DE102013211402A1 - Wireless pressure sensor device, pressure sensor assembly and corresponding manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung schafft eine drahtlose Drucksensorvorrichtung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren. Die drahtlose Drucksensorvorrichtung (1; 1‘; 1‘‘; 1‘‘‘; 1‘‘‘‘; 1‘‘‘‘‘) umfasst eine Gehäuseeinrichtung (G1–G4), in der eine integrierte Drucksensoreinrichtung (PS), eine Energiespeichereinrichtung (ES), eine integrierte Schaltungseinrichtung (AS) und eine Antenneneinrichtung (SE; SE, AE; SE’) untergebracht sind. Dabei ist die integrierte Schaltungseinrichtung (AS) mit der Energiespeichereinrichtung (ES) verbunden und weist eine Auswerteeinrichtung zum Auswerten von Sensorsignalen der integrierten Drucksensoreinrichtung (PS) und eine Datenübertragungsschaltung zum drahtlosen Übertragen der ausgewerteten Sensorsignale über die Antenneneinrichtung (SE; SE, AE; SE’) nach außerhalb auf. Die Antenneneinrichtung (SE; SE, AE; SE’) ist zum Empfangen von Energie von ausserhalb für die integrierte Drucksensoreinrichtung (PS), die integrierte Schaltungseinrichtung (AS) und die Energiespeichereinrichtung (ES) verbunden.The present invention provides a wireless pressure sensor device and a corresponding manufacturing method. The wireless pressure sensor device (1; 1 '; 1' '; 1' ''; 1 '' ''; 1 '' '' ') comprises a housing device (G1-G4) in which an integrated pressure sensor device (PS), a Energy storage device (ES), an integrated circuit device (AS) and an antenna device (SE, SE, AE, SE ') are housed. In this case, the integrated circuit device (AS) is connected to the energy storage device (ES) and has an evaluation device for evaluating sensor signals of the integrated pressure sensor device (PS) and a data transmission circuit for wireless transmission of the evaluated sensor signals via the antenna device (SE; SE, AE; ) to outside. The antenna device (SE, SE, AE; SE ') is connected to receive energy from outside for the integrated pressure sensor device (PS), the integrated circuit device (AS) and the energy storage device (ES).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine drahtlose Drucksensorvorrichtung, eine Drucksensoranordnung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren.The present invention relates to a wireless pressure sensor device, a pressure sensor device and a corresponding manufacturing method.
Stand der TechnikState of the art
Obwohl prinzipiell auf beliebige drahtlose Drucksensorvorrichtungen anwendbar, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrunde liegende Problematik anhand von mikromechanischen Drucksensoren auf Siliziumbasis erläutert.Although applicable in principle to any wireless pressure sensor devices, the present invention and the problems underlying it are explained on the basis of silicon-based micromechanical pressure sensors.
Ein bekanntes Verfahren zur drahtlosen Signalübertragung ist das RFID-Verfahren, welches sich eines RFID-Transponders (TAG-Chip) bedient, dessen Signale von einem Lesegerät ausgelesen werden können. Die Kopplung geschieht durch vom Lesegerät erzeugte magnetische Wechselfelder geringer Reichweite oder durch hochfrequente Radiowellen. Damit werden nicht nur Daten übertragen, sondern auch der RFID-Transponder mit Energie versorgt.A known method for wireless signal transmission is the RFID method, which uses an RFID transponder (TAG chip) whose signals can be read by a reading device. The coupling is done by magnetic field generated by the reader short range or high-frequency radio waves. This not only transmits data, but also powers the RFID transponder.
Drucksensoren benötigen allgemein einerseits eine gute elektrische Anbindung zwecks Energieversorgung und Signalauskopplung, sollen aber andererseits auch möglichst gut gegen Umwelteinflüsse, wie z.B. chemische aggressive Medien, geschützt sein. Eine bekannte Art der Trennung von Medienbeaufschlagung und elektrischer Anbindung bei Drucksensoren ist die Vergelung des gesamten, vom Medium erreichbaren Sensorbereiches, einschließlich der Bonddrähte, die die elektrische Anbindung in einen Bereich führen, der dem Medium nicht ausgesetzt ist. Bekannt ist es auch, für einen guten Medienschutz Trennmembranen mit Ölvorlage zu verwenden. Diese sind jedoch verhältnismäßig teuer.On the one hand, pressure sensors generally require a good electrical connection for the purpose of energy supply and signal decoupling, but on the other hand they should also be as effective as possible against environmental influences, such as e.g. chemical aggressive media, be protected. One known type of separation of media and electrical connection in pressure sensors is the gelling of the entire, reachable by the medium sensor area, including the bonding wires, which lead the electrical connection in an area that is not exposed to the medium. It is also known to use separation membranes with oil template for good media protection. However, these are relatively expensive.
Bei der Montageanordnung
Die Drucksensorvorrichtung PK bildet zusammen mit der Spule SP einen Schwingkreis. Dabei dient die Spule SP sowohl zur Energieeinkopplung als auch zur Signalauskopplung, beispielsweise durch LC-Frequenzveränderung bei Druckveränderung. Mittels einer (nicht dargestellten) Auswerteelektronik lässt sich aus dem derart modulierbaren LC-Schwingkreis der herrschende Umgebungsdruck durch jeweilige Messung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises ermitteln. Die drahtlose Energieversorgung und Auskopplung trägt dazu bei, die Trennung vom Medienraum und elektrischen Zuleitungen zu vereinfachen.The pressure sensor device PK forms a resonant circuit together with the coil SP. The coil SP is used both for energy coupling and for signal extraction, for example, by LC frequency change in pressure change. By means of a (not shown) evaluation can be determined from the thus modulated LC resonant circuit of the prevailing ambient pressure by respective measurement of the resonant frequency of the resonant circuit. The wireless power supply and decoupling helps to simplify the separation of the media room and electrical leads.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die vorliegende Erfindung schafft eine drahtlose Drucksensorvorrichtung nach Anspruch 1, eine Drucksensoranordnung nach Anspruch 11 und ein entsprechendes Herstellungsverfahren nach Anspruch 12.The present invention provides a wireless pressure sensor device according to
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.Preferred developments are subject of the dependent claims.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die vorliegende Erfindung kombiniert eine integrierte Drucksensoreinrichtung, eine Energiespeichereinrichtung, eine integrierte Schaltungseinrichtung und eine Antenneneinrichtung in einem einzigen Gehäuse. Als Ausgangssignal ergibt sich somit unmittelbar das Drucksignal, das drahtlos zu einer Empfängereinheit weitergeleitet werden kann.The present invention combines an integrated pressure sensor device, an energy storage device, an integrated circuit device and an antenna device in a single housing. The output signal thus directly results in the pressure signal, which can be forwarded wirelessly to a receiver unit.
Durch Anordnen der Auswerteeinrichtung im Gehäuse ist es möglich, einen beliebigen Drucksensortyp zu verwenden, beispielsweise einen kapazitiven oder piezoresistiven Drucksensortyp. Der Abgleich des Sensors kann über die Auswerteeinrichtung vorgenommen werden, ggfs. unter Zuhilfenahme einzelner nach extern geführter Abgleichleitungen.By arranging the evaluation device in the housing, it is possible to use any type of pressure sensor, for example a capacitive or piezoresistive pressure sensor type. The adjustment of the sensor can be made via the evaluation, if necessary. With the help of individual to externally guided balancing lines.
Die Übertragung der ausgewerteten Sensorsignale durch die Datenübertragungsschaltung erfolgt über die Antenneneinrichtung, wobei eine modulierte Trägerfrequenz oder ein digitales Übertragungsverfahren angewendet werden können. Die Antenneneinrichtung dient gleichzeitig zur Einkopplung von Energie von außerhalb an die integrierte Drucksensoreinrichtung, die integrierte Schaltungseinrichtung und die Energiespeichereinrichtung, welche in geeigneter Weise miteinander verschaltet sind.The transmission of the evaluated sensor signals by the data transmission circuit via the antenna device, wherein a modulated carrier frequency or a digital transmission method can be applied. The antenna device also serves to couple energy from outside to the integrated pressure sensor device, the integrated circuit device and the energy storage device, which are connected to one another in a suitable manner.
Das ausgegebene Drucksignal kann dann unmittelbar an einer Anzeige dargestellt werden oder, falls erwünscht, weitergeleitet bzw. weiterverarbeitet werden.The output pressure signal can then be displayed directly on a display or, if desired, forwarded or further processed.
Die Erfindung ermöglicht somit ein Gehäuse ohne jegliche Anschlüsse oder höchstens mit optionalen einzelnen Anschlüssen für Abgleichleitungen, welche allerdings nicht zum eigentlichen Druckmessbetrieb benötigt werden. Dadurch ist die erfindungsgemäße drahtlose Drucksensorvorrichtung insbesondere für aggressive Medien einsetzbar, beispielsweise für Dieselpartikelfilter oder im Abgasrückführungsbereich.The invention thus enables a housing without any connections or at most with optional individual terminals for Balancing lines, which, however, are not required for the actual pressure measuring operation. As a result, the wireless pressure sensor device according to the invention can be used in particular for aggressive media, for example for diesel particulate filters or in the exhaust gas recirculation area.
Eine besondere Anwendung ist eine Taucheruhr, mit der der hydrostatische Wasserdruck gemessen werden kann. Der Sensor befindet sich dabei außerhalb des druckdichten Uhrengehäuses eventuell in einer entsprechenden Ausbuchtung und kann so den Druck messen. Die Energieversorgung und die Signalübertragung erfolgen vom bzw. zum Gehäuse drahtlos. Auch für Barometer-/Altimeter-Anwendungen in mobilen Geräten, z.B. bei wasserdichten Geräten, insbesondere im Außenbereich, ist die erfindungsgemäße drahtlose Drucksensorvorrichtung anwendbar. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit ist die drahtlose Druckmessung bei Kraftfahrzeugsreifen.A special application is a diver's watch, with which the hydrostatic water pressure can be measured. The sensor may be located outside of the pressure-tight watch case, possibly in a corresponding recess and can thus measure the pressure. The power supply and the signal transmission are wireless from or to the housing. Also for barometer / altimeter applications in mobile devices, e.g. in waterproof devices, especially in the outdoor area, the wireless pressure sensor device according to the invention is applicable. Another application is the wireless pressure measurement in motor vehicle tires.
Der Datenübertragungsbetrieb zwischen einer externen Sende-/Empfangsschaltung und der Datenübertragungsschaltung im Gehäuse kann unidirektional oder bidirektional sein. Ein bidirektionaler Sende-/Empfangsbetrieb ermöglicht das Abrufen der Sensorinformationen, wie z.B. Druck bzw. Temperatur einerseits, sowie das Eingeben von Sensorkennungen andererseits.The data transfer operation between an external transmitting / receiving circuit and the data transfer circuit in the housing may be unidirectional or bidirectional. A bi-directional transmit / receive operation allows the retrieval of the sensor information, such as e.g. Pressure or temperature on the one hand, and the input of sensor identifiers on the other hand.
Mehrere Sensoren mit unterschiedlicher Kennung können mit einer Spule und einer Auswerteelektronik und Empfangsschaltung selektiv ausgelesen werden. Eine niederohmige Spule auf dem Drucksensorchip ist beispielsweise mit galvanischer Verdickung von Leiterbahnen realisierbar. Alternativ sind aber auch relativ große, niederohmige Spulen im Gehäuse, z.B. gebildet in einem Leadframe in einem Premoldgehäuse, möglich.Several sensors with different identifier can be selectively read with a coil and an evaluation and receiving circuit. A low-resistance coil on the pressure sensor chip can be realized, for example, with galvanic thickening of conductor tracks. Alternatively, however, relatively large, low-resistance coils in the housing, e.g. Made in a leadframe in a premold housing, possible.
Die Spule für die Antenneneinrichtung lässt sich in Halbleiterprozessen oft nur schwierig oder nicht in ausreichender Größe herstellen. Bei mikromechanischen Sensorprozessen ist eine niederohmige Spule einfacher zu realisieren, weil hier eine größere Vielfalt von Teilprozessen zur Verfügung steht bzw. leichter integriert werden kann. Um eine niederohmige und damit verlustarme Spule auf dem Sensorchip zu realisieren, ist beispielsweise ein Galvanikprozess vorteilhaft, mit dem die Leiterbahndicke und damit der elektrische Leitwert stark erhöht werden. Damit kann selbst bei kleiner Fläche noch eine ausreichende Energieübertragung stattfinden. Bei einem derartigen Galvanikprozess werden strukturierte Dünnschichtleiterbahnen mittels stromloser Galvanik aufgedickt, d.h. von rund 1 µm wird die Schichtdicke auf mehrere Mikrometer (typischerweise 5 bis 20 µm) erhöht.The coil for the antenna device is often difficult or impossible to produce in semiconductor processes in semiconductor processes. In the case of micromechanical sensor processes, a low-resistance coil is easier to realize because a greater variety of sub-processes is available here or can be integrated more easily. In order to realize a low-impedance and thus low-loss coil on the sensor chip, for example, a galvanic process is advantageous with which the conductor track thickness and thus the electrical conductance are greatly increased. Thus, even with a small area still sufficient energy transfer take place. In such a galvanic process structured thin-film conductors are thickened by means of electroless plating, i. of approximately 1 μm, the layer thickness is increased to several micrometers (typically 5 to 20 μm).
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist die Antenneneinrichtung eine auf der integrierten Drucksensoreinrichtung angebrachte integrierte Spuleneinrichtung auf. Eine derartige Spuleneinrichtung ist günstig mittels eines Galvanikprozesses herstellbar.According to a preferred development, the antenna device has an integrated coil device mounted on the integrated pressure sensor device. Such a coil device can be produced inexpensively by means of a galvanic process.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Antenneneinrichtung eine Antenne auf, welche auf einem Leadframe innerhalb des Gehäuses ausgebildet ist. So läßt sich eine flächenmässig große Antenne herstellen.According to a further preferred development, the antenna device has an antenna, which is formed on a leadframe within the housing. This makes it possible to produce a large-area antenna.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Antenneneinrichtung eine Spuleneinrichtung auf, welche auf einem Leadframe innerhalb des Gehäuses ausgebildet ist. So kann der Leadframe eine Doppelfunktion erfüllen.According to a further preferred development, the antenna device has a coil device, which is formed on a leadframe within the housing. So the leadframe can fulfill a dual function.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist ein Leadframe vorgesehen, über den Abgleichsignale von außerhalb zu der integrierten Schaltungseinrichtung eingespeist werden können. So läßt sich eine sichere externe elektrische Verbindung herstellen.According to a further preferred development, a leadframe is provided, via which adjustment signals from outside can be fed to the integrated circuit device. Thus, a secure external electrical connection can be established.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das Gehäuse ein Premoldgehäuse. Ein derartiges Gehäuse ist besonders medienresisten herstellbar und formmässig beliebig gestaltbar.According to a further preferred embodiment, the housing is a premold housing. Such a housing is particularly resistant to media produced and shaped formably arbitrarily.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die integrierte Drucksensoreinrichtung in das Gehäuse eingeklebt und mit einer Vergußmasse, insbesondere einem Gel, vergossen.According to a further preferred development, the integrated pressure sensor device is glued into the housing and sealed with a potting compound, in particular a gel.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind mindestens eine der integrierten Schaltungseinrichtung und der Energiespeichereinrichtung vom Gehäuse ummolded.According to a further preferred refinement, at least one of the integrated circuit device and the energy storage device is ummolded by the housing.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind mindestens zwei der integrierten Drucksensoreinrichtung, der Energiespeichereinrichtung und der integrierten Schaltungseinrichtung auf einem einzigen Chip integriert.According to a further preferred development, at least two of the integrated pressure sensor device, the energy storage device and the integrated circuit device are integrated on a single chip.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Datenübertragungsschaltung zum drahtlosen Empfangen von Signalen für die integrierte Schaltungseinrichtung über die Antenneneinrichtung von außerhalb eingerichtet. Eine derartige bidirektionale Kommunikationsmöglichkeit erhöht die Flexibilität.According to a further preferred development, the data transmission circuit for wirelessly receiving signals for the integrated circuit device via the antenna device is set up from outside. Such a bidirectional communication possibility increases the flexibility.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:The present invention will be described below with reference to the schematic figures of Drawings specified embodiments explained in more detail. Show it:
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Die drahtlose Drucksensorvorrichtung
Die Verschaltung der Komponenten PS, AS und ES im Gehäuse G1 erfolgt mittels Bondleitungen L1, L2, L3 und L4. Bei der ersten Ausführungsform sind aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich die Bondleitungen L1, L2 zwischen der Spule und der integrierten Schaltungseinrichtung AS sowie die Bondleitung L3 zwischen der integrierten Schaltungseinrichtung AS und dem Leadframe LF sowie die Bondleitung L4 zwischen der integrierten Schaltungseinrichtung AS und der Energiespeichereinrichtung ES dargestellt.The interconnection of the components PS, AS and ES in the housing G1 takes place by means of bonding lines L1, L2, L3 and L4. For reasons of clarity, only the bonding lines L1, L2 between the coil and the integrated circuit device AS and the bonding line L3 between the integrated circuit device AS and the leadframe LF and the bonding line L4 between the integrated circuit device AS and the energy storage device ES are shown in the first embodiment ,
Insbesondere die Bondleitung L3 wird lediglich für einen Abgleich der Drucksensoreinrichtung PS über die integrierte Schaltungseinrichtung AS benötigt, nicht aber im Messbetrieb.In particular, the bonding line L3 is only needed for balancing the pressure sensor device PS via the integrated circuit device AS, but not during measurement operation.
Im Messbetrieb dient die Antenneneinrichtung SE in Form der Spule zum Empfangen von Energie von außerhalb für die integrierte Drucksensoreinrichtung PS, die integrierte Schaltungseinrichtung AS und die Energiespeichereinrichtung ES, welche dazu entsprechend miteinander verschaltet sind.In measuring operation, the antenna device SE in the form of the coil for receiving energy from outside for the integrated pressure sensor device PS, the integrated circuit device AS and the energy storage device ES, which are connected to each other accordingly.
Die integrierte Schaltungseinrichtung AS umfasst insbesondere eine Auswerteeinrichtung zum Auswerten von Sensorsignalen der integrierten Drucksensoreinrichtung und eine Datenübertragungsschaltung zum drahtlosen Übertragen der ausgewerteten Sensorsignale über die Antenneneinrichtung SE an eine in
Die drahtlose Drucksensorvorrichtung
Obwohl nicht dargestellt, ist es sogar denkbar, eine vollintegrierte Lösung vorzusehen, bei der auch die Energiespeichereinrichtung ES auf dem Chip C3 als Bondchip-Energiespeicher integriert ist.Although not shown, it is even conceivable to provide a fully integrated solution in which the energy storage device ES is integrated on the chip C3 as a bonding chip energy storage.
Die drahtlose Drucksensorvorrichtung
Bei dieser dritten Ausführungsform sind die integrierte Schaltungseinrichtung AS und die Energiespeichereinrichtung ES mittels der Klebeschicht K auf einen Leadframe LF' aufgeklebt und ummolded. Über den Leadframe LF' werden bei dieser dritten Ausführungsform über Bondleitungen L1' und L1'' die Signale von der Antenneneinrichtung SE zur integrierten Schaltungseinrichtung AS geführt. Weitere dazu benötigte Leitungen sind nicht dargestellt. Wie bei der ersten und zweiten Ausführungsform ist eine Bondleitung zum Abgleich L3 mit dem Leadframe LF' verbunden und eine Bondleitung L4 zwischen der integrierten Schaltungseinrichtung AS und der Energiespeichereinrichtung ES vorgesehen.In this third embodiment, the integrated circuit device AS and the energy storage device ES are glued and ummolded by means of the adhesive layer K on a leadframe LF '. Via the leadframe LF 'in this third embodiment, the signals are conducted from the antenna device SE to the integrated circuit device AS via bond lines L1' and L1 ". Other lines required for this purpose are not shown. As in the first and second embodiments, a bonding line for balancing L3 is connected to the leadframe LF ', and a bonding line L4 is provided between the integrated circuit device AS and the energy storage device ES.
Die drahtlose Drucksensorvorrichtung
Somit ist bei dieser Ausführungsform nur die integrierte Schaltungseinrichtung AS ummolded, und zudem gibt es keine externe Zuleitung über den Leadframe LF1 mehr.Thus, in this embodiment, only the integrated circuit device AS ummolded, and also there is no external supply via the leadframe LF1 more.
Die vierte Ausführungsform gemäß
Gemäß
Die externe Antenneneinrichtung SEa ist beispielsweise eine makroskopische Spule in herkömmlicher Bauweise, z.B. eine gewickelte Drahtspule oder eine gedruckte Spule auf einer Leiterplatte oder Flexfolie.The external antenna device SEa is, for example, a macroscopic coil of conventional construction, e.g. a wound wire coil or a printed coil on a printed circuit board or flex foil.
Die drahtlose Drucksensorvorrichtung
Bei der drahtlosen Drucksensorvorrichtung
In der Darstellung von
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.Although the present invention has been fully described above with reference to preferred embodiments, it is not limited thereto but is modifiable in a variety of ways.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 19853135 A1 [0005, 0006, 0036] DE 19853135 A1 [0005, 0006, 0036]
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