电材料制成。
18.根据权利要求16所述的水检测压力感测装置，其中所述压力传感器包括电容式压力传感器或压阻式压力传感器，其中所述一个或多个电极包括围绕所述压力传感器形成的环形电极，其中所述环形电极包括正方形或圆形电极并且与所述金属外壳形成电容，并且其中所述电容的值受所述水滴的存在的影响。
19.根据权利要求16所述的水检测压力感测装置，还包括设置在所述腔体内的一个或多个电阻加热元件，其中所述一个或多个电阻加热元件设置在所述裸片上，或者所述一个或多个电阻加热元件围绕所述裸片并离开所述裸片而设置。
20.根据权利要求16所述的水检测压力感测装置，还包括检测电路，所述检测电路被配置为响应于所述保护介质上所述水滴的存在来检测所述一个或多个电极的电容的变化，其中所述检测电路使用所述裸片上的专用集成电路ASIC来实现。
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