ITTO20090384A1 - Sensore di pressione - Google Patents

Description

"SENSORE DI PRESSIONE",

TESTO DELLA DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un sensore di pressione avente le caratteristiche indicate al preambolo della rivendicazione 1.

Sensori del tipo indicato sono utilizzati in dispositivi per la rilevazione della pressione di fluidi (liquidi e aeriformi) in vari settori, quale il settore automobilistico, il settore domestico e degli elettrodomestici, il settore del condizionamento ambientale e idro-termo-sanitario in genere. Questi dispositivi di rilevazione comprendono tipicamente un involucro, definente una camera avente un ingresso per un fluido di cui deve essere misurata la pressione ed un sensore di pressione alloggiato nella camera, in modo che una sua porzione a membrana sia esposta al fluido; solitamente il dispositivo comprende anche un circuito stampato almeno parzialmente alloggiato nella camera dell’involucro, in posizione isolata rispetto all’ingresso del fluido.

In talune soluzioni, il corpo del sensore, generalmente formato in materiale elettricamente isolante in una o più parti, supporta esso stesso una disposizione circuitale, configurata per trattare un segnale indicativo di una flessione della membrana, e quindi della pressione del fluido. Nella maggior parte delle soluzioni note, questa disposizione circuitale consta di una basetta di circuito stampato, solitamente in vetroresina, sulla quale à ̈ formato un disegno di circuito elettrico, costituito da una pluralità di piste di materiale elettricamente conduttivo. Sulla basetta sono montati i vari componenti di circuito, quali condensatori, resistenze, circuiti integrati, collegati alle piste suddette. La basetta, con i relativi componenti, viene montata sul corpo del sensore, in modo da essere in comunicazione di segnale con l’elemento di rilevazione posto sulla membrana, costituito ad esempio da un ponte resistivo.

La presente invenzione si propone essenzialmente di realizzare un sensore di pressione di struttura e/o funzionalità migliorate rispetto alla tecnica anteriore, in particolare per quanto riguarda la riduzione degli ingombri e dei costi di realizzazione della suddetta disposizione circuitale, l’affidabilità di produzione del sensore e la sua affidabilità e precisione di funzionamento.

Questo ed altri scopi ancora, che risulteranno in seguito, sono raggiunti secondo l’invenzione da un sensore di pressione, da un procedimento per la fabbricazione di un sensore di pressione e da un dispositivo integrante un sensore di pressione aventi le caratteristiche indicate nelle rivendicazioni allegate, che costituiscono parte integrante dell’insegnamento tecnico fornito in relazione all’invenzione.

Ulteriori scopi, caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno chiari dalla descrizione particolareggiata che segue e dai disegni annessi, forniti a puro titolo di esempio esplicativo e non limitativo, in cui:

- la figura 1 à ̈ una vista prospettica schematica di un sensore di pressione secondo l’invenzione;

- la figura 2 à ̈ una sezione schematica di un sensore di pressione secondo l’invenzione;

- la figura 3 Ã ̈ un dettaglio in scala ingrandita del sensore di figura 2;

- la figura 4 à ̈ una vista in pianta, parziale e schematica, di un sensore di pressione secondo l’invenzione, con alcuni elementi rimossi per maggior chiarezza di rappresentazione;

- le figure 5-8 sono viste schematiche in pianta di un componente di un sensore di pressione secondo l’invenzione, in diverse fasi del relativo processo di produzione;

- la figura 9 à ̈ una sezione schematica, simile a quella di figura 2, che illustra un sensore di pressione secondo una possibile variante dell’invenzione.

- le figure 10 e 11 sono viste prospettiche schematiche, in diverse angolazioni, di un corpo in materiale elettricamente isolante utilizzabile per realizzare un sensore di pressione secondo un’ulteriore possibile variante dell’invenzione.

Nel seguito della presente descrizione, termini quali “superiore†ed “inferiore†vanno intesi come semplice riferimento spaziale per agevolare la descrizione dei particolari illustrati nelle figure.

Nelle figure 1 e 2, con 1 à ̈ indicato nel suo complesso un sensore di pressione secondo la presente invenzione. Nella forma di attuazione esemplificata, il sensore 1 ha un corpo principale 2, formato preferibilmente di materiale elettricamente isolante, quale un materiale ceramico o simile, ad esempio allumina, tale corpo 2 essendo preferibilmente - ma non necessariamente - monolitico ed avendo sagoma generalmente cilindrica, con alcune sedi perimetrali di riferimento o posizionamento, una delle quali indicata con 2a. Nel corpo 2 à ̈ definita una cavità cieca o camera di pressione, indicata con 3 in figura 2, dal cui fondo si diparte un foro passante 4, o passaggio di pressione, tali camera e passaggio essendo preferibilmente, ma non necessariamente, sostanzialmente coassiali all’asse del corpo 2. Il passaggio 4 attraversa il corpo 2 completamente, aprendosi in corrispondenza dell’estremità o faccia del corpo stesso opposta a quella su cui si apre la camera 3.

Nel corpo 2 sono definiti ulteriori fori passanti, alcuni dei quali indicati con 5, che attraversano il corpo in posizione periferica rispetto alla camera 3 ed al passaggio 4. Di preferenza, almeno la superficie cilindrica interna di questi fori 5 à ̈ ricoperta da un sottile strato di materiale elettricamente conduttivo, particolarmente un metallo; nel seguito, i fori 5 verranno definiti per semplicità fori metallizzati.

Il corpo 2 supporta, sulla sua superficie superiore, una disposizione circuitale o circuito, indicato complessivamente con 6, che comprende una pluralità di componenti di circuito, di concezione generalmente nota nel settore, ed almeno un circuito integrato. Il circuito 6 à ̈ configurato per realizzare le funzionalità tipicamente associate ai sensori di pressione di tipologia nota, ad esempio predisposto per il trattamento (prelievo, amplificazione, condizionamento, elaborazione) di un segnale rappresentativo della pressione, misurata nel modo in seguito descritto. Alcuni dei suddetti componenti di circuito, che si suppongano essere resistenze, condensatori e diodi, sono indicati con 7, mentre con 8 sono indicati - solo in figura 1 - terminali o contatti a piazzola per il collegamento elettrico esterno del sensore 1.

Secondo una caratteristica dell’invenzione, sulla superficie superiore del corpo 2 à ̈ formato direttamente un disegno di circuito elettrico (electric circuit pattern), comprendente una pluralità di piste di materiale elettricamente conduttivo, non visibili in figura 1, serigrafate o comunque depositate direttamente sulla detta superficie superiore del corpo 2; su tale superficie del corpo 2 possono essere direttamente formati anche componenti di circuito, quali ad esempio resistenze serigrafate. Secondo tale caratteristica, quindi, il materiale ceramico costituente il corpo 2 viene sfruttato direttamente come substrato per il circuito 6 del sensore 1, senza le necessità di una apposita basetta di circuito stampato in vetroresina, come tipicamente avviene nei sensori secondo la tecnica tradizionale, e quindi senza neppure la necessità di dover ancorare tale basetta al corpo 2.

Le suddette piste sono organizzate in modo da lasciare libera, sulla superficie superiore del corpo 2, un’area destinata al montaggio di un circuito integrato o chip, in seguito descritto. Alcune delle suddette piste conduttive e delle resistenze formate sulla superficie superiore del corpo 2 sono visibili in figura 4 (in cui uno strato di protezione 9, in seguito descritto, non à ̈ stato rappresentato), indicate rispettivamente con 9 e 10. I componenti 7 sono collegati, ad esempio tramite saldatura, alle piste 9, mentre il suddetto chip à ̈ collegato a rispettive piste 9 o componenti 7 con altra tecnica, in seguito descritta. I terminali 8 possono essere ottenuti direttamente da rispettive porzioni di piste 9 oppure, se configurati come parti aggiunte, vengono collegati a tali piste, ad esempio tramite saldatura.

Secondo una caratteristica preferenziale, le piste 9 e le eventuali resistenze serigrafate 10 sono ricoperte da uno strato di protezione in materiale polimerico, resistente all’umidità, indicato con 11. Lo strato 11 à ̈ aperto localmente, ovvero presenta finestre, almeno in corrispondenza dei punti di collegamento di alcuni componenti di circuito 7 alle piste conduttive 9. Lo strato 11 presenta inoltre un’apertura locale o finestra, indicata con 11a solo in figura 1, in corrispondenza della zona di montaggio del suddetto chip.

Secondo un’altra caratteristica dell’invenzione, il suddetto chip appartenente al circuito 6 à ̈ costituito da un cosiddetto “die†, ovverosia un piccolo blocco o piastrina di materiale semiconduttore, tipicamente silicio, che à ̈ vincolato (die-bonded) direttamente alla superficie superiore del corpo ceramico 2, particolarmente tramite incollaggio. Nel suddetto die, indicato complessivamente con 15 nelle figure 2-4, à ̈ ricavato direttamente il circuito elettrico miniaturizzato di circuito integrato che sovrintende al funzionamento generale del sensore di pressione.

Nell’esempio illustrato alle figure 2-4, il die 15 à ̈ configurato come una singola piastrina o blocchetto in silicio avente sezione quadrangolare, ma tale realizzazione non deve intendersi come limitativa, potendo il die 15 avere sagome diverse da quella illustrata ed essere formato da una pluralità di parti o strati in silicio reciprocamente uniti. Il die 15 à ̈ ottenibile con tecnica di per sé nota nel settore della produzione di chip a semiconduttore.

Di preferenza il die 15 Ã ̈ privo di un proprio involucro o package, e quindi di relativi terminali (pin) sporgenti di collegamento, tipicamente realizzati da elementi metallici relativamente rigidi, e sulla sua faccia superiore sono apposti direttamente dei contatti, alcuni indicati con 15a in figura 4, in forma di film sottili di materiale elettricamente conduttivo depositato sul die, preferibilmente ma non necessariamente un materiale nobile, quale ad esempio oro o una lega alluminio silicio 1%; materiali o leghe preferite utilizzabili allo scopo possono comprendere oro, platino, silicio, palladio, berilio, argento, alluminio e rame.

Secondo un’ulteriore caratteristica dell’invenzione, il collegamento del die 15 alle piste conduttive 9 e/o ai componenti 7 di interesse à ̈ ottenuto tramite elementi flessibili di contatto aggiunti, costituti da sottili fili di materiale elettricamente conduttivo. I fili, alcuni dei quali indicati con 16 in figura 4, sono preferibilmente ma non necessariamente formati con metallo nobile, quale ad esempio oro o una lega alluminio silicio 1%, ed hanno diametro indicativamente compreso tra circa 5 e 100 micron, preferibilmente da circa 25 a circa 35 micron. Materiali o leghe preferite utilizzabili per realizzare i microfili 16 comprendono oro, platino, silicio, palladio, berilio, argento, alluminio e rame. I micro-fili 16 sono saldati o comunque collegati tra i contatti 15a del die 15 e le piste 9 e/o i componenti 7 di interesse del circuito 6, impiegando processi del tipo noto come “wire bonding†, e particolarmente del tipo "wedge-bonding" oppure “ball-bonding†, ad esempio tramite termocompressione, o saldatura ad ultrasuoni, o saldatura termo-sonica; i micro-fili 16 possono avere forme o sezioni differenti, quale una forma o sezione circolare o quadrangolare o sostanzialmente appiattita, ad esempio dei micro-nastri (ribbon) flessibili di materiale conduttivo.

Tale caratteristica, oltre a consentire di sfruttare direttamente il materiale ceramico del corpo 2 come substrato anche per il die 15, consente di evitare di saldare sulle piste 9 dei terminali sporgenti da un circuito integrato, come tipicamente avviene secondo la tecnica nota, tali terminali sporgenti avendo sezione e rigidità comparativamente maggiore rispetto ai micro-fili 16. In altri termini, il processo di wire bonding impiegato secondo l’invenzione determina punti di saldatura di dimensioni minime sul circuito 6, effettuate su elementi di collegamento (i fili 16) altamente flessibili: questo consente un più agevole e preciso posizionamento del die, che può ad esempio essere posizionato sicuramente a contatto con il detto substrato, permettendo anche di ridurre gli ingombri complessivi del circuito 6.

Come detto, il die 15 à ̈ sprovvisto di un proprio package: per tale ragione, nella realizzazione preferita dell’invenzione, sul die 15 ed i relativi micro-fili di collegamento 16, nonché sulla regione di bonding di tali micro-fili 16 con le piste 9 e/o i componenti 7 di interesse, à ̈ apposta una massa di materiale isolante di protezione, quale una resina, particolarmente una resina epossidica, indicata con 17 nelle figure 1-3 (anche la protezione 17 non à ̈ stata rappresentata in figura 4), ad esempio colata o dosata in forma liquida e poi fatta o lasciata indurire. La massa 17, oltre che proteggere il die 15, consente di vincolarlo ulteriormente al corpo 2, assicurandone la posizione. In una possibile forma di attuazione, il die 15 à ̈ vincolato direttamente al corpo 2 tramite la sola resinatura, ovvero tramite la sola massa di protezione 17.

In una realizzazione vantaggiosa dell’invenzione, il sensore di pressione 1 secondo l’invenzione à ̈ provvisto di mezzi rilevatori di temperatura, configurati per rilevare la temperatura del sensore stesso e/o del substrato su cui à ̈ montato, tale parametro essendo particolarmente utilizzato dalla logica di controllo implementata nel die 15 per compensare le rilevazioni di pressione effettuate; la rilevazione di temperatura à ̈ inoltre utilizzabile dalla logica di controllo a fini di protezione del sensore 1.

In una realizzazione particolarmente vantaggiosa dell’invenzione, i suddetti mezzi rilevatori includono almeno un sensore di temperatura integrato o ottenuto direttamente nel die 15. Una tale realizzazione à ̈ esemplificata in figura 3, in cui il suddetto sensore di temperatura à ̈ rappresentato schematicamente dal blocco indicato con 18. In tal modo, atteso che il die 15 à ̈ montato praticamente in contatto diretto con la superficie del corpo 2, che realizza il supporto ceramico del circuito 7, il sensore di temperatura 18 à ̈ in condizioni di rilevare con estrema precisione la temperatura del corpo del sensore 1. Si noti che i tipici circuiti integrati con package e terminali di collegamento sporgenti, tipicamente utilizzati nei sensori di pressione noti, anche quanto montati con tecnica a montaggio superficiale o SMD (Surface Mount Device), rimangono comunque leggermente sollevati o distanziati dal relativo supporto di circuito, ed in ogni caso tra l’elemento in materiale semiconduttore ed il corpo sul quale il componente SMD à ̈ montato rimane interposta una porzione del materiale del package, con conseguenti leggeri errori di rilevazione: la suddetta caratteristica preferita dell’invenzione garantisce pertanto una rilevazione di temperatura di precisione accresciuta.

In possibili varianti, il sensore 1 può essere provvisto di più mezzi rilevatori di temperatura, destinati a rilevare la temperatura ambiente e/o indirettamente la temperatura del fluido da misurare, ad esempio con rispettivi sensori di temperatura montati anche in posizioni differenti nel die e/o nel circuito, quale un sensore verso l’ambiente (in alto) ed un sensore verso il substrato (in basso).

Con particolare riferimento alla figura 2, nella realizzazione preferita esemplificata dell’invenzione, all’estremità inferiore del corpo 2 à ̈ associato un corpo a membrana, indicato con 20, in seguito definito per semplicità “membrana†, formato di preferenza di materiale elettricamente isolante, ad esempio lo stesso materiale ceramico che realizza il corpo 2. La membrana 20 à ̈ provvista di un elemento elettrico di rilevazione, in grado di generare un segnale rappresentativo di una flessione della membrana stessa; elementi di rilevazione impiegabili allo scopo possono essere ad esempio selezionati tra elementi resistori, elementi capacitivi ed elementi piezo-resistitivi.

Sul corpo della membrana 20, e segnatamente sulla sua superficie rivolta verso il corpo 2, sono ricavate piste elettricamente conduttive, per la realizzazione e/o il collegamento del suddetto elemento di rilevazione che, a scopo meramente esemplificativo, si supponga essere costituito da un ponte di resistenze. Con riferimento ad esempio alla figura 8, le resistenze, indicate con 21, sono posizionate almeno in parte in una regione sostanzialmente centrale della membrana 20, ovvero in una regione soggetta a deformazione elastica, che nella condizione montata di quest’ultima si affaccia almeno parzialmente all’interno della camera 3. Le resistenze 21 sono collegate tra le prime estremità delle suddette piste conduttive, indicate con 22, le cui seconde estremità si trovano invece in una regione periferica della membrana 20, preferibilmente in una zona non soggetta a deformazione elastica; le suddette seconde estremità delle piste 22 sono deputate al collegamento elettrico dei mezzi di rilevazione rappresentati dal ponte di resistenze 21 al circuito 6, tramite i fori metallizzati 5, come risulterà in seguito. Nell’esempio, le estremità 22a delle piste 22 sono conformate sostanzialmente a piazzola o pad, aventi dimensioni di alcune centinaia di micron, indicativamente comprese tra circa 200 x 200 e circa 400 x 400 micron.

Secondo una caratteristica preferenziale dell’invenzione, la membrana 20 à ̈ vincolata tramite incollaggio al corpo principale 2, in modo da chiudere in modo ermetico la camera 3 sul lato inferiore del corpo 2. L’incollaggio à ̈ effettuato in modo tale per cui le piste conduttive 22, e più precisamente le loro estremità di collegamento 22a, risultino posizionate in corrispondenza delle estremità inferiori dei fori metallizzati 5, ed in modo da permetterne, grazie alla successiva deposizione di un materiale conduttivo, quale una colla, il collegamento elettrico con il materiale conduttivo che ricopre le superfici dei fori stessi. Naturalmente, in fase di progetto, la geometria delle piste 22 e la posizione delle relative estremità 22a à ̈ scelta allo scopo.

Come si intuisce, le estremità superiori dei fori metallizzati 5 sono a loro volta elettricamente connesse ad alcune delle piste conduttive 9 appartenenti al circuito 6, che si trovano sulla superficie superiore del corpo 2, in modo tale per cui la parte di rilevazione integrata sulla membrana 20 risulti elettricamente connessa o in comunicazione di segnale con il circuito 6.

Nella forma di attuazione dell’invenzione illustrata nelle figure, il sensore 1 à ̈ previsto per la rilevazione di una pressione relativa, ovverosia à ̈ configurato per misurare la pressione applicata alla membrana 20 rispetto alla pressione ambiente; a tale scopo, il passaggio 4 à ̈ aperto in corrispondenza della faccia superiore del corpo 2. La medesima struttura di sensore illustrata nelle figure à ̈ comunque utilizzabile per realizzare sensori di pressione assoluti, semplicemente chiudendo il passaggio 4 all’estremità superiore, ad esempio tramite una goccia di stagno. In questo secondo caso, nella camera interna 3 e nel passaggio 4 possono sussistere due condizioni: il vuoto, creato con modalità in sé note in fase produttiva, oppure una pressione predefinita, quale la pressione ambiente esistente al momento della produzione, ossia al momento dell’occlusione del passaggio 4, che definisce il sensore come “seal gauge†(sensore di pressione sigillato).

Il funzionamento generale del sensore di pressione 1 avviene secondo modalità note, e pertanto esso non verrà qui descritto in dettaglio. In termini generali, nell’impiego pratico il sensore 1 può essere montato all’interno di un dispositivo per la rilevazione della pressione di fluidi (liquidi e aeriformi), ad esempio per l’impiego nel settore automobilistico, o nel settore domestico e degli elettrodomestici, o nel settore del condizionamento ambientale e idro-termo-sanitario in genere. Un tale dispositivo ha un involucro definente un ingresso che riceve un fluido di cui deve essere rilevata la pressione, il sensore 1 essendo montato nell’involucro in modo che la membrana 20 risulti esposta al fluido. La deformazione meccanica della membrana 20, dovuta alla pressione del fluido soggetto a misura, modifica il valore di resistenza in uscita dal ponte di resistenze 21. Il circuito 6 preleva il segnale di uscita dal ponte di resistenze, tramite i fori metallizzati 5, e lo tratta secondo modalità in sé note (eventuale amplificazione e/o condizionamento e/o elaborazione), rendendolo poi disponibile all’esterno tramite i terminali 8 di figura 1, eventualmente collegati ad un opportuno connettore elettrico associato al suddetto involucro.

Come detto, il circuito 6 à ̈ configurato per realizzare le funzionalità tipicamente associate ai sensori di pressione di tipologia nota. Come già evidenziato, peraltro, secondo una caratteristica preferenziale dell’invenzione, il sensore 1 à ̈ ulteriormente provvisto di mezzi rilevatori di temperatura, preferibilmente integrati nel die 15, che consentono di compensare le rilevazioni di temperatura effettuate.

In accordo a possibili varianti, il sensore può essere provvisto di ulteriori mezzi sensori di temperatura, ad esempio montati in prossimità della membrana e/o del ponte resistivo di rilevazione, connessi al circuito 6 e/o al die 15.

Il die 15 realizza un elaboratore digitale, quale un circuito a microprocessore o microcontrollore, che può essere dotato o avere abbinati mezzi di memoria elettronica, preferibilmente di tipo non volatile e/o elettronicamente riscrivibili, ad esempio di tipo EEPROM o Flash, tali mezzi di memoria MEM essendo atti a ritenere informazioni in modo permanente anche in assenza di alimentazione elettrica.

La parte di controllo 6, 15 del sensore 1 à ̈ configurata per provvedere alla rilevazione ed il condizionamento del segnale del ponte resistivo, generando un segnale raziometrico amplificato all’uscita, preferibilmente variabile tra 0.5 V e 4.5 V, tramite i tre terminali 8. La parte di controllo 6, 15 à ̈ inoltre configurata per controllare e condizionare anche il segnale degli eventuali mezzi rilevatori di temperatura, quali il sensore 18. Le parti circuitali che realizzano il condizionamento dei segnali del ponte resistivo e/o dei mezzi rilevatori di temperatura possono ad esempio comprendere uno stadio amplificatore o un partitore di tensione. Lo stadio amplificatore à ̈ preferibilmente tarabile o regolabile tramite variazione di almeno un parametro esterno, quale un valore resistivo. Tale variazione del parametro esterno può essere realizzata tramite una parte circuitale di calibrazione, che può comprendere allo scopo un potenziometro digitale. Il die 15 à ̈ inoltre preferibilmente configurato per rilevare periodicamente il grado di precisione del sensore, quale la precisione del ponte e dei mezzi sensori di temperatura, effettuando all’occorrenza una taratura automatica della relativa parte di circuito di condizionamento. Anche a tale scopo, il circuito 6 può essere addizionalmente dotato di funzionalità di compensazione di eventuali derive o “OFFSET†, ad esempio per ogni sensore previsto, controllati dal die 15.

Preferibilmente, inoltre, La parte di controllo 6, 15 Ã ̈ configurata per realizzare anche:

- una protezione ESD integrata (protezione/schermatura contro disturbi, elettromagnetici);

- una protezione da sovra tensione e/o una protezione da inversione di polarità; - funzioni di calibrazione o auto-calibrazione, ad esempio come taratura o programmazione in fase di produzione o auto-taratura a fronte di periodica verifica e calibrazione automatiche, o di “aging detection†, ovverosia correzione di rilevazioni di pressione dovute al passare del tempo;

- funzioni di programmazione o memorizzazione o lettura di parametri o dati o istruzioni di programma, quale una trasmissione o scrittura e/o ricezione o lettura di dati o parametri o istruzioni, preferibilmente dopo l’assemblaggio della parte di controllo 6, 15, in particolare tramite i terminali 8, che poi servono come uscita per i segnali di misura generati dal sensore di pressione 1.

Sempre preferibilmente, inoltre, la parte di controllo 6, 15 implementa funzioni di diagnostica o auto-diagnostica, funzioni di generazione di un segnale di stato o di anomalia, autonomamente o anche a seguito di interrogazione.

Un procedimento preferito per la realizzazione del sensore 1 precedentemente descritto à ̈ il seguente:

Sul corpo ceramico della membrana 20 vengono formate le piste conduttive 22, tramite deposizione - preferibilmente con tecnica serigrafica - di un materiale conduttivo, quale ad esempio una lega argento-palladio; il risultato di tale passo à ̈ rappresentato schematicamente in figura 5. Dopo il deposito del materiale si procede all’essiccazione ed alla cottura del semilavorato di figura 5, con temperature e tempi opportuni dipendenti dai materiali impiegati.

In seguito, sulla membrana 20 viene depositato il materiale destinato a realizzare le resistenze 21, ad esempio una pasta resistiva 10k preferibilmente serigrafata, come schematizzato in figura 6, in modo da ottenere l’elemento di rilevazione, ovvero il ponte resistivo. Anche in questo caso, dopo il deposito del materiale, si procede all’essiccazione ed alla cottura del semilavorato di figura 6, con temperature e tempi opportuni.

In seguito, sulla membrana 20 viene depositato, preferibilmente tramite serigrafia, uno strato di materiale protettivo, particolarmente vetro, in modo da ricoprire l’elemento di rilevazione, ovvero il ponte resistivo; tale strato protettivo in vetro à ̈ indicato con 23 in figura 7. Anche in questo caso, dopo il deposito del materiale, si procede all’essiccazione ed alla cottura del semilavorato di figura 7, con temperature e tempi opportuni.

In seguito, sulla membrana 20 viene depositato - anche in questo caso preferibilmente tramite serigrafia - uno strato di materiale adesivo o colla, indicato con 24 in figura 8. L’adesivo utilizzabile può essere ad esempio una pasta di vetro a bassa o media temperatura di fusione o una resina termoindurente. Come si nota, lo strato di adesivo 24 à ̈ conformato in modo da non ricoprire né la zona centrale della membrana 20, in cui à ̈ presente la parte di rilevazione coperta dallo strato in vetro 23, né alcune zone locali 24a che circondano le estremità di collegamento 22a delle piste 22. Anche in questo caso, dopo il deposito dello strato di adesivo, si procede all’essiccazione ed alla cottura del semilavorato di figura 8.

Per quanto riguarda la realizzazione della parte circuitale 6 prevista sul corpo principale 2, il primo passo del processo à ̈ preferibilmente la metallizzazione dei fori 5; come detto, allo scopo uno strato di metallo o altro materiale elettricamente conduttivo viene depositato, con modalità di per sé note, sulla superficie dei fori 5. Questo deposito viene effettuato di preferenza in modo tale per cui parte del metallo o materiale conduttivo sporga all’esterno dei fori 5 in corrispondenza delle relative estremità, ad esempio in parte sulle superfici inferiore e superiore del corpo 2. Dopo il deposito del materiale si procede all’essiccazione ed alla cottura del semilavorato, con temperature e tempi opportuni.

Sulla faccia superiore del corpo 2 vengono quindi formate le piste conduttive 9, tramite deposizione - preferibilmente con tecnica serigrafica - di un materiale conduttivo, quale ad esempio una lega argento-palladio; a ciò seguono le relative fasi di essiccazione e cottura. Le piste 9 possono essere eventualmente depositate in modo da essere elettricamente a contatto con il materiale conduttivo dei fori 5, ovvero con la parte di tale materiale che sporge all’esterno dei fori stessi; in alternativa, le estremità delle piste 9 possono essere messe a contatto con i fori metallizzati 5 tramite deposito di un materiale conduttivo aggiunto, come spiegato in seguito.

Sulle estremità delle piste 9 che dovranno essere collegate al die 15 tramite i micro-fili 16 (figure 3 e 4) viene depositato, preferibilmente tramite serigrafia, un sottile strato dello stesso materiale costituente i micro-fili 16, o compatibile con il materiale costituente i micro-fili. Anche in questo caso, la deposizione del materiale à ̈ seguita da relative fasi di essiccazione e cottura.

A ciò segue il deposito, sempre sulla superficie superiore del corpo 2, di un materiale destinato a realizzare le eventuali resistenze 10 di figura 4. Il materiale in questione può essere ad esempio una pasta resistiva, depositata tramite serigrafia; ovviamente tale materiale à ̈ depositato in modo che le resistenze 10 ottenute siano elettricamente a contatto con relative piste conduttive 9. Anche in questo caso, dopo il deposito del materiale si procede all’essiccazione ed alla cottura del semilavorato, con temperature e tempi opportuni.

In seguito, sulla faccia del corpo 2 opposta al circuito 6, viene depositato, ad esempio tramite serigrafia, uno strato di adesivo o colla, con successive fasi di essiccazione e cottura. L’adesivo à ̈ di preferenza dello stesso tipo di quello impiegato per realizzare lo strato 24 previsto sulla membrana 20 (figura 8). Come si può intuire, il deposito del materiale adesivo à ̈ limitato alla zona periferica della suddetta faccia inferiore del corpo 2, ovvero la regione di tale faccia delimitante l’apertura della cavità 3 di figura 2.

In seguito le due parti di corpo 2 e 20 del sensore 1 vengono vincolate tra loro. A tale scopo lo strato di adesivo 24 della membrana 20 viene addossato allo strato di adesivo presente sulla faccia inferiore del corpo 2. Come già accennato, il posizionamento relativo à ̈ tale per cui le estremità di collegamento 22a delle piste 22 della membrana (vedere figura 8) risultino sovrapposte ed a contatto con il materiale conduttivo dei fori 5, sulla superficie inferiore del corpo 2. La certezza del contatto elettrico à ̈ preferibilmente assicurata dosando una pasta o colla epossidica conduttiva all’interno dei fori 5, che va a riempire l'interspazio tra il foro stesso e la relativa estremità di collegamento o piazzola 22a, garantendo così la contattazione.

A ciò segue una fase di cottura, necessaria ad ottenere l’adesione tra i due suddetti strati di adesivo, e quindi la perfetta unione a tenuta tra le parti, ed eventualmente una fusione almeno parziale del materiale elettricamente conduttivo per realizzare o migliorare i collegamenti elettrici; questa fase di cottura à ̈ di preferenza seguita da un controllo di ermeticità, realizzato con modalità di per sé note.

Se necessario, le estremità superiori dei fori metallizzati 5 possono essere messe a contatto elettrico con le relative piste 9, tramite deposizione locale di una pasta o colla conduttiva, nelle rispettive zone di interfaccia; anche tale fase, quando prevista, à ̈ seguita da un’essicazione ed una cottura. In alternativa, può essere prevista solo una rifusione di almeno parte dei materiali elettricamente conduttivi precedentemente depositati, in particolare nella zona tra corpo e membrana.

L’elemento di rilevazione previsto sulla membrana 20, ossia il ponte resistivo, viene quindi bilanciato o calibrato, con modalità di per sé note.

A ciò segue la deposizione, preferibilmente tramite serigrafia, del materiale polimerico destinato a realizzare lo strato protettivo 11 delle figure 1-3, seguita da relative essiccazione e cottura. Come in precedenza evidenziato, lo strato 11 à ̈ depositato in modo da lasciare esposte le zone in cui alle piste conduttive 9 dovranno essere collegati i componenti 7 del circuito 6. Inoltre, lo strato 11 à ̈ depositato in modo da lasciare direttamente esposta, tramite la finestra 11a, anche la regione della superficie superiore del corpo 2 in cui deve essere incollato il die 15; naturalmente in tale regione si trovano esposte anche le estremità delle piste 9 a cui debbono essere collegati i micro-fili 16.

A questo punto, sulla parte superiore del corpo superficie del corpo 2 vengono montati, preferibilmente tramite tecnica SMD, i componenti 7 del circuito 6. Come si intuisce, in tale fase, i terminali di collegamento dei componenti 7 in questione vengono collegati elettricamente con le relative piste 9. A ciò segue una saldatura a rifusione o reflow.

Dopo tale passo, sulla superficie superiore del corpo 2, nella zona all’uopo non occupata dalle piste 9 o altri componenti del circuito 6, e lasciata esposta dallo strato protettivo 11, viene vincolato il die 15, particolarmente tramite incollaggio. La fase comprende la deposizione di un idoneo adesivo o colla conduttiva, su almeno uno tra la faccia inferiore del die 15 e la corrispondente zona di posizionamento sulla superficie del corpo 2. Preferibilmente questo adesivo conduttivo presenta caratteristiche di buona conduzione termica, in particolare al fine di agevolare la misurazione di temperatura da parte del sensore di temperatura 18 interno al die 15 e/o di garantire una buona dissipazione termica.

Dopo l’incollaggio del die 15 segue la fase di collegamento elettrico o wire bonding, ossia il collegamento dei micro-fili 16, tra i relativi contatti 15a del die 15 e le estremità delle piste conduttive 9 di interesse, secondo tecnica in sé nota.

A questo punto, sul die 15 ed i relativi micro-fili di collegamento 16, nonché sulla regione di bonding di tali micro-fili 16 con le piste 9 e/o componenti 7 di interesse, à ̈ deposta la protezione isolante 17 delle figure 1-3, come detto costituita ad esempio da una massa di resina di preferenza epossidica. Segue quindi una fase di polimerizzazione di tale materiale.

Nel caso in cui il sensore 2 debba essere di tipo assoluto, l’estremità superiore del passaggio 4 deve essere tappata a tenuta ermetica: in tal caso, quindi, si procede, in ambiente sotto vuoto, al deposito di una goccia di idoneo materiale, ad esempio stagno, preferibilmente tramite serigrafia o saldatura, ad occludere la suddetta estremità.

A ciò segue la saldatura dei terminali o cavetti di collegamento 8 di figura 1 alle piste 9 di interesse del circuito 6, necessari per il collegamento del sensore 1 ai fini del suo impiego. In seguito, il sensore, ed in particolare il die 15, viene calibrato elettronicamente. A tale scopo, si segnala che l’elemento di rilevazione, ovvero il ponte resistivo, ovvero il relativo circuito di controllo, à ̈ di preferenza di tipo tarabile digitalmente.

E’ chiaro che numerose varianti sono possibili per la persona esperta del ramo al sensore descritto come esempio, senza per questo uscire dagli ambiti dell’invenzione così come definita nelle rivendicazioni allegate.

L’invenzione à ̈ stata descritta con riferimento ad un sensore di pressione in cui la membrana 20 à ̈ configurata come parte aggiunta, in particolare incollata, ad un’ulteriore base, ossia il corpo principale 2. I concetti di base dell’invenzione sono tuttavia applicabili anche nel caso di sensori di pressione aventi una base 2 senza foro 4, con configurazione esclusivamente “seal gauge†oppure aventi un corpo monolitico, che definisce integralmente la relativa membrana.

Un esempio del primo tipo di sensore citato à ̈ illustrato in figura 9, dove il suddetto corpo o base privo di foro passante à ̈ indicato complessivamente con 2’. Un tale sensore 1 può essere utilizzato in caso di medie ed alte pressioni, offrendo maggiore sicurezza grazie ad una struttura più solida.

Un esempio di sensore con corpo monolitico à ̈ invece illustrato schematicamente nelle figure 10 e 11, dove tale corpo à ̈ indicato con indicato complessivamente con 2†. Nell’esempio illustrato il corpo monolitico 2’, avente sagoma generalmente cilindrica, con alcune sedi periferiche di riferimento o posizionamento, à ̈ formato in materiale ceramico ed ha una cavità cieca 3’, di sezione sostanzialmente circolare, chiusa ad un’estremità da una porzione a membrana 20’ del corpo stesso. In tale realizzazione, in corrispondenza della porzione a membrana 20’, particolarmente in una regione centrale della sua superficie superiore, à ̈ previsto il componente di rilevazione, atto a generare il segnale rappresentativo di una flessione della porzione a membrana stessa, nonché un circuito avente le caratteristiche di quello in precedenza indicato con 6. Tale circuito potrà eventualmente essere formato in tutto o in parte nella zona periferica della superficie superiore del corpo 2’, ovverosia nella regione anulare della faccia superiore del corpo 2’ che cinge la porzione a membrana 20’.

In un’ulteriore possibile variante, i mezzi rilevatori di temperatura del sensore secondo l’invenzione possono comprendere un sensore di temperatura montato sulla membrana 20, affacciantesi all’interno della camera 3 ed in comunicazione di segnale con il circuito 6 includente il die 15 tramite relative piste conduttive e fori metallizzati, concettualmente simili a quelli in precedenza indicati con 22 e 5.

Le piste 9 e/o le eventuali resistenze 10 possono essere ottenute sul corpo di sensore con tecnica diversa dalla serigrafia, per quanto essa sia la tecnica preferita; ad esempio, tecniche alternative per le piste e/o resistenze del sensore sono selezionabili tra litografia, foto-litografia, spruzzatura di materiale conduttivo, metallizzazione superficiale, placcatura, eccetera.

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Claims (5)

1. RIVENDICAZIONI 1. Un sensore di pressione avente un corpo di sensore (2, 20; 2’; 2†) con una membrana (20; 20’), il corpo di sensore (2, 20; 2’; 2†) essendo almeno in parte formato con un materiale elettricamente isolante, particolarmente un materiale ceramico, e definendo una cavità (3; 3’), la membrana (20; 20’) essendo almeno in parte affacciata a detta cavità (3; 3’) ed avendo un elemento di rilevazione (21, 22) configurato per rilevare una flessione o deformazione della membrana (20; 20’), in cui il corpo di sensore (2, 20; 2’; 2†) supporta una disposizione circuitale (6), in comunicazione di segnale con l’elemento di rilevazione (21, 22) e comprendente una pluralità di componenti di circuito (7, 10, 15), tra i quali un circuito integrato (15), la disposizione circuitale (6) essendo predisposta per il trattamento di un segnale generato dall’elemento di rilevazione (21, 22), caratterizzato dal fatto che - la disposizione circuitale (6) include un disegno di circuito elettrico (electric circuit pattern) che comprende una pluralità di piste di materiale elettricamente conduttivo (9) depositato direttamente su di una prima superficie del corpo di sensore (2, 20; 2’; 2†) formata di materiale elettricamente isolante, le dette piste (9) essendo organizzate in modo da lasciare direttamente esposta una regione di detta prima superficie per il posizionamento del detto circuito integrato (15); - il detto circuito integrato à ̈ costituito da un elemento o die di materiale semiconduttore (15), che à ̈ vincolato direttamente, particolarmente tramite incollaggio o resinatura, alla detta prima superficie, in corrispondenza della regione di posizionamento, ovvero in una zona non occupata da dette piste (9); - detto elemento o die di materiale semiconduttore (15) à ̈ collegato a rispettive dette piste (9) tramite wire bonding, ovverosia tramite sottili fili di collegamento (16) di materiale elettricamente conduttivo.
2. 2. Il sensore secondo la rivendicazione 1, in cui i fili sono micro-fili flessibili (16) aventi uno spessore o diametro compreso tra circa 5 e 100 micron, particolarmente da circa 25 a circa 35 micron, ed essendo preferibilmente formati con un materiale o una lega comprendente o a base di materiale selezionato tra oro, platino, silicio, palladio, berilio, argento, alluminio e rame.
3. 3. Il sensore secondo la rivendicazione 1 o 2, comprendente inoltre mezzi rilevatori di temperatura (18), particolarmente collegati a, o compresi o integrati in detto elemento o die di materiale semiconduttore (15).
4. 4. Il sensore secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detto elemento o die di materiale semiconduttore (15) ed i relativi detti fili (16), nonché almeno parte della regione di collegamento di detti fili (16) con rispettive dette piste (9), à ̈ ricoperta da una massa di materiale isolante di protezione (17), quale una resina, particolarmente una resina epossidica. 5. Il sensore secondo la rivendicazione 1, in cui dette piste (9) sono ricoperte da uno strato di protezione (11), particolarmente un materiale polimerico, lo strato di protezione (11) essendo aperto localmente, ovvero presentando finestre, almeno in corrispondenza di zone di collegamento di alcuni detti componenti di circuito (7) a rispettive dette piste conduttive (9), lo strato di protezione (11) avendo inoltre un’apertura locale o finestra (11a) in corrispondenza di detta regione di posizionamento. 6. Il sensore secondo la rivendicazione 1, in cui su almeno una faccia o lato del detto elemento o die di materiale semiconduttore (15) sono previsti contatti (15a) costituiti da film sottili di materiale elettricamente conduttivo, per il collegamento di detti fili (16). 7. Il sensore secondo la rivendicazione 1, in cui detti componenti di circuito (7-10, 15) comprendono una o più resistenze (10), preferibilmente formate con materiale resistivo depositato direttamente sulla detta prima superficie. 8. Il sensore secondo le rivendicazioni 5 e 7, in cui dette resistenze (10) sono almeno in parte ricoperte da detto strato di protezione (11). 9. Il sensore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui il corpo di sensore (2, 20; 2’, 20) comprende una prima parte di corpo (2; 2’), che supporta detta disposizione circuitale (6), ed una seconda parte di corpo (20), definente detta membrana, la prima e la seconda parte di corpo (2, 20; 2’, 20) essendo mutualmente vincolate o fissate tra loro, particolarmente tramite un materiale adesivo, ed in cui: - la prima parte di corpo (2, 2’) definisce una cavità cieca (3) aprentesi su di una prima faccia della prima parte di corpo (2, 2’); - la disposizione circuitale (6) si trova su una seconda faccia della prima parte di corpo (2, 2’) che à ̈ opposta alla detta prima faccia; e - la seconda parte di corpo (20) à ̈ fissata o incollata alla detta prima faccia in modo da realizzare un fondo di detta cavità (3). 10. Il sensore secondo la rivendicazione 9, in cui nella prima parte di corpo (2; 2’) sono previsti fori passanti (5) che si estendono tra dette prima e seconda faccia, ed in cui - almeno una superficie interna di detti fori passanti (5) à ̈ ricoperta da uno strato di materiale elettricamente conduttivo per collegare il detto elemento di rilevazione (22, 21) alla detta disposizione circuitale (6), e/o - i detti fori passanti (15) sono almeno parzialmente riempiti con un materiale elettricamente conduttivo, quale una pasta o una colla conduttiva, in particolare per collegarli a elementi o componenti elettrici (21, 22) presenti sulla membrana (20). 11. Il sensore secondo la rivendicazione 9, in cui la prima parte di corpo (2) comprende un’apertura passante (4) che si estende tra un fondo di detta cavità (3) e detta seconda faccia, ed in cui: - se il sensore di pressione (1) à ̈ un sensore di pressione relativa, la detta apertura passante (4) à ̈ aperta in corrispondenza della relativa estremità aprentesi sulla detta seconda faccia; e - se il sensore di pressione (1) à ̈ un sensore di pressione assoluta, la detta apertura passante (4) à ̈ occlusa in corrispondenza della relativa estremità aprentesi sulla detta seconda faccia. 12. Il sensore secondo la rivendicazione 1, in cui la disposizione circuitale (6) à ̈ predisposta per adempiere una o più funzionalità selezionate tra protezione ESD, protezione contro sovra tensioni, protezione contro inversioni di polarità, aging detection, calibrazione automatica, taratura digitale, programmazione di dati o parametri, dove in particolare la disposizione circuitale (6) e/o il detto circuito integrato o die (15) à ̈ configurato per essere programmabile o tarabile dopo il relativo assemblaggio sul corpo di sensore (2), preferibilmente tramite i medesimi terminali (8) poi utilizzati come uscita per i segnali di misura generati dal sensore (1). 13. Il sensore secondo la rivendicazione 1, in cui la disposizione circuitale (6) à ̈ configurata in modo da avere un’uscita di segnale raziometrica, ovverosia con una tensione d’uscita che dipende dalla tensione di alimentazione, preferibilmente variabile tra 0.5 e 4.
5. 5 V. 14. Un procedimento per produrre un sensore di pressione secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 13, comprendente i passi di: - ricavare su detta prima superficie dette piste (9), in modo da lasciare direttamente esposta detta regione di posizionamento del corpo di sensore (2, 20; 2’); - depositare, almeno su zone di estremità delle dette piste (9) che devono essere collegate a detto die (15), uno strato dello stesso materiale costituente detti fili (16) o compatibile con esso; - vincolare detto die (15) in detta regione di posizionamento di detta prima superficie, particolarmente tramite incollaggio; - collegare tramite wire bonding detto die (15) a rispettive dette piste (9); - ricoprire detto die (15) ed i relativi detti fili (16), nonché la regione di collegamento di detti fili (16) con rispettive dette piste (9), con detta una massa di materiale isolante di protezione (17). 15. Un dispositivo rilevatore di pressione, comprende un sensore di pressione secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 13.