DE102019202722B4

DE102019202722B4 - Kombinierte pumpe-sensor-anordnung

Info

Publication number: DE102019202722B4
Application number: DE102019202722.9A
Authority: DE
Inventors: Christoph Kutter; Yücel Congar; Siegfried Röhl; Martin Richter
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2019-02-28
Filing date: 2019-02-28
Publication date: 2022-06-23
Anticipated expiration: 2039-03-01
Also published as: US20200277948A1; CN111620294B; CN111620294A; US11486381B2; DE102019202722A1

Abstract

Kombinierte Pumpe-Sensor-Anordnung (100), aufweisend:ein Substrat (10) mit einer ersten Hauptseite (11) und einer gegenüberliegenden zweiten Hauptseite (12),ein auf der ersten Hauptseite (11) des Substrats (10) angeordneter Gehäusedeckel (13) eines Gehäuses, wobei ein Hohlraum innerhalb des Gehäuses eine Messkavität (14) definiert,eine Mikropumpe (15) mit einem Pumpeneinlass (16) und einem Pumpenauslass (17), wobei die Mikropumpe (15) ausgestaltet ist, um ein in der Messkavität (14) befindliches Analyt-Fluid durch den Pumpeneinlass (16) anzusaugen und über den Pumpenauslass (17) in eine Umgebung (18) außerhalb der Messkavität (14) auszustoßen,ein Sensor (20) zum Detektieren von zumindest einem Bestandteil des innerhalb der Messkavität (14) befindlichen und mittels der Mikropumpe (15) bewegbaren Analyt-Fluids,wobei sowohl der Sensor (20) als auch die Mikropumpe (15) jeweils auf der ersten Hauptseite (11) des Substrats (10) und innerhalb der Messkavität (14) angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine kombinierte Pumpe-Sensor-Anordnung, bei der eine Mikropumpe und ein Sensor gemeinsam in einem Gehäuse integriert sind, und insbesondere ein Konzept zur Miniaturisierung von pumpengestützten Sensoren in einem gemeinsamen Gehäuse.
Heutzutage sind eine Vielzahl unterschiedlicher Sensoren zum Detektieren diverser Analyten bekannt. Beispielsweise gibt es Gassensoren, Feuchtigkeitssensoren, Feinstaubsensoren und viele mehr, wobei heutzutage insbesondere die Portabilität solcher Sensoren im Vordergrund steht. Beispielsweise ist es heutzutage ein Bestreben tragbare Kommunikationsgeräte, wie Smartphones, Wearables und dergleichen mehr mit derartigen Sensoren auszurüsten. Hierfür sollten die Sensoren möglichst klein sein.
Zur Miniaturisierung können herkömmliche Sensoren mittels Diffusion betrieben werden. Hierfür werden die Sensoren in einem, auch als Sensorpackage bezeichneten, Sensorgehäuse angeordnet, wobei das Sensorgehäuse Öffnungen aufweist, durch die das zu messende Medium (d.h. der Analyt) mittels Diffusion in das Sensorpackage hineindiffundieren kann. Die natürliche Diffusion des Analyten von einer Umgebung in das Sensorpackage kann jedoch teilweise sehr lang dauern, weshalb dies insbesondere für Messungen, deren Ergebnisse schnell verfügbar sein sollen, nicht zufriedenstellend ist.
Die langsame Diffusion kann durch schnellere Konvektion ersetzt werden. Hierfür werden in der Regel Pumpen vorgesehen, die den Analyten in das Sensorpackage hinein und zum Sensor pumpen. Werden Pumpen in Verbindung mit einem oder mehreren Gassensoren oder Feinstaubsensoren eingesetzt, um den Analyten schneller zum Sensor zu bringen und auch wieder abzuleiten als es durch die natürliche Diffusion geschieht, dann setzen die bisherigen konventionellen Lösungen voraus, dass die Pumpe und die Sensoren sowie benötigte Gaskanäle und elektrische Anschlüsse geeignet angeordnet werden müssen. Der Stand der Technik sieht diesbezüglich vor, dass Sensoren und die Pumpe mit Verbindern, Schläuchen und/oder Kapillaren verbunden werden. Derartige Anordnungen sind jedoch zu groß und zu teuer, um diese anschließend in Smartphones oder ähnlichen portablen Applikationen integrieren zu können.
Die DE 10 2010 002 990 A1 beschreibt ein mikrofluidisches System für Analyse- und Diagnosezwecke aus im Wesentlichen übereinander angeordneten Schichten. Eine erste und zweite Durchleitungsschicht umfassen Fluidkanäle, die miteinander verbunden sind. Eine Chipschicht umfasst ein aktives mikromechanisches Element. Die Chipschicht ist zwischen den beiden Durchleitungsschichten angeordnet, sodass das aktive mikromechanische Element mit den Fluidkanälen in Wirkverbindung steht.
Die DE 10 2010 038 445 A1 beschreibt ein mikrofluidisches System, enthaltend mindestens ein mikrofluidisches Bauteil mit mindestens einer mikrofluidisch aktiven Oberfläche. Das System weist ein Verbundsubstrat auf, wobei auf einer Verbindungsseite des Verbundsubstrats das mikrofluidische Bauteil eingebracht ist, welches wiederum in einer Polymermasse eingegossen ist. Gegensubstrat wird mit dem Verbundsubstrat verbunden, wobei entweder in dem Verbundsubstrat oder in dem Gegensubstrat mikrofluidische Kanalstrukturen vorgesehen sind.
Die EP 3 457 433 A1 beschreibt ein Lab-On-Chip System mit einem Chip, der einen Fluidport aufweist. Der Chip ist in einem Bereich um den Fluidport herum mit einer Vergussmasse vergossen, die sich lateral um den Chip erstreckt. In der Vergussmasse sind Fluidkanäle ausgestaltet, die mit dem Fluidport des Chips verbunden sind. Der Chip weist Vorsprünge auf, die von der Vergussmasse vergossen sind, um die Stabilität der Verbindung zwischen Chip und Vergussmasse zu erhöhen.
Die US 2014 / 0227147 A1 beschreibt eine Mikrofluidvorrichtung mit einem Halbleiterchip. Der Halbleiterchip ist in einem Vergusskörper eingegossen. Eine Mikrofluidkomponente erstreckt sich über eine Chip-Oberfläche und eine Vergusskörper-Oberfläche und überspannt dabei die Außenkontur der Chip-Oberfläche.
Die WO 2018 / 013 109 A1 beschreibt ein MEMS Device mit einem Siliziumchip, der mit Vergussmaterial vergossen ist. Der Siliziumchip weist aktive Bereiche auf, die eine Sensorfunktion bereitstellen. Ein zusätzlicher Fan-Out-Layer ist mit dem Siliziumchip verbunden. Der Fan-Out-Layer weist Fluidkanäle auf, die auf den aktiven Bereichen des Siliziumchips führen.
Die US 2008 / 0017306 A1 beschreibt ein Multilayer-Mikrofluidsystem mit einem dedizierten Fluidlayer und einem dedizierten Elekromechanik-Layer, die übereinander gestapelt sind. Der Elektromechanik-Layer weist Bohrungen auf, und in dem Fluidlayer sind Kanäle eingefräst, die mit den Bohrungen zur Deckung kommen.
Es wäre wünschenswert, bestehende Sensorvorrichtungen dahingehend zu verbessern, dass Messergebnisse schnell verfügbar sind und gleichzeitig die Packages der Sensorvorrichtungen möglichst klein und kostengünstig herstellbar sind.
Daher wird eine kombinierte Pumpe-Sensor-Anordnung mit den Merkmalen von Anspruch 1 vorgeschlagen. Ausführungsformen und weitere vorteilhafte Aspekte sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen genannt.
Die erfindungsgemäße kombinierte Pumpe-Sensor-Anordnung weist ein Substrat mit einer ersten Hauptseite und einer gegenüberliegenden zweiten Hauptseite auf. Auf der ersten Hauptseite des Substrats ist ein Gehäusedeckel eines Gehäuses angeordnet, wobei ein Hohlraum innerhalb des Gehäuses eine Messkavität definiert. Das heißt, der Raum beziehungsweise das Volumen innerhalb des Gehäuses definiert die Messkavität. Die Messkavität ist ein Hohlraum, in den ein in der Umgebung befindlicher Analyt, vorzugsweise ein Fluid, einströmen kann, sodass sich der Analyt sodann innerhalb des Hohlraums bzw. der Messkavität befindet. Die kombinierte Pumpe-Sensor-Anordnung weist ferner eine Mikropumpe mit einem Pumpeneinlass und einem Pumpenauslass auf. Die Mikropumpe ist ausgestaltet, um ein in der Messkavität befindliches Analyt-Fluid durch den Pumpeneinlass anzusaugen und über den Pumpenauslass wieder in die Umgebung außerhalb der Messkavität auszustoßen. Die kombinierte Pumpe-Sensor-Anordnung weist außerdem einen Sensor zum Detektieren von zumindest einem Bestandteil des innerhalb der Messkavität befindlichen und mittels der Mikropumpe bewegbaren Analyt-Fluids auf. Das Analyt-Fluid kann beispielsweise Umgebungsluft sein, und ein Bestandteil des Analyt-Fluids kann beispielsweise Stickstoffdioxid NO₂ sein. Der Sensor ist reaktiv auf ebendiesen Bestandteil des Analyt-Fluids und dementsprechend dazu ausgestaltet, um diesen mindestens einen Bestandteil des Analyt-Fluids zu detektieren und optional dessen Volumenanteil im Analyt-Fluid zu bestimmen. Erfindungsgemäß sind sowohl der Sensor als auch die Mikropumpe jeweils auf der ersten Hauptseite des Substrats und innerhalb des Gehäusedeckels angeordnet. Das heißt, in der erfindungsgemäßen kombinierten Pumpe-Sensor-Anordnung ist die Mikropumpe direkt im Sensorpackage mit integriert.
Einige Ausführungsbeispiele sind exemplarisch in der Zeichnung dargestellt und werden nachstehend erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische seitliche Schnittansicht einer kombinierten Pumpe-Sensor-Anordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
2 eine schematische seitliche Schnittansicht einer kombinierten Pumpe-Sensor-Anordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
3 eine schematische seitliche Schnittansicht einer kombinierten Pumpe-Sensor-Anordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
4 eine schematische seitliche Schnittansicht einer kombinierten Pumpe-Sensor-Anordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
5 eine schematische seitliche Schnittansicht einer kombinierten Pumpe-Sensor-Anordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
6 eine schematische seitliche Schnittansicht einer kombinierten Pumpe-Sensor-Anordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
7 eine schematische seitliche Schnittansicht einer kombinierten Pumpe-Sensor-Anordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
8 eine schematische seitliche Schnittansicht einer kombinierten Pumpe-Sensor-Anordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, und
9 eine schematische seitliche Schnittansicht einer kombinierten Pumpe-Sensor-Anordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die Figuren näher beschrieben, wobei Elemente mit derselben oder ähnlichen Funktion mit denselben Bezugszeichen versehen sind.
Teilweise wird ein Gassensor als ein nicht limitierendes Beispiel für einen Sensor beschrieben. Bei dem Sensor kann es sich aber prinzipiell auch um einen anderen Sensor, wie zum Beispiel einen Flüssigkeitssensor oder einen Festkörpersensor handeln. Außerdem wird hierin Gas als ein nicht limitierendes Beispiel eines Fluids beschrieben. Bei dem Fluid kann es sich aber auch um Flüssigkeiten handeln. Ferner wird hierin auch Feinstaub als ein nicht limitierendes Beispiel eines Bestandteils des Analyt-Fluids genannt. Es versteht sich, dass auch andere Bestandteile des Analyt-Fluids, wie beispielsweise einzelne Gas-Komponenten in einem Gasgemisch oder flüchtige organische Verbindungen VOC (engl.: Volatile Organic Compounds) Bestandteile des Analyt-Fluids sein können.
1 zeigt ein Beispiel einer kombinierten Pumpe-Sensor-Anordnung 100. Die kombinierte Pumpe-Sensor-Anordnung 100 weist ein Substrat 10 mit einer ersten Hauptseite 11 und einer gegenüberliegenden zweiten Hauptseite 12 auf. Das Substrat 10 kann beispielsweise als ein PCB (Printed Circuit Board) oder als ein zumindest teilflexibles Foliensubstrat ausgestaltet sein.
Auf der ersten Hauptseite 11 des Substrats 10 ist ein Gehäusedeckel 13 angeordnet, der vorzugsweise kappenförmig ausgestaltet sein kann. Der Gehäusedeckel 13 definiert zusammen mit dem darunterliegenden Substrat 10 ein Gehäuse mit einer Messkavität 14, die einen Hohlraum bildet.
Die kombinierte Pumpe-Sensor-Anordnung 100 weist ferner eine Mikropumpe 15 auf. Die Mikropumpe 15 kann Förderleistungen im Bereich von einigen Millilitern pro Minute aufweisen. Die Mikropumpe 15 kann beispielsweise als eine MEMS-Mikropumpe (MEMS: Micro Electro Mechanical System) ausgestaltet sein. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Mikropumpe 15 laterale Abmessungen von 4 × 4 mm² oder weniger aufweisen.
Die Mikropumpe 15 kann beispielsweise eine Halbleiter-Mikropumpe, z.B. eine Silizium-Mikropumpe, sein, deren Pumpenkörper 15a im Wesentlichen aus einem entsprechenden Halbleitermaterial besteht. Die Mikropumpe 15 kann ferner als eine Membranpumpe ausgestaltet sein, wobei eine an dem Pumpenkörper 15a beweglich angeordnete Membran mittels geeigneter Auslenkung eine Pumpenaktuatorik bereitstellen kann. Die Membran kann beispielsweise mittels einem Piezo-Element 15b bewegt werden.
Die Mikropumpe 15 weist einen Pumpeneinlass 16 und einen Pumpenauslass 17 auf. Die Mikropumpe 15 ist ausgestaltet, um ein in der Messkavität 14 befindliches Analyt-Fluid durch den Pumpeneinlass 16 anzusaugen und über den Pumpenauslass 17 in eine Umgebung 18 außerhalb der Messkavität 14 auszustoßen. Dies ist beispielhaft anhand des gestrichelten Pfeils 19 dargestellt, der den Weg des sich durch die Messkavität 14 bewegenden Analyt-Fluids bei aktivierter Mikropumpe 15 symbolisiert.
Dabei strömt zumindest ein Teil des sich bewegenden Analyt-Fluids an einem Sensor 20 entlang. Der Sensor 20 ist ausgestaltet, um zumindest einen Bestandteil des innerhalb der Messkavität 14 befindlichen und mittels der Mikropumpe bewegbaren Analyt-Fluids, zu detektieren. Beispielsweise kann es sich bei dem in der Messkavität 14 befindlichen Analyt-Fluid um ein zu analysierendes bzw. zu bestimmendes Gas handeln, wobei der Sensor 20 dementsprechend als ein Gassensor ausgestaltet sein kann.
Erfindungsgemäß sind sowohl der Sensor 20 als auch die Mikropumpe 15 jeweils auf der ersten Hauptseite 11 des Substrats 10 und innerhalb des Gehäusedeckels 13 angeordnet. Somit kann eine besonders kompakte Anordnung der Mikropumpe 15 und des Sensors 20 innerhalb der kombinierten Pumpe-Sensor-Anordnung 100 realisiert werden.
Vorzugsweise kann die Mikropumpe 15 trägerlos auf der ersten Hauptseite 11 des Substrats 10 angeordnet sein. Das heißt, die Mikropumpe 15 ist nicht auf einem separaten Substrat, wie zum Beispiel einer Trägerplatine oder einem PCB (Printed Circuit Board), angeordnet, das dann wiederum auf dem eigentlichen Substrat 10 der kombinierten Pumpe-Sensor-Anordnung 100 angeordnet werden würde. Stattdessen ist die Mikropumpe 15 direkt auf dem Substrat 10 angeordnet. Eine beispielhafte Ausführungsform sieht hierbei vor, dass die Mikropumpe 15 direkt auf das Substrat 10 aufgelötet oder aufgeklebt sein kann. Durch das Weglassen eines zusätzlichen Trägers kann beim direkten Platzieren der Mikropumpe 15 auf dem Substrat 10 eine Höheneinsparung von ca. 150 µm und mehr erreicht werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die Mikropumpe 15 schlauchlos ausgeführt werden. Wie eingangs erwähnt, sind im Stand der Technik Schläuche und andere Fluidleiter vorgesehen, um eine Pumpe mit einem Sensor derart zu verbinden, dass ein Fluid an dem Sensor entlanggeführt werden kann. Die Fluidleiter benötigen jedoch viel Bauraum, was jedoch wiederum der angestrebten Miniaturisierung entgegensteht. Die Mikropumpe 15, die in der erfindungsgemäßen Pumpe-Sensor-Anordnung 100 zum Einsatz kommt, kann hingegen schlauchlos bzw. Fluidleiter-los ausgeführt sein, wodurch Bauraum eingespart und eine entsprechende Miniaturisierung vorgenommen werden kann.
2 zeigt ein weiteres Beispiel einer kombinierten Pumpe-Sensor-Anordnung 100. Zusätzlich zu dem in 1 gezeigten Beispiel kann der Gehäusedeckel 13 eine Öffnung 22 aufweisen, die einen Fluideinlass definiert, durch den das Analyt-Fluid von der Umgebung 18 in die Messkavität 14 einströmen kann, wobei die Öffnung 22 dem Sensor 20 gegenüberliegend angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass das Analyt-Fluid mittels durch die Mikropumpe 15 erzeugter Konvektion in die Messkavität 14 einströmt, was im Vergleich zu natürlicher Diffusion deutlich schneller vonstattengeht. Das Analyt-Fluid wird sozusagen durch die Fluideinlass-Öffnung 22 in die Messkavität 14 eingesaugt. Da die Öffnung 22 dem Sensor 20 gegenüberliegend angeordnet ist, strömt das eingesaugte Analyt-Fluid dabei vorteilhafter Weise ohne größere Umwege an dem Sensor 20 entlang.
Bei dem Gehäusedeckel 13 mit der darin vorgesehenen Öffnung 22 kann es sich beispielsweise um ein sogenanntes Open Cavity Lid oder Open Metal Lid handeln. Beispielsweise kann der Gehäusedeckel 13 Metall aufweisen. Alternativ kann der Gehäusedeckel 13 Kunststoff aufweisen und optional innenseitig eine Metallisierung aufweisen. Alternativ kann der Gehäusedeckel 13 als ein mittels Verguss erzeugtes Kunststoffgehäuse vorliegen, wobei diese Varianten auch als Open Cavity Molded Packages bezeichnet werden.
Der Gehäusedeckel 13 kann vorzugsweise fluiddicht auf der ersten Hauptseite 11 des Substrats 10 angeordnet sein. Somit wird bei Aktivität der Mikropumpe 15 keine Falschluft durch eventuelle Leckstellen im Verbindungsbereich zwischen dem Gehäusedeckel 13 und dem Substrat 10 angesaugt. Die Förderleistung der Mikropumpe 15 konzentriert sich somit primär auf das Ansaugen des Analyt-Fluids aus der Umgebung 18 durch die Fluideinlass-Öffnung 22 in die Messkavität 14.
Das Substrat 10 kann eine Öffnung 23 aufweisen, die einen Fluidauslass definiert. Das von der Mikropumpe 15 aus dem Pumpenauslass 17 ausgestoßene Analyt-Fluid kann somit durch diese Fluidauslass-Öffnung 23 von der Messkavität 14 in die Umgebung 18 zurück ausgestoßen werden. Diese im Substrat 10 ausgebildete Auslassöffnung 23 kann mit dem Pumpenauslass 17 fluidisch, und vorzugsweise fluiddicht, verbunden bzw. gekoppelt sein.
Wie außerdem in 2 beispielhaft angedeutet ist, kann ein weiteres Bauteil 21 vorgesehen sein. Das weitere Bauteil 21 kann beispielsweise ein weiterer Sensor und/oder eine elektronische Schaltung aufweisen. Die elektronische Schaltung 21 kann beispielsweise eine Elektronik zum Steuern und/oder Auslesen des Sensors 20 und/oder zum Erzeugen einer Betriebsspannung der Mikropumpe 15 aufweisen. Die elektronische Schaltung 21 kann beispielsweise einen ASIC (Application Specific Integrated Circuit) umfassen.
Wie zuvor bereits erwähnt, kann die Mikropumpe 15 trägerlos auf dem Substrat 10 angeordnet sein. In dem hier abgebildeten Ausführungsbeispiel kann die Mikropumpe 15 mittels eines Abstandshalters 24 von der ersten Hauptseite 11 des Substrats 10 beabstandet angebracht sein, sodass sich zwischen der Mikropumpe 15 und der ersten Hauptseite 11 des Substrats 10 ein Fluidkanal 25 ergibt, der sich lateral zwischen der Messkavität 14 und dem Pumpeneinlass 16 erstreckt und die Messkavität 14 und den Pumpeneinlass 16 fluidisch verbindet. Das Analyt-Fluid kann durch diesen Fluidkanal 25 hindurch angesaugt werden.
Der Abstandshalter 24 kann beispielsweise, wie in 2 beispielhaft dargestellt, um die Fluidauslass-Öffnung 23 herum angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich können auch mehrere Abstandshalter vorgesehen sein, mittels derer die Mikropumpe 15 von der ersten Hauptseite 11 des Substrats 10 beabstandet angeordnet sein kann.
Aufgrund dieser beabstandeten Anordnung bildet sich der zuvor erwähnte Fluidkanal 25 zwischen der ersten Hauptseite 11 des Substrats 10 und der Unterseite (die der ersten Hauptseite 11 des Substrats 100 zugewandte Seite) der Mikropumpe 15 aus. Das in 2 mit Bezugszeichen d gekennzeichnete Maß der Beabstandung entspricht dabei im Wesentlichen einer Höhe des Fluidkanals 25, welche wiederum von der Höhe des Abstandshalters 24 abhängig sein kann. Der Fluidkanal 25 kann also mittels Variation der Höhe des Abstandshalters 24 definiert und dimensioniert werden.
3 zeigt eine etwas detailliertere Ansicht eines weiteren Beispiels einer kombinierten Pumpe-Sensor-Anordnung 100. Hier ist der zurückgelegte Weg des Analyt-Fluids bei aktiver Mikropumpe 15 eingezeichnet und mittels des strichlinierten Pfeils 19 gekennzeichnet. Wie zu erkennen ist, wird das Analyt-Fluid aus der Umgebung 18 durch die Fluideinlass-Öffnung 22 angesaugt und das Analyt-Fluid strömt daraufhin in die Messkavität 14 hinein. Innerhalb der Messkavität 14 strömt es durch den Fluidkanal 25 zu dem Pumpeneinlass 16 und in die Pumpenkammer 15c der Mikropumpe 15. Von der Pumpenkammer 15c strömt das angesaugte Analyt-Fluid in Richtung des Pumpenauslasses 17, von wo es durch die Fluidauslass-Öffnung 23 hindurch wieder in die Umgebung 18 ausgestoßen wird.
Der Pumpeneinlass 16 kann ein Einlassventil 31 aufweisen. Das Einlassventil 31 kann ein Einwegeventil sein, welches in Flussrichtung 19 des Analyt-Fluids öffnet und das Eintreten des Analyt-Fluids in die Pumpkammer 15c erlaubt, und welches entgegen der Flussrichtung 19 sperrt, um ein Austreten des Analyt-Fluids aus der Pumpkammer 15c entgegen der eingezeichneten Flussrichtung 19 zu verhindern.
Alternativ oder zusätzlich kann der Pumpenauslass 17 ein Auslassventil 32 aufweisen. Das Auslassventil 32 kann ein Einwegeventil sein, welches in Flussrichtung 19 des Analyt-Fluids öffnet und das Austreten des Analyt-Fluids aus der Pumpkammer 15c erlaubt, und welches entgegen der Flussrichtung 19 sperrt, um ein Eintreten des Analyt-Fluids aus der Umgebung 18 entgegen der eingezeichneten Flussrichtung 19 zu verhindern.
Innerhalb der Messkavität 14 können die einzelnen darin angeordneten Elemente, wie zum Beispiel der Sensor 20 und die Mikropumpe 15 sowie das optionale weitere Bauteil 21 (z.B. Sensor, Schaltung), elektrisch mit dem Substrat 10 verbunden sein. Hierzu können beispielsweise Bonddrähte 33 verwendet werden. Die Bonddrähte 33 können beispielsweise zum Kontaktieren der Mikropumpe 15 und/oder des Piezoelements 15b verwendet werden.
Auf der zweiten Hauptseite 12 des Substrats 10 können ebenfalls ein oder mehrere elektrische Kontakte 34 vorgesehen sein. Diese können zum außenseitigen Kontaktieren der innerhalb der Messkavität 14 angeordneten Elemente 15, 20, 21 dienen, wobei beispielsweise (hier nicht explizit dargestellte) Vias, die sich durch das Substrat 10 hindurch erstrecken können, vorgesehen sein können.
4 zeigt ein weiteres Beispiel einer kombinierten Pumpe-Sensor-Anordnung 100. Dieses Ausführungsbeispiel ist im Wesentlichen ähnlich zu dem unter Bezugnahme auf 3 diskutierten Ausführungsbeispiel, jedoch mit dem Unterschied, dass die Öffnung 22 in dem Gehäusedeckel 13 an einer anderen Stelle vorgesehen ist.
Während in dem in 3 abgebildeten Ausführungsbeispiel die den Fluideinlass definierende Öffnung 22 auf einer Oberseite (dem Substrat 10 abgewandte Fläche) des Gehäusedeckels 13 ausgebildet ist, ist die Öffnung 22 in dem in 4 abgebildeten Ausführungsbeispiel an lateral umlaufenden Seitenwänden des Gehäusedeckels 13 angeordnet. In beiden Fällen ist jedoch die jeweilige Öffnung 22 dem Sensor 20 benachbart angeordnet. Dadurch strömt das angesaugte Analyt-Fluid vorteilhafter Weise direkt an dem Sensor 20 vorbei.
5 zeigt ein weiteres Beispiel einer kombinierten Pumpe-Sensor-Anordnung 100. Alternativ oder zusätzlich zu der oben beschriebenen Fluideinlass-Öffnung 22 in dem Gehäusedeckel 13 kann eine Fluideinlass-Öffnung 22 in dem Substrat 10 vorgesehen sein.
Hier weist das Substrat 10 beispielsweise eine sich vollständig durch das Substrat 10 hindurch erstreckende Öffnung 22 auf, die einen Fluideinlass definiert, durch die das Analyt-Fluid von der Umgebung 18 in die Messkavität 14 einströmen kann. Der Sensor 20 ist hierbei in Fluidströmungsrichtung 19 zwischen dem Fluideinlass 22 und dem Pumpeneinlass 16 angeordnet. Dadurch strömt das angesaugte Analyt-Fluid vorteilhafter Weise direkt an dem Sensor 20 vorbei und vorzugsweise vollständig um den Sensor 20 herum. Dieses Ausführungsbeispiel bietet somit eine optimierte definierte Fluidführung, sowie bessere Anschlussmöglichkeiten für den Fluideinlass. Außerdem ist keine Öffnung im Gehäusedeckel 13 nötig, sodass der Gehäusedeckel 13 komplett fluiddicht auf dem Substrat 10 angeordnet werden kann.
6 zeigt ein weiteres Beispiel einer kombinierten Pumpe-Sensor-Anordnung 100. Anstelle des zuvor beschriebenen Abstandshalters 24 zwischen dem Substrat 10 und der Mikropumpe 15 kann die Mikropumpe 15 direkt auf der ersten Hauptseite 11 des Substrats 10 montiert sein. Hierbei kann dieselbe Verbindungstechnik wie zum Montieren des Sensors 20 und/oder des weiteren Bauteils 21 genutzt werden. Beispielsweise kann die Mikropumpe 15 mittels Klebstoff oder einer Lötverbindung direkt auf dem Substrat 10 montiert werden.
Da die Mikropumpe 15 in diesem Ausführungsbeispiel ohne den zuvor erwähnten Abstandshalter 24 auf dem Substrat 10 montiert wird, kann die Mikropumpe 15 besser auf dem Substrat 10 montiert werden, da keine Verkippungsgefahr besteht. Mit dem Entfall des Abstandshalters 24 entfällt auch der zuvor beschriebene Fluidkanal 25, der sich durch die räumliche Beabstandung der Mikropumpe 15 zur ersten Hauptseite 11 des Substrats 10 ergeben hat.
In dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel kann das Substrat 10 stattdessen eine in der ersten Hauptseite 11 angeordnete Ausnehmung 61 aufweisen, die einen Fluidkanal zwischen der Messkavität 14 und dem Pumpeneinlass 16 definiert, sodass das Analyt-Fluid durch diesen Fluidkanal 61 hindurch ansaugbar ist. Das heißt, zwischen der Mikropumpe 15 und der ersten Hauptseite 11 des Substrats 10, vorzugsweise zumindest zwischen dem Pumpeneinlass 16 und der ersten Hauptseite 11 des Substrats 10, kann das Substrat 10 die Aussparung 61 aufweisen. Die Aussparung 61 kann sich dabei lateral über den Footprint (äußerer Umriss) der Mikropumpe 15 hinaus erstrecken, sodass die Messkavität 14 und der Pumpeneinlass 16 über die Aussparung 61 fluidisch miteinander verbunden sind. Die Aussparung 61 bildet also einen Fluidkanal zwischen der Messkavität 14 und dem Pumpeneinlass 16, durch den das Analyt-Fluid angesaugt werden kann.
Die zuvor beschriebenen Abstandshalter 24 können auch in dieser Ausführungsform optional zusätzlich zu der Ausnehmung 61 im Substrat 10 vorhanden sein. Somit würden der unter Bezugnahme auf 2 beschriebene Fluidkanal 25 und der unter Bezugnahme auf 6 beschriebene Fluidkanal 61 einen gemeinsamen Fluidkanal 25, 61 bilden. Dieser könnte dann durch die Höhe des Abstandshalters 24 und/oder die Tiefe der Ausnehmung 61 entsprechend definiert und dimensioniert werden.
7 zeigt eine etwas detailliertere Ansicht des zuvor unter Bezugnahme auf 6 diskutierten Ausführungsbeispiels. Diese Ansicht entspricht im Wesentlichen dem in 3 abgebildeten Ausführungsbeispiel, mit dem Unterschied, dass die Mikropumpe 15 hier Abstandshalter-los auf dem Substrat 10 montiert ist. Außerdem ist die zuvor erwähnte Ausnehmung 61 in der ersten Hauptseite 11 des Substrats 10 zu erkennen, die den Fluidkanal zwischen der Messkavität 14 und dem Pumpeneinlass 16 definiert. Wie mit dem strichlinierten Pfeil 19 angedeutet ist, strömt das Analyt-Fluid aus der Umgebung 18 durch die Fluideinlass-Öffnung 22 in die Messkavität 14, und von dort aus durch den in dem Substrat 10 ausgebildeten Fluidkanal 61 durch den Pumpeneinlass 16 in die Pumpkammer 15c. Von der Pumpkammer 15c strömt das Analyt-Fluid durch den Pumpenauslass 17 und die daran anschließende Fluid-Auslassöffnung 23 wieder in die Umgebung 18 zurück.
Bei allen bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen weist die Messkavität 14 ein sogenanntes Totvolumen auf. Das Totvolumen entspricht dem Anteil des Gesamtvolumens der Messkavität 14, der von der Mikropumpe 15 gefördert werden muss bis das Analyt-Fluid den Sensor 16 erreicht. Je größer die Messkavität 14 ist, umso größer ist auch das Totvolumen. Je geringer jedoch das Totvolumen ist, desto schneller ist das Analyt-Fluid beim Sensor 16 angelangt. Daher ist es vorteilhaft, das Totvolumen innerhalb der Messkavität 14 möglichst gering zu halten.
8 zeigt ein Beispiel einer kombinierten Pumpe-Sensor-Anordnung 100, bei der das Totvolumen innerhalb der Messkavität 14 im Vergleich zu den bisher diskutierten Ausführungsbeispielen verringert ist. Wie zu erkennen ist, kann hierfür innerhalb der Messkavität 14 ein Füllmaterial 81 angeordnet sein. Das Füllmaterial 81 füllt einen Teil des Gesamtvolumens der Messkavität 14 aus, sodass das verbleibende Volumen, in dem sich das Analyt-Fluid ausbreiten kann, um den Anteil des Füllmaterials 81 verringert ist. In anderen Worten wird der Anteil der Messkavität 14, in dem sich das Analyt-Fluid ausbreiten kann, verkleinert.
Das Füllmaterial 81 ist vorzugsweise massiv ausgeführt, sodass das Analyt-Fluid nicht durch das Füllmaterial 81 hindurch diffundieren kann. Das Füllmaterial 81 kann beispielsweise eine Kunststoff beinhaltende Vergussmasse aufweisen. Das Füllmaterial 81 kann beispielsweise, wie in 8 abgebildet, die Mikropumpe 15 und/oder das optional weitere Bauteil 21 zumindest abschnittsweise, und vorzugsweise vollständig, bedecken. In einigen Ausführungsbeispielen kann das Füllmaterial 81 die Messkavität 14 zumindest mit Ausnahme eines Fluidströmungspfads zwischen einer aktiven Sensorfläche des Sensors 20 und dem Pumpeneinlass 16 vollständig auskleiden. Generell sollte der Fluidströmungspfad innerhalb des Packages mittels des Füllmaterials weitestgehend minimiert werden.
Das Füllmaterial 81 weist vorzugsweise flexible Eigenschaften auf, sodass die Pumpenmembran der Mikropumpe 15 trotz des darüber angeordneten Füllmaterials 81 auslenkbar bleibt. Außerdem sollte das Füllmaterial 81 Eigenschaften aufweisen, die die Sensormessung nicht beeinflussen, z.B. keine Schwammeffekte, kein Ausgasen, etc.
Für alle hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele gilt, dass das gesamte Gehäuse, deren Abmessungen sich durch den Gehäusedeckel 13 einschließlich der Dicke des Substrats 10 definieren können, eine Bauhöhe H_G von H_G = 1 mm oder weniger aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann die Messkavität 14 eine zwischen der ersten Hauptseite 11 des Substrats 10 und dem Gehäusedeckel 13 definierte Bauraumhöhe H_K von H_K = 1 mm oder weniger aufweisen.
Alternativ oder zusätzlich kann die auf der ersten Hauptseite 11 des Substrats 10 durch den Gehäusedeckel 13 definierte Grundfläche des Gehäuses 8 × 4 mm² oder weniger betragen.
Alternativ oder zusätzlich kann die Mikropumpe 15 laterale Abmessungen von 4 × 4 mm² oder weniger aufweisen.
Für alle hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele gilt im Übrigen, dass ein Abstand zwischen dem Gehäusedeckel 13 und der zum Gehäusedeckel 13 benachbart angeordnete Pumpenmembran etwa 20 µm oder weniger beträgt. Somit kann ein Auslenken der Pumpenmembran in Richtung zu dem Gehäusedeckel 13 hin gewährleistet werden.
9 zeigt ein weiteres Beispiel einer kombinierten Pumpe-Sensor-Anordnung 100. Dieses Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen den zuvor unter Bezugnahme auf 3 diskutierten Ausführungsbeispiel, mit dem Unterschied, dass die kombinierte Pumpe-Sensor-Anordnung 100 auf einem Systemsubstrat 90 angeordnet ist. Beispielsweise kann die kombinierte Pumpe-Sensor-Anordnung 100 mit der zweiten Hauptseite 12 des Substrats 10 auf ebendiesem Systemsubstrat 90 angeordnet sein.
Das Systemsubstrat 90 kann eine oder mehrere Aussparungen 92 aufweisen, durch die die zweite Hauptseite 12 des Substrats 10 freigelegt wird. Somit können ein oder mehrere weitere Bauteile 91 durch diese Aussparung 92 hindurch auf der zweiten Hauptseite 12 des Substrats 10 angeordnet werden.
Die Aussparung 92 kann alternativ oder zusätzlich dafür genutzt werden, um den Fluidauslass und/oder den Fluideinlass zu gestalten, aber auch um weitere Bausteine 91 aufzunehmen, die für den Betrieb von Sensor 20 oder Mikropumpe 15 eingesetzt werden können.
Die erfindungsgemäße kombinierte Pumpe-Sensor-Anordnung 100 sowie deren Vorteil sollen nachfolgend nochmals kurz zusammengefasst werden:

Das hierin beschriebene Konzept schafft eine Lösung, um eine Mikropumpe 15 und einen Sensor 20 in einem so kleinen Gehäuse (z.B. Bauhöhe H_G ≤ 1 mm) unterzubringen, dass es in mobile Geräte hineinpasst. Außerdem kann die Grundfläche sehr klein gehalten werden, z.B. kleiner als 8 × 4 mm², und es kann in moderne Fertigungsstraßen integrierbar sein, um die typischen Materialkosten von z.B. Smartphones zu erreichen. (Z.B.: Länge: Sensor < 3 mm, Mikropumpe ca. 4 mm ergibt eine Gesamtlänge von 7 mm; Breite ca. 4 mm Höhe < 1 mm)

Die Mikropumpe 15 und der Sensor 20 werden hierfür gemeinsam in das Gehäuse verbaut. Es gibt dazu mehrere Varianten von offenen („Open Cavity“) Gehäusen, wie sie z.B. auch für Mikrofone verwendet werden:

a) Metallkappengehäuse 13 mit Öffnung 22 und zusätzlichen Öffnungen 23 in dem verwendeten Substrat 10 (z.B. Leiterplatine bzw. Folie)
b) Kunststoffkappen mit oder ohne Metallisierung
c) „Open Cavity Molded Packages“ - Plastikgehäuse mit Öffnung und weitere Wafer-Level-Package Varianten

Die Erfindung wurde dabei unter Bezugnahme auf die Figuren lediglich beispielhaft an einem Metallkappen Gehäuse („Open Metal-lid LGA package“) beschrieben.
Bei dem Substrat 10 kann sich beispielsweise um eine Polyimidfolie mit beidseitiger Metallisierung und Via-Kontakten handeln.
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Konzepts sehen vor, dass die Mikropumpe 15 auf dasselbe Substrat 10 montiert wird wie der Sensor 20 (oder die Sensoren) und die dazugehörigen ASIC-/Auswertechips 21. Mit Abstandshaltern 24 kann die Mikropumpe 15 aufgesetzt (geklebt oder gelötet) werden, wodurch wiederum Fluidkanäle 25, 61 definiert und dimensioniert werden können.
Mit der erfindungsgemäßen kombinierten Pumpe-Sensor-Anordnung 100 ergeben sich folgende Vorteile:

1) Keine zusätzliche Kontaktplatine erforderlich (Höheneinsparung von ca. 150 µm)
2) Die Fluidführung erfolgt innerhalb des Gehäuses (Open Cavity Package) und benötigt keine zusätzliche Höhe.
3) Auch die freie Bewegung der Pumpenmembran um ca. 15 µm nach oben ist gewährleistet.
4) Die relativ hohe Spannung am Piezokristall 15b von ca. 60 - 80 Volt ist berührungssicher verpackt
5) Das vorgeschlagene Verfahren fügt sich in bestehende und zukünftige Verfahren zum Herstellen miniaturisierter Packages ein. Es ist damit fertigungstauglich und wettbewerbsfähig und weitere Kostenreduktionen sind möglich.
6) Die von Smartphone Herstellern geforderte Bauhöhe von 1 mm kann eingehalten werden.
7) Das Totvolumen (Volumen, das gepumpt werden muss bis das zu messende Fluid den Sensor 20 erreicht) kann noch durch zusätzliche passive Volumen-Füllmaterialien 81 im Package minimiert werden.
8) Das Verfahren erlaubt auch den Einsatz weiterer Sensoren 21, die dann die gleichen Auswertechips nutzen können.
9) Auswertechips und Prozessoren für Sensor 20 und Mikropumpe 15 können gemeinsam genutzt werden, was Bauraum einspart.

Es kann auch das Totvolumen für das zu pumpende Fluid im Gehäuse durch Einbau von zusätzlichen Dummy-Bauteilen aus Kunststoff oder anderen Materialien reduziert werden.
Außerdem kann insbesondere bei chemischen Sensoren, die mittels einer Absorptionsschicht Gasmoleküle aus der Umgebung absorbieren, die erfindungsgemäße kombinierte Pumpe-Sensor-Anordnung 100 besonders vorteilhaft sein. Herkömmliche Metalloxidsensoren beispielsweise benötigen einen Heizzyklus, um absorbierte Gasmoleküle wieder zu desorbieren und die Metalloxidschicht somit für einen nächsten Absorptionszyklus zu regenerieren. Die desorbierten Moleküle sammeln sich im Gehäuse des Sensors 20. Bei herkömmlichen Sensoren können die angesammelten Gasmoleküle mittels Diffusion nur erschwert aus dem Gehäuse 20 entfernt werden. Die erfindungsgemäße kombinierte Pumpe-Sensor-Anordnung 100 hingegen ersetzt die Diffusion durch Konvektion. Dadurch können die angesammelten Gasmoleküle rasch aus dem Gehäuse hinausbefördert werden.
Die Mikropumpe 15 kann in allen Varianten auf das Substrat 10 entweder aufgeklebt werden oder aufgelötet werden.
Eine weitere Option besteht darin, den Fluidzufluss auch über eine untere Öffnung in dem Substrat analog zum Fluidauslass zu bewerkstelligen.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.

Claims

Kombinierte Pumpe-Sensor-Anordnung (100), aufweisend: ein Substrat (10) mit einer ersten Hauptseite (11) und einer gegenüberliegenden zweiten Hauptseite (12), ein auf der ersten Hauptseite (11) des Substrats (10) angeordneter Gehäusedeckel (13) eines Gehäuses, wobei ein Hohlraum innerhalb des Gehäuses eine Messkavität (14) definiert, eine Mikropumpe (15) mit einem Pumpeneinlass (16) und einem Pumpenauslass (17), wobei die Mikropumpe (15) ausgestaltet ist, um ein in der Messkavität (14) befindliches Analyt-Fluid durch den Pumpeneinlass (16) anzusaugen und über den Pumpenauslass (17) in eine Umgebung (18) außerhalb der Messkavität (14) auszustoßen, ein Sensor (20) zum Detektieren von zumindest einem Bestandteil des innerhalb der Messkavität (14) befindlichen und mittels der Mikropumpe (15) bewegbaren Analyt-Fluids, wobei sowohl der Sensor (20) als auch die Mikropumpe (15) jeweils auf der ersten Hauptseite (11) des Substrats (10) und innerhalb der Messkavität (14) angeordnet sind.
Kombinierte Pumpe-Sensor-Anordnung (100) nach Anspruch 1, wobei die Mikropumpe (15) trägerlos auf der ersten Hauptseite (11) des Substrats (10) angeordnet ist.
Kombinierte Pumpe-Sensor-Anordnung (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Mikropumpe (15) schlauchlos ausgeführt ist.
Kombinierte Pumpe-Sensor-Anordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Mikropumpe (15) mittels eines Abstandshalters (24) von der ersten Hauptseite (11) des Substrats (10) beabstandet angebracht ist, sodass sich zwischen der Mikropumpe (15) und der ersten Hauptseite (11) des Substrats (10) ein Fluidkanal (25) ergibt, der die Messkavität (14) und den Pumpeneinlass (16) fluidisch miteinander verbindet, wobei das Analyt-Fluid durch diesen Fluidkanal (25) hindurch ansaugbar ist.
Kombinierte Pumpe-Sensor-Anordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Substrat (10) eine in der ersten Hauptseite (11) angeordnete Ausnehmung (61) aufweist, die einen Fluidkanal zwischen der Messkavität (14) und dem Pumpeneinlass (16) definiert, sodass das Analyt-Fluid durch diesen Fluidkanal (61) hindurch ansaugbar ist.
Kombinierte Pumpe-Sensor-Anordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Gehäusedeckel (13) eine Öffnung (22) aufweist, die einen Fluideinlass definiert, durch den das Anatyt-Fluid von der Umgebung (18) in die Messkavität (14) hinein einströmen kann, wobei die Öffnung (22) dem Sensor (20) benachbart angeordnet ist.
Kombinierte Pumpe-Sensor-Anordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Substrat (10) eine sich vollständig durch das Substrat (10) hindurch erstreckende Öffnung (22) aufweist, die einen Fluideinlass definiert, durch die das Analyt-Fluid von der Umgebung (18) in die Messkavität (14) hinein einströmen kann, und wobei der Sensor (20) in Fluidströmungsrichtung (19) zwischen dem Fluideinlass (22) und dem Pumpeneinlass (16) angeordnet ist.
Kombinierte Pumpe-Sensor-Anordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei innerhalb der Messkavität (14) ein Füllmaterial (81) angeordnet ist, wobei das Füllmaterial (81) zumindest einen Teil des Gesamtvolumens der Messkavität (14) ausfüllt, sodass das verbleibende Volumen der Messkavität (14), in dem sich das Analyt-Fluid ausbreiten kann, um den Anteil des Füllmaterials (81) verringert ist.
Kombinierte Pumpe-Sensor-Anordnung (100) nach Anspruch 8, wobei das Füllmaterial (81) eine Vergussmasse aufweist, die die Messkavität (14) zumindest mit Ausnahme eines Fluidströmungspfads zwischen einer aktiven Sensorfläche des Sensors (20) und dem Pumpeneinlass (16) auskleidet.
Kombinierte Pumpe-Sensor-Anordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Gehäusedeckel (13) fluiddicht auf der ersten Hauptseite (11) des Substrats (10) angeordnet ist.
Kombinierte Pumpe-Sensor-Anordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Gehäuse eine Bauhöhe H_G von H_G =1 mm oder weniger aufweist und/oder wobei die Messkavität (14) eine zwischen der ersten Hauptseite (11) des Substrats (10) und dem Gehäusedeckel (13) definierte Bauraumhöhe H_K von H_K = 1 mm oder weniger aufweist.
Kombinierte Pumpe-Sensor-Anordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die auf der ersten Hauptseite (11) des Substrats (10) durch den Gehäusedeckel (13) definierte Grundfläche des Gehäuses 8 × 4 mm² oder weniger beträgt.
Kombinierte Pumpe-Sensor-Anordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Mikropumpe (15) laterale Abmessungen von 4 × 4 mm² oder weniger aufweist.
Kombinierte Pumpe-Sensor-Anordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Mikropumpe (15) als eine MEMS-Mikropumpe (MEMS: Micro Electro Mechanical System) ausgestaltet ist.
Kombinierte Pumpe-Sensor-Anordnung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der Sensor (20) ausgestaltet ist, um mindestens ein in dem (Analyt-)Fluid befindliches Gas und/oder Feststoffpartikel und/oder flüchtige organische Verbindungen zu detektieren.