WO2020020892A1

WO2020020892A1 - Sensorvorrichtung und verfahren zur herstellung einer sensorvorrichtung

Info

Publication number: WO2020020892A1
Application number: PCT/EP2019/069808
Authority: WO
Inventors: Martin Brandl; Zeljko Pajkic; Luca HAIBERGER
Original assignee: Osram Oled GmbH
Current assignee: Osram Oled GmbH
Priority date: 2018-07-26
Filing date: 2019-07-23
Publication date: 2020-01-30
Anticipated expiration: 2021-01-26
Also published as: US20210161433A1; DE102018118110A1; DE102018118110B4

Abstract

Eine Sensorvorrichtung (10) umfasst mindestens einen Lichtemitter (12), mindestens einen Lichtdetektor (13), ein Gehäuse (25), in dem der mindestens eine Lichtemitter (12) und der mindestens eine Lichtdetektor (13) untergebracht sind,und mindestens einen Kanal (20), der einen Durchgang durch das Gehäuse (25) bildet, wobei der mindestens eine Lichtemitter (12) und der mindestens eine Lichtdetektor (13) derart angeordnet sind, dass von dem mindestens einen Lichtemitter (12) emittiertes Licht den mindestens einen Kanal (20) durchläuft und danach von dem mindestens einen Lichtdetektor (13) detektiert wird.

Description

SENSORVORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER SENSOR

VORRICHTUNG

Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der deut schen Patentanmeldung Nr. 10 2018 118 110.8 vom 26. Juli 2018. Der Offenbarungsgehalt der deutschen Patentanmeldung Nr. 10 2018 118 110.8 wird hiermit in die vorliegende Anmeldung aufgenommen.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer Sensorvorrichtung.

Smartwatches , bei denen neben Aktivitätstracking auch verschie dene Körperfunktionen, wie zum Beispiel Herzfrequenz oder Blut- SauerstoffSättigung, überwacht werden, erfreuen sich einer ste tig wachsenden Beliebtheit.

Neben der Überwachung der Herzfrequenz, die entweder über einen Pulsgurt oder bei modernen Uhren über optische Herzfrequenzmes sung erfolgt, ist es wünschenswert, Körperflüssigkeiten, ins besondere Schweiß, zu analysieren. Über die Analyse der Schwei ßinhaltsstoffe können beispielsweise Aussagen hinsichtlich des Fitnessgrads des Sportlers, z. B. mittels einer Laktatanalyse, über die Notwendigkeit einer Mineralienzufuhr, z. B. mittels einer Elektrolytanalyse, oder auch über mögliche Erkrankungen getroffen werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt unter anderem die Aufgabe zu grunde, eine Sensorvorrichtung zu schaffen, die geeignet ist, zur Analyse von Körperflüssigkeiten eingesetzt zu werden und sich insbesondere in eine Smartwatch integrieren lässt. Ferner soll ein Verfahren zur Herstellung einer Sensorvorrichtung an gegeben werden.

Eine Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine Sensorvor richtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Eine Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch ein tragbares elektronisches Gerät mit den Merkmalen des Anspruchs 15, eine Verwendung einer Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 17 und ein Verfahren zur Herstellung einer Sensorvorrichtung mit den Merk- malen des Anspruchs 18. Bevorzugte Ausführungsformen und Wei terbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben .

Eine Sensorvorrichtung umfasst mindestens einen Lichtemitter, der dazu ausgebildet ist, Licht zu emittieren, und mindestens einen Lichtdetektor, der dazu ausgebildet ist, Licht zu detek- tieren. Der mindestens eine Lichtemitter und der mindestens eine Lichtdetektor sind in einem Gehäuse untergebracht. Durch das Gehäuse erstreckt sich mindestens ein Kanal. Der mindestens eine Kanal kann zur Aufnahme von Körperflüssigkeiten ausgebildet sein. Der mindestens eine Kanal kann einen derartigen Durchmes ser aufweisen, dass eine Flüssigkeit, insbesondere eine Körper flüssigkeit wie Schweiß, mittels eines Kapillareffekts in den mindestens einen Kanal gesaugt werden kann. Beispielsweise kann der mindestens eine Kanal einen Durchmesser von höchstens 1 mm aufweisen. Der Durchmesser kann aber auch größer oder kleiner sein .

Der mindestens eine Kanal bildet ein Durchgangsloch bzw. einen Durchgangskanal durch das Gehäuse, d. h., der mindestens eine Kanal erstreckt sich von einer ersten Außenfläche des Gehäuses bis zu einer zweiten Außenfläche des Gehäuses, die der ersten Außenfläche beispielsweise gegenüberliegen kann. Eine Flüssig keit bzw. ein Gas, die in den mindestens einen Kanal an der ersten Außenfläche des Gehäuses eintreten, können den mindes tens einen Kanal demnach an der zweiten Außenfläche des Gehäuses verlassen. Die Sensorvorrichtung ist folglich so ausgestaltet, dass Körperflüssigkeit bei einem geeigneten Aufliegen der Sen sorvorrichtung auf der Haut einer Person in den mindestens einen Kanal aufgenommen werden kann, ohne dass dazu weitere Vorrich tungen, insbesondere Pumpen oder Ähnliches, notwendig sind.

In der Sensorvorrichtung sind der mindestens eine Lichtemitter und der mindestens eine Lichtdetektor derart angeordnet, dass das von dem mindestens einen Lichtemitter emittierte Licht zu mindest zum Teil zunächst den mindestens einen Kanal durchstra hlt und danach von dem mindestens einen Lichtdetektor detektiert wird .

Das von dem mindestens einen Lichtemitter emittierte Licht kann den mindestens einen Kanal in einer beliebig gewählten Richtung durchlaufen, beispielsweise in einer Richtung senkrecht oder annähernd senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des mindestens ei- nen Kanals, d. h., senkrecht zur Strömungsrichtung der Flüssig keit bzw. des Gases in dem mindestens einen Kanal. Weiterhin kann das von dem mindestens einen Lichtemitter emittierte Licht zumindest zum Teil den mindestens einen Kanal auch mehrfach durchlaufen, beispielsweise mit Hilfe von einer oder mehreren Licht reflektierenden Oberfläche (n) , bevor das Licht auf den mindestens einen Lichtdetektor trifft.

Das von dem mindestens einen Lichtdetektor detektierte Licht kann mittels eines dem Fachmann bekannten Analyseverfahrens analysiert werden. Beispielsweise sind dem Fachmann spektrosko pische Analyseverfahren vertraut. Beim Durchstrahlen bzw. Durchlaufen des mindestens einen Kanals kann Licht von der in dem mindestens einen Kanal befindlichen Flüssigkeit bzw. dem darin befindlichen Gas zumindest teilweise absorbiert werden. Es ist auch möglich, dass nur Licht bestimmter Wellenlängen absorbiert wird. Anhand des Spektrums des von dem mindestens einen Lichtemitter ausgesandten Lichts und des Spektrums des von dem mindestens einen Lichtdetektor detektierten Lichts las sen sich Rückschlüsse auf die zu diesem Zeitpunkt in dem min- destens einen Kanal befindlichen Stoffe ziehen. Insbesondere kann die Konzentration bestimmter Stoffe ermittelt werden. Bei spielsweise können mit Hilfe der Sensorvorrichtung Daten über in der Flüssigkeit enthaltene (n) Mineralien, Laktat-Moleküle und/oder Blutzucker (Glukose) gewonnen werden.

Das von dem mindestens einen Lichtemitter emittierte Licht bzw. das von dem mindestens einen Lichtdetektor detektierte Licht kann beispielsweise Licht im sichtbaren Bereich, Ultraviolett (UV) -Licht und/oder Infrarot (IR) -Licht sein.

Der mindestens eine Lichtemitter und/oder der mindestens eine Lichtdetektor können optoelektronische Halbleiterbauelemente, insbesondere Halbleiterchips, sein. Beispielsweise kann ein Lichtemitter als Licht emittierende Diode (englisch: light emit- ting diode, LED) , als organische Licht emittierende Diode (eng lisch: organic light emitting diode, OLED) , als Licht emittie render Transistor oder als organischer Licht emittierender Tran sistor ausgebildet sein. Weiterhin können auch eine LED, eine OLED oder ein entsprechend ausgestalteter insbesondere organi- scher Transistor als Lichtdetektor ausgestaltet sein. Der min destens eine Lichtemitter und/oder der mindestens eine Licht detektor können außerdem Teil einer integrierten Schaltung sein.

Neben dem mindestens einen Lichtemitter und/oder dem mindestens einen Lichtdetektor können weitere Halbleiterbauelemente und/o der andere Komponenten in die Sensorvorrichtung integriert sein.

Die Sensorvorrichtung kann relativ kostengünstig und außerdem sehr kompakt hergestellt werden. Dies ermöglicht die Verwendung der Sensorvorrichtung in Verbraucherprodukten (englisch: con sumer products), auch Konsumgüter oder Verbrauchererzeugnisse genannt, und insbesondere in tragbaren elektronischen Geräten, wie einer Smartwatch. Die Sensorvorrichtung, insbesondere das Gehäuse der Sensorvor richtung, kann eine Größe, d. h. Ausdehnung, von höchstens 10 mm in einer ersten Dimension haben. Auch in einer zweiten Di mension kann die Sensorvorrichtung eine Größe von höchstens 10 mm aufweisen. In einer dritten Dimension kann die Sensorvor richtung eine Größe von höchstens 3 mm aufweisen. Die drei Dimensionen können jeweils orthogonal zueinander sein und bei spielsweise durch die x-, y- und z-Achsen eines kartesischen Koordinatensystems beschrieben werden.

In einer Ausgestaltung umfasst die Sensorvorrichtung ein Sub strat mit mindestens einer Öffnung, die insbesondere ein Durch gangsloch ist. Der mindestens eine Lichtemitter und der mindes tens eine Lichtdetektor sind auf das Substrat montiert, und der mindestens eine Kanal verläuft durch die mindestens eine Öff nung. Insbesondere ist der mindestens eine Kanal zwischen dem mindestens einen Lichtemitter und dem mindestens einen Licht detektor angeordnet. Das Substrat kann beispielsweise ein Leiterrahmen (englisch: leadframe) sein, der mit einem Vergussmaterial (englisch: mold compound), insbesondere einem Kunststoff, umspritzt ist. Wei terhin kann das Substrat ein sogenanntes QFN (englisch: quad flat no leads package) -Fiatmold sein. Ein QFN-Flatmold besteht aus einem Leiterrahmen, insbesondere einem beschichteten Kup fer-Leiterrahmen, der von einem Vergussmaterial umspritzt ist, wobei das Vergussmaterial die gleiche Höhe wie der Leiterrahmen hat, d. h., es werden keine Kavitäten erzeugt. Die mindestens eine Öffnung kann sich durch den Leiterrahmen und/oder das Ver- gussmaterial erstrecken. Das Substrat kann ferner eine Leiter platte (englisch: printed Circuit board, PCB), ein keramisches Substrat oder ein anderes geeignetes Substrat sein.

Auf die mindestens eine Öffnung des Substrats kann ein trans- parenter Körper montiert sein. Der transparente Körper weist mindestens einen Durchgang, d. h. einen Kanal, auf. Der mindes tens eine Durchgang bildet einen Teil des mindestens einen Ka nals. Beispielsweise kann der transparente Körper oberhalb der mindestens einen Öffnung auf das Substrat aufgesetzt sein und nicht in die mindestens eine Öffnung hineinragen. Die mindestens eine Öffnung im Substrat kann in diesem Fall zusammen mit dem mindestens einen Durchgang in dem transparenten Körper den min destens einen Kanal ausbilden. Insbesondere kann eine Flüssig keit durch einen Kapillareffekt in den mindestens einen Kanal gezogen werden. Der transparente Körper kann beispielsweise eine Glaskapillare sein.

Transparent bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Körper zumindest für einen Teil des von dem mindestens einen Lichtemit ter emittierten Lichts oder zumindest für Licht in einem be stimmten Wellenlängenbereich im Wesentlichen transparent ist, so dass das Licht dieses Wellenlängenbereichs möglichst wenig von dem Körper selbst absorbiert wird.

Alternativ zu einem auf das Substrat aufgesetzten Körper kann ein transparenter Körper in die mindestens eine Öffnung in dem Substrat eingesetzt sein. Der Körper weist eine Vielzahl von Mikrokanälen auf, die zumindest einen Teil des mindestens einen Kanals oder auch den vollständigen mindestens einen Kanal bil den. Die Mikrokanäle ermöglichen einen verstärkten Kapillaref fekt, um Flüssigkeit in die Mikrokanäle zu ziehen. Die Mikro kanäle können jeweils einen Durchmesser im Bereich von 1 pm bis 1.000 pm und insbesondere im Bereich von 200 pm bis 300 pm aufweisen .

Der mindestens eine Lichtemitter und der mindestens eine Licht detektor können mit einem transparenten Material verkapselt sein. Transparent bedeutet auch hier, dass das Material zumin dest für einen Teil des von dem mindestens einen Lichtemitter emittierten Lichts oder zumindest für Licht in einem bestimmten Wellenlängenbereich im Wesentlichen transparent ist. Beispiels weise kann das transparente Material ein transparentes Silikon sein . Auf das transparente Material kann ein Licht reflektierendes bzw. reflektives Material aufgebracht sein. Reflektierend be deutet hier, dass das Material zumindest für einen Teil des von dem mindestens einen Lichtemitter emittierten Lichts oder zu mindest für Licht in einem bestimmten Wellenlängenbereich im Wesentlichen reflektierend ist. Das Licht reflektierende Mate rial kann die Funktion haben, das von dem mindestens einen Lichtemitter erzeugte Licht mit möglichst wenig Verlust zu dem mindestens einen Kanal zu führen, um die in dem mindestens einen Kanal befindliche Flüssigkeit bzw. das darin befindliche Gas zu durchstrahlen, und anschließend das Licht mit möglichst wenig Verlust zu dem mindestens einen Lichtdetektor zu führen. Bei spielsweise kann das reflektierende Material ein Silikon mit TiCk sein. Die Grenzfläche zwischen dem transparenten Material, in dem das Licht geführt wird, und dem an das transparente Material an grenzenden reflektierenden Material kann eine bestimmte Form haben, die es ermöglicht, von dem mindestens einen Lichtemitter emittiertes Licht zu dem mindestens einen Lichtdetektor zu füh- ren . Beispielsweise kann die Form zumindest eines Teils der Grenzfläche parabolisch oder parabelförmig sein.

Das transparente Material und das Licht reflektierende Material können den mindestens einen Lichtemitter und den mindestens einen Lichtdetektor verkapseln und können zumindest einen Teil eines Gehäuses bilden.

Anstatt die zu analysierende Flüssigkeit bzw. das Gas durch einen Körper mit mindestens einem Durchgang bzw. einer Vielzahl von Mikrokanälen zu führen, kann auf einen derartigen Körper verzichtet werden, und der Kanal kann durch die Öffnung in dem Substrat, das transparente Material sowie das Licht reflektie rende Material geformt werden. In diesem Fall werden die Sei tenwände des mindestens einen Kanals zumindest teilweise durch das transparente Material und das Licht reflektierende Material gebildet .

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist die Sensorvorrichtung ein Substrat auf, auf welches der mindestens eine Lichtemitter sowie der mindestens eine Lichtdetektor montiert sind. Das Sub strat kann so ausgestaltet sein wie das oben beschriebene Sub strat, muss jedoch keine Öffnung enthalten. Der mindestens eine Kanal verläuft oberhalb des mindestens einen Lichtemitters so wie des mindestens einen Lichtdetektors. In anderen Worten sind der mindestens eine Lichtemitter sowie der mindestens eine Lichtdetektor zwischen dem Substrat und dem mindestens einen Kanal angeordnet. Der mindestens eine Kanal kann sich in einer Richtung erstrecken, die im Wesentlichen parallel zu einer Hauptoberfläche des Substrats verläuft. Weiterhin kann der Ka nal eine Vielzahl von Mikrokanälen, die insbesondere die oben beschriebenen Ausgestaltungen aufweisen, enthalten. Weiterhin kann ein Körper mit einer Vielzahl von Mikrokanälen auf den mindestens einen Lichtemitter sowie den mindestens einen Licht detektor aufgebracht sein.

Oberhalb des mindestens einen Kanals kann eine Licht reflektie rende Schicht angeordnet sein. Die Licht reflektierende Schicht kann insbesondere ein Spiegel sein. Das von dem mindestens einen Lichtemitter emittierte Licht durchläuft folglich zunächst den mindestens einen Kanal, wird dann an der reflektierenden Schicht reflektiert und durchläuft den mindestens einen Kanal in umge kehrter Richtung, um zu dem mindestens einen Lichtdetektor zu gelangen. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass das Licht den mindestens einen Kanal zwei Mal durchläuft und folglich die Absorption durch die Flüssigkeit in dem mindestens einen Kanal entsprechend erhöht wird.

Um zu verhindern, dass Licht auf direktem Weg von dem mindestens einen Lichtemitter zu dem mindestens einen Lichtdetektor gelangt und somit die Messergebnisse verfälscht werden, kann ein Licht reflektierendes Material oder ein Licht absorbierendes Material zwischen dem mindestens einen Lichtemitter und dem mindestens einen Lichtdetektor auf das Substrat aufgebracht sein.

Die Sensorvorrichtung kann eine Analyseeinheit enthalten, wel che die oben beschriebene Analyse einer Flüssigkeit und/oder eines Gases, die bzw. das sich in dem mindestens einen Kanal befindet, anhand des von dem mindestens einen Lichtemitter emit- tierten Lichts und des von dem mindestens einen Lichtdetektor detektierten Lichts durchführt.

Die Analyseeinheit kann zusammen mit dem mindestens einen Lichtemitter und dem mindestens einen Lichtdetektor auf dem Substrat angeordnet sein, kann aber auch auf einem separaten Substrat bzw. einer separaten Leiterplatte angeordnet sein. Insbesondere kann die Analyseeinheit eine integrierte Schaltung (englisch: integrated Circuit, IC) sein und kann einen Daten speicher aufweisen.

Es kann vorgesehen sein, dass die Sensorvorrichtung genau einen Lichtemitter und/oder genau einen Lichtdetektor aufweist. Die Sensorvorrichtung kann jedoch auch mehrere Lichtemitter und/o der mehrere Lichtdetektoren enthalten. In letzterem Fall können mindestens zwei der Lichtemitter Licht unterschiedlicher Wel lenlängen emittieren und/oder mindestens zwei der Lichtdetek toren können Licht unterschiedlicher Wellenlängen detektieren.

Die Sensorvorrichtung kann in ein tragbares elektronisches Ge- rät integriert sein. Das tragbare elektronische Gerät kann ein sogenanntes „Wearable" sein, d. h., ein elektronisches Gerät, das am Körper des Benutzers befestigt oder in die Kleidung des Benutzers integriert ist, wie z. B. ein Activity- oder Fit- nesstracker oder eine Smartwatch. Eine Smartwatch (englisch für „schlaue Uhr") ist eine elektronische Armbanduhr, die über zu sätzliche Sensoren, Aktuatoren und/oder Computerfunktionalitä- ten bzw. -konnektivitäten verfügt. Weiterhin kann die Sensorein richtung in ein Schmuckstück, beispielsweise einen Fingerring, einen Ohrring oder eine Halskette, integriert sein. Das direkte Tragen des Geräts am Körper des Benutzers ermöglicht es in einfacher Weise, Körperflüssigkeiten, insbesondere Schweiß, in den mindestens einen Kanal aufzunehmen und anschließend zu ana lysieren. Ferner kann das tragbare elektronische Gerät ein Hand gerät (englisch: handheld device oder portable device) , wie z. B. ein Smartphone, ein Tablett oder ein medizinisches Handgerät, sein .

Das tragbare elektronische Gerät kann eine mit der Sensorvor richtung verbundene Befestigungsvorrichtung zum Befestigen der Sensorvorrichtung an einem Körperteil einer Person aufweisen. Die Befestigungsvorrichtung kann beispielsweise ein Armband o- der ein Pulsgurt bzw. ein Brustgurt sein.

Die in der vorliegenden Anmeldung beschriebene Sensorvorrich tung kann zur Analyse von Körperflüssigkeiten, insbesondere von Schweiß, verwendet werden. Die Analyse von Schweiß stellt eine sehr einfache Alternative im Vergleich zur Blutzuckeruntersu chung dar, über die viele ähnliche Rückschlüsse, z. B. Laktat- und Blutzuckerkonzentration, möglich sind.

Ein Verfahren zur Herstellung einer Sensorvorrichtung umfasst das Bereitstellen mindestens eines Lichtemitters und mindestens eines Lichtdetektors sowie das Verkapseln des mindestens einen Lichtemitters und des mindestens einen Lichtdetektors in einem Gehäuse. Mindestens ein Kanal bildet einen Durchgang durch das Gehäuse. Außerdem werden der mindestens eine Lichtemitter und der mindestens eine Lichtdetektor derart angeordnet, dass das von dem mindestens einen Lichtemitter emittierte Licht zumin dest teilweise den mindestens einen Kanal durchläuft und danach von dem mindestens einen Lichtdetektor detektiert wird.

Das Verfahren zur Herstellung einer Sensorvorrichtung kann die oben beschriebenen Ausgestaltungen der Sensorvorrichtung auf weisen .

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen schematisch: Fig. 1A bis 1B Darstellungen eines Ausführungsbeispiels einer Sensorvorrichtung mit einem Kanal zur Aufnahme von Körperflüssigkeiten;

Fig . 2 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Herstellung einer Sen sorvorrichtung;

Fig . 3 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines tragbaren elektronischen Geräts mit einer Sensorvorrichtung;

Fig. 4A bis 4B Darstellungen eines Ausführungsbeispiels einer Sensorvorrichtung mit einer Vielzahl von Mikrokanälen;

Fig . 5 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Sensorvorrichtung mit einem Kanal in einer Schicht aus transparentem und reflek tierendem Material; und Fig. 6 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Sensorvorrichtung mit einer Vielzahl von horizontal verlaufenden Mikrokanälen. In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die bei gefügten Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil dieser Be schreibung bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifi sche Ausführungsbeispiele gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. Da Komponenten von Ausführungsbeispielen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert wer den können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschauli chung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsbeispiele benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merk male der hierin beschriebenen verschiedenen Ausführungsbei spiele miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spe zifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschrei bung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen. In den Figuren sind identische oder ähnliche Elemente mit identi schen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.

Fig. 1A zeigt schematisch eine Sensorvorrichtung 10 in einer Schnittdarstellung. Fig. 1B zeigt die Sensorvorrichtung 10 in einer Draufsicht von oben.

Die Sensorvorrichtung 10 enthält ein Substrat 11, auf das ein Lichtemitter 12 in Form eines LED-Halbleiterchips und ein Licht detektor 13 ebenfalls in Form eines LED-Halbleiterchips montiert sind.

In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Substrat 11 ein QFN-Flatmold, das aus einem beschichteten Kupfer-Leiterrahmen 14 besteht, der von einem Vergussmaterial 15 umspritzt wurde. Das Vergussmaterial 15 hat die gleiche Höhe wie der Leiterrahmen 14, d. h., die Ober- und Unterseite des Leiterrahmens 14 sind nicht von dem Vergussmaterial 15 bedeckt. Die LED-Halbleiter- chips des Lichtemitters 12 und des Lichtdetektors 13 weisen jeweils eine Elektrode an ihrer Unterseite und ihrer Oberseite auf. Der Lichtemitter 12 und der Lichtdetektor 13 sind mit ihrer Elektrode an der Unterseite auf ein jeweiliges Kontaktelement des Leiterrahmens 14 gelötet. Von den Elektroden an den Ober seiten des Lichtemitters 12 und des Lichtdetektors 13 führt jeweils ein Bonddraht 19 zu einem weiteren Kontaktelement des Leiterrahmens 14.

Das Substrat 11 enthält zudem eine Öffnung 16 in Form einer Aussparung, die sich vollständig durch das Substrat 11 er streckt. Über der Öffnung 16 im Substrat 11 ist ein Körper 17 aufgebracht, der transparente Seitenwände aufweist und durch den sich in vertikaler Richtung ein Durchgang 18 erstreckt. Der Körper 17 kann beispielsweise eine dünne Glaskapillare sein. Die Öffnung 16 in dem Substrat 11 und der Durchgang 18 durch den Körper 17 bilden einen Kanal 20. Der Kanal 20 ist zwischen dem Lichtemitter 12 und dem Lichtdetektor 13 angeordnet.

Der Lichtemitter 12 und der Lichtdetektor 13 sind mit einem transparenten Material 21 verkapselt, welches ein transparentes Silikon sein kann. Auf das transparente Material 21 ist ein hochreflektierendes Material 22 aufgebracht, das beispielsweise ein mit Ti0₂-Partikeln versetztes Silikon ist. Das transparente Material 21 und das hochreflektierende Material 22 bilden zu sammen mit dem Substrat 11 ein Gehäuse 25, in dem der Lichtemit ter 12 und der Lichtdetektor 13 untergebracht sind.

Der Kanal 20 bildet einen Durchgang durch das Gehäuse 25, d. h., er erstreckt sich von einer Unterseite 26, d. h. einer ersten Außenfläche, bis zu einer Oberseite 27, d. h. einer zweiten Außenfläche, des Gehäuses 25. Eine Grenzfläche 28 zwischen dem transparenten Material 21 und dem hochreflektierenden Material 22 hat eine vorgegebene Form. In der Schnittdarstellung von Fig. 1A ist die Grenzfläche 28 parabel förmig .

Neben dem Lichtemitter 12 und dem Lichtdetektor 13 können wei tere Lichtemitter und/oder Lichtdetektoren auf das Substrat 11 montiert sein. Insbesondere können die weiteren Lichtemitter bzw. -detektoren zur Erzeugung bzw. Detektion von Licht unter schiedlicher Wellenlängen ausgebildet sein.

Die Sensorvorrichtung 10 bzw. das Gehäuse 25 können eine Größe in die in Fig. 1A und 1B eingezeichnete x-Richtung von höchstens 10 mm haben. In y-Richtung können die Sensorvorrichtung 10 bzw. das Gehäuse 25 ebenfalls eine Größe von höchstens 10 mm aufwei sen. In z-Richtung können die Sensorvorrichtung 10 bzw. das Gehäuse 25 eine Größe von höchstens 3 mm haben.

Während des Betriebs der Sensorvorrichtung 10 gelangt ein Teil des von dem Lichtemitter 12 emittierten Lichts auf direktem Weg zu dem Lichtdetektor 13. Dabei durchläuft das Licht das trans parente Material 21 und den Kanal 20, der sich zwischen dem Lichtemitter 12 und dem Lichtdetektor 13 befindet. Licht, das nicht von dem Lichtemitter 12 in direkter Richtung zu dem Licht detektor 13 abgestrahlt wird, wird an der Grenzfläche 28 von dem hochreflektierenden Material 22 reflektiert und wird auf grund der Form der Grenzfläche 28 in Richtung des Kanals 20 reflektiert. Es durchläuft den Kanal 20 und kann nach einer eventuellen weiteren Reflexion an der Grenzfläche 28 von dem Lichtdetektor 13 detektiert werden. Die Ausgestaltung der Grenz fläche 28 bewirkt folglich, dass ein großer Teil des von dem Lichtemitter 12 emittierten Lichts den Kanal 20 durchstrahlt und anschließend von dem Lichtdetektor 13 detektiert wird. In Fig. 1A ist der Strahlengang des von dem Lichtdetektor 13 emit tierten Lichts durch einen Pfeil 29 symbolisch dargestellt. In Fig. 2 ist schematisch ein Verfahren zur Herstellung der in Fig. 1A und 1B dargestellten Sensorvorrichtung 10 dargestellt.

In einem Schritt 31 wird das Substrat 11 mit der Öffnung 16 bereitgestellt. Das Substrat 11 kann vorproduziert sein.

In einem Schritt 32 wird der transparente Körper 17 derart auf das Substrat 11 aufgebracht, dass die Öffnung 16 im Substrat 11 und der Durchgang 18 durch den Körper 17 den Kanal 20 bilden. Der Körper 17 kann beispielsweise mit dem Substrat 11 verklebt oder auf andere Weise an dem Substrat 11 befestigt werden.

In einem Schritt 33 werden der Lichtemitter 12 und der Licht detektor 13 auf das Substrat 11 gelötet und die Bonddrähte 16 werden erzeugt.

In einem Schritt 34 werden der Lichtemitter 12 und der Licht detektor 13 mit dem transparenten Material 21 verkapselt. In einem Schritt 35 wird das hochreflektierende Material 22 auf das transparente Material 21 aufgebracht.

Fig. 3 zeigt schematisch ein tragbares elektronisches Gerät 40, beispielsweise ein Activity- oder Fitnesstracker oder eine Smartwatch, mit der oben beschriebenen Sensorvorrichtung 10 in einer Schnittdarstellung.

Die Sensorvorrichtung 10 kann so in das Gerät 40 integriert sein, dass die Unterseite 26 und/oder die Oberseite 27 des Gehäuses 25 freiliegen. Es ist aber auch denkbar, dass die Unterseite 26 und/oder die Oberseite 27 nicht freiliegend sind. In vielen Anwendungen sollte jedoch gewährleistet sein, dass während des Betriebs des Geräts 40 eine Oberfläche des Geräts 40, beispielsweise die Unterseite 26 oder die Oberseite 27 des Gehäuses 25, auf der Haut des Benutzers aufliegt, so dass Kör perflüssigkeit 41, insbesondere Schweiß, in den Kanal 20, ins besondere durch einen Kapillareffekt, gelangt und mit Hilfe des von dem Lichtemitter 12 emittierten und von dem Lichtdetektor 13 detektierten Lichts analysiert werden kann.

Zur Analyse der Körperflüssigkeit 41 verfügt das Gerät 40 über eine in Fig. 3 nicht dargestellte Analyseeinheit, die insbeson dere als integrierte Schaltung ausgebildet sein kann. Die Ana lyseeinheit wertet das von dem Lichtdetektor detektierte Licht mit Hilfe der dem Fachmann vertrauten Methoden aus und kann daraus Rückschlüsse auf die Flüssigkeit 41 ziehen. Die Analy seeinheit kann in die Sensorvorrichtung 10 integriert sein oder sich außerhalb der Sensorvorrichtung 10 in dem Gerät 40 befin den .

Fig. 4A zeigt schematisch eine Sensorvorrichtung 50 in einer Schnittdarstellung. Fig. 4B zeigt die Sensorvorrichtung 50 in einer Draufsicht von oben.

Die Sensorvorrichtung 50 entspricht in weiten Teilen der oben beschriebenen Sensorvorrichtung 10. Im Unterschied zur Sensor vorrichtung 10 enthält die Sensorvorrichtung 50 jedoch nicht den transparenten Körper 10 mit dem Durchgang 18, sondern einen transparenten Körper 51 mit einer Vielzahl von Mikrokanälen, die mehrere Kanäle 20 bilden.

Weiterhin ist der Körper 51 nicht auf die Öffnung 16 in dem Substrat 11 aufgesetzt, sondern in die Öffnung 16 eingesetzt. Folglich erstrecken sich die Mikrokanäle des Körpers 51 von der Unterseite 26 bis zur Oberseite 27 des Gehäuses 25.

Die Mikrokanäle können jeweils einen Durchmesser im Bereich von 1 pm bis 1.000 pm und insbesondere im Bereich von 200 pm bis 300 pm aufweisen. Der Vorteil der vielen dünnen Mikrokanäle ist der verstärkte Kapillareffekt, durch den die Körperflüssigkeit schneller bzw. leichter in die Mikrokanäle befördert wird.

Fig. 5 zeigt schematisch eine Sensorvorrichtung 60 in einer Schnittdarstellung, die ähnlich zu den Sensorvorrichtungen 10 und 50 ist. Jedoch enthält die Sensorvorrichtung 60 keinen transparenten Körper mit einem Durchgang bzw. einer Vielzahl von Mikrokanälen. Nach dem Aufbringen des Lichtemitters 12 und des Lichtdetektors 13 auf das Substrat 11 werden diese mit einem transparenten Material 21 überformt, z. B. durch Transfermolden, auch Spritz pressen genannt. Dabei wird oberhalb der Öffnung 16 im Substrat 11 eine Aussparung in dem transparenten Material 21 freigehal- ten.

Anschließend wird über einen weiteren Transfermolding-Schritt ein reflektierendes Vergussmaterial (englisch: mold compound) als reflektierendes Material 22 aufgebracht. Oberhalb der Öff- nung 16 im Substrat 11 wird auch in dem reflektierenden Material 22 eine Aussparung freigehalten. Das Vergussmaterial kann bei spielsweise ein Epoxidharz oder ein Silikon enthalten.

Die Aussparungen in dem transparenten und dem reflektierenden Material 21, 22 bilden zusammen mit der Öffnung 16 im Substrat 11 den Kanal 20, in den die Körperflüssigkeit zur Analyse ein gegeben werden kann. Die Seitenwände des Kanals 20 werden folg lich durch das Substrat 11, das transparente Material 21 und das reflektierende Material 22 gebildet. Dadurch kann der trans- parente Körper mit einem Durchgang bzw. einer Vielzahl von Mikrokanälen eingespart werden. Während des Betriebs der Sensorvorrichtung 60 wird von dem Lichtemitter 12 emittiertes Licht an dem reflektierenden Mate rial 22 reflektiert und gelangt in horizontaler Richtung nach dem Durchlaufen des Kanals 20 zu dem Lichtdetektor 13.

Fig. 6 zeigt schematisch eine Sensorvorrichtung 70 in einer Schnittdarstellung.

Bei der Sensorvorrichtung 70 sind der Lichtemitter 12 und der Lichtdetektor 13 auf ein Substrat 11 aufgebracht, welches ein QFN-Flatmold, eine Leiterplatte, ein keramisches Substrat oder ein anderes geeignetes Substrat sein kann. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist außerdem auf den Lichtdetektor ein op tionales Filter 71 aufgesetzt.

Nach dem Aufbringen des Lichtemitters 12 und des Lichtdetektors 13 werden beide in ein transparentes Material 21, beispielsweise ein Epoxidharz oder ein Silikon, eingebettet. Der oder die Zwi schenräume zwischen dem Lichtemitter 12 und dem Lichtdetektor 13 werden danach mit einem hochreflektierenden Material 22 auf gefüllt, so dass keine Sichtverbindung zwischen dem Lichtemit ter 12 und dem Lichtdetektor 13 besteht und von dem Lichtemitter 12 emittiertes Licht nur über die zu analysierende Flüssigkeit zu dem Lichtdetektor 13 gelangen kann.

In einem nachfolgenden Schritt wird ein transparenter Körper 72 mit einer Vielzahl von Mikrokanälen auf das transparente Mate rial 21 und das hochreflektierende Material 22 aufgebracht. Die Mikrokanäle in dem Körper 72 bilden die mehreren Kanäle 20. Die Mikrokanäle des Körpers 72 können ähnlich wie die Mikrokanäle des oben beschriebenen Körpers 51 ausgebildet sein, jedoch ver laufen die Mikrokanäle in der Sensorvorrichtung 70 horizontal, d. h., die Mikrokanäle verlaufen parallel zu einer Hauptober fläche des Substrats 11. Die Mikrokanäle können jeweils einen Durchmesser im Bereich von 1 pm bis 1.000 pm und insbesondere im Bereich von 200 pm bis 300 pm aufweisen.

Anschließend wird noch ein Spiegel 73 auf den Körper 72 aufge- setzt.

Während des Betriebs der Sensorvorrichtung 70 durchstrahlt das Licht des Lichtemitters 12 die Flüssigkeit in den Mikrokanälen des Körpers 72 und wird über den Spiegel 73 zurückreflektiert, wodurch das reflektierte Licht zu dem Lichtdetektor 13 gelangt.

BEZUGSZEICHENLISTE

10 Sensorvorrichtung

11 Substrat

12 Lichtemitter

13 Lichtdetektor

14 Leiterrahmen

15 Vergussmaterial

16 Öffnung

17 Körper

18 Durchgang

19 Bonddraht

20 Kanal

21 transparentes Material

22 reflektierendes Material

25 Gehäuse

26 Unterseite

27 Oberseite

28 Grenzfläche

29 Pfeil

31 Schritt

32 Schritt

33 Schritt

34 Schritt

35 Schritt

40 Gerät

41 Körperflüssigkeit

50 Sensorvorrichtung

51 Körper

60 Sensorvorrichtung

70 Sensorvorrichtung

71 Filter

72 Körper

73 Spiegel

Claims

ANSPRÜCHE

1. Sensorvorrichtung (10, 50, 60, 70), mit:

mindestens einem Lichtemitter (12),

mindestens einem Lichtdetektor (13),

einem Gehäuse (25) , in dem der mindestens eine Lichtemitter (12) und der mindestens eine Lichtdetektor (13) untergebracht sind, und

mindestens einem Kanal (20) , der einen Durchgang durch das Gehäuse (25) bildet,

wobei der mindestens eine Lichtemitter (12) und der mindestens eine Lichtdetektor (13) derart angeordnet sind, dass von dem mindestens einen Lichtemitter (12) emittiertes Licht den mindestens einen Kanal (20) durch läuft und danach von dem mindestens einen Lichtdetektor (13) detektiert wird.

2. Sensorvorrichtung (10, 50, 60, 70) nach Anspruch 1, wobei die Sensorvorrichtung (10, 50, 60, 70) in einer ersten und einer zweiten Dimension eine Größe von jeweils höchs tens 10 mm und in einer dritten Dimension eine Größe von höchstens 3 mm aufweist.

3. Sensorvorrichtung (10, 50, 60) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Sensorvorrichtung (10, 50, 60) ein Substrat (11) mit mindestens einer Öffnung (16) aufweist,

wobei der mindestens eine Lichtemitter (12) und der mindestens eine Lichtdetektor (13) auf das Substrat (11) montiert sind, und

wobei der mindestens eine Kanal (20) durch die min destens eine Öffnung (16) verläuft.

4. Sensorvorrichtung (10) nach Anspruch 3, wobei auf die mindestens eine Öffnung (16) des Substrats (11) ein transparenter Körper (17) montiert ist, der mindestens einen Durchgang (18) aufweist, welcher einen Teil des mindestens einen Kanals (20) bildet.

5. Sensorvorrichtung (50) nach Anspruch 3, wobei ein trans parenter Körper (51) mit einer Vielzahl von Mikrokanälen in die mindestens eine Öffnung (16) des Substrats (11) eingesetzt ist und die Mikrokanäle zumindest einen Teil des mindestens einen Kanals (20) bilden.

6. Sensorvorrichtung (10, 50, 60, 70) nach einem der vor hergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Lichtemitter (12) und der mindestens eine Lichtdetektor (13) mit einem transparenten Material (21) verkapselt sind .

7. Sensorvorrichtung (10, 50, 60, 70) nach Anspruch 6, wobei ein Licht reflektierendes Material (22) auf das transpa rente Material (21) aufgebracht ist.

8. Sensorvorrichtung (60) nach Anspruch 7, wobei der min destens eine Kanal (20) Seitenwände aufweist, die zumin dest teilweise durch das transparente Material (21) und das Licht reflektierende Material (22) gebildet sind.

9. Sensorvorrichtung (70) nach Anspruch 1 oder 2

wobei die Sensorvorrichtung (70) ein Substrat (11) aufweist und der mindestens eine Lichtemitter (12) sowie der mindestens eine Lichtdetektor (13) auf das Substrat (11) montiert sind, und

wobei der mindestens eine Kanal (20) oberhalb des mindestens einen Lichtemitters (12) sowie des mindestens einen Lichtdetektors (13) verläuft.

10. Sensorvorrichtung (70) nach Anspruch 9, wobei eine Licht reflektierende Schicht (73) oberhalb des mindestens einen Kanals (20) angeordnet ist.

11. Sensorvorrichtung (70) nach Anspruch 9 oder 10, wobei ein

Licht reflektierendes Material (22) zwischen dem mindes tens einen Lichtemitter (12) und dem mindestens einen Lichtdetektor (13) auf das Substrat (11) aufgebracht ist.

12. Sensorvorrichtung (10, 50, 60, 70) nach einem der vor hergehenden Ansprüche, wobei die Sensorvorrichtung (10, 50, 60, 70) eine Analyseeinheit zur Analyse von Flüssig keit und/oder Gas in dem mindestens einen Kanal (20) anhand des von dem mindestens einen Lichtdetektor (13) detektierten Lichts umfasst.

13. Sensorvorrichtung (10, 50, 60, 70) nach einem der vor hergehenden Ansprüche,

wobei die Sensorvorrichtung (10, 50, 60, 70) mehrere Lichtemitter (12) aufweist und mindestens zwei der meh reren Lichtemitter (12) Licht unterschiedlicher Wellen längen emittieren, und/oder

wobei die Sensorvorrichtung (10, 50, 60, 70) mehrere

Lichtdetektoren (13) aufweist und mindestens zwei der mehreren Lichtdetektoren (13) Licht unterschiedlicher

Wellenlängen detektieren.

14. Sensorvorrichtung (10, 50, 60, 70) nach einem der vor hergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Lichtemitter (12) und/oder der mindestens eine Lichtde tektor (13) optoelektronische Halbleiterbauelemente sind .

15. Tragbares elektronisches Gerät (40), insbesondere Acti- vity- oder Fitnesstracker oder Smartwatch, mit einer Sen sorvorrichtung (10, 50, 60, 70) nach einem der vorherge henden Ansprüche.

16. Tragbares elektronisches Gerät (40) nach Anspruch 15, wobei das tragbare elektronische Gerät (40) eine mit der Sensorvorrichtung (10, 50, 60, 70) verbundene Befesti gungsvorrichtung, insbesondere ein Armband oder einen Pulsgurt, zum Befestigen der Sensorvorrichtung (10, 50,

60, 70) an einem Körperteil einer Person aufweist.

17. Verwendung einer Sensorvorrichtung (10, 50, 60, 70) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zur Analyse von Körperflüs- sigkeiten.

18. Verfahren zur Herstellung einer Sensorvorrichtung (10,

50, 60, 70), mit folgenden Schritten:

Bereitstellen mindestens eines Lichtemitters (12) und mindestens eines Lichtdetektors (13) , und

Verkapseln des mindestens einen Lichtemitters (12) und des mindestens einen Lichtdetektors (13) in einem Gehäuse (25) ,

wobei mindestens ein Kanal (20) einen Durchgang durch das Gehäuse (25) bildet, und

wobei der mindestens eine Lichtemitter (12) und der mindestens eine Lichtdetektor (13) derart angeordnet wer den, dass von dem mindestens einen Lichtemitter (12) emittiertes Licht den mindestens einen Kanal (20) durch läuft und danach von dem mindestens einen Lichtdetektor (13) detektiert wird.