JP2017525956A - センサ - Google Patents

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Abstract

最大４〜５ｍｍの長さ、最大２〜３ｍｍの幅および最大０．５〜０．８ｍｍの高さを有する機能容積（３）の内部に配置された電子チップ（４，４’，４’’）とセンサチップ（５，５’，５’’）とを有するセンサ（２，２’，２’’）は、コンパクトなセンサを提供するという課題を解決している。

Description

本発明は、センサに関する。
独国特許出願公開第１０２０１００４４６１６号明細書（DE 10 2010 044 616 A1）に基づき、フィルタインサートに用いられるマイクロシステムが公知である。
独国特許出願公開第１０２００９０４０７０７号明細書（DE 10 2009 040 707 A1）に基づき、すでに、濾材にセンサが対応配置されたフィルタエレメントが公知である。
この公知のフィルタエレメントには、一種類以上の物理的な量を検出しかつ評価するために、センサがしばしば比較的大きく形成されているという欠点がある。このようなフィルタエレメントの製造は比較的高価である。さらに、より大きなセンサはフィルタエレメントに組み付けにくい。
特に１０〜５００Ｐａの範囲内の極めて小さな圧力差の検出は、先行技術では、比較的大きなセンサでしか可能とならず、多くの構成スペースを要してしまう。
さらに、このように比較的大きなセンサをフィルタエレメントに取り付けることは、かなり困難であると共にコストを要してしまう。その上、このようなセンサの接触接続は、しばしばケーブル（コード）によって行われている。後者は、とりわけ所望されていない。なぜならば、ケーブルの取扱いが煩わしく、エンドユーザによって受け入れられないからである。
したがって、本発明の課題は、コンパクトなセンサを提供することである。
本発明によれば、前述した課題は、請求項１の特徴によって解決される。
本発明によれば、まず、１０〜５００Ｐａの範囲内の最小の圧力差を検出するためのセンサを小型化する必要があることが認識された。
これに続いて、小型化と、好適にはコードレスの、差込みできないエネルギ供給と、によって、センサを廉価に一体化することが可能となることが認識された。さらに、この一体化と、好適にはコードレスの、差込みできないエネルギ・データ移送と、によって、付加的な据付け手間が不要となる。
本発明によれば、具体的には、極めて少ない機能容積を有するセンサが、特に組み付けやすいことが認識された。さらに、機能容積がこのように少なく選択されると、材料を節約することができる。
ゆえに、冒頭に記載した課題が解決されている。
センサチップに電子装置とダイヤフラムとを配置するために、１８０ｎｍテクノロジを利用することができる。これによって、センサチップひいては機能容積のコンパクトな構造が可能となる。
機能容積の内部に複数の電子チップおよび／または複数のセンサチップが配置されていてもよい。これによって、多種の物理的な量が検出可能となる。
電子チップが、種々異なるセンサチップを評価することができる複数のアナログおよび／またはデジタルインタフェースを有していてもよい。これによって、ただ１つの電子チップを種々異なるセンサまたはセンサチップに組み合わせることができる。
電子チップおよび／またはセンサチップによって、無線インタフェース、特にＲＦＩＤインタフェースを介したまたは差込みできないコンタクト同士の接続を介したコードレスのエネルギおよび／またはデータ伝送が可能となってもよいし、行われてもよい。これによって、手間のかかる配線がもはや不要となる。
特に５Ｐａの分解能で１０〜５００Ｐａの範囲内の差圧を検出するために、変換素子を備えたセンサチップおよび／または変換素子とセンサフロントエンドとを備えたセンサチップが、全体として１８０ｎｍＣＭＯＳテクノロジで製造されていてもよい。これによって、圧力が正確にかつ効率よく測定可能となる。
この背景を前にして、変換素子が、トランジスタまたは抵抗としてシリコンダイヤフラムに形成されていてもよい。これによって、極めて高信頼性の配置が提供される。
電子チップとセンサチップとが、相並んでボードに配置されていてもよい。これによって、極めて扁平な構造が実現される。
電子チップとセンサチップとが、ボンディングワイヤによって互いに導電的に接続されていてもよい。こうして、電子チップとセンサチップとを極めて密集させて配置することができる。ボンディングワイヤの使用によって、簡単な製造が可能となる。なぜならば、ボンディングワイヤが、チップの、ボードと反対の側の面に取り付けられるからである。
電子チップとセンサチップとが、接触接続突起、つまり、いわゆる「バンプ」の使用のもと、フリップチップボンディングによって互いに導電的に接続されていてもよい。この接触接続は、シリコン基板に配置された電気的な装置、つまり、特に酸化物層がボードに向けられていて、シリコン基板の純粋なシリコン面がボードと反対の側に向けられている場合に有利である。
センサチップが、ダイヤフラムと電子的な装置とを有していてもよい。センサチップは、電子装置上におよび／または電子装置内に配置されたシリコン基板から成っていてよい。こうして、センサチップを極めてコンパクトに形成することができる。ダイヤフラムが、シリコン基板と、少なくとも１つまたはそれ以上の変換素子とからしか成っていないことすら可能である。変換素子は、好適には、ドーピングされた領域である。
この背景を前にして、センサチップが、シリコン基板を有しており、このシリコン基板にエッチングによりダイヤフラムが形成されており、このダイヤフラムが、変換素子にまで電子的な装置および／または酸化物層を有していなくてもよい。変換素子は、好適には、ｎ型またはｐ型ドーピングされた領域としてダイヤフラム上におよび／またはダイヤフラム内に形成されている。エッチングによるダイヤフラムの形成によって、同じくセンサチップのコンパクトな構造が得られる。なぜならば、シリコン基板内に本質的に存在する材料がダイヤフラムとして使用されるからである。したがって、このダイヤフラムはシリコンダイヤフラムとして形成されている。
ダイヤフラムを提供するために、約１０μｍの厚さを有する電子装置または酸化物層が、シリコン基板に達するまでエッチングにより除去されており、反対の側で５００μｍの深さにまでシリコン基板にエッチングが行われていてもよい。
電子チップとセンサチップとが、ボードに配置されており、このボードに１つの貫通路が形成されており、この貫通路が、ボードと、センサチップと、このセンサチップを取り囲むシールリングとにより形成されたかもしくはシールされた状態で画定された容積に対する流体案内用のただ１つの出入口であり、容積にダイヤフラムの第１のダイヤフラム面が向けられていてもよい。この第１のダイヤフラム面と反対の側に位置する第２のダイヤフラム面は、大気に向けられているかまたは容積から流体密に分離された別の空間に向けられている。これによって、２つのダイヤフラム面に互いに異なる圧力が作用した場合に、センサチップが差圧を測定することができる。
この明細書の語義における機能容積は、電子チップとセンサチップとの、それぞれｘ方向、ｙ方向およびｚ方向への延在長さの総和によって形成されるにすぎない。ボンディングワイヤ、接触接続突起および／またはシールリングの一部は、機能容積に何ら関与していないかもしくは機能容積を増大させていない。ボンディングワイヤと、接触接続突起と、シールリングの一部とは、特に機能容積を越えて突出していてよい。シールリングの、電子チップとセンサチップとの間に配置されている部分は、ｘ方向、ｙ方向またはｚ方向への機能容積の全延在長さにおいて考慮し続ける必要はない。各方向への電子チップおよびセンサチップ自体の寸法しか重要ではない。図４には、延在長さｘ，ｚの計算値もしくは検出値が例示的に記入してある。
この背景を前にして、センサチップが、５Ｐａの分解能を有していてもよい。センサチップが、１Ｐａから５Ｐａ未満の範囲内にある分解能を有していてもよい。センサチップが、５Ｐａより大きく１０Ｐａまでの範囲内にある分解能を有していてもよい。
センサデータを評価するためには、機器電子装置へのセンサの接続が必要となる。この接続は、通常、ケーブルを介して行われる。
単に２つのチップ、つまり、互いに接続されていて、機能容積を規定する電子チップとセンサチップとを有するセンサの概略図である。 センサチップの概略図である。 電子チップの概略図である。 ボンディングワイヤによって互いに接続されているセンサチップと電子チップとの概略図であり、センサチップのシリコン基板に設けられた酸化物層または別の電子的な装置が、ボードと反対の側に向けられている。 接触接続突起によってボードにかつ互いに導電的に接続されているセンサチップと電子チップとの概略図であり、センサチップのシリコン基板に設けられた酸化物層または別の電子的な装置が、ボードに向けられている。 ボードに配置されたセンサチップを上方から見た概略的な透視図であり、複数の接触接続突起が、ダイヤフラムを取り囲んで配置されている。
図１には、センサ２が、少なくとも１つの電子チップ４と、少なくとも１つのセンサチップ５と、を有していることが示してある。この電子チップ４とセンサチップ５とは、最大４〜５ｍｍの長さ、最大２〜３ｍｍの幅および最大０．５〜０．８ｍｍの高さを有する機能容積３の内部に配置されている。
区間ｘは５ｍｍであり、区間ｙは３ｍｍであり、区間ｚは０．８ｍｍである。
電子チップ４は、種々異なるセンサチップを評価することができる複数のアナログおよび／またはデジタルインタフェースを有している。
電子チップ４とセンサチップ５とによって、コードレスのエネルギおよび／またはデータ伝送が行われる。このことは、無線インタフェースを介して行われてもよいし、差込みできないコンタクト同士の接続を介して行われてもよい。
電子チップ４とセンサチップ５とは、機能容積３よりも大きな底面積を有するボード６に配置されている。
センサチップ５は、５Ｐａの分解能を有している。
図２には、概略図でセンサチップ５が示してある。このセンサチップ５によって、１０〜５００Ｐａの範囲内の差圧の検出が可能となる。センサチップ５は、圧力変化を電気的な信号に変換する変換素子１０からのみ成っていてもよいし、センサフロントエンド１１を備えた変換素子１０から成っていてもよい。
変換素子１０を備えたセンサチップ５および／または変換素子１０とセンサフロントエンド１１とを備えたセンサチップ５は、全体として１８０ｎｍＣＭＯＳテクノロジで製造される。
センサフロントエンド１１は、電子装置を有していてもよいし、電子装置として形成されていてもよい。
変換素子１０は、トランジスタまたは抵抗としてシリコンダイヤフラムに形成されていてもよい。
図３には、概略図で電子チップ４が示してある。この電子チップ４は、別のセンサ１２または別のセンサチップに接続するためのアナログおよび／またはデジタルインタフェースを有している。電子チップ４はセンサフロントエンド１３を有している。電子チップ４は、信号処理のためのマイクロコントローラ１４を有している。電子チップ４はメモリ１５を有している。電子チップ４は、コンタクトレスの供給および／またはコンタクト接続を介した供給のためのＲＦＩＤフロントエンド１６を有している。
図４には、別のセンサ２’につき、電子チップ４’とセンサチップ５’とが、相並んでボード６’に配置されていることが示してある。電子チップ４’とセンサチップ５’とは、ボンディングワイヤ１７によって互いに導電的に接続されている。
図５には、さらに別のセンサ２’’につき、電子チップ４’’とセンサチップ５’’とが、接触接続突起１８、つまり、いわゆる「バンプ」の使用のもと、フリップチップボンディングによって互いに導電的に接続されていることが示してある。
図４でも、図５でも、センサチップ５’，５’’は、ダイヤフラム１９’，１９’’と、酸化物層を含んでいてよい電子的な装置２０’，２０’’と、を有している。センサチップ５’，５’’は、それぞれシリコン基板２１’，２１’’を有している。このシリコン基板２１’，２１’’には、エッチングによりダイヤフラム１９’，１９’’が形成されている。このダイヤフラム１９’，１９’’は、変換素子１０’，１０’’にまで電子的な装置または酸化物層を有していない。つまり、このダイヤフラム１９’，１９’’に設けられた変換素子１０’，１０’’上には、電子的な装置および／または酸化物層が存在していない。
電子チップ４’，４’’とセンサチップ５’，５’’とは、ボード６’，６’’に配置されている。このボード６’，６’’には、１つの貫通路６’ａ，６’’ａが形成されている。この貫通路６’ａ，６’’ａは、ボード６’，６’’と、センサチップ５’，５’’と、このセンサチップ５’，５’’を取り囲むシールリング２３’，２３’’と、により形成された容積２２’，２２’’に対する流体案内用のただ１つの出入口である。容積２２’，２２’’には、ダイヤフラム１９’，１９’’の第１のダイヤフラム面１９’ａ，１９’’ａが向けられている。
電子チップ４’，４’’は接着されている。この電子チップ４’，４’’も同じく電子的な装置２０’，２０’’を有している。容積２２’，２２’’は、ボード６’，６’’と、センサチップ５’，５’’と、このセンサチップ５’，５’’を取り囲むシールリング２３’，２３’’と、によってのみシールされる。
ダイヤフラム１９’，１９’’の、互いに異なる２つの面には、互いに異なる圧力ｐ１，ｐ２が加えられる。両方の面が互いに密に分離されていて、センサ２’，２’’が適切に配置されていると共にシールされた状態で支承されていると、センサ２’，２’’によって、両面の間の差圧を測定することができる。このことは、破線によって概略的に図示してある。
シールリング２３’，２３’’は、好適には、小さなギャップ内にもシールするように流入することができる封止材料から成っている。
図６には、複数の接触接続突起１８がダイヤフラム１９’’を取り囲んでいることが透視図で示してある。接触接続突起１８は、センサチップ５’’もしくはダイヤフラム１９’’に均一に機械的な応力が加えられるように、正確に設けられなければならない。
センサチップ５，５’，５’’と電子チップ４，４’，４’’との間のインタフェースは、機能容積３内に位置していてよい。

Claims (16)

  1. センサ（２，２’，２’’）であって、前記センサ（２，２’，２’’）が、電子チップ（４，４’，４’’）とセンサチップ（５，５’，５’’）とを有しており、前記電子チップ（４，４’，４’’）と前記センサチップ（５，５’，５’’）とが、最大４〜５ｍｍの長さ、最大２〜３ｍｍの幅および最大０．５〜０．８ｍｍの高さを有する機能容積（３）の内部に配置されている、
    センサ。
  2. 前記機能容積（３）の内部に複数の電子チップ（４，４’，４’’）および／または複数のセンサチップ（５，５’，５’’）が配置されている、
    請求項１記載のセンサ。
  3. 前記電子チップ（４，４’，４’’）が、種々異なるセンサチップを評価することができる複数のアナログおよび／またはデジタルインタフェースを有している、
    請求項１または２記載のセンサ。
  4. 前記電子チップ（４，４’，４’’）および／または前記センサチップ（５，５’，５’’）によって、無線インタフェースを介したまたは差込みできないコンタクト同士の接続を介したコードレスのエネルギおよび／またはデータ伝送が行われる、
    請求項１から３までのいずれか１項記載のセンサ。
  5. 変換素子（１０，１０’，１０’’）を備えた前記センサチップ（５，５’，５’’）および／または変換素子（１０）とセンサフロントエンド（１１）とを備えた前記センサチップ（５）が、全体として１８０ｎｍＣＭＯＳテクノロジで製造されている、
    請求項１から４までのいずれか１項記載のセンサ。
  6. 前記変換素子（１０）が、トランジスタまたは抵抗としてシリコンダイヤフラムに形成されている、
    請求項５記載のセンサ。
  7. 前記センサチップ（５，５’，５’’）によって、１０〜５００Ｐａの範囲内の圧力差が測定可能である、
    請求項１から６までのいずれか１項記載のセンサ。
  8. 前記センサチップ（５，５’，５’’）が、５Ｐａの分解能を有している、
    請求項７記載のセンサ。
  9. 前記センサチップ（５，５’，５’’）が、１Ｐａから５Ｐａ未満の範囲内にある分解能を有している、
    請求項７記載のセンサ。
  10. 前記センサチップ（５，５’，５’’）が、５Ｐａより大きく１０Ｐａまでの範囲内にある分解能を有している、
    請求項７記載のセンサ。
  11. 前記電子チップ（４，４’，４’’）と前記センサチップ（５，５’，５’’）とが、相並んでボード（６，６’，６’’）に配置されている、
    請求項１から１０までのいずれか１項記載のセンサ。
  12. 前記電子チップ（４，４’）と前記センサチップ（５，５’）とが、ボンディングワイヤ（１７）によって互いに導電的に接続されている、
    請求項１から１１までのいずれか１項記載のセンサ。
  13. 前記電子チップ（４’’）と前記センサチップ（５’’）とが、接触接続突起（１８）の使用のもと、フリップチップボンディングによって互いに導電的に接続されている、
    請求項１から１１までのいずれか１項記載のセンサ。
  14. 前記センサチップ（５，５’，５’’）が、ダイヤフラム（１９’，１９’’）と電子的な装置（２０’，２０’’）とを有している、
    請求項１から１３までのいずれか１項記載のセンサ。
  15. 前記センサチップ（５’，５’’）が、シリコン基板（２１’，２１’’）を有しており、前記シリコン基板（２１’，２１’’）にエッチングによりダイヤフラム（１９’，１９’’）が形成されており、前記ダイヤフラム（１９’，１９’’）が、変換素子（１０’，１０’’）にまで電子的な装置および／または酸化物層を有していない、
    請求項１から１４までのいずれか１項記載のセンサ。
  16. 前記電子チップ（４，４’，４’’）と前記センサチップ（５，５’，５’’）とが、ボード（６，６’，６’’）に配置されており、前記ボード（６，６’，６’’）に１つの貫通路（６’ａ，６’’ａ）が形成されており、前記貫通路（６’ａ，６’’ａ）が、前記ボード（６，６’，６’’）と、前記センサチップ（５，５’，５’’）と、前記センサチップ（５，５’，５’’）を取り囲むシールリング（２３’，２３’’）と、により形成された容積（２２’，２２’’）に対する流体案内用のただ１つの出入口であり、前記容積（２２’，２２’’）にダイヤフラム（１９’，１９’’）の第１のダイヤフラム面（１９’ａ，１９’’ａ）が向けられている、
    請求項１から１５までのいずれか１項記載のセンサ。
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