ITTO20100616A1 - Sensore e metodo di fabbricazione - Google Patents
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Description
"Sensore e metodo di fabbricazioneâ€
TESTO DELLA DESCRIZIONE
Campo dell’invenzione
La presente invenzione si riferisce ai sensori in generale, del tipo avente
- una struttura che comprende un corpo di supporto;
- una disposizione circuitale, comprendente componenti di circuito, tra i quali mezzi di rilevazione per generare segnali elettrici rappresentativi di una grandezza da rilevare; e
- almeno un supporto di circuito, solidale al corpo di supporto ed avente una superficie sulla quale sono formati una pluralità dei suddetti componenti di circuito, tra i quali piste elettricamente conduttive.
L’invenzione, comunque suscettibile di applicazione a varie tipologie di sensori, à ̈ stata sviluppata con particolare riferimento ad un sensore di pressione, in cui una membrana à ̈ soggetta a deformazione elastica in funzione della pressione di un fluido soggetto a misura, ed i componenti di circuito comprendono mezzi di rilevazione per generare segnali elettrici rappresentativi della deformazione della suddetta membrana.
Tecnica anteriore
Sensori del tipo indicato sono utilizzati in dispositivi per la rilevazione della pressione di fluidi (liquidi e aeriformi) in vari settori. 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 una prima tipologia di soluzioni, il sensore ha un corpo avente funzioni strutturali, che definisce una membrana destinata ad essere esposta al fluido. Sulla membrana, che à ̈ almeno in parte formata con un materiale elettricamente isolante (ad esempio un materiale ceramico o un materiale metallico ricoperto almeno parzialmente da uno strato di isolante), à ̈ disposto o si estendono almeno parzialmente i mezzi di rilevazione, configurati per rilevare una flessione o deformazione elastica della membrana stessa. I mezzi di rilevazione sono tipicamente costituiti da elementi resistivi, capacitivi o piezo-resistitivi, ad esempio un ponte di resistenze.
Il sensore comprende generalmente anche un circuito, almeno parzialmente alloggiato nella camera dell’involucro del dispositivo, in posizione isolata rispetto all’ingresso del fluido. In alcuni casi il corpo del sensore, formato in materiale elettricamente isolante in una o più parti, supporta esso stesso la disposizione circuitale, configurata per trattare il segnale indicativo di una flessione della membrana, e quindi della pressione del fluido. Questa disposizione circuitale consta tipicamente di una basetta di circuito stampato in vetroresina, sulla quale à ̈ formato un disegno di circuito elettrico, includente una pluralità di piste di materiale elettricamente conduttivo. Sulla basetta possono essere montati o formati vari componenti di circuito, quali condensatori, resistenze, circuiti integrati, collegati alle piste suddette. La basetta viene ancorata in posizione distanziata rispetto alla membrana e collegata in modo da gestire i segnali generati a seguito della deformazione della membrana. In taluni casi, componenti circuitali della disposizione, quali le piste di collegamento ed i mezzi di rilevazione, sono formati tramite deposizione serigrafica direttamente su di una faccia del corpo del sensore, quando questo à ̈ formato di materiale elettricamente isolante; in caso di un corpo metallico, la suddetta faccia deve essere almeno parzialmente ricoperta da uno strato di materiale isolante, anch’esso depositabile tramite serigrafia, prima della deposizione dei materiali necessari all’ottenimento del circuito e dei mezzi di rilevazione.
In una seconda tipologia di soluzioni note il sensore include un chip o die di materiale semiconduttore, tipicamente silicio, che definisce la membrana di rilevazione ed in cui à ̈ direttamente implementato un circuito elettronico miniaturizzato. In queste soluzioni, le funzionalità della membrana e dei mezzi di rilevazione sono integrate in un medesimo componente, ovverosia il die. Il sensore include un corpo o substrato, provvisto di un’apertura passante. Un’estremità di tale apertura à ̈ destinata ad essere posta in comunicazione con un circuito fluidico in cui si trova il fluido di cui deve essere misurata la pressione, mentre in corrispondenza dell’estremità opposta dell’apertura à ̈ montato a tenuta il die, di modo che la sua membrana sia sostanzialmente affacciata a tale estremità dell’apertura. Anche in queste soluzioni sul corpo o substrato può essere fissata una basetta in vetroresina in cui à ̈ formata una disposizione circuitale, includente piste elettricamente conduttive che vengono collegate al die.
Quando il substrato à ̈ di materiale isolante, ad esempio di materiale ceramico, su di esso può essere ottenuta direttamente tramite serigrafia la suddetta disposizione circuitale. In caso di substrato elettricamente conduttivo, tra i componenti della disposizione circuitale ed il substrato deve essere previsto almeno uno strato isolante, anch’esso depositabile tramite serigrafia.
Le soluzioni in cui una basetta di circuito à ̈ fissata o collegata esternamente al corpo di supporto del sensore hanno solitamente il vantaggio di avere a disposizione una maggiore area per disporre gli elementi circuitali necessari, ma lo svantaggio di comportare un substrato aggiuntivo, di doverlo collegare al sensore e di avere altezze totali generalmente più alte. Anche le soluzioni in cui più componenti della disposizione circuitale - quali piste conduttive, contatti di collegamento, elementi di rilevazione -vengono formati direttamente corpo di supporto tramite deposizione di materiale presentano alcuni inconvenienti.
La deposizione serigrafica presuppone la preventiva predisposizione di una pluralità di schermi o maschere, ciascuna definente il disegno di una rispettiva parte del circuito, quale le piste, le resistenze, i contatti per il collegamento esterno del sensore, l’eventuale strato isolante, eccetera. Ciascuna maschera deve essere di volta di volta in volta utilizzata per serigrafare nello stesso momento un numero limitato di supporti alla volta, sovente anche un solo supporto, per avere una buona qualità di deposito sul singolo sensore, con basse rese produttive. Dopo ciascuna deposizione, e prima della successiva, il corpo di supporto deve essere inoltre sottoposto ad essiccamento, per eliminare i solventi impiegati nell’inchiostro e determinare il consolidamento del materiale depositato.
Sommario e scopo dell’invenzione
La presente invenzione ha essenzialmente lo scopo di risolvere gli inconvenienti sopra indicati. In tale ambito generale, uno scopo dell’invenzione à ̈ quello di realizzare un sensore, particolarmente un sensore di pressione, di realizzazione più semplice, comoda e rapida rispetto alla tecnica anteriore, e quindi a costi più contenuti. Altro scopo dell’invenzione à ̈ quello di indicare un metodo particolarmente vantaggioso per la fabbricazione di un tale sensore. Un altro scopo dell’invenzione à ̈ quello di realizzare un sensore la cui struttura include un corpo di supporto, a cui un supporto di circuito à ̈ rigidamente connesso in modo stabile, resistente nelle varie condizioni di utilizzo e/o a temperature relativamente elevate.
Questo ed altri scopi ancora, che risulteranno in seguito, sono raggiunti secondo l’invenzione da un sensore di pressione e da un metodo per la fabbricazione di un sensore di pressione aventi le caratteristiche indicate nelle rivendicazioni allegate, che costituiscono parte integrante dell’insegnamento tecnico fornito in relazione all’invenzione.
Breve descrizione dei disegni
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 prospettiva schematica di un nastro di materiale dielettrico, utilizzato ai fini della produzione di sensori secondo l’invenzione;
- la figura 2 à ̈ una vista prospettica parziale di un nastro del tipo di quello di figura 1, in maggiore scala, sul quale sono direttamente formati una pluralità di disegni di circuito;
- la figura 3 Ã ̈ una vista prospettica di una singola porzione del nastro di figura 2, includente un rispettivo disegno di circuito;
- le figure 4 e 5 sono una vista prospettica schematica ed una sezione schematica, rispettivamente, di un corpo di supporto elettricamente conduttivo di un sensore di pressione in accordo ad una prima forma di attuazione dell’invenzione;
- le figure 6-7 illustrano schematicamente una fase di abbinamento della porzione di nastro di figura 3 al corpo di supporto delle figure 4-5;
- la figura 8 illustra schematicamente una ulteriore fase di fabbricazione del sensore in accordo alla suddetta prima forma di attuazione dell’invenzione;
- le figure 9 e 10 sono una vista prospettica schematica ed una sezione schematica, rispettivamente, di un corpo di supporto isolante di un sensore di pressione in accordo ad una seconda forma di attuazione dell’invenzione;
- le figure 11-13 sono viste simili a quelle delle figure 6-8, relative al sensore in accordo alla suddetta seconda forma di attuazione dell’invenzione;
- le figure 14 e 15 sono una vista prospettica schematica ed una sezione schematica, rispettivamente, di un corpo di supporto di un sensore di pressione in accordo ad una terza forma di attuazione dell’invenzione;
- le figure 16-18 sono viste simili a quelle delle figure 6-8 e 11-13, relative al sensore in accordo alla suddetta terza forma di attuazione dell’invenzione;
- le figure 19 e 20 sono una vista prospettica schematica ed una sezione schematica, rispettivamente, di un corpo di supporto di un sensore di pressione in accordo ad una quarta forma di attuazione dell’invenzione;
- la figura 21 à ̈ una vista prospettica di una singola porzione di un nastro del tipo di quello illustrato in figura 3, ma differentemente lavorato ai fini dell’implementazione della suddetta quarta forma di attuazione dell’invenzione;
- le figure 22-23 sono viste simili a quelle delle figure 6-7 e 11-12, relative al sensore in accordo alla suddetta quarta forma di attuazione dell’invenzione;
- le figure 24-25 illustrano schematicamente due ulteriori fasi di fabbricazione del sensore in accordo alla suddetta quarta forma di attuazione dell’invenzione; e
- la figura 26 Ã ̈ una sezione schematica del sensore risultante dalla fase di figura 25.
Descrizione di forme di attuazione preferite dell’invenzione
Il riferimento ad “una forma di attuazione†all’interno di questa descrizione sta ad indicare che una particolare configurazione, struttura, o caratteristica descritta in relazione alla forma di attuazione à ̈ compresa in almeno una forma di attuazione. Quindi, i termini “in una forma di attuazione†e simili, presenti in diverse parti all’interno di questa descrizione, non sono necessariamente tutti riferite alla stessa forma di attuazione. Inoltre, le particolari configurazioni, strutture o caratteristiche possono essere combinate in ogni modo adeguato in una o più forme di attuazione. I riferimenti utilizzati nel seguito sono soltanto per comodità e non definiscono l’ambito di tutela o la portata delle forme di attuazione.
Nel seguito della presente descrizione, termini quali “superiore†ed “inferiore†vanno intesi come semplice riferimento spaziale non limitativo, per agevolare la descrizione dei particolari illustrati nelle figure.
Nel seguito verranno descritte applicazioni preferite, riferite alla realizzazione di sensori di pressione, tenendo tuttavia presente che l’invenzione à ̈ suscettibile di applicazione anche per la realizzazione di altre tipologie di sensori.
In figura 1, con 1 à ̈ indicato nel suo complesso uno spezzone di un nastro di materiale dielettrico o isolante, utilizzato ai fini della produzione di un sensore di pressione in accordo ad un’applicazione vantaggiosa dell’invenzione.
In termini generali, il componente o i componenti principali del nastro 1 sono di natura ceramica e/o ossidi, in abbinamento ad idonei leganti, disperdenti e solventi. In una forma di attuazione preferita dell’invenzione, ad esempio, il componente principale del nastro à ̈ ossido di alluminio, particolarmente allumina, in percentuali indicativamente comprese tra il 10 ed il 25% in peso. In alternativa o in combinazione ad ossido di alluminio, la composizione del nastro può includere quali componenti silice, ossido di zinco, silicato di zirconio, fritte o polveri di vetro.
Il nastro 1 à ̈ ottenibile ad esempio con tecnica tape casting, (vedere ad esempio Principles of ceramics processing, 2nd ed., J.S. Reed, J. Wiley & Sons, 1995), a partire da un impasto liquido, comprendente polveri ceramiche, ad esempio di allumina e vetro, miscelate con i leganti, disperdenti e solventi in un veicolo organico o in acqua. L’impasto à ̈ costituito indicativamente per metà da liquido (in volume), per un terzo dalle polveri mentre il resto comprende gli additivi.
Un nastro utilizzabile ai fini dell’implementazione della presente invenzione à ̈ ad esempio quello commercializzato da W. C. Heraeus GmbH, con il nome “HERATAPE†. Una ulteriore tipologia di nastro utilizzabile può essere ad esempio quello commercializzato da DuPont con il nome “GreenTape†. Non à ̈ escluso dall’ambito dell’invenzione l’impiego di altri nastri per applicazioni LTTC e HTCC.
Tipicamente lo spessore del nastro 1 à ̈ compreso tra 0,05 mm e 0,3 mm (potendo tuttavia avere anche spessori sino ad 1 mm o maggiori) ed à ̈ flessibile, ovvero avvolgibile in rotoli , e quindi eventualmente associabile anche a superfici curve o irregolari su un supporto o substrato.
Ai fini della produzione dei sensori, il nastro viene convenientemente predisposto negli spezzoni 1, relativamente grandi, ad esempio con dimensioni indicativamente comprese tra circa 50 x 50 mm o 100 x 100 mm, particolarmente circa 50.8 x 50.8 mm o 101.6 x 101.6 mm.
Su ciascuno spezzone di nastro 1 viene direttamente depositato, preferibilmente tramite tecnica serigrafia o deposizione a getto, il materiale necessario alla realizzazione di componenti di circuito dei sensori da produrre. In particolare, come esemplificato in figura 2, sulla faccia superiore 2 di uno spezzone di nastro 1 vengono ottenuti una pluralità di disegni di circuito, o piste conduttive, o elementi elettrici, indicati nel complesso con 3, sostanzialmente di tipo thick film (a film spesso). La figura 3 illustra a titolo esemplificativo un disegno di circuito di base che include piste elettricamente conduttive 3a e terminali a piazzola, per il collegamento esterno del sensore, indicati con 3b.
Un primo materiale depositato, ad esempio in forma di pasta o inchiostro, à ̈ preferibilmente a base di uno o più metalli selezionati tra Oro, Argento, Platino, Palladio, Rame, eventualmente miscelati a fritte di vetro (o ossidi di Piombo) e/o Silice (o ossidi di Silicio), con idonei leganti e solventi. Una o più componenti solide del suddetto primo materiale, ad esempio le componenti metalliche, possono vantaggiosamente comprendere particelle aventi dimensioni micrometriche o nanometriche, preferibilmente dimensioni caratteristiche inferiori ad 1 micron; tali particelle sono preferibilmente miscelate con almeno una sostanza atta a formare con esse una soluzione fluida o liquida, quale un solvente, ad esempio un solvente chetonico. Una tale tipologia di materiale consente di ottenere una migliorata adesione tra le nano-particelle nelle microporosità o microrugosità del materiale che costituisce il nastro 1. Nelle eventuali fasi di essiccazione e/o cottura e/o sinterizzazione che seguono la deposizione, inoltre, i vari materiali possono tra loro fondersi e/o legarsi, anche a formare legami meccanici e/o chimici e/o elettrici tra i materiali e/o paste e/o inchiostri e/o con il nastro 1: ciò viene agevolato dalle strutture micrometriche o nanometriche delle particelle contenute nei materiali o paste o inchiostri, le quali consentono o agevolano i detti legami meccanici e/o chimici e/o elettrici.
Il disegno di circuito à ̈ ottenibile con un solo passaggio di deposizione o con più passaggi, in funzione della complessità del disegno e/o o dell’eventuale impiego di materiali diversi. Ad esempio, le piste 3a ed i terminali 3b possono essere formati con un medesimo materiale, con un unico passaggio serigrafico o di deposizione a getto; nel caso in cui le piste ed i terminali debbano essere di materiali diversi possono essere previsti due passaggi serigrafici o di deposizione a getto. A prescindere dal numero di passaggi serigrafici o di deposizioni a getto, ciascuno di essi à ̈ preferibilmente seguito da una fase di essiccazione dello spezzone di nastro, per l’eliminazione (burnout) dei solventi, potendo tuttavia essere prevista un’unica fase di essiccazione finale.
Come si vede dalla figura 2, il o i passaggi di deposizione vengono eseguiti in modo da ottenere contemporaneamente sullo spezzone di nastro 1 una pluralità di disegni di circuito 3, disposti secondo una schiera sostanzialmente regolare.
Dopo la fase di essiccazione, o l’ultima fase di essicazione prevista, lo spezzone di nastro 1 viene sottoposto a singolazione (singulation), ovverosia un processo di rimozione dei singoli disegni di circuito 3 dallo spezzone di nastro 1, come visibile in figura 3, ad ottenere corrispondenti circuiti di base, indicati con 4. La separazione dei circuiti 4 può avvenire ad esempio tramite tranciatura o punzonatura (punching).
Ciascun circuito di base 4 comprende quindi una relativa porzione del nastro 1, indicata con 4a, che realizza un supporto di circuito sulla cui faccia superiore à ̈ presente il disegno di circuito 3. Nell’esempio, i circuiti 4 hanno sagoma generalmente discoidale, ma tale forma non deve evidentemente intendersi come limitativa.
Nel caso della prima forma di attuazione, la struttura del sensore comprende un corpo di supporto, preferibilmente ma non necessariamente monolitico, formato in materiale elettricamente conduttivo, quale un metallo, ad esempio acciaio, o un polimero conduttivo.
Un tale corpo in acciaio à ̈ rappresentato a titolo esemplificativo nelle figure 4 e 5. Nell’esempio, il corpo, indicato nel complesso con 10, ha sagoma complessivamente cilindrica, con una cavità cieca 11 che risulta chiusa ad una estremità da una porzione a membrana 12. La porzione a membrana, in seguito definita per semplicità “membrana†, può avere indicativamente uno spessore compreso tra 0,05 mm e 4 mm, preferibilmente uno spessore compreso tra 0,1 mm e 2 mm, e comunque tale da poter flettere o deformarsi elasticamente sotto la pressione di un fluido.
La membrana 12 à ̈ definita in corrispondenza di una faccia superiore 10a del corpo 10, sulla quale un relativo circuito di base 4 à ̈ destinato ad essere vincolato in posizione fissa. Secondo un aspetto dell’invenzione, il circuito 4 viene vincolato direttamente alla faccia 10a senza l’impiego di colle o adesivi. Più particolarmente, secondo l’invenzione, il circuito 4 viene associato alla faccia 10a tramite laminatura.
Il processo di laminatura viene realizzato a caldo, tramite una pressa. Con questo passo di processo, sulle facce superiori di una pluralità di corpi 10, mantenute in posizione tramite idonee dime di posizionamento, vengono posizionati i relativi circuiti. La pressione esercitata in fase di laminatura à ̈ indicativamente compresa tra 2500 e 3500 psi, preferibilmente tra 2000 e 3000 psi, per un tempo indicativamente compreso tra 5 e 15 minuti; la temperatura di processo à ̈ indicativamente compresa tra 70°C e 80 °C.
Il risultato della laminatura di un circuito 4 sul relativo corpo 10 à ̈ illustrato schematicamente in figura 7. La laminatura à ̈ seguita da un passo di cottura, a temperatura indicativamente compresa tra 800 e 900 °C. A seguito di tale passo, il circuito 4 risulta saldamente fissato alla faccia 10a, in particolare senza l’ausilio di collanti interposti.
Nell’esempio viene per praticità raffigurata una laminatura su una superficie o faccia piana 10a; in base all’invenzione può tuttavia essere realizzato un sensore che prevede una laminatura su di una superficie o faccia curva o irregolare di un corpo o substrato di configurazione differente da quella raffigurata. A tal fine, il sistema di laminatura o pressa può prevedere superfici di laminatura opportunamente sagomate, ad esempio con forma complementare a quella della faccia da laminare, oppure la pressa può essere configurata per adattarsi automaticamente a tale faccia, ad esempio essendo del tipo definito isostatico, quale una pressa atta ad effettuare una laminatura tramite la spinta e/o pressione di un fluido, la quale può essere uniformemente esercitata sulla faccia o superficie da laminare. Si consideri ad esempio la laminatura di un sensore su almeno parte di una superficie cilindrica, quale la parete di un tubo.
In seguito viene effettuata la deposizione sul circuito di base 4, solidale ad un singolo corpo 10, di ulteriori componenti di circuito, ad esempio tramite serigrafia o deposizione a getto. Nell’esempio, tali componenti comprendono una pluralità di elementi di rilevazione, che vengono formati in un regione sostanzialmente centrale del circuito 4, ossia una regione che à ̈ addossata al di sopra della membrana 12. Nel caso di un sensore di pressione, questi elementi di rilevazione possono essere costituiti da elementi resistivi, piezo-resistivi o capacitivi; si supponga, con riferimento all’esempio qui descritto, che tali elementi siano costituiti da resistenze, indicate con 3c in figura 8, che formano con relative piste 3a un ponte resistivo. Nel corso dello stesso passo di deposizione, o in un passo successivo, possono essere formati sul circuito di base 4 ulteriori componenti, quali ad esempio delle resistenze di taratura offset, indicate in figura 8 con 3d. Tali ulteriori componenti, o gli stessi elementi di rilevazione, potrebbero essere depositati sul circuito di base 4 prima che questo venga laminato sul relativo corpo 10.
Il materiale depositato ai fini della realizzazione delle resistenze 3c, 3d può essere in forma di pasta o inchiostro resistivo o piezo-resistivo, preferibilmente a base di uno o più metalli selezionati tra Rutenio, Bismuto, Argento, Palladio, Piombo, particolarmente in forma di ossidi. Anche in questo caso la pasta o inchiostro include di preferenza Silice (o ossidi di Silicio) o fritte di vetro (o ossidi di Piombo), con idonei leganti e solventi (solventi di tipo terpinolo). Questo secondo materiale depositato può avere caratteristiche in comune a quelle descritte in riferimento al suddetto primo materiale, ad esempio includere particelle di dimensioni micrometriche o nanometriche, preferibilmente aventi almeno dimensioni inferiori ad 1 micron, preferibilmente miscelate con almeno una sostanza atta a formare con esse una soluzione fluida o liquida. Anche un tale secondo materiale, ovvero le sue particelle, consente di ottenere una migliorata adesione o legame, quali dei legami meccanici e/o chimici e/o elettrici tra i materiali e/o paste e/o inchiostri e/o il nastro 1.
Dopo la formazione delle resistenze 3c, 3d, il semilavorato à ̈ preferibilmente sottoposto ad una fase di essiccazione e cottura della pasta resistiva, al termine della quale à ̈ ottenuto il sensore di pressione, come visibile in figura 8.
Il fatto che il circuito 4 venga vincolato tramite laminatura al corpo 10 consente di ottenere una adesione ottimale del supporto di circuito 4a sulla membrana 12 ed una sua eventuale elevata planarità , nel caso illustrato. Grazie a questa soluzione à ̈ garantita una elevata stabilità del ponte di misura, qui costituito dalle resistenze 3c, in quanto le resistenze stesse risultano depositate su di un materiale dimensionalmente stabile, reso ben solidale al corpo 10 e -nel caso specifico - su una superficie planare.
La soluzione proposta consente inoltre di ottimizzare i passaggi di deposizione, ovvero consente ad esempio di depositare contemporaneamente più circuiti, separatamente rispetto ai relativi corpi di supporto (in altri termini i disegni di circuito per “n†sensori vengono depositati in un’unica fase su di un medesimo nastro, e non depositati singolarmente su di una pluralità di singoli corpi di supporto). L’impiego di un supporto di circuito costituito da uno spezzone di nastro in materiale dielettrico evita la necessità , tipica dell’arte nota, di dover disporre sul corpo 10 uno strato di isolante, ad esempio un ossido, direttamente depositato sulla faccia 10a del corpo. Il nastro inoltre consente di fissare i circuiti 4 al corpo 10 in modo affidabile, in particolare senza l’utilizzo di collanti interposti, con ciò ottenendo circuiti aventi un substrato 4a di dimensioni stabili e/o avente buone caratteristiche di isolamento, anche a temperature relativamente elevate.
Un altro vantaggio della soluzione à ̈ che il numero di cotture cui deve essere sottoposto il corpo 10 viene ridotto, a beneficio del processo costruttivo.
Nella forma di attuazione esemplificata, gli elementi di rilevazione 3c e gli eventuali altri componenti di circuito depositati 3d vengono formati sul circuito di base 4 dopo la laminatura. In una possibile variante, peraltro, anche tali componenti possono essere formati direttamente sul supporto di circuito 4a pezzo prima della laminatura. Questa variante di attuazione richiede maggiore precisione nella fase di laminatura, a causa dello spessore delle resistenze (comparativamente maggiore rispetto alle piste 3a ed ai terminali 3b). Onde evitare il rischio di variazioni indesiderate delle dimensioni determinate a progetto di tali componenti, la pressa impiegata sarà provvista di sistemi – ad esempio a cuscinetti d'aria o altro fluido - che consentano una distribuzione uniforme e precisa del carico applicato nel corso della laminatura. L’aumento di costo dovuto alla maggior complessità della pressa à ̈ peraltro equilibrato dal vantaggio di evitare una deposizione dei componenti 3c, 3d su singoli supporti di circuito 4a già associati ai relativi corpi 10.
Il funzionamento generale del sensore di pressione secondo l’esempio non limitativo qui fornito dell’invenzione avviene secondo modalità note, e pertanto esso non verrà qui descritto in dettaglio. In termini generali, nell’impiego pratico il sensore 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 idrotermo-sanitario in genere o nel settore medicale. Un tale dispositivo ha un involucro definente un ingresso che riceve un fluido di cui deve essere rilevata la pressione, il sensore essendo montato nell’involucro in modo che la faccia della membrana 12 opposta al circuito 4 risulti esposta al fluido, tramite la cavità 11. La deformazione meccanica della membrana 12, dovuta alla pressione del fluido soggetto a misura, modifica il valore di resistenza in uscita dal ponte di resistenze 3b, con il relativo segnale che viene elaborato secondo modalità note.
La soluzione secondo l’invenzione à ̈ applicabile anche al caso di sensori la cui struttura include un corpo di supporto formato con materiale elettricamente isolante. Una tale forma di attuazione à ̈ esemplificata nelle figure 9-13, che impiegano i medesimi numeri di riferimento delle figure 1-8, per indicare elementi tecnicamente equivalenti a quelli già sopra descritti.
Nelle figure 9 e 10 viene quindi indicato con 10 un corpo di supporto del sensore, preferibilmente ma non necessariamente di tipo monolitico, formato con un materiale elettricamente isolante, quale un materiale ceramico, vetro, un materiale a base di uno o più ossidi, quale un ossido di alluminio, un polimero. Nel seguito, si assuma che il corpo 10 della seconda forma di attuazione sia formato con un materiale ceramico, ad esempio allumina.
Nell’esempio, il corpo 10 ha sagoma generalmente simile a quello del corpo 10 della prima forma di attuazione. In questo caso, lo spessore della membrana 12 può essere indicativamente compreso tra 0,05 mm e 5 mm, preferibilmente uno spessore compreso tra 0,1 mm e 3 mm.
I materiali e/o i passi di ottenimento del circuito di base 4 sono simili a quelli precedentemente descritti con riferimento alle figure 1-3. Dopo l’ottenimento del circuito di base 4, questo viene laminato sulla faccia superiore 10a del corpo ceramico 10, come esemplificato nelle figure 11 e 12. Dopo la relativa cottura del semilavorato, segue la fase di deposizione, ad esempio tramite serigrafia, delle resistenze 3c, 3d (e/o di altri componenti di circuito), cui eventualmente segue la relativa fase di essiccazione e cottura, sino all’ottenimento del sensore illustrato in figura 13.
Naturalmente, anche in questo caso à ̈ possibile procedere alla deposizione dei mezzi di rilevazione 3c e degli eventuali altri componenti di circuito 3d prima della fase di laminatura, come precedentemente accennato in relazione alla precedente forma di attuazione.
I vantaggi della seconda forma di attuazione sono essenzialmente gli stessi della prima forma di attuazione. L’impiego di un corpo di supporto 10 ceramico ha inoltre l’effetto di migliorare l’adesione del supporto di circuito 4a alla faccia 10a del corpo 10, grazie al fatto che il materiale ceramico presenta microporosità superficiali più pronunciate rispetto all’acciaio della prima forma di attuazione e/o presenta una miglior compatibilità del materiale del nastro 1 con il materiale del corpo 10, preferibilmente consentendo di ottenere dei relativi legami meccanici e/o chimici, in particolare durante la fase di laminatura e/o la fase di cottura o sinterizzazione.
Nelle figure 14-18, che impiegano i medesimi numeri di riferimento delle figure 1-8, per indicare elementi tecnicamente equivalenti a quelli già sopra descritti, à ̈ rappresentata una terza forma di attuazione dell’invenzione, basata sui medesimi concetti già in precedenza evidenziati.
Il sensore secondo la terza forma di attuazione differisce da quelli delle due forme di attuazione precedenti sostanzialmente per la forma del corpo di supporto. Come visibile nelle figure 14 e 15, in questo caso il corpo di supporto, indicato con 10’, ha forma generalmente cilindrica, ovvero provvista di una cavità assiale 11’ passante.
Anche in questa forma di attuazione, sulla faccia superiore 10a' del corpo 10’ viene laminato un circuito di base 4 come precedentemente ottenuto (figura 16), di modo che la sua regione centrale chiuda ad un’estremità la cavità 11’, affacciandosi direttamente su di essa. Prima o dopo che il circuito di base 4 à ̈ stato laminato sul corpo 10’ (figura 17) si procede alla fase di deposizione dei componenti 3c, 3d, ottenendo il sensore come illustrato in figura 18, eventualmente procedendo alle relative fasi di essiccazione e/o cottura.
Per tale terza forma di attuazione e/o per i relativi materiali, si consideri anche quanto descritto in merito agli esempi di attuazione precedenti.
Si apprezzerà quindi che, in questa forma di attuazione, lo stesso supporto di circuito 4a definisce, nella sua regione centrale provvista degli elementi di rilevazione 3c, la membrana del sensore, soggetta a deformazione elastica sotto la pressione del fluido oggetto di misura. Una tale versione di sensore potrebbe vantaggiosamente essere utilizzata per sensori di bassa pressione, tuttavia non escludendo sensori di pressione elevata, utilizzando in particolare dei nastri di spessore maggiore.
A tal fine il nastro 1 e/o il circuito di base 4 potrebbe avere uno spessore tale da resistere direttamente alle sollecitazioni della pressione, potendo avere indicativamente uno spessore compreso tra 0,1 mm e 5 mm, preferibilmente uno spessore compreso tra 0,2 mm e 2 mm, e comunque tale da poter flettere o deformarsi elasticamente sotto la pressione di un fluido.
Oltre ai vantaggi già precedentemente menzionati dell’invenzione, questa forma di attuazione consente una riduzione dei costi realizzativi, una lavorazione più semplice per l’ottenimento del corpo 10’ ed una maggiore ripetibilità dei parametri caratteristici del sensore grazie al fatto seguito del fatto che le membrane sono tutte di uguale spessore e forma. Si consideri che, ad esempio, nei sensori di pressione con corpo ceramico, il relativo processo di cottura o sinterizzazione determina spessori differenti della membrana 12, con la conseguente necessità di lavorazioni meccaniche o lapidellatura del singolo corpo di supporto, per ottenere lo spessore desiderato della membrana, con costi relativamente elevati; questa lavorazione meccanica o lapidellatura inoltre consente solo di ottenere membrane di tipo piano, con conseguenti limiti di progetto.
Le figure 19-26 illustrano una quarta forma di attuazione dell’invenzione, in accordo alla quale la membrana del sensore ed i relativi mezzi di rilevazione sono integrati in un medesimo componente, quale un chip o un die di materiale semiconduttore.
Anche in questa forma di attuazione à ̈ previsto un corpo di supporto, che può essere indifferentemente di materiale elettricamente isolante o di materiale elettricamente conduttivo. Nell’esempio raffigurato nelle figure 19-26 tale corpo, indicato nel complesso con 10†, ha una sagoma generalmente simile a quella dei corpi 10 delle prime due forme di attuazione. Tale forma peraltro, non à ̈ essenziale. Ciò che conta à ̈ che in questa attuazione il corpo di supporto 10†presenta un passaggio 11†, atto a realizzazione una presa di pressione, che si apre in corrispondenza di una faccia 10a" del corpo stesso.
In questa realizzazione, il circuito 4 viene ottenuto secondo le modalità già precedentemente indicate, con la deposizione delle piste 3a e dei terminali 3b, ad esempio tramite serigrafia o deposizione a getto, cui segue l’essiccazione. In questo caso, nella fase di singolazione del nastro 1 su cui sono stati serigrafati i disegni di circuito 3 (vedere a riferimento figura 2), ciascun supporto di circuito 4a viene provvisto di almeno una rispettiva apertura o finestra; nell’esempio raffigurato in figura 21, una tale finestra, indicata con 4b, à ̈ in una posizione centrale del supporto di circuito 4a. La finestra può essere evidentemente ottenuta mediante la tranciatura o punzonatura che viene effettuata nella fase di singolazione.
In seguito, come esemplificato nelle figure 22 e 23, il circuito 4 viene laminato sulla faccia 10a†del corpo 10†, con le modalità già in precedenza descritte, di modo che la finestra 4b risulti in corrispondenza del passaggio 11†, preferibilmente ma non necessariamente coassiale ad esso. Le dimensioni della finestra 11†sono tali da delimitare e lasciare esposta una regione della faccia 10a†nell’ambito della quale si trova l’estremità superiore del passaggio 11†, come ben visibile in figura 23.
Dopo la fase di cottura, in tale regione viene montato un die, indicato con 15 in figura 24. L’esempio illustrato si riferisce al caso di un die, ovverosia un piccolo blocco o piastrina di materiale semiconduttore, tipicamente silicio, con una eventuale base di vetro, che à ̈ vincolato (die-bonded) al substrato costituito dalla faccia superiore 10a†del corpo 10†. L’adesione e la sigillatura tra il die 15 e la faccia 10a†à ̈ ad esempio effettuata tramite almeno uno strato di materiale di incollaggio, indicato con 16 solo in figura 26. In una forma di attuazione, il die 15 à ̈ reso solidale alla faccia 10a†impiegando per l’almeno uno strato 16 una colla vetrosa (per quanto altri tipi di adesivo siano utilizzabili, quali una resina epossidica).
Nel die 15 à ̈ di preferenza ricavato direttamente in forma miniaturizzata il circuito integrato che sovrintende al funzionamento generale del sensore di pressione. Come si vede in figura 26, nel corpo di materiale semiconduttore à ̈ definita una cavità cieca 15’, che ha un’estremità aperta in corrispondenza della faccia inferiore del die stesso. L’estremità opposta della cavità 15’ à ̈ chiusa da una porzione a membrana 15†, definita dal die stesso in corrispondenza della sua faccia superiore.
Nell’esempio illustrato 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 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 à ̈ privo di un proprio involucro o package, e quindi privo di relativi terminali (pins o leads) sporgenti di collegamento, tipicamente realizzati da elementi metallici relativamente rigidi. Sulla faccia superiore del die 15 sono apposti direttamente dei contatti, alcuni indicati con 15a in figure 24, in forma di film sottili di materiale elettricamente conduttivo depositato sul die. Il materiale dei contatti 15a, à ̈ preferibilmente ma non necessariamente a base di uno o più materiali nobili, quale ad esempio oro; materiali o leghe preferite utilizzabili allo scopo possono comprendere oro, platino, palladio, berillio, argento, ma anche alluminio, silicio e rame.
Come si nota dalle figure 24-26, il die 15 à ̈ montato sulla faccia 10a" del corpo 10†in corrispondenza dell’apertura del passaggio 11†, con l’estremità aperta della cavità 15’ affacciata a tale apertura (vedere figura 26).
Dopo l’incollaggio del die 15 in posizione, con relativa cottura del semilavorato, il die stesso collegato elettricamente al circuito 4. Il collegamento dei contatti 15a del die 15 a relative piste 3a del circuito 4 à ̈ ottenuto tramite elementi flessibili di contatto aggiunti, costituti da sottili fili di materiale elettricamente conduttivo, particolarmente micro-fili flessibili aventi uno spessore o diametro compreso tra circa 5 e 100 micron, preferibilmente da circa 25 a circa 35 micron. I fili, alcuni dei quali indicati con 17 nelle figure 25 e 26, sono preferibilmente ma non necessariamente a base di uno o più metalli nobili, come indicato per i contatti 15a. I micro-fili 17 sono saldati o comunque collegati tra i contatti 15a e le piste 3a impiegando processi del tipo noto genericamente come “wire bonding†, e particolarmente del tipo “wedge-bonding†oppure “ball-bonding†, ad esempio tramite termocompressione, o saldatura ad ultrasuoni, o saldatura termo-sonica. Il sensore si presenta quindi come nelle figure 25 e 26.
Questa forma di attuazione consente di ottenere i medesimi vantaggio già in precedenza evidenziati, in relazione alla semplificazione della deposizione del materiale o dei materiali impiegati per la realizzazione del circuito, e l’assenza di colle o adesivi per fissare il supporto di circuito 4a al corpo 10†.
Si noti, anche con riferimento alle altre forme di attuazione, che la soluzione secondo l’invenzione consente di evitare rischi di degradazione in temperatura di colle (in quanto assenti), ad esempio nell’uso del sensore o nel corso della sua produzione. Anche il fatto che il nastro 2 sia preferibilmente a base ceramica o di ossidi risulta vantaggioso nel caso di alte temperature di lavoro del sensore. Le già citate stabilità dimensionale e di fissaggio del supporto di circuito risultano inoltre particolarmente vantaggiose nel caso di sensori includenti die in semiconduttore collegati tramite wire bonding al circuito 4, in virtù del fatto che vengono evitati potenziali spostamenti tra le due parti, tipici invece di una fase di incollaggio oppure dovuti a dilatazioni o deformazioni di materiali in temperatura.
Dalla descrizione effettuata risultano chiare le caratteristiche della presente invenzione, così come chiari risultano i suoi vantaggi. E’ chiaro che numerose varianti sono possibili per la persona esperta del settore al sensore ed al metodo descritti, senza per questo uscire dall’ambito dell’invenzione così come definita nelle rivendicazioni allegate.
Come in precedenza spiegato, l’invenzione trova un’applicazione anche nel caso di sensori diversi dai sensori di pressione, ed in generale in quei sensori la cui struttura include un corpo di supporto al quale à ̈ connesso un supporto di circuito, sul quale sono formati una pluralità di componenti di circuito. Sensori di questo tipo possono essere ad esempio sensori o celle di carico, o sensori di rilevazione di caratteristiche di un gas o un liquido diverse dalla pressione, quali sensori con elettrodi o resistenze (dove il dielettrico e/o la capacità oppure la resistenza variano a seconda del fluido a contatto); sensori di flusso a filo caldo (dove un elemento resistivo viene riscaldato, rilevando poi la variazione di corrente che circola nell’elemento stesso quando interessato da un flusso di fluido), un sensore di umidità (con elettrodi/capacità o resistenza che variano in funzione dell’umidità ), e così via.
Claims (15)
- RIVENDICAZIONI 1. Un sensore, particolarmente un sensore di pressione, avente - una struttura che comprende un corpo di supporto (10; 10’; 10†); - una disposizione circuitale (4), comprendente componenti di circuito (3a, 3b, 3c, 3d; 3a, 3b, 3c, 3d, 15), tra i quali mezzi di rilevazione (3c, 12; 4a; 15, 15†) per generare segnali elettrici rappresentativi di una grandezza da rilevare; e - almeno un supporto di circuito (4a), connesso al corpo di supporto (10; 10’; 10†) ed avente una superficie sulla quale sono formati una pluralità (3a, 3b, 3c, 3d) di detti componenti di circuito (3a, 3b, 3c, 3d; 3a, 3b, 3c, 3d, 15), tra i quali piste elettricamente conduttive (3a, 3b), caratterizzato dal fatto che il supporto di circuito (4a) à ̈ fissato tramite laminatura su almeno una prima faccia (10a; 10a’; 10a†) del corpo di supporto (10; 10’; 10†).
- 2. Il sensore secondo la rivendicazione 1, in cui la grandezza da rilevare à ̈ la pressione di un fluido ed i mezzi di rilevazione (3c; 15; 4a; 12; 15†) comprendono una membrana (4a; 12; 15†) deformabile elasticamente in funzione della pressione del fluido.
- 3. Il sensore secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui il supporto di circuito (4a) - à ̈ di materiale dielettrico a base di uno o più ossidi e/o componenti ceramici, particolarmente selezionati tra ossidi di alluminio, silice, ossidi di zinco, silicati di zirconio, fritte o polveri di vetro, e/o - ha uno spessore compreso tra circa 0,05 e circa 1 mm, in particolare uno spessore compreso tra circa 0,05 e circa 0,3 mm.
- 4. Il sensore secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui i mezzi di rilevazione comprendono primi componenti di circuito (3c) formati da materiale depositato sul supporto di circuito (4a), quale un materiale resistivo o piezo-resistivo.
- 5. Il sensore secondo le rivendicazioni 2 e 4, in cui la membrana (12) à ̈ definita dal corpo di supporto (10) in corrispondenza della detta prima faccia (10a) ed i primi mezzi di rilevazione (3c) sono formati in una regione del supporto di circuito (4a) che à ̈ sovrapposta alla membrana (12).
- 6. Il sensore secondo la rivendicazione 4, in cui il corpo di supporto (10’) ha una cavità passante (11’) avente un’estremità che si apre sulla detta prima faccia (10a’) e la membrana à ̈ definita in una porzione del supporto di circuito (4a), in corrispondenza della quale sono formati i primi componenti di circuito (3c), la detta porzione essendo affacciata alla detta estremità della cavità passante (11’).
- 7. Il sensore secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui i mezzi di rilevazione, includenti la membrana (15†), sono integrati in un die a base di materiale semiconduttore (15), particolarmente silicio, ed il corpo di supporto (10†) ha un’apertura passante (11†) avente un’estremità che si apre sulla prima faccia (10a†) del corpo di supporto (10†) in una relativa regione non coperta del supporto di circuito (4a), il die (15) essendo montato sulla prima faccia (10a†) del corpo di supporto (10†) con la membrana (15†) affacciata alla detta estremità dell’apertura passante (11†).
- 8. Il sensore secondo la rivendicazione 7, in cui il supporto di circuito (4a) ha una rispettiva apertura passante (4b) che delimita detta regione della prima faccia (10a†) del corpo di supporto (10†).
- 9. Il sensore secondo la rivendicazione 7 o 8, in cui il die (15) Ã ̈ collegato a rispettive dette piste conduttive (3a) tramite wire bonding, ovverosia tramite sottili fili di collegamento (17) di materiale elettricamente conduttivo, particolarmente micro-fili flessibili aventi uno spessore o diametro compreso tra circa 5 e 100 micron, preferibilmente da circa 25 a circa 35 micron.
- 10. Il sensore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il corpo di supporto (10; 10’; 10†) à ̈ di materiale elettricamente isolante, quale un materiale ceramico, vetro, un polimero, un materiale a base di uno o più ossidi, quale un ossido di alluminio (AL2O3),.
- 11. Il sensore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il corpo di supporto (10) Ã ̈ di materiale elettricamente conduttivo, quale un metallo o un polimero conduttivo.
- 12. Un metodo per la produzione di un sensore, particolarmente un sensore di pressione, secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, comprendente i passi di: a) predisporre una pluralità di detti corpi di supporto (10; 10’; 10†); b) predisporre un nastro di materiale elettricamente isolate (1), particolarmente un materiale dielettrico; c) depositare, su di uno spezzone del nastro (1), uno o più materiali necessari alla formazione di una pluralità di disegni di circuito (3), ciascuno includente una pluralità (3a, 3b, 3c, 3d) di detti componenti di circuito (3a, 3b, 3c, 3d; 3a, 3b, 3c, 3d, 15); d) eventualmente sottoporre ad essiccazione lo spezzone di nastro (1) recante la pluralità di disegni di circuito (3); e) sottoporre lo spezzone di nastro (1) a singolazione, ovverosia a rimozione dallo spezzone stesso di sue singole sotto-porzioni, ciascuna includente un rispettivo disegno di circuito (3), ciascuna sotto-porzione realizzando un detto supporto di circuito (4a); f) fissare tramite laminatura ciascun supporto di circuito (4a) sulla detta prima faccia (10a; 10a’; 10a†) di un relativo corpo di supporto (10; 10’; 10†), particolarmente tramite una laminatura a caldo, o una compressione, con successiva cottura.
- 13. Il metodo secondo la rivendicazione 12, in cui, dopo il passo f), à ̈ previsto il passo di: g) depositare, su ciascun supporto di circuito (4a) laminato sul relativo corpo di supporto (10; 10’; 10†) uno o più materiali necessari alla formazione di uno o più ulteriori componenti di circuito (3c, 3d), con eventuale successiva essiccazione.
- 14. Il metodo secondo la rivendicazione 12 oppure 13, in cui, dopo il passo f), oppure dopo il passo g), sulla detta prima faccia (10a; 10a’; 10a†) di ciascun corpo di supporto (10; 10’; 10†) à ̈ montato un chip o die (15), successivamente collegato a rispettive dette piste elettricamente conduttive (3a).
- 15. Il metodo secondo una delle rivendicazioni da 12 a 14, in cui i passi c) e/o g) sono eseguiti tramite serigrafia o deposizione a getto.
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