DE102020210593A1

DE102020210593A1 - Kontaktlinse, Verfahren zur Detektion eines Körperschalls mithilfe einer Kontaktlinse, Verfahren zur Herstellung einer Kontaktlinse

Info

Publication number: DE102020210593A1
Application number: DE102020210593.6A
Authority: DE
Inventors: Johannes Classen
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-08-20
Filing date: 2020-08-20
Publication date: 2022-02-24
Also published as: CN114076669A; US20220057656A1

Abstract

Es wird eine Kontaktlinse beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktlinse einen Beschleunigungssensor zur Detektion eines von einem Tragenden der Kontaktlinse erzeugten Körperschalls aufweist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Kontaktlinse.
Mikromechanische Inertialsensoren zur Messung von Beschleunigungen werden seit vielen Jahren für verschiedene Applikationen im Automobil- und Consumer-Bereich in Massenfertigung hergestellt.
Relativ neue Anwendungsfelder für Beschleunigungssensoren ergeben sich im Bereich Consumer-Elektronik bei den sogenannten Hearables wie Ohrhörern/Earbuds. Mögliche Applikationen für Beschleunigungssensoren in miniaturisierten Ohrhörern sind in der US 9 363 596 B2 beschrieben. Eine grundsätzliche Funktion des Beschleunigungssensors ist die Folgende:

Der Träger des Ohrhörers erzeugt beim Sprechen Körperschall bzw. Knochenschall, der von einem hochempfindlichen (also rauscharmen) Beschleunigungssensor detektiert werden kann und mit Mikrophonsignalen verglichen wird. Da der Beschleunigungssensor nicht sensitiv auf akustische Schallwellen aus der Umgebung reagiert, können durch den Signalvergleich zwischen Beschleunigungssensor und Mikrophon Störgeräusche aus der Umgebung herausgefiltert werden. Eine weitere Funktion kann sein, dass die Sprachsteuerung über Codewörter nur dann anspricht, wenn über den Beschleunigungssensor auch Knochenschallsignale empfangen werden. Damit lässt sich ausschließen, dass das Codewort von einem Dritten ausgesprochen wurde. In diesen Anwendungen fungiert der Beschleunigungssensor demnach als eine Ergänzung zum Mikrophon.

Ein weiteres wichtiges Gebiet im Bereich der Consumer-Elektronik sind die sogenannten Smart Glasses, also intelligente Brillen, die eine Projektionsoptik und verschiedene integrierte Sensoren, unter anderem Mikrophone und Beschleunigungssensoren zur Sprachsteuerung und zur sogenannten Tap-Detection (Detektion von Fingerklopfen), aufweisen können.
Auch für Smart Contact Lenses, also intelligente Kontaktlinsen, können sich vielfältige Anwendungen für Sensoren ergeben. Ein entscheidendes Problem ist dabei, dass bei einer Kontaktlinse durch die unmittelbare Nähe zum Auge besondere medizinische Anforderungen eine wichtige Rolle spielen.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kontaktlinse bereitzustellen, mit der eine verbesserte Funktionalität erzielt werden kann.
Die erfindungsgemäße Kontaktlinse gemäß dem Hauptanspruch hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass eine vorteilhafte Möglichkeit zur Spracherfassung und/oder -übermittlung mithilfe einer Kontaktlinse implementiert werden kann. Die Kontaktlinse umfasst dafür einen Beschleunigungssensor, der vorzugsweise zur Detektion eines von einem Tragenden der Kontaktlinse erzeugten Körperschalls eingerichtet bzw. konfiguriert ist. Somit kann durch die Verwendung eines Beschleunigungssensors in der Kontaktlinse die Detektion eines von der menschlichen Stimme erzeugten Körperschalls erreicht werden und dadurch ein Mikrophonersatz in einer Kontaktlinse realisiert werden.
Aus Applikationssicht ist eine Mikrophonfunktion in Kontaktlinsen zur Spracherkennung und Sprachsteuerung von elektronischen Geräten, mit denen die Kontaktlinse kommuniziert (beispielsweise Smartphones, SmartHome-Geräte, Wearables), hochgradig wünschenswert. Ein aus medizinischer Sicht entscheidende Aspekt bei der Integration von Elektronikkomponenten in Kontaktlinsen ist jedoch, dass die Elektronik-Bauelemente vollständig von einer Schutzschicht umgeben sein sollten, sie also keinen direkten Augenkontakt, weder mit dem Epithel noch mit dem Augenlid, haben. Die Anforderung nach einer vollen Integration der Bauelemente ins Innere der Kontaktlinse setzt jedoch dem Einsatz von Mediensensoren in Kontaktlinsen sehr enge Grenzen bzw. verhindert diesen sogar. Insbesondere ist die Verwendung von üblichen Mikrophonen, also Schallsensoren, in Kontaktlinsen nahezu unmöglich, da das Mikrophon für eine sinnvolle Funktion einen direkten Zugang zur Umgebungsluft haben müsste. Dies steht aber im Widerspruch zur vollständigen Einbettung des Bauelements in die Kontaktlinse.
Erfindungsgemäß können diese Probleme (von Schallsensoren bzw. üblichen Mikrophonen) überwunden werden, indem ein Beschleunigungssensor zur Detektion eines von einem Tragenden der Kontaktlinse erzeugten Körperschalls als Teil der Kontaktlinse konfiguriert werden kann. Durch den Beschleunigungssensor ist es erfindungsgemäß möglich, den Körperschall der menschlichen Stimme zu detektieren, sodass der Beschleunigungssensor in vorteilhafter Weise eine Mikrophonfunktion übernehmen kann. Störgeräusche aus der Umgebung werden dabei besonders vorteilhaft automatisch wirksam unterdrückt, da der Beschleunigungssensor nicht sensitiv auf den Luftschall ist. Es ist somit möglich, dass selbst in sehr lauter Umgebung ein klares Sprachsignal aus den Daten des Beschleunigungssensors ermittelt werden kann.
Dadurch, dass es erfindungsgemäß möglich ist, dass der Beschleunigungssensor vorteilhaft zur Detektion eines Körperschalls eingerichtet ist, ergeben sich auch insbesondere Vorteile gegenüber der Verwendung eines Beschleunigungssensors in einer Kontaktlinse, der lediglich und ausschließlich zur Detektion niedrigfrequenter Beschleunigungen vorgesehen und ausgebildet ist (im Bereich weniger Hz, beispielsweise unterhalb von 20 Hz), beispielsweise zur Messung einer Relativposition der Augen und zur Unterscheidung zwischen leichtem Schielen (im Nahfokus, beispielsweise beim Lesen) und paralleler Augenausrichtung (Fernsicht).
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Beschleunigungssensor im Inneren der Kontaktlinse angeordnet ist, insbesondere derart, dass der Beschleunigungssensor vollständig von einer oder mehreren Schichten der Kontaktlinse umschlossen ist, ist es vorteilhafterweise möglich, den Beschleunigungssensor besonders verträglich und aus medizinischer Sicht vorteilhaft in die Kontaktlinse zu integrieren. Der Beschleunigungssensor hat dabei vorzugsweise keinen Kontakt zur Umgebungsluft. Der Beschleunigungssensor kann insbesondere über ein hermetisch geschlossenes Package verfügen und somit beispielsweise mittels Moldverfahren in die Kontaktlinse integriert werden, wobei der Sensor vorzugsweise vollständig von der gemoldeten Schutzschicht umschlossen ist.
Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Beschleunigungssensor eine Gesamtdicke von kleiner 300 µm aufweist, ist es möglich, durch die geringe Gesamtdicke des Sensors eine besonders vorteilhafte Integration in eine Kontaktlinse zu ermöglichen.
Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Beschleunigungssensor in einer mithilfe eines MEMS-Chips (mikroelektromechanischen System-Chips) und/oder eines ASIC-Chips (anwendungsspezifische integrierte Schaltung-Chips) ausgebildeten Kaverne angeordnet ist, wobei die Kaverne insbesondere mithilfe eines Bondrahmens hermetisch verschlossen ist, ist es möglich, den Beschleunigungssensor in einer hermetisch verschlossen Kaverne anzuordnen und ihn somit von der Umgebung zu isolieren.
Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der MEMS-Chip und/oder der ASIC-Chip mindestens eine Durchkontaktierung, insbesondere eine Silizium-Durchkontaktierung (through silicon via - TSV), aufweist, wobei der Beschleunigungssensor bevorzugt als Chip Scale Package ausgebildet ist, ist es vorteilhafterweise möglich, eine elektrische Anbindung an den Beschleunigungssensor zu ermöglichen und dennoch eine kompakte und platzsparende Ausbildung zu realisieren. Der Beschleunigungssensor ist vorzugsweise für die Applikation als Körperschallsensor in einer Kontaktlinse hinreichend breitbandig, rauscharm, kompakt und stromsparend ausgebildet. Die Kompaktheit lässt sich besonders vorteilhaft durch die Realisierung des Sensors als extrem kleinbauendes Chip Scale Package erreichen, bei dem MEMS- und ASIC-Chip durch ein metallisches Waferbondverfahren vertikal integriert werden und der Sensor auf sehr geringe Bauhöhen zurückgeschliffen werden kann. Speziell für einen kapazitiven Beschleunigungssensor bietet diese Anordnung zudem Vorteile bezüglich des elektronischen Rauschens, da durch die vertikale Integration der elektrische Signalpfad zwischen MEMS und ASIC aufgrund besonders kurzer Leiterbahnlängen vergleichsweise niedrige Parasitärkapazitäten aufweist, wodurch ein besonders hohes Signal-Rausch-Verhältnis erreicht werden kann.
Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Beschleunigungssensor zur Detektion des Körperschalls eine 3-dB-Bandbreite von mindestens 2 kHz, bevorzugt von mindestens 2,5 kHz, aufweist, ist es besonders vorteilhaft möglich, für unterschiedliche Personen die durch die menschliche Stimme erzeugten Körperschallsignale zu detektieren.
Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Beschleunigungssensor zur Ausgabe eines Körperschallsignals in Abhängigkeit des vom Beschleunigungssensor detektierten Körperschalls ausgebildet ist, wobei zur Ausgabe und/oder Weiterverarbeitung des Körperschallsignals ein Tiefpassfilter und/oder ein Bandpassfilter vorgesehen ist,
wobei der Tiefpassfilter bevorzugt eine 3dB-Grenzfrequenz zwischen einschließlich 2 kHz und einschließlich 2,5 kHz aufweist, und/oder wobei der Bandpassfilter bevorzugt eine untere 3dB-Grenzfrequenz von kleiner oder gleich 60 Hz und eine obere 3dB-Grenzfrequenz von mindestens 2 kHz, besonderes bevorzugt eine obere Grenzfrequenz von mindestens 2,5 kHz, aufweist, ist es besonders vorteilhaft möglich, eine zuverlässig Detektion für alle mit der menschlichen Stimme erzeugbaren Frequenzen zu erreichen. Das ausgegebene Körperschallsignal ist vorzugsweise ein elektrisches Signal. Der Beschleunigungssensor weist insbesondere unterhalb der oberen 3dB-Grenzfrequenz eine möglichst flache Übertragungsfunktion auf, wie dies auch für gängige Mikrophone gefordert wird, um einen möglichst natürlichen und unverfälschten Klang der Stimme reproduzieren zu können.
Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Beschleunigungssensor zusätzlich zur Detektion des von dem Tragenden erzeugten Körperschalls zur Detektion von niederfrequenten Beschleunigungen, insbesondere unterhalb von 60 Hz, bevorzugt unterhalb von 20 Hz, ausgebildet ist, wobei der Beschleunigungssensor zur Ausgabe eines Beschleunigungssignals in Abhängigkeit der detektierten niederfrequenten Beschleunigungen ausgebildet ist, wobei zur Ausgabe und/oder Weiterverarbeitung des Beschleunigungssignals bevorzugt ein Tiefpassfilter mit einer 3dB-Grenzfrequenz von kleiner oder gleich 60 Hz, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 20 Hz, vorgesehen ist, ist es möglich, dass der Beschleunigungssensor neben der Körperschalldetektion weitere Funktionen erfüllen kann. Beispielsweise kann der Beschleunigungssensor zur Detektion von niederfrequenten Beschleunigungen, wie einem Lidschlag, ausgebildet sein. Ein typischer Lidschlag hat eine Dauer von 100 bis 200 ms. Um dies sicher zu detektieren, weist der Tiefpassfilter beispielsweise eine Grenzfrequenz von kleiner oder gleich 60 Hz auf. Für ein Neigen oder Schütteln des Kopfes, also Bewegungen mit Frequenzen in der Größenordnung von wenigen Hertz, wäre eine Grenzfrequenz von beispielsweise 20 Hz gut geeignet. Der Sensor kann zusätzlich zu seiner Funktion als Körperschallsensor somit auch Funktionen eines Beschleunigungssensors übernehmen, welche lediglich niederfrequente Signalanteile betreffen, beispielsweise ein Neigen des Kopfes, Augenblinzeln, Änderung der Augenorientierung usw. Das vom Beschleunigungssensor in Abhängigkeit der detektierten niederfrequenten Beschleunigungen ausgegebene Beschleunigungssignal ist vorzugsweise ein elektrisches Signal.
Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Kontaktlinse eine Energieversorgungseinrichtung zur Versorgung des Beschleunigungssensors umfasst, und/oder
die Kontaktlinse eine Kommunikationsschaltung mit einer Signalübermittlungsschnittstelle und/oder einer Signalempfangsschnittstelle umfasst, wobei die Kommunikationsschaltung als Teil des ASIC-Chips ausgebildet ist oder ein separat von dem ASIC-Chip ausgebildetes Bauelement ist, ist es vorteilhafterweise möglich, dass die Kommunikationsschaltung über die Signalübermittlungsschnittstelle und/oder Signalempfangsschnittstelle, insbesondere Funkschnittstelle(n) (beispielsweise Bluetooth), mit externen Geräten, wie Smartphones, Wearables, loT(lnternet of Things)-Devices, kommuniziert. Die Signale des Beschleunigungssensors können somit von der Kommunikationsschaltung (beispielsweise einem Bluetooth-Sender) an verbundene Signalempfänger in der Umgebung gesendet werden. Ferner ist es möglich, dass mithilfe der Kommunikationsschaltung Signale von externen Geräten empfangen werden.
Es ist bevorzugt denkbar, dass Schaltungsmittel, beispielsweise ein Microcontroller, in der Kontaktlinse integriert sind, wobei die Schaltungsmittel zum Auslesen des Körperschallsignals und/oder des Beschleunigungssignals des Beschleunigungssensors konfiguriert sind. Die Schaltungsmittel können beispielsweise in dem Beschleunigungssensor, der Kommunikationsschaltung und/oder als separates Bauelement in der Kontaktlinse integriert sein.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Detektion eines Körperschalls mithilfe einer Kontaktlinse gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei der Beschleunigungssensor den von dem Tragenden der Kontaktlinse erzeugten Körperschall detektiert.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Kontaktlinse gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei der Beschleunigungssensor in einem Herstellungsschritt der Kontaktlinse in die Kontaktlinse integriert wird.
Dadurch, dass gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, insbesondere des Verfahrens zur Herstellung einer Kontaktlinse, der Beschleunigungssensor mithilfe eines Bondschritts hergestellt wird, wobei in dem Bondschritt ein MEMS-Chip und ein ASIC-Chip miteinander verbunden werden, bevorzugt mithilfe von eutektischem Bonden, wobei der Bondschritt insbesondere durchgeführt wird, bevor der Beschleunigungssensor in dem Herstellungsschritt der Kontaktlinse in die Kontaktlinse integriert wird, ist es möglich, einen besonders kompakten und platzsparenden Sensor herzustellen, der vorteilhaft in eine Kontaktlinse integriert werden kann.
Es ist gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung denkbar, dass der Beschleunigungssensor über ein vertikales Integrationsverfahren hergestellt wird, insbesondere durch ein metallisches Waferbondverfahren zwischen einem MEMS- und einem CMOS- bzw. ASIC-Wafer, bevorzugt über ein eutektisches Bondverfahren, besonders bevorzugt über Al-Ge-Bonden. Es ist möglich, dass der Beschleunigungssensor als Chip Scale Package mit Silizium-Durchkontaktierungen ausgebildet wird. Es ist denkbar, dass die Silizium-Durchkontaktierungen durch den CMOS-Wafer und/oder durch den MEMS-Wafer geführt werden.
Es ist gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, dass der Beschleunigungssensor auf geringe Dicken abgedünnt wird, insbesondere auf eine Gesamtstackdicke von MEMS- und ASIC-Wafer von geringer oder gleich 300 µm. Hierdurch ist eine besonders vorteilhafte Integration in die Kontaktlinse denkbar.
Es ist vorzugsweise möglich, dass der Beschleunigungssensor flächige Kontaktpads aufweist und sich dadurch mit geringem Standoff (bevorzugt 10 bis 60 µm) montieren lässt.
Es ist möglich, dass der Beschleunigungssensor in einer Richtung (x oder y oder z), in zwei Richtungen (xz oder xy) oder in drei Richtungen (xyz) empfindlich ist. Bei einem mehrkanaligen Sensor ist es dabei möglich, dass mindestens eine gemeinsame seismische Masse verwendet wird, welche in mindestens zwei Richtungen auslenkbar ist.
Für das Verfahren zur Detektion eines Körperschalls mithilfe einer Kontaktlinse und das Verfahren zur Herstellung einer Kontaktlinse können dabei die Vorteile und Ausgestaltungen Anwendung finden, die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Kontaktlinse oder im Zusammenhang mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kontaktlinse beschrieben worden sind.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Figurenliste

1a und 1b zeigen schematische Darstellungen eines menschlichen Kopfes;
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Kontaktlinse gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 zeigt schematisch eine Übertragungsfunktion eines Beschleunigungssensors einer Kontaktlinse gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Beschleunigungssensors für eine Kontaktlinse gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
In 1a ist schematisch ein menschlicher Kopf gezeigt, bei dem während des Sprechens akustische Schallwellen erzeugt werden. Wie in 1b schematisch dargestellt, entsteht beim Sprechen im Kopf 201 zugleich ein Körperschall 200 (bzw. Körperschallwellen 200), der unter anderem auch die Region um das menschliche Auge erreicht.
In 2 ist eine schematische Darstellung einer Kontaktlinse 4 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Aufsicht gezeigt. Um den zentralen Linsenbereich 5 sind im Außenbereich der Kontaktlinse 4, also außerhalb des Sichtbereichs, mehrere elektronische Bauelemente angeordnet, insbesondere ein Beschleunigungssensor 1 zur Körperschalldetektion, eine Kommunikationsschaltung 2 (beispielsweise ein Kommunikationschip) zum Senden/Empfangen von Daten, welcher mit Geräten außerhalb der Kontaktlinse 4, insbesondere drahtlos, verbunden werden kann, sowie eine Energieversorgungseinrichtung 3, beispielsweise eine Miniatur-Batterie, welche gegebenenfalls auch wiederaufladbar sein kann. Zwischen sämtlichen elektronischen Bauelementen 1, 2, 3 sind vorzugsweise elektrische Verbindungen ausgebildet, welche aus Übersichtlichkeitsgründen in 2 nicht dargestellt sind. Die Energieversorgungseinrichtung 3 versorgt den Beschleunigungssensor 1 und die Kommunikationsschaltung 2 mit Spannung und Strom. Signale zwischen dem Beschleunigungssensor 1 und der Kommunikationsschaltung 2 können über ein bidirektionales Datenprotokoll (beispielsweise I²C, I³C, SPI) übertragen werden. Eine Signalverarbeitung der Rohdaten des Beschleunigungssensors 1 kann im Beschleunigungssensor 1 selbst und/oder in der Kommunikationsschaltung 2 erfolgen. Der Beschleunigungssensor 1 und/oder die Kommunikationsschaltung 2 kann dafür einen Mikrocontroller zur Signalverarbeitung enthalten. Die Kommunikationsschaltung 2 kommuniziert mittels einer oder mehrerer Funkschnittstellen (beispielsweise Bluetooth) mit externen Geräten, wie beispielsweise Smartphones, Wearables und/oder loT (Internet of Things)-Geräten. Alternativ zur dargestellten Ausführung, ist es auch denkbar, dass die Kommunikationsschaltung 2 im Beschleunigungssensor 1 integriert ist. Hierdurch werden jedoch besondere Herausforderungen an die Miniaturisierung gestellt, denn aufgrund der (in Aufsicht) ringförmigen Geometrie und der (im Querschnitt) nach außen flacher werdenden Kontaktlinsengeometrie ist es problematisch, Chips in die Kontaktlinse zu integrieren, deren Kantenlänge in Radialrichtung 1 mm, in Tangentialrichtung 2 mm und deren Bauhöhe wenige 100 µm übersteigt.
Der Beschleunigungssensor 1 hat zumindest die Funktion eines Körperschallsensors, ist also nicht lediglich ein Inertialsensor, welcher ausschließlich auf niederfrequente Signale (langsame Augen- oder Kopfbewegungen) abzielt. Damit dies zuverlässig für alle mit der menschlichen Stimme erzeugbaren Frequenzen funktioniert, weist der Beschleunigungssensor 1 vorzugsweise eine Bandbreite f_3dB von wenigstens 2 kHz, bevorzugt 2.5 kHz, auf, und für Frequenzen unterhalb dieser Grenzfrequenz eine möglichst flache Übertragungsfunktion, um einen möglichst natürlichen und unverfälschten Klang der Stimme reproduzieren zu können.
Eine entsprechende Übertragungsfunktion 300 (also die Höhe des elektrischen Ausgangssignals S als Funktion der Stimmfrequenz f) eines Beschleunigungssensors 1 einer Kontaktlinse 4 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in 3 schematisch dargestellt. Die 3dB-Grenzfrequenz liegt dabei bei 2,5 kHz. Eine derartige flache Übertragungsfunktion des Beschleunigungssensors 1 kann beispielsweise über eine innerhalb der Bandbreite flache mechanische Übertragungsfunktion des mikromechanischen Sensorelements kombiniert mit einem einfachen Tiefpassfilter im Auswerte-ASIC gewährleistet werden. Für eine solche Realisierungsform kann der Beschleunigungssensor 1 beispielsweise eine hinreichend hohe Resonanzfrequenz (f_res >> f_3dB) aufweisen und/oder relativ stark gedämpft sein (Lehrsche Dämpfung ~ 0.7), indem die Sensorkaverne des Beschleunigungssensors 1 mit einem Gas geeigneter Viskosität befüllt wird.
Alternativ kann eine derartige flache Gesamt-Übertragungsfunktion des Beschleunigungssensors 1 auch über eine Resonanzfrequenz des Sensors, welche beispielsweise nur einen Faktor 2 bis 3 oberhalb der Grenzfrequenz f_3dB liegt, kombiniert mit einer deutlich unterkritischen Dämpfung (beispielsweise D ~ 0.1) realisiert werden. In diesem Fall muss allerdings der ASIC über geeignete elektronische Filter die Frequenzabhängigkeit der mechanischen Übertragungsfunktion gerade wieder kompensieren. Diese Konfiguration ist besonders günstig bezüglich des erreichbaren Rausch-Niveaus, da ansonsten entweder bei zu hoher Resonanzfrequenz das elektronische Rauschen oder bei zu hoher Dämpfung das Brownsche Rauschen (durch die statistische Bewegung der seismischen Masse des Sensors aufgrund von Molekülstößen) zu groß werden kann. Beide Rauschterme, elektronisches und Brownsches Rauschen, müssen zur Berechnung der Gesamt-Rauschleistungsdichte quadratisch addiert werden. Sobald einer der Terme zu groß wird, ist daher das Gesamtrauschen zu hoch.
Der Beschleunigungssensor 1 kann einachsig, zweiachsig oder dreiachsig ausgeführt sein, also in eine, zwei oder drei Raumrichtungen sensitiv sein. Bei Verwendung von mehrachsigen Sensoren können die in den verschiedenen Achsen gemessenen Signale quadratisch addiert werden, um ein Effektivsignal analog zu einem Mikrophon-Ausgangssignal zu generieren. Diese Signalverarbeitung kann beispielsweise entweder im Mikrocontroller des Beschleunigungssensors 1 oder der Kommunikationsschaltung 2 (bzw. des Kommunikationschips 2) erfolgen.
Zur Realisierung von Konfigurationen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in einer Kontaktlinse 4 ist die Miniaturisierung der in der Kontaktlinse 4 zu integrierenden Bauelemente 1, 2, 3 von großer Bedeutung. Bei handelsüblichen Beschleunigungssensoren 1 werden MEMS- und ASIC-Chip häufig in Moldgehäuse umverpackt. Häufig kommt dabei beispielsweise ein LGA2x2-Moldgehäuse, also ein Gehäuse mit lateralen Abmessungen von 2 × 2 mm² und Bauhöhen zwischen 0.6 und 1.0 mm, zum Einsatz. Derartige Standardsensoren sind jedoch deutlich zu groß für die Integration in einer intelligenten Kontaktlinse 4.
Es ist daher gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besonders vorteilhaft denkbar, auf eine Umverpackung von MEMS- und ASIC-Chip zu verzichten. In 4 ist eine schematische Darstellung eines Beschleunigungssensors 1 für eine Kontaktlinse 4 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt.
Der Beschleunigungssensor 1 ist durch einen Waferstack, umfassend einen MEMS-Wafer 10 und einem CMOS- oder ASIC-Wafer 100, gebildet. Der MEMS-Wafer 10 wird bevorzugt mit oberflächenmikromechanischen Methoden hergestellt. Auf dem Silizium-Substrat 20 werden eine erste Isolationsschicht 22, bevorzugt als Oxidschicht, und eine erste Funktionsschicht 24, bevorzugt als polykristalline Silizium-Schicht, abgeschieden und strukturiert. In der ersten Funktionsschicht 24 ist optional eine erste feste Auswerteelektrode 25 angeordnet. Die Funktionsschicht 24 dient darüber hinaus der elektrischen Umverdrahtung innerhalb des MEMS-Chips. Oberhalb der ersten Funktionsschicht 24 ist eine zweite Isolationsschicht 26, wiederum bevorzugt als Oxidschicht, und darüber mindestens eine zweite, dickere Funktionsschicht 30, bevorzugt aus polykristallinem Silizium, angeordnet. Die Funktionsschicht 30 wird mittels eines Trench-Prozesses (beispielsweise Deep Reactive Ion Etching, DRIE) strukturiert, um Aufhängungen 34, eine bewegliche Sensormasse 32, mindestens eine Feder 36 und gegebenenfalls feste Gegenelektroden für einen lateral, also parallel zur Chipebene, beweglichen Beschleunigungssensor 1 zu realisieren.
Der CMOS-Wafer 100 umfasst ein Silizium-Substrat 60, den Dotierbereichen 62 zur Realisierung von Transistorschaltungen und den CMOS-Backend-Stapel 64 aus Isolatorschichten und Metallschichten, die über metallische Vias miteinander verbunden werden können. MEMS- und CMOS-Wafer 10, 100 werden über ein metallisches Bondverfahren mechanisch und elektrisch miteinander verbunden. Dabei kann die Bondschicht 40 bevorzugt über ein eutektisches Bondverfahren, beispielsweise mit Aluminium auf dem einem Wafer und Germanium auf dem anderen Wafer, hergestellt werden. In der Bondschicht 40 kann zum einen ein umlaufender Bondrahmen 42 angeordnet werden, der die von den einander zugewandten Seiten des MEMS- und ASIC-Wafers 10, 100 gebildete Kaverne 110 umschließt. Zum anderen können über die metallische Bondschicht auch elektrische Kontakte 44 zwischen MEMS- und ASIC-Wafer 10, 100 hergestellt werden. In der obersten Metallisierungsebene des ASICs ist optional eine weitere feste Auswerteelektrode 66 zur Detektion von Bewegungen senkrecht zur Chipebene angeordnet. Die Pfeile in 4 deuten an, dass der Sensor lateral und/oder vertikal beweglich sein kann, also Beschleunigungen in die entsprechenden Richtungen detektieren kann. Insbesondere kann es sich um eine einzelne bewegliche Sensormasse handeln, welche aufgrund geeigneter Federgeometrien in mehrere Richtungen (xy, xz oder xyz) auslenkbar ist. Eine solche Konfiguration ist für die Anwendung besonders vorteilhaft, da aufgrund der in diesem Fall besonders großen gemeinsamen Sensormasse das Brownsche Rauschen reduziert ist (das Brownsche Rauschen skaliert mit 1/Wurzel(Masse)).
Für die Input-/Output-Signale des ASICs sind im Ausführungsbeispiel von 4 im CMOS-Wafer 100 ferner Durchkontaktierungen 80 (TSVs - Through Silicon Vias) sowie auf der ASIC-Rückseite eine Umverdrahtungsebene 94 (RDL, Redistribution Layer) und für die Kontaktierung des Sensors externe Pads 90 angeordnet. Die Umverdrahtungsebene 94 ist über eine oder mehrere Passivierschichten 92 elektrisch vom ASIC-Substrat 60 getrennt.
Zur Integration in die Kontaktlinse 4 ist es vorteilhaft, dass die Bauhöhe des Beschleunigungssensors 1 sehr gering ist. In besonders vorteilhafter Weise wird der Waferstack aus MEMS-Wafer 10 und ASIC-Wafer 100 durch Schleifen und CMP-Prozesse stark verdünnt, um Gesamtbauhöhen in der Größenordnung 150 bis 400 µm zu realisieren. Hierfür werden bevorzugt beide Wafer 10, 100 stark rückgedünnt. Vorzugsweise wird der ASIC-Wafer 100 dabei auf eine geringere Dicke als der MEMS-Wafer 10 zurückgeschliffen, um den TSV-Prozess besonders einfach und kostengünstig zu gestalten.
Gemäß alternativer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind auch andere Ausführungen eines Beschleunigungssensors als die in 4 dargestellte denkbar, beispielsweise andere Waferstacks, andere externe Kontaktierung, anderer MEMS-Prozess usw.
Vorzugsweise kann der Beschleunigungssensor 1 erfindungsgemäß als Körperschallsensor im Frequenzbereich von ca. 60 - 2500 Hz verwendet werden und somit als Mikrophonersatz. Es ist darüber hinaus aber auch möglich, niederfrequente Signale des Beschleunigungssensors 1 zu messen und damit zusätzlich zu seiner Grundfunktion der Spracherfassung/-übermittlung weitere Funktionen zu realisieren (beispielsweise Detektieren des Augenblinzelns, der Augenorientierung, der Kopfneigung), um damit weitere Applikationen für die intelligente Kontaktlinse durch einen Beschleunigungssensor 1 zu ermöglichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 9363596 B2 [0003]

Claims

Kontaktlinse (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktlinse (4) einen Beschleunigungssensor (1) zur Detektion eines von einem Tragenden (201) der Kontaktlinse (4) erzeugten Körperschalls (200) aufweist.
Kontaktlinse (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungssensor (1) im Inneren der Kontaktlinse (4) angeordnet ist, insbesondere derart, dass der Beschleunigungssensor (1) vollständig von einer oder mehreren Schichten der Kontaktlinse (4) umschlossen ist.
Kontaktlinse (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungssensor (1) eine Gesamtdicke von kleiner 300 µm aufweist.
Kontaktlinse (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungssensor (1) in einer mithilfe eines MEMS-Chips (10) und/oder eines ASIC-Chips (100) ausgebildeten Kaverne (110) angeordnet ist, wobei die Kaverne (110) insbesondere mithilfe eines Bondrahmens (42) hermetisch verschlossen ist.
Kontaktlinse (4) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der MEMS-Chip (10) und/oder der ASIC-Chip (100) mindestens eine Durchkontaktierung (80), insbesondere eine Silizium-Durchkontaktierung, aufweist, wobei der Beschleunigungssensor (1) bevorzugt als Chip Scale Package ausgebildet ist.
Kontaktlinse (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungssensor (1) zur Detektion des Körperschalls (200) eine 3-dB-Bandbreite von mindestens 2 kHz, bevorzugt von mindestens 2,5 kHz, aufweist.
Kontaktlinse (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungssensor (1) zur Ausgabe eines Körperschallsignals in Abhängigkeit des vom Beschleunigungssensor (1) detektierten Körperschalls (200) ausgebildet ist, wobei zur Ausgabe und/oder Weiterverarbeitung des Körperschallsignals ein Tiefpassfilter und/oder ein Bandpassfilter vorgesehen ist, wobei der Tiefpassfilter bevorzugt eine 3dB-Grenzfrequenz zwischen einschließlich 2 kHz und einschließlich 2,5 kHz aufweist, und/oder wobei der Bandpassfilter bevorzugt eine untere 3dB-Grenzfrequenz von kleiner oder gleich 60 Hz und eine obere 3dB-Grenzfrequenz von mindestens 2 kHz, besonderes bevorzugt eine obere Grenzfrequenz von mindestens 2,5 kHz, aufweist.
Kontaktlinse (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungssensor (1) zusätzlich zur Detektion des von dem Tragenden (201) erzeugten Körperschalls (200) zur Detektion von niederfrequenten Beschleunigungen, insbesondere unterhalb von 60 Hz, bevorzugt unterhalb von 20 Hz, ausgebildet ist, wobei der Beschleunigungssensor (1) zur Ausgabe eines Beschleunigungssignals in Abhängigkeit der detektierten niederfrequenten Beschleunigungen ausgebildet ist, wobei zur Ausgabe und/oder Weiterverarbeitung des Beschleunigungssignals bevorzugt ein Tiefpassfilter mit einer 3dB-Grenzfrequenz von kleiner oder gleich 60 Hz, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 20 Hz, vorgesehen ist.
Kontaktlinse (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktlinse (4) eine Energieversorgungseinrichtung (3) zur Versorgung des Beschleunigungssensors (1) umfasst, und/oder dass die Kontaktlinse (4) eine Kommunikationsschaltung (2) mit einer Signalübermittlungsschnittstelle und/oder einer Signalempfangsschnittstelle umfasst, wobei die Kommunikationsschaltung (2) als Teil des ASIC-Chips (100) ausgebildet ist oder ein separat von dem ASIC-Chip (100) ausgebildetes Bauelement ist.
Verfahren zur Detektion eines Körperschalls mithilfe einer Kontaktlinse (4) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Beschleunigungssensor den von dem Tragenden (201) der Kontaktlinse (4) erzeugten Körperschall (200) detektiert.
Verfahren zur Herstellung einer Kontaktlinse (4) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Beschleunigungssensor (1) in einem Herstellungsschritt der Kontaktlinse (4) in die Kontaktlinse (4) integriert wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungssensor (1) mithilfe eines Bondschritts hergestellt wird, wobei in dem Bondschritt ein MEMS-Chip (10) und ein ASIC-Chip (100) miteinander verbunden werden, bevorzugt mithilfe von eutektischem Bonden, wobei der Bondschritt insbesondere durchgeführt wird, bevor der Beschleunigungssensor (1) in dem Herstellungsschritt der Kontaktlinse (4) in die Kontaktlinse (4) integriert wird.