DE112016001172B4

DE112016001172B4 - Innentemperatur-messvorrichtung und sensorgehäuse

Info

Publication number: DE112016001172B4
Application number: DE112016001172.5T
Authority: DE
Inventors: Shinya Nakagawa; Masao Shimizu
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2015-03-12
Filing date: 2016-02-25
Publication date: 2021-05-27
Anticipated expiration: 2036-02-26
Also published as: JP6398808B2; CN107250748B; US10551252B2; JP2016170017A; DE112016001172T5; WO2016143529A1; CN107250748A; US20180024010A1

Abstract

Innentemperatur-Messvorrichtung, welche die innere Temperatur eines Messobjekts misst, wobei die Innentemperatur-Messvorrichtung (1) umfasst:- ein Sensorgehäuse (10), in dem ein MEMS-Chip (20, 20a) und ein Temperatursensor (26) in einem mit einem Boden versehenen röhrenförmigen Gehäuse (11) angeordnet sind, wobei der MEMS-Chip (20, 20a) eine oder mehrere Thermosäulen (24a, 24b) umfasst, die jeweils einen Wärmefluss messen, der durch einen Bodenbereich des mit einem Boden versehenen röhrenförmigen Gehäuses (11) tritt, wobei der Temperatursensor (26) eine Referenztemperatur misst, die als Temperatur eines vorbestimmten Bereichs des MEMS-Chips (20, 20a) verwendet wird; und- eine gedruckte Schaltung (30), die so konfiguriert ist, dass sie die Innentemperatur des Messobjekts basierend auf der Ausgabe der einen oder der mehreren Thermosäulen (24a, 24b) des Sensorgehäuses (10) berechnet, wobei eine äußere Bodenfläche des Sensorgehäuses (10) aus einer Plattenfläche der gedruckten Schaltung (30) durch eine in der gedruckten Schaltung (30) vorliegende Durchgangsöffnung hervorsteht.

Description

TECHNISCHER BEREICH
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Innentemperatur-Messvorrichtung und ein Sensorgehäuse.
STAND DER TECHNIK
Konventionell sind Methoden, in denen ein Sensormodul mit einer in 6A gezeigten Konfiguration eingesetzt wird (siehe zum Beispiel PTL1), und Methoden, in denen ein Sensormodul mit einer in 6B gezeigten Konfiguration eingesetzt wird (siehe zum Beispiel PTL2), als Methoden zur Detektion eines von einer Körperoberfläche austretenden Wärmeflusses und Messung (Berechnung) einer Körperkerntemperatur anhand des Messergebnisses bekannt.
Bei Verwendung eines Sensormoduls gemäß 6A, d.h., eines Wärmeflusssensors, in dem ein Temperatursensor jeweils an oberen und unteren Oberflächen eines Wärmeisolators befestigt ist, wird eine Körperkerntemperatur Tb unter Anwendung der folgenden Gleichung (1) aus einer mit dem Temperatursensor auf der Oberseite des Wärmeisolators gemessenen Temperatur Ta und einer mit dem Temperatursensor auf der Unterseite des Wärmeisolators gemessenen Temperatur Tt berechnet. $Tb = (Tt - Ta) Rx/R1 + Tt$
wobei R1 und Rx ein Wärmewiderstand eines Wärmeisolators bzw. ein Wärmewiderstand eines subkutanen Gewebes sind.
In dem Innentemperatur-Berechnungsverfahren, in dem das Sensormodul von 6A eingesetzt wird, werden grundsätzlich fixe Werte als Wärmewiderstände R1 und Rx verwendet. Da jedoch der Wärmewiderstand Rx von einem Ort oder einem Individuum abhängt, ist ein Messfehler in der Körperkerntemperatur Tb, die anhand der Gleichung (1) unter Verwendung eines fixen Wertes als Wärmewiderstand Rx berechnet wird, entsprechend einer Differenz zwischen dem verwendeten Wärmewiderstand Rx und dem tatsächlichen Wärmewiderstand Rx, enthalten. Daher werden zuweilen Änderungen der Temperaturen Tt und Ta gemessen, und der Wärmewiderstand Rx wird anhand des Messergebnisses berechnet (siehe PTL 1).
In dem Fall, in dem eine Innentemperatur mit dem Sensormodul von 6B berechnet wird, wird eine Temperaturdifferenz, welche einen Wärmefluss von der Körperoberfläche ausdrückt, mit jedem der beiden Wärmeflusssensoren, welche unterschiedliche Wärmewiderstände der Wärmeisolatoren aufweisen, gemessen. Die folgenden beiden Gleichungen können erhalten werden, wenn die Temperaturdifferenz mit den beiden Wärmeflusssensoren, die unterschiedliche Wärmewiderstände der Wärmeisolatoren aufweisen, gemessen wird. $Tb = (Tt - Ta) Rx/R1 + Tt$
$Tb = (Tt' - Ta') Rx/R1 + Tt'$
wobei Ta und Ta' Temperaturen sind, die mit den Temperatursensoren auf den Oberseiten der rechten und linken Wärmeflusssensoren in 6B gemessen werden, und Tt und Tt' Temperaturen sind, die mit den Temperatursensoren auf den Unterseiten der rechten und linken Wärmeflusssensoren in 6B gemessen werden. R1 und R2 sind Wärmewiderstände der Wärmeisolatoren der Wärmeflusssensoren, wie in 6B dargestellt.
In dem Fall, dass R1 und R2 bekannte Größen darstellen, sind nur Rx und Tb unbekannte Größen in der Gleichung (2). Entsprechend kann die Körperkerntemperatur Tb aus den Gleichungen (2) und (3) erhalten werden. In dem Fall, dass die Innentemperatur unter Verwendung des Sensormoduls von 6B berechnet wird, wird die Körperkerntemperatur Tb durch dieses Prinzip gemessen (berechnet).
Eine weitere Temperaturmessvorrichtung ist beispielsweise aus der Druckschrift US 2014/0092935 A1 bekannt.
VERÖFFENTLICHUNGEN AUS DEM STAND DER TECHNIK
PATENTDOKUMENTE

Patentdokument 1: JP 2002 - 372 464 A
Patentdokument 2: JP 2007 - 212 407 A

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENE AUFGABEN
In den Sensormodulen der 6A und 6B wird die für die Berechnung der Körperkerntemperatur Tb notwendige Information durch mehrere Temperatursensoren erhalten. Da der Temperatursensor nicht so hohe Genauigkeit aufweist, wird der Wärmeisolator mit hohem Wärmewiderstand und hoher Wärmekapazität in den Sensormodulen der 6A und 6B verwendet. Daher besitzen die Sensormodule geringe Ansprechempfindlichkeit (es vergeht eine lange Zeit, bis ein stabiles Messergebnis der Körperkerntemperatur erhalten wird).
Wenn ein MEMS-Chip, welcher eine Thermosäule enthält, bei der Messung der Temperaturdifferenz eingesetzt wird, kann aufgrund beträchtlicher Abnahmen des Wärmewiderstands und der Wärmekapazität des Sensormoduls, welches die Körperkerntemperatur misst, die Körperkerntemperatur mit guter Ansprechempfindlichkeit gemessen werden. Daher befindet sich eine Innentemperatur-Messvorrichtung, in der ein MEMS-Chip eingesetzt wird, in der Entwicklung. Jedoch werden in einer Konfiguration der existierenden Vorrichtungen zur Messung einer Innentemperatur, in denen der MEMS-Chip auf der gedruckten Leiterplatte angeordnet ist, der MEMS-Chip und das Messobjekt kaum in Wärmekontakt zueinander gebracht.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Innentemperatur-Messvorrichtung, in der der MEMS-Chip und das Messobjekt in guten Wärmekontakt zueinander gebracht werden, und ein Sensorgehäuse, welches zur Herstellung der Innentemperatur-Messvorrichtung verwendet wird, zur Verfügung zu stellen.
MITTEL ZUM LÖSEN DER AUFGABE
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Innentemperatur-Messvorrichtung, welche die innere Temperatur eines Messobjekts misst, zur Verfügung gestellt, wobei die Innentemperatur-Messvorrichtung umfasst: ein Sensorgehäuse, in dem ein MEMS-Chip und ein Temperatursensor in einem mit einem Boden versehenen röhrenförmigen Gehäuse angeordnet sind, wobei der MEMS-Chip eine oder mehrere Thermosäulen umfasst, die jeweils einen Wärmefluss messen, der durch einen Bodenbereich des mit einem Boden versehenen röhrenförmigen Gehäuses tritt, wobei der Temperatursensor eine Referenztemperatur misst, die als Temperatur eines vorbestimmten Bereichs des MEMS-Chips verwendet wird; und eine gedruckte Schaltung, die so konfiguriert ist, dass sie die innere Temperatur des Messobjekts basierend auf der Ausgabe des Sensorgehäuses berechnet. Eine äußere Bodenfläche des Sensorgehäuses steht von einer Plattenfläche der gedruckten Schaltung durch eine in der gedruckten Schaltung vorliegende Durchgangsöffnung hervor.
Das heißt, die Innentemperatur-Messvorrichtung besitzt eine Konfiguration, in der der MEMS-Chip nicht auf der gedruckten Schaltung (einer Leiterplatte, welche die gedruckte Schaltung bildet), sondern dem Boden des mit einem Boden versehenen röhrenförmigen Gehäuses angeordnet ist, und eine Konfiguration, in der die äußere Bodenfläche des mit einem Boden versehenen röhrenförmigen Gehäuses von der Plattenfläche (Bodenfläche) der gedruckten Schaltung vorsteht. Demgemäß können in der Innentemperatur-Messvorrichtung der MEMS-Chip und das Messobjekt (wie beispielsweise der menschliche Körper) miteinander in guten Wärmekontakt gebracht werden.
Das mit einem Boden versehene röhrenförmige Gehäuse in der Innentemperatur-Messvorrichtung kann dabei ein Gehäuse mit einer Form, wie beispielsweise einer mit einem Boden versehenen zylindrischen Form, einer mit einem Boden versehenen elliptischen Röhrenform und einer mit einem Boden versehenen rechteckigen Röhrenform, welche einen Boden und eine den Boden umgebende Seitenwand aufweisen, sein. In der Innentemperatur-Messvorrichtung kann der Boden des mit einem Boden versehenen röhrenförmigen Gehäuses einen nicht wärmeübertragenden Abschnitt und einen wärmeübertagenden Abschnitt aus einem Material (zum Beispiel Metall) mit einer besseren Wärmeleitfähigkeit als das Material, welches den nicht wärmeübertragenden Abschnitt bildet, umfassen, und wenigstens ein Teil des MEMS-Chips kann auf dem wärmeübertragenden Abschnitt angeordnet sein.
In der Innentemperatur-Messvorrichtung kann das mit einem Boden versehene röhrenförmige Gehäuse des Sensorgehäuses mehrere Anschlüsse umfassen, bei denen die in gleicher Richtung orientierten Oberflächen an den Anschlussenden an einer Außenseite einer röhrenförmigen Wand des mit einem Boden versehenen röhrenförmigen Gehäuses auf der gleichen Ebene, die röhrenförmige Wand durchbohrend, angeordnet sind, und das Sensorgehäuse kann auf der gedruckten Schaltung unter Verwendung der Oberflächen an den Anschlussenden der mehreren Anschlüsse befestigt sein. Wenn die obige Konfiguration in der Innentemperatur-Messvorrichtung vorliegt, kann die Innentemperatur-Messvorrichtung im Vergleich zu einer anderen Konfiguration leicht hergestellt (zusammengesetzt) werden. Um den Wärmekontakt zwischen dem MEMS-Chip und dem Messobjekt (wie beispielsweise einem menschlichen Körper) zu verbessern, kann die äußere Bodenfläche des Sensorgehäuses eine gewölbte Form aufweisen, in der ein mittlerer Abschnitt hervortritt.
In der Innentemperatur-Messvorrichtung kann das mit einem Boden versehene Sensorgehäuse durch Gießformung geformt werden. Dadurch ist das Sensorgehäuse leicht herzustellen, so dass die Innentemperatur-Messvorrichtung leicht (mit einer geringeren Anzahl von Prozessen) konstruiert werden kann.
Um zu verhindern, dass in der Innentemperatur-Messvorrichtung das von oben einfallende Licht nach Reflexion durch eine Innenfläche des Sensorgehäuses auf den MEMS-Chip fällt, oder um die Lufttemperatur in dem Sensorgehäuse zu stabilisieren, kann eine Innenfläche der röhrenförmigen Wand des mit einem Boden versehenen röhrenförmigen Gehäuses mit einem schwarzen Material beschichtet sein.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Sensorgehäuse zur Verfügung gestellt, welches Daten zur Berechnung einer Innentemperatur eines Messobjekts erfasst, wobei das Sensorgehäuse umfasst: ein mit einem Boden versehenes röhrenförmiges Gehäuse; einen MEMS-Chip, der in dem mit einem Boden versehenen röhrenförmigen Gehäuse angeordnet ist, wobei der MEMS-Chip eine oder mehrere Thermosäulen umfasst, die jeweils einen Wärmefluss messen, der durch einen Bodenbereich des mit einem Boden versehenen röhrenförmigen Gehäuses tritt; und einen Temperatursensor, der in dem mit einem Boden versehenen röhrenförmigen Gehäuse angeordnet ist, wobei der Temperatursensor eine Referenztemperatur misst, die als Temperatur eines vorbestimmten Abschnitts des MEMS-Chips verwendet wird. Das mit einem Boden versehene röhrenförmige Gehäuse umfasst mehrere Anschlüsse, bei denen die in der gleichen Richtung orientierten Oberflächen an den Anschlussenden an einer Außenseite einer röhrenförmigen Wand des mit einem Boden versehenen röhrenförmigen Gehäuses auf der gleichen Ebene, die röhrenförmige Wand durchbohrend, angeordnet sind.
Demgemäß kann durch Verwendung des Sensorgehäuses der vorliegenden Erfindung eine Innentemperatur-Messvorrichtung konstruiert werden, in der der MEMS-Chip und das Messobjekt in guten Wärmekontakt zueinander gebracht werden.
WIRKUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung kann eine Innentemperatur-Messvorrichtung bereitstellen, in der der MEMS-Chip und das Messobjekt in guten Wärmekontakt zueinander gebracht werden.
Figurenliste

1 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, welches eine Innentemperatur-Messvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
2 ist eine perspektivische Ansicht, welche ein in einem Sensorgehäuse der Innentemperatur-Messvorrichtung der Ausführungsform verwendetes Gehäuse veranschaulicht.
3A ist eine Draufsicht auf einen in dem Gehäuse angeordneten MEMS-Chip.
3B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie III-III des MEMS-Chips von 3A.
4 ist ein erläuterndes Diagramm, welches ein Verwendungsbeispiel der Innentemperatur-Messvorrichtung der Ausführungsform veranschaulicht.
5 ist ein erläuterndes Diagramm, welches ein Verwendungsbeispiel der Innentemperatur-Messvorrichtung der Ausführungsform veranschaulicht.
6A ist ein erläuterndes Diagramm, welches ein konventionelles Sensormodul veranschaulicht, das zur Messung (Berechnung) einer Körperkerntemperatur eingesetzt wird.
6B ist ein erläuterndes Diagramm, welches ein konventionelles Sensormodul veranschaulicht, das zur Messung (Berechnung) der Körperkerntemperatur eingesetzt wird.

AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
Im Folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt schematisch eine Konfiguration einer Innentemperatur-Messvorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die Innentemperatur-Messvorrichtung 1 ist als Vorrichtung ausgebildet, welche eine Innentemperatur (Körperkerntemperatur) eines menschlichen Körpers misst. Wie in 1 dargestellt, umfasst die Innentemperatur-Messvorrichtung 1 ein Sensorgehäuse 10 und eine gedruckte Schaltung 30.
Die gedruckte Schaltung 30 ist eine Einheit, in der verschiedene Bauteile 32 (wie beispielsweise ein elektrischer Widerstand und ein Kondensator), einschließlich einer Rechenschaltung 32a, auf einer Leiterplatte 31 montiert sind. Die Rechenschaltung 32a berechnet die Innentemperatur eines Messobjekts aus den Messergebnissen einer Temperaturdifferenz und einer Temperatur mit dem Sensorgehäuse 10 (einem MEMS-Chip 20 und einer (später beschriebenen) ASIC 26) und gibt die Innentemperatur aus.
Wie in 1 dargestellt, ist eine Durchgangsöffnung in der Leiterplatte 31 der gedruckten Schaltung 30 ausgebildet, in die das Sensorgehäuse 10 eingesetzt werden kann. In dem Sensorgehäuse 10 werden mehrere (nicht dargestellte) Lötaugen („Lands“) um die Durchgangsöffnung herum bereitgestellt, so dass sich jedes Lötauge gegenüber dem in die Durchgangsöffnung eingeführten Anschluss 13 befindet.
Das Sensorgehäuse 10 ist ein Modul, welches einen Wert (eine Temperatur und wenigstens eine Temperaturdifferenz), die für die Berechnung der Innentemperatur notwendig sind, misst. Bei Verwendung der Innentemperatur-Messvorrichtung 1 wird eine Bodenfläche des Sensorgehäuses 10 in 1 in Kontakt mit einer Oberfläche eines menschlichen Körpers gebracht. Im Folgenden werden in dem Sensorgehäuse 10 und der Innentemperatur-Messvorrichtung 1 die Oberseite und Unterseite in 1 einfach als Oberseite und Unterseite bezeichnet.
Das Sensorgehäuse 10 ist ein Modul, in dem der MEMS-Chip 20 und die ASIC 26 an einer inneren Bodenfläche eines Gehäuses 11 angeordnet sind. Wie in 1 dargestellt, wird das Gehäuse 11, dessen Bodenfläche gewölbt mit einem nach unten hervortretenden zentralen Bereich ausgebildet ist, in dem Sensorgehäuse 10 so verwendet, dass es in guten Wärmekontakt mit der Oberfläche des menschlichen Körpers gebracht wird.
Das Gehäuse 11 wird im Folgenden genauer beschrieben.
2 zeigt eine Konfiguration des Gehäuses 11. Wie in 2 dargestellt, umfasst das Gehäuse 11 eine Auskleidung 12 mit einer mit einem Boden versehenen Vierkantröhrenform. In dem Gehäuse 11 werden mehrere Anschlüsse 13 in jeder der Seitenwände 12a und 12b einander gegenüberliegend bereitgestellt, wobei sie Abschnitte in vorbestimmter Höhe von der inneren Bodenfläche der Auskleidung 12 durchbohren. Die Position, in der der Anschluss 13 jede Seitenwand 12a und 12b durchbohrt, ist festgelegt, so dass die Bodenfläche des Sensorgehäuses 10 von der Bodenfläche der gedruckten Schaltung 30 (Leiterplatte 31) vorsteht, wenn die Unterseite des Sensorgehäuses 10 in die Durchgangsöffnung der Leiterplatte 31 eingesetzt ist.
Der Boden der Auskleidung 12 des Gehäuses 11 ist mit einem Wärmeübertragungspad 14 aus einem stark wärmeleitenden Material (in der Ausführungsform Metall) und einem Abschnitt aus einem schwach wärmeleitenden Material versehen. Das Wärmeübertragungspad 14 wird bereitgestellt, um die Wärmeübertragung von einem menschlichen Körper zu dem MEMS-Chip 20 und der ASIC 26 zu begünstigen, und die Form des Wärmeübertragungspads 14 ist so festgelegt, dass der MEMS-Chip 20 und die ASIC 26 auf dem Wärmeübertragungspad angeordnet werden können.
Als Material für die Seitenwand der Auskleidung 12 kann jedes Material mit relativ geringer Wärmeleitfähigkeit verwendet werden, und ein Material mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit als der des Wärmeübertragungspads 14 kann als Material in dem Boden der Auskleidung 12 (im Folgenden auch als Auskleidungsboden bezeichnet) - ausgenommen für das Wärmeübertragungspad 14 - verwendet werden. Wenn das Material der Seitenwand der Auskleidung 12 und das Material im Auskleidungsboden - ausgenommen das Material für das Wärmeübertragungspad - aus dem gleichen Harz gefertigt sind, kann das Gehäuse 11 durch Gießformung (Spritzgießen) hergestellt werden. Demgemäß sind das Material der Seitenwand der Auskleidung 12 und das Material im Auskleidungsboden - ausgenommen für das Wärmeübertragungspad - vorzugsweise aus dem gleichen Harz gefertigt.
Der MEMS-Chip 20 (1) ist ein kompakter Temperaturdifferenz-Sensor (Wärmeflusssensor), der unter Anwendung einer MEMS-Technologie gefertigt wird, so dass er wenigstens eine Thermosäule umfasst, die die Temperaturdifferenz misst, die in dem MEMS-Chip 20 durch den durch den Auskleidungsboden des Gehäuses 11 einfließenden Wärmefluss erzeugt wird.
Die spezielle Konfiguration des in dem Sensorgehäuse 10 verwendeten MEMS-Chips 20 hängt von dem Verfahren ab, welches zur Berechnung der Innentemperatur angewendet wird. Wie in „STAND DER TECHNIK“ beschrieben, umfasst das Verfahren zur Berechnung der Innentemperatur ein Verfahren, in dem die beiden Temperaturdifferenzen (Tt - Ta und Tt' - Ta') benötigt werden, und ein Verfahren, in dem nur eine Temperaturdifferenz benötigt wird.
Der MEMS-Chip 20, welcher wenigstens eine Thermosäule, die ΔT (die Temperaturdifferenz entsprechend „Tt - Ta“) misst, und wenigstens eine Thermosäule, welche ΔT' (die Temperaturdifferenz entsprechend „Tt' - Ta'‟) misst, umfasst, wird in dem Fall verwendet, dass das erstgenannte Verfahren zur Berechnung der Innentemperatur angewendet wird. Der MEMS-Chip 20, welcher wenigstens eine Thermosäule, die ΔT (eine Art der Temperaturdifferenz) misst, umfasst, wird in dem Fall verwendet, dass das letztgenannte Verfahren zur Berechnung der Innentemperatur angewendet wird.
Ein MEMS-Chip 20a, welcher ein Beispiel für einen MEMS-Chip 20 darstellt, wird im Folgenden mit Bezug auf die 3A und 3B beschrieben. 3A ist eine Draufsicht auf den MEMS-Chip 20a, und 3B ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie III-III des in 3A dargestellten MEMS-Chips 20a. Im Folgenden beziehen sich in der Beschreibung des MEMS-Chips 20 die Oberseite, Unterseite, rechte und linke Seite auf die entsprechenden Seiten in 3B.
Wie in 3B dargestellt, umfasst der MEMS-Chip 20a eine Oberseite 21 und einen Träger 22. Die Oberseite ist 21 ist unter Anwendung verschiedener Halbleiter-Prozesse (wie beispielsweise Filmbildung, Bildung einer Resist-Struktur und Ätzen) aus einem Siliziumsubstrat gebildet. Der Träger 22 wird durch Ätzen des Siliziumsubstrats, auf der die Oberseite 21 ausgebildet ist, von der Rückseite (der unteren Seite in 3B) gebildet.
Wie in 3B dargestellt, umfasst der Träger 22 des MEMS-Chips 20a wenigstens eine Kavität (geätzter Bereich), die zu der Oberseite 21 führt. Im Folgenden wird ein Abschnitt in der Oberseite 21, der sich oberhalb der Kavität des Trägers 22 befindet, als Membran bezeichnet. In dem Träger 22 wird ein Abschnitt (in der Oberseite 21, ein Abschnitt des Trägers 22, der sich unterhalb des Abschnitts befindet, der ein Temperaturmessungsziel mit einer Thermosäule 24a und/oder 24b wird in einem Rahmen 25, der durch eine abwechselnd lang und kurz gestrichelte Linie in 3A gekennzeichnet ist, als Bein 23 bezeichnet.
Wie in den 3A und 3B dargestellt, werden Thermosäulen 24a und 24b, in denen jeweils mehrere Thermoelemente in Reihe verbunden sind, in der Oberseite 21 des MEMS-Chips 20a bereitgestellt. Obwohl nicht dargestellt, ist eine Elektrode in einer oberen Oberfläche der Oberseite 21 des MEMS-Chips 20a angeordnet, um die Ausgabe der Thermosäule 24a und/oder 24b aufzunehmen.
Jedes Thermoelement, welches die Thermosäule 24a bildet, entspricht in der Länge im Wesentlichen jedem Thermoelement, welches die Thermosäule 24b bildet. Wie in 3A dargestellt, sind die Heißlötstelle („hot junction“) und die Kaltlötstelle („cold junction“) jedes Thermoelements, welches die Thermosäule 24a bildet, auf dem Bein 23 auf der linken Seite des MEMS-Chips 20a (in dem Träger 22, der Abschnitt in dem linken Rahmen 25, der durch abwechselnd lange und kurze gestrichelte Linien gekennzeichnet ist) bzw. im Wesentlichen im Zentrum einer horizontalen Richtung des MEMS-Chips 20a in der Membran angeordnet. Die Heißlötstelle und die Kaltlötstelle jedes Thermoelements, welches die Thermosäule 24b bildet, sind auf dem Bein 23 auf der rechten Seite des MEMS-Chips 20a bzw. im Wesentlichen im Zentrum der horizontalen Richtung des MEMS-Chips 20a in der Membran angeordnet.
Das Zentrum in der horizontalen Richtung der Kavität, die in dem Träger 22 des MEMS-Chips 20a enthalten ist, befindet sich links des Zentrums in horizontaler Richtung des MEMS-Chips 20a. Dadurch wird in dem MEMS-Chip 20a ein Wärmewiderstand eines Wärmewegs von der Bodenfläche des linken Beins 23 zu dem Abschnitt, in dem die Gruppe der Kaltlötstellen der Thermosäule 24a in der Oberseite 21 bereitgestellt wird, größer als ein Wärmewiderstand eines Wärmewegs von der Bodenfläche des rechten Beins 23 zu dem Abschnitt, in dem die Gruppe an Kaltlötstellen der Thermosäule 24b in der Oberseite 21 bereitgestellt wird.
Daher wirkt der MEMS-Chip 20a als Vorrichtung, in der die Thermosäule 24a die Temperaturdifferenz ΔT misst, während die Thermosäule 24b die Temperaturdifferenz ΔT'(<ΔT) misst.
Die ASIC 26 (1) ist eine integrierte Schaltung, in der mehrere Eingangs- und Ausgangselektroden auf der oberen Oberfläche der integrierten Schaltung angeordnet sind. Die ASIC 26 schließt einen Temperatursensor ein. Die ASIC 26 hat die Funktion, die Ausgabe des Temperatursensors und die Ausgabe jeder Thermosäule 24a und/oder 24b des MEMS-Chips 20 zu verstärken, und die Funktion, jede verstärkte Ausgabe zu digitalisieren. Zum Beispiel kann eine integrierte Schaltung, welche eine PTAT („proportional to absolute temperature“)-Spannungsquelle einschließt, die Spannung proportional zu einer absoluten Temperatur ausgibt (d.h., eine als Thermometer wirkende Spannungsquelle) als ASIC 26 eingesetzt werden, wobei eine Komponente der PTAT-Spannungsquelle als Temperatursensor fungiert.
Wie in 1 dargestellt, sind in dem Sensorgehäuse 10 die ASIC 26 und der MEMS-Chip 20 auf dem Wärmeübertragungspad 14 des Gehäuses 11 (Auskleidung 12) angeordnet, der MEMS-Chip 20 ist mit der ASIC 26 durch Verdrahtung elektrisch verbunden, und der Anschluss 13 ist durch Verdrahtung elektrisch mit der ASIC 26 verbunden.
In der Innentemperatur-Messvorrichtung 1 ist das Sensorgehäuse 10 unter Verwendung des Anschlusses 13 an der gedruckten Schaltung 30 befestigt, wobei die Unterseite des Sensorgehäuses 10 mit der oben beschriebenen Konfiguration in die Durchgangsöffnung der gedruckten Schaltung 30 (Leiterplatte 31) eingesetzt ist.
Somit besitzt die Innentemperatur-Messvorrichtung 1 die Konfiguration, in der der MEMS-Chip 20 nicht auf der gedruckten Schaltung 30 (der Leiterplatte 31, d.h., einer Komponente der gedruckten Schaltung 30), sondern der inneren Bodenfläche des Gehäuses 11 angeordnet ist, und die Konfiguration, in der die innere Bodenfläche des Gehäuses 11 (eine äußere untere Oberfläche des Gehäuses 11) von einer Plattenseite (Bodenfläche) der gedruckten Schaltung 30 vorsteht. Außerdem besitzt die Bodenfläche des Sensorgehäuses 10 (Gehäuse 11) der Innentemperatur-Messvorrichtung 1 eine gewölbte Form, in der der mittlere Abschnitt nach unten (in Richtung der Seite des menschlichen Körpers) hervortritt. Demgemäß können die Innentemperatur-Messvorrichtung 1, der MEMS-Chip 20 und der menschliche Körper in guten Wärmekontakt zueinander gebracht werden.
Es folgen ergänzende Erläuterungen zu der Innentemperatur-Messvorrichtung 1.
Üblicherweise ist der MEMS-Chip 20 auf dem Wärmeübertragungspad 14 unter Verwendung eines Klebstoffs mit guter Wärmeleitfähigkeit, wie beispielsweise einer Silberpaste, befestigt. Hierbei kann die gesamte Bodenfläche des MEMS-Chips 20 auf dem Wärmeübertragungspad 14 unter Verwendung der Silberpaste oder dergleichen befestigt sein. Da jedoch die Kavität unterhalb der Membran zu einem geschlossenen Raum wird, wird der Luftdruck in der Kavität durch einen Temperaturanstieg erhöht, was in solchen Fällen jedoch möglicherweise zu einem Brechen der Membran führen kann.
Vorzugsweise wird der MEMS-Chip 20 auf dem Wärmeübertragungspad 14 derart befestigt, dass die Kavität nicht zu einem geschlossenen Raum wird. Wenn jedoch der schwach wärmeleitende Abschnitt zwischen dem Bein 23 und dem Wärmeübertragungspad 14 vorliegt, kann in der Temperaturdifferenz, die mit der Thermosäule 24a und/oder 24b in der die Heißlötstelle auf dem Bein 23 vorliegt, gemessen wurde, ein Fehler enthalten sein. Wenn der MEMS-Chip 20 auf dem Wärmeübertragungspad 14 so befestigt ist, dass die Silberpaste nur auf die gesamte Bodenfläche jedes Beines 23 des MEMS-Chips 20 aufgetragen wird, kann das Auftreten eines Brechens der Membran aufgrund eines Luftdruckanstiegs in der Kavität unterdrückt werden, ohne dass es zu einer Verminderung der Leistung des MEMS-Chips 20 kommt.
Demgemäß wird bei der Herstellung (dem Zusammenbau) des Sensorgehäuses 10 die Silberpaste vorzugsweise nur auf die gesamte Bodenfläche jedes Beines 23 des MEMS-Chips 20 aufgetragen, und der MEMS-Chip 20 wird auf dem Wärmeübertragungspad 14 befestigt. Jedoch können in Abhängigkeit von der Konfiguration des MEMS-Chips 20 einige Beine 23 vorliegen, die die Wärme zu dem Wärmeübertragungspad 14 nur ungenügend weiterleiten
In dem Fall, dass der MEMS-Chip 20 mit der obigen Konfiguration in dem Sensorgehäuse 10 verwendet wird, kann der MEMS-Chip 20 auf dem Wärmeübertragungspad 14 so befestigt werden, dass die Silberpaste nur auf die gesamte Bodenfläche jedes Beines 23 aufgetragen wird, bei dem eine gute Wärmeleitfähigkeit zu dem Wärmeübertragungspad 14 wünschenswert ist.
Der Grund, aus dem das Wärmeübertragungspad 14 mit der hohen Wärmeleitfähigkeit (siehe 1) in dem Gehäuseboden (dem Boden des Gehäuses 12) als der Abschnitt verwendet wird, in dem der MEMS-Chip 20 und die ASIC 26 angeordnet sind, ist, dass prinzipiell die Temperaturdifferenz für die gute Wärmeleitfähigkeit in einer Dickenrichtung des Gehäusebodens korrekt gemessen werden kann. In dem Fall jedoch, dass die Innentemperatur aus den Temperaturdifferenzen ΔT und ΔT' berechnet wird, erhöht sich zuweilen ein geschätzter Fehler der Innentemperatur (eine Differenz zwischen der berechneten Innentemperatur und der tatsächlichen Innentemperatur) aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit in Querrichtung (einer Richtung senkrecht zu der Dickenrichtung) des Wärmeübertragungspads 14. Demgemäß kann der Gehäuseboden aus einem Material mit relativ geringer Wärmeleitfähigkeit gefertigt sein, ohne dass das Wärmeübertragungspad 14 in dem Gehäuseboden bereitgestellt wird.
In der Temperaturdifferenz-Messvorrichtung, in der der MEMS-Chip 20 (zum Beispiel der MEMS-Chip 20a in den 3A und 3B), welcher die Thermosäule 24a und/oder 24b zum Messen der Temperaturdifferenz ΔT und die Thermosäule 24a und/oder 24b zum Messen der Temperaturdifferenz ΔT' einschließt, eingesetzt wird, kann zur Vermeidung einer Erhöhung des geschätzten Fehlers der Innentemperatur aufgrund der Wärmeleitung in Querrichtung des Gehäusebodens der Gehäuseboden so konfiguriert sein, dass die Wärmeübertragungspads 14 jeweils unter dem Bein 23 auf der Seite der Heißlötstelle der Thermosäule 24a und/oder 24b zum Messen der Temperaturdifferenz ΔT des MEMS-Chips 20 und dem Bein 23 auf der Seite der Heißlötstelle der Thermosäule 24a und/oder 24b zum Messen der Temperaturdifferenz ΔT' bereitgestellt werden, und ein Element mit geringer Wärmeleitfähigkeit zwischen den Wärmeübertragungspads 14 angeordnet ist, um die Wärmeübertragungspads 14 voneinander zu isolieren.
In dem Fall, dass in der Messumgebung die Temperatur der Luft über dem Sensorgehäuse 10 stabil ist, wobei Licht (wie beispielsweise Infrarotlicht) nicht von oben auf das Sensorgehäuse 10 einfällt, kann das Sensorgehäuse 10 in dem Zustand von 1, d.h., in dem Zustand, in dem die Oberseite des Sensorgehäuses 10 nicht abgedichtet ist, verwendet werden. Eine solche Messumgebung liegt jedoch selten vor. Die Messgenauigkeit der Temperaturdifferenz wird in dem Fall, dass Licht von oben auf das Sensorgehäuse 10 fällt, oder in dem Fall, dass sich die Lufttemperatur über dem Sensorgehäuse 10 verändert, vermindert. Daher wird, wie schematisch in 4 dargestellt, das Sensorgehäuse 10 üblicherweise so eingesetzt, dass eine Öffnung (Oberseite) des Sensorgehäuses 10 mit einem Deckel 15, der größer als die Öffnung ist, abgedeckt ist.
Das Sensorgehäuse 10 ist ein Modul, in dem die Sensitivität mit abnehmender Lufttemperatur über dem Sensorgehäuse 10 ansteigt. Demgemäß kann, wie in 4 dargestellt, ein Infrarotlicht-absorbierendes Element 16 auf der unteren Oberfläche des Deckels 15 in dem Fall angeordnet sein, dass die Öffnung des Sensorgehäuses 10 mit dem Deckel 15 abgedeckt ist. Als Deckel 15 des Sensorgehäuses 10 kann ein Element eingesetzt werden, das eine Form mit guter Wärmeableitung aufweist, zum Beispiel ein Element, welches eine Strahlungsrippe enthält, oder ein Element, welches eine Fläche aufweist, die um ein Vielfaches größer ist als die Öffnung des Sensorgehäuses 10.
Wie schematisch in 5 dargestellt, kann ein Abschnitt - ausgenommen die Bodenfläche des Sensorgehäuses 10 - von einem Gehäuse 18 umgeben sein, ohne dass der Deckel 15 vorliegt
In diesem Fall wird in dem Gehäuse 18 ein Infrarotlicht-absorbierendes Element 16 in dem Bereich oberhalb der Öffnung des Sensorgehäuses 10 bereitgestellt, welches eine Verbesserung der Sensitivität der Innentemperatur-Messvorrichtung ermöglicht.
Um zu verhindern, dass das von oben einfallende Licht nach Reflexion durch eine Innenfläche des Sensorgehäuses 10 auf den MEMS-Chip 20 fällt, oder um die Lufttemperatur in dem Sensorgehäuse 10 zu stabilisieren, können die Innenfläche des Sensorgehäuses 10 (des Gehäuses 11 und der Auskleidung 12) mit einem schwarzen Material, wie beispielsweise schwarzer Farbe oder einem schwarzen Harz, beschichtet sein.
Ein biokompatibler isolierender Film oder ein Harzelement können an der Bodenfläche des Sensorgehäuses 10 befestigt sein. Es können mehrere konvex gewölbte Strukturen in der Bodenfläche des Sensorgehäuses 10 bereitgestellt werden, anstatt dass die Bodenfläche des Sensorgehäuses 10 in gewölbter Form ausgebildet wird, in der der zentrale Bereich nach unten hervortritt. Die Bodenfläche des Sensorgehäuses 10 kann flach ausgebildet sein, obwohl der Wärmekontakt mit dem menschlichen Körper dann etwas vermindert ist.
Zur Befestigung des Sensorgehäuses 10 auf der gedruckten Schaltung 30 unter Verwendung des Anschlusses 13 (zur elektrischen und physischen Verbindung des Sensorgehäuses 10 mit der gedruckten Schaltung 30) können die in gleicher Richtung (einer Abwärtsrichtung oder einer Aufwärtsrichtung) orientierten Oberflächen an den vorderen Enden auf den Außenseiten der mehreren Anschlüsse 13 auf derselben Ebene angeordnet sein. Demgemäß können die mehreren Anschlüsse 13 des Sensorgehäuses 10 in Flügelform ausgebildet sein. Das Gehäuse 11 (die Auskleidung 12) des Sensorgehäuses 10 kann in einer Form ausgebildet sein (wie beispielsweise - außer der mit einem Boden versehenen Vierkantröhrenform - einer mit einem Boden versehenen Rechteckröhrenform, einer mit einem Boden versehenen Zylinderform und einer mit einem Boden versehenen elliptischen Röhrenform), die sich von der obigen Form unterscheidet, oder die Innentemperatur-Messvorrichtung 1 kann so modifiziert sein, dass sie eine Vorrichtung zum Messen der Innentemperatur eines anderen Objekts als des menschlichen Körpers darstellt.
Bezugszeichenliste

1: Innentemperatur-Messvorrichtung
10: Sensorgehäuse
11: Gehäuse
12, 18: Auskleidung, Gehäuse
12a, 12b: Seitenwand
13: Anschluss
14: Wärmeübertragungspad
15: Deckel
20, 20a: MEMS-Chip
21: Oberseite
22: Träger
23: Bein
24a, 24b: Thermosäule
26: ASIC
30: gedruckte Schaltung
31: Leiterplatte
32: Vorrichtung
32a: Rechenschaltung

Claims

Innentemperatur-Messvorrichtung, welche die innere Temperatur eines Messobjekts misst, wobei die Innentemperatur-Messvorrichtung (1) umfasst: - ein Sensorgehäuse (10), in dem ein MEMS-Chip (20, 20a) und ein Temperatursensor (26) in einem mit einem Boden versehenen röhrenförmigen Gehäuse (11) angeordnet sind, wobei der MEMS-Chip (20, 20a) eine oder mehrere Thermosäulen (24a, 24b) umfasst, die jeweils einen Wärmefluss messen, der durch einen Bodenbereich des mit einem Boden versehenen röhrenförmigen Gehäuses (11) tritt, wobei der Temperatursensor (26) eine Referenztemperatur misst, die als Temperatur eines vorbestimmten Bereichs des MEMS-Chips (20, 20a) verwendet wird; und - eine gedruckte Schaltung (30), die so konfiguriert ist, dass sie die Innentemperatur des Messobjekts basierend auf der Ausgabe der einen oder der mehreren Thermosäulen (24a, 24b) des Sensorgehäuses (10) berechnet, wobei eine äußere Bodenfläche des Sensorgehäuses (10) aus einer Plattenfläche der gedruckten Schaltung (30) durch eine in der gedruckten Schaltung (30) vorliegende Durchgangsöffnung hervorsteht.
Innentemperatur-Messvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Boden des mit einem Boden versehenen röhrenförmigen Gehäuses (11) einen nicht wärmeübertragenden Abschnitt und einen wärmeübertagenden Abschnitt (14) aus einem Material mit einer besseren Wärmeleitfähigkeit als das Material, welches den nicht wärmeübertragenden Abschnitt bildet, umfasst, und wenigstens ein Teil des MEMS-Chips (20, 20a) auf dem wärmeübertragenden Abschnitt (14) angeordnet ist.
Innentemperatur-Messvorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei der wärmeübertragende Abschnitt (14) aus Metall gefertigt ist.
Innentemperatur-Messvorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das mit einem Boden versehene röhrenförmige Gehäuse (11) des Sensorgehäuses (10) mehrere Anschlüsse (13) umfasst, bei denen die in gleicher Richtung orientierten Oberflächen an den Anschlussenden an einer Außenseite einer röhrenförmigen Wand des mit einem Boden versehenen röhrenförmigen Gehäuses (11) auf der gleichen Ebene, die röhrenförmige Wand durchbohrend, angeordnet sind, und das Sensorgehäuse (10) auf der gedruckten Schaltung (30) unter Verwendung der Oberflächen an den Anschlussenden der mehreren Anschlüsse (13) befestigt ist.
Innentemperatur-Messvorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die äußere Bodenfläche des Sensorgehäuses (10) eine gewölbte Form aufweist, in der ein mittlerer Abschnitt hervortritt.
Innentemperatur-Messvorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das mit einem Boden versehene Gehäuse (11) durch Gießformen geformt ist.
Innentemperatur-Messvorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Innenfläche der röhrenförmigen Wand des mit einem Boden versehenen röhrenförmigen Gehäuses (11) mit einem schwarzen Material beschichtet ist.
Sensorgehäuse, welches Daten zur Berechnung einer Innentemperatur eines Messobjekts erfasst, wobei das Sensorgehäuse (10) umfasst: - ein mit einem Boden versehenes röhrenförmiges Gehäuse (11); - einen MEMS-Chip (20, 20a), der in dem mit einem Boden versehenen röhrenförmigen Gehäuse (11) angeordnet ist, wobei der MEMS-Chip (20, 20a) eine oder mehrere Thermosäulen (24a, 24b) umfasst, die jeweils einen Wärmefluss messen, der durch einen Bodenbereich des mit einem Boden versehenen röhrenförmigen Gehäuses (11) tritt; und - einen Temperatursensor (26), der in dem mit einem Boden versehenen röhrenförmigen Gehäuse (11) angeordnet ist, wobei der Temperatursensor (26) eine Referenztemperatur misst, die als Temperatur eines vorbestimmten Abschnitts des MEMS-Chips (20, 20a) verwendet wird, wobei das mit einem Boden versehene röhrenförmige Gehäuse (11) mehrere Anschlüsse (13) umfasst, bei denen die in der gleichen Richtung orientierten Oberflächen an den Anschlussenden auf einer Außenseite einer röhrenförmigen Wand des mit einem Boden versehenen röhrenförmigen Gehäuses (11) in der gleichen Ebene, die röhrenförmige Wand durchbohrend, angeordnet sind.