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CN106796151A - 传感器、包括传感器的过滤元件和这样的过滤元件的应用 - Google Patents

传感器、包括传感器的过滤元件和这样的过滤元件的应用 Download PDF

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CN106796151A
CN106796151A CN201580045566.9A CN201580045566A CN106796151A CN 106796151 A CN106796151 A CN 106796151A CN 201580045566 A CN201580045566 A CN 201580045566A CN 106796151 A CN106796151 A CN 106796151A
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CN
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sensor
chip
sensor chip
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electronic
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Application number
CN201580045566.9A
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T·凯撒
R·塔珀
S·海因茨
M·纽伯特
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Carl Freudenberg KG
Original Assignee
Carl Freudenberg KG
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Abstract

本发明涉及一种传感器(2、2'、2")，其具有设置在功能体积(3)内的电子芯片(4、4'、4")和传感器芯片(5、5'、5")，所述功能体积最多4mm至5mm长、最多2mm至3mm宽并且最多0.5mm至0.8mm高，其解决如下任务，即，给出一种具有紧凑的传感器的成本低的过滤元件。

Description

传感器、包括传感器的过滤元件和这样的过滤元件的应用
技术领域
本发明涉及一种传感器、包括传感器的过滤元件和包括传感器的过滤元件的应用。
背景技术
由DE 10 2010 044 616 A1已知一种用于滤芯的微系统。
由DE 10 2009 040 707 A1已经已知过滤元件，其中，传感器配置给过滤介质。
在已知的过滤元件中不利的是，传感器经常相对大地构成，以便检测和评估一个或多个物理的参量。这样的过滤元件的制造相对昂贵。此外较大的传感器难以在过滤元件上装配。
尤其是10-500Pa的范围中的非常小的压差的检测在现有技术中只以相对大的传感器实现并且要求许多结构空间。
此外将这样相对大的传感器连接到过滤元件上相当困难并且昂贵。此外这样的传感器的触点接通经常通过线缆进行。后者特别是不值得做，因为线缆的维护是烦琐的并且不被最终顾客接受。
发明内容
因此本发明的任务是，给出一种成本低的过滤元件，其具有紧凑的传感器。
按照本发明，前述的任务利用权利要求1和17以及20至23的特征解决。
按照本发明首先认识到，存在用于检测10-500Pa的范围中的最小的压差的传感器的小型化的需求。利用这样的传感器可以检测过滤元件的污染。
在其上已认识到，能够实现小型化并且优选无线的不可插接的能量供应，将传感器低成本地集成到过滤元件中。集成和优选无线的不可插接的能量和数据传递此外在过滤设备中使用过滤元件时不要求附加的安装耗费。
按照本发明具体来说认识到，具有这样小的功能体积的传感器可特别容易地装配。此外如果功能体积这样小地选择的话，可以节省材料。在这里给出成本低的过滤元件，其具有紧凑的传感器。
因此解决开头所述的任务。
可以利用180nm工艺，以便在传感器芯片上设置电子装置和膜片。这允许传感器芯片和借此功能体积的紧凑的构造。
在功能体积内可能设置多个电子芯片和/或多个传感器芯片。由此可检测多个物理的参量。
电子芯片可以具有多个模拟的和/或数字的接口，利用所述接口可评估不同的传感器芯片。由此可以将唯一的电子芯片与不同的传感器或传感器芯片组合。
借助电子芯片和/或传感器芯片，通过无线电接口、尤其是RFID接口，或通过触点的不可插接的连接的无线的能量和/或数据传输可能是可实现的或可进行的。由此耗费的线缆敷设不再需要。
带有转换元件的传感器芯片和/或带有转换元件和传感器前端的传感器芯片可能整体上以180nmCMOS工艺制造，尤其是用于以5Pa的分辨率检测在10-500Pa的范围中的压差。由此压力精确并且有效率地可被测量。
在这种背景下，转换元件可能作为硅膜片上的晶体管或电阻设计。由此给出非常可靠的布置结构。
电子芯片和传感器芯片可以并排设置在电路板上。由此实现非常扁平的构造。
电子芯片和传感器芯片可以通过接合线相互导电连接。电子芯片和传感器芯片可以这样非常紧密地并列放置。接合线的使用允许简单的制造，因为接合线在芯片的背离电路板的侧上安装。
电子芯片和传感器芯片可能通过倒装芯片连接在使用触点接通小丘、即所谓的“突起”的情况下相互导电连接。该触点接通在如下情况合适，即，设置在硅基底上的电设备、即尤其是氧化层朝向电路板并且硅基底的纯净的硅侧背离电路板。
传感器芯片可以具有膜片和电子设备。传感器芯片可以由硅基底制成，电子装置设置在所述硅基底上和/或硅基底中。传感器芯片可以这样非常紧凑地构造。甚至可设想，膜片只包括一个硅基底和至少一个或多个转换元件。转换元件优选是掺杂的区域。
在该背景下，传感器芯片可能具有硅基底，膜片蚀刻到所述硅基底中，所述膜片除去转换元件没有电子设备和/或氧化层。所述转换元件优选作为n或p掺杂的区域在膜片上和/或在膜片中设计。通过膜片的蚀刻同样产生传感器芯片的紧凑的构造，因为内在地在硅基底中存在的材料作为膜片利用。膜片因此作为硅膜片设计。
具有大约10μm的厚度电子装置或氧化层可以被腐蚀掉直到达到硅基底，其中在另一侧直至500μm的深度腐蚀到硅基底中，以便提供膜片。
电子芯片和传感器芯片可以设置在电路板上，在所述电路板中构通道，其中，所述通道是至如下体积的唯一的导流的入口，所述体积由电路板、传感器芯片和围绕传感器芯片的密封圈形成或密封地限定，其中，膜片的第一膜片面朝向所述体积。与第一膜片面相对置的第二膜片面朝向大气或其他与所述体积流体密封地分开的空间。由此如果不同的压力作用到这两个膜片面上，传感器芯片可以测量压差。
功能体积在该文献的词义中只通过电子芯片和传感器芯片分别沿x、y和z方向的延伸长度的和形成。接合线、触点接通小丘和/或密封圈的部分对功能体积没有贡献或不对其放大。尤其是接合线、触点接通小丘和密封圈的部分可以超过所述功能体积伸出。密封圈的设置在电子芯片和传感器芯片之间的部分在功能体积沿x、y或z方向的总延伸长度中保持不加考虑。决定性的只是电子芯片和传感器芯片本身在相应的方向上的尺寸。在图5中示例性地标绘延伸长度x和z的计算或检测。
按照本发明的过滤元件具有基体，其中，在所述基体上设置在这里所述类型的传感器。
基体可能具有过滤介质，所述过滤介质具有流入侧和流出侧，其中传感器芯片是如此高分辨率的，使得在流入侧和流出侧之间的在10-500Pa的范围中的压差可被检测。由此可以准确地检测压差。
传感器芯片可以在该背景下具有5Pa的分辨率。传感器芯片可以具有处于1Pa至小于5Pa的范围中的分辨率。传感器芯片可以具有处于大于5Pa直至10Pa的范围中的分辨率。
激光打印机发射颗粒，所述颗粒作为精细粉尘可以导致人的健康损害。这些颗粒可以通过过滤元件分离。已知附接过滤元件，所述附接过滤元件可以套装到存在的仪器的吹出开口上。
此外已知用于臭氧转换的装入的活性炭过滤器。将颗粒过滤器集成到仪器中造成不同的问题。用于过滤元件的安装空间被限定。必须进行到存在的紧凑的仪器结构中的适配。
过滤元件通过颗粒沉积而损耗并且必须定期地更换，其中，更换时刻强烈依赖于仪器的利用方式、例如打印输出的类型和使用的纸的类型。基于此以确定的时间或计数间隔的更换是不合适的。
因此需要监控过滤元件的状态。这可以尤其是通过测量压差进行。通常的用于压差测量的传感器必须在仪器中安装。
与此伴随附加的空间需求和定期的维修、尤其是净化或校准。更确切地说是已知包括用于压差测量的传感器的过滤元件。
为了评估传感器数据，需要将传感器连接到仪器电子装置上。该连接通常通过线缆进行。通过线缆的连接对于过滤元件在激光打印机中的使用太不舒服，其中需要简单的、对于外行可靠可实施的更换。
由其他产品领域、尤其是用于喷墨打印机的打印机墨水的领域已知触点、尤其是通过接触的不可插接的连接。
也已知包括集成的传感器的除尘筒体，其中，数据传输通过无线电进行。通过无线电的传输具有如下缺点，即，需要接收机单元的安装。就此伴随高的空间需求和费用。
在该背景下，在激光打印机、室内空气净化器、机动车、农业和/或工程机械中或上使用过滤元件，所述过滤元件包括传感器，所述传感器允许无线的能量和/或数据传输。按照本发明，这样使用包括集成的传感器和尤其是通过无线电接口或通过触点的不可插接的连接的无线的能量和数据传输的过滤元件。也可设想，能量和/或数据传输利用线缆进行。
存在如下可能性，包括电子装置的过滤元件可以安装在打印机上并且触点接通不通过无线电、而是通过露出的触点的接触进行。通过过滤元件的位置精确的安装，过滤元件的触点与打印机上的触点接触。
包括传感器的过滤元件可以用于在医院中、在与卫生相关的区域中、在燃气轮机中、在压缩机中的结构通风，用于在食品工业中的干燥过程中、在表面处理技术中、在喷漆过程中的工业过程的通风，用于过滤工业的排出空气，用于在石棉吸出时的过滤，用于过滤油雾或用于过滤危险物质，所述传感器允许利用或没有线缆的能量和/或数据传输。
在这里所述类型的过滤元件在之前所述应用中的使用允许使用非常紧凑的传感器并且尤其是在10-500Pa的范围中的压差的测量。
过滤元件在该说明书的意义上是用于将颗粒或气态的材料从流体中分离的装置或布置结构，其中，所述颗粒可以是固体或液滴并且其中所述流体可以液态或气态。
示例性地但不是决定性的，可以在此涉及包括由纸或无纺织物、散积物或泡沫结构制成的折叠的过滤介质的过滤元件。
所述基体可以设计为波纹管、面状的过滤介质、框架或过滤元件的其他构件。所述传感器可以因此在某个地方设置在过滤元件上。
附图说明
图1示出包括折叠的过滤介质的过滤元件，其中，传感器配置给过滤元件；
图2示出传感器的示意视图，其中，传感器只具有两个芯片，即电子芯片和传感器芯片，所述两个芯片相互连接，并且确定功能体积；
图3示出传感器芯片的示意视图；以及
图4示出示出电子芯片的示意视图；
图5示出传感器芯片和电子芯片的示意视图，所述传感器芯片和电子芯片通过接合线相互连接，其中，在传感器芯片的硅基底上的氧化层或其他电子的设备背离电路板；
图6示出传感器芯片和电子芯片的示意视图，所述传感器芯片和电子芯片通过触点接通小丘与电路板并且相互导电连接，其中，在传感器芯片的硅基底上的氧化层或其他电子设备朝向电路板；以及
图7示出传感器芯片从上面看的示意的透明视图，所述传感器芯片设置在电路板上，其中，多个触点接通小丘包围膜片地设置。
具体实施方式
图1示出过滤元件1a，其具有基体1，其中，在基体1上设置传感器2。
图2示出，传感器2具有设置在功能体积3内的至少一个电子芯片4和至少一个传感器芯片5，所述功能体积最多4mm至5mm长、最多2mm至3mm宽并且最多0.5mm至0.8mm高。
路程x为5mm，路程y为3mm并且路程z为0.8mm。
电子芯片4具有多个模拟的和/或数字的接口，利用所述接口可评估不同的传感器芯片。
借助电子芯片4和传感器芯片5进行无线的能量和/或数据传输。这可以通过无线电接口或通过触点的不可插接的连接进行。
电子芯片4和传感器芯片5设置在电路板6上，所述电路板具有比功能体积3较大的基面。
基体1具有折叠的过滤介质7，所述过滤介质具有流入侧8和流出侧9，其中，传感器芯片5是这样高分辨率的，使得在流入侧8和流出侧9之间的在10-500Pa的范围中的压差可被检测。传感器芯片5具有5Pa的分辨率。
过滤介质7由无纺织物制造。然而作为过滤介质也可以使用纸。过滤元件1a可以具有胶合的边缘条。所述边缘条可以具有泡沫材料密封装置。过滤元件1a可以设计为组合过滤器。组合过滤器过滤颗粒和气态的材料。
图3在示意视图中示出传感器芯片5。传感器芯片5能够实现在10-500Pa的范围中的压差的探测。传感器芯片5可以只由转换元件10组成，所述转换元件将压力变化转换成电的信号，或由转换元件10连同传感器前端11组成。
带有转换元件10的传感器芯片5和/或带有转换元件10和传感器前端11的传感器芯片5整体上以180nm的CMOS工艺制造。
传感器前端11可以具有电子装置或设计为电子装置。
转换元件10可能作为晶体管或作为电阻在硅膜片上构造。
图4示出电子芯片4的示意视图。电子芯片4具有模拟的和/或数字的接口，以用于连接到其他的传感器12或其他的传感器芯片上。电子芯片4具有传感器前端13。电子芯片4具有用于信号处理14的微控制器。电子芯片4具有存储器15。电子芯片4具有RFID前端16，以用于无接触的馈给和/或用于通过接触连接的馈给。
图5借助另一个传感器2'示出：电子芯片4'和传感器芯片5'并排地在电路板6'上设置。电子芯片4'和传感器芯片5'通过接合线17相互导电连接。
图6借助另一个传感器2"示出：电子芯片4"和传感器芯片5"通过倒装芯片连接在使用触点接通小丘18、即所谓的“突起”的情况下相互导电连接。
不仅在图5而且在图6中，传感器芯片5'、5"具有膜片19'、19"和电子设备20'、20"，所述电子设备可以具有氧化层。传感器芯片5'、5"分别具有硅基底21'、21"，膜片19'、19"蚀刻到所述硅基底中，所述膜片除去转换元件10'、10"没有电子设备或氧化层。
电子芯片4'、4"和传感器芯片5'、5"设置在电路板6'、6"上，通道6'a、6"a构成在所述电路板中，其中，通道6'a、6"a是至如下体积22'、22"的唯一的导流的入口，所述体积由电路板6'、6"、传感器芯片5'、5"和围绕传感器芯片5'、5"的密封圈23'、23"形成，其中，膜片19'、19"的第一膜片面19'a、19"a朝向所述体积22'、22"。
电子芯片4'、4"被粘接。电子芯片4'、4"同样具有电子的设备20'、20"。所述体积22'、22"只由电路板6'、6"、传感器芯片5'、5"和围绕传感器芯片5'、5"的密封圈23'、23"密封。
不同的压力p1和p2在膜片19'、19"的两个不同的侧上主导。利用传感器2'、2"可以测量在各侧之间的压差，如果这两个侧彼此密封地分开并且传感器2'、2"适合地设置并且密封地支承的话。这通过虚线示意性地示出。
密封圈23'、23"优选由浇铸材料制成，所述浇铸材料也可以密封地流入小的间隙中。
图7在透明的视图中示出：触点接通小丘18包围膜片19"。触点接通小丘18必须这样精确地安装，使得传感器芯片5"或膜片19"均匀地机械的应力加载。
在传感器芯片5、5'、5"和电子芯片4、4'、4"之间的接口可以处于功能体积3中。

Claims (23)

1.传感器(2、2'、2")，其具有设置在功能体积(3)内的电子芯片(4、4'、4")和传感器芯片(5、5'、5")，所述功能体积最多4mm至5mm长、最多2mm至3mm宽并且最多0.5mm至0.8mm高。
2.按照权利要求1所述的传感器，其特征在于，在功能体积(3)内设置有多个电子芯片(4、4'、4")和/或多个传感器芯片(5、5'、5")。
3.按照权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，电子芯片(4、4'、4")具有多个模拟的和/或数字的接口，利用所述接口可评估不同的传感器芯片。
4.按照上述权利要求之一所述的传感器，其特征在于，借助电子芯片(4、4'、4")和/或传感器芯片(5、5'、5")进行通过无线电接口或通过触点的不可插接连接实现的无线的能量和/或数据传输。
5.按照上述权利要求之一所述的传感器，其特征在于，带有转换元件(10、10'、10")的传感器芯片(5、5'、5")和/或带有转换元件(10)和传感器前端(11)的传感器芯片(5)整体上以180nmCMOS工艺制造。
6.按照上一权利要求所述的传感器，其特征在于，转换元件(10)构成为在硅膜片上的晶体管或电阻。
7.按照上述权利要求之一所述的传感器，其特征在于，利用所述传感器芯片(5、5'、5")可测量在10-500Pa的范围中的压差。
8.按照上述权利要求之一所述的传感器，其特征在于，传感器芯片(5、5'、5")具有5Pa的分辨率。
9.按照权利要求7所述的传感器，其特征在于，传感器芯片(5、5'、5")具有处于1Pa至小于5Pa的范围中的分辨率。
10.按照权利要求7所述的传感器，其特征在于，传感器芯片(5、5'、5")具有处于大于5Pa直至10Pa的范围中的分辨率。
11.按照上述权利要求之一所述的传感器，其特征在于，电子芯片(4、4'、4")和传感器芯片(5、5'、5")并排地设置在一个电路板(6、6'、6")上。
12.按照上述权利要求之一所述的传感器，其特征在于，电子芯片(4、4')和传感器芯片(5、5')通过接合线(17)相互导电连接。
13.按照权利要求1至11之一所述的传感器，其特征在于，电子芯片(4")和传感器芯片(5")通过倒装芯片连接在使用触点接通小丘(18)的情况下相互导电连接。
14.按照上述权利要求之一所述的传感器，其特征在于，传感器芯片(5、5'、5")具有膜片(19'、19")和电子设备(20'、20")。
15.按照上述权利要求之一所述的传感器，其特征在于，传感器芯片(5'、5")具有硅基底(21'、21")，膜片(19'、19")蚀刻到所述硅基底中，所述膜片除去转换元件(10'、10")没有电子设备和/或氧化层。
16.按照上述权利要求之一所述的传感器，其特征在于，电子芯片(4、4'、4")和传感器芯片(5、5'、5")设置在一个电路板(6、6'、6")上，在所述电路板中构成通道(6'a、6"a)，其中，所述通道(6'a、6"a)是至如下体积(22'、22")的唯一的导流入口，所述体积由电路板(6、6'、6")、传感器芯片(5、5'、5")和围绕传感器芯片(5、5'、5")的密封圈(23'、23")形成，其中，膜片(19'、19")的第一膜片面(19'a、19"a)朝向所述体积(22'、22")。
17.过滤元件(1a)，其具有基体(1)，其中，在基体(1)上设置按照上述权利要求之一所述的传感器(2、2'、2")。
18.按照权利要求17所述的过滤元件，其特征在于，基体(1)具有过滤介质(7)，所述过滤介质具有流入侧(8)和流出侧(9)，其中，传感器芯片(5、5'、5")是如此高分辨率的，使得在流入侧(8)和流出侧(9)之间的在10-500Pa的范围中的压差可被检测。
19.按照权利要求18所述的过滤元件，其特征在于，传感器芯片(5、5'、5")具有5Pa的分辨率或传感器芯片(5、5'、5")具有处于1Pa至小于5Pa的范围中的分辨率，或传感器芯片(5、5'、5")具有处于大于5Pa直至10Pa范围中的分辨率。
20.过滤元件(1a)的应用，所述过滤元件包括传感器(2、2'、2")，所述传感器允许无线的能量和/或数据传输，所述应用是用在激光打印机、室内空气净化器、机动车、农业和/或工程机械中或上。
21.过滤元件(1a)的应用，所述过滤元件包括传感器(2、2'、2")，所述传感器允许利用线缆的能量和/或数据传输，所述应用是用在激光打印机、室内空气净化器、机动车、农业和/或工程机械中或上。
22.过滤元件(1a)的应用，所述过滤元件包括传感器(2、2'、2")，所述传感器允许能量和/或数据传输，所述应用是用于在医院中、在与卫生相关的区域中、在燃气轮机中、在压缩机中的结构通风，用于在食品工业中的干燥过程中、在表面处理技术中、在喷漆过程中的工业过程的通风，用于过滤工业的排出空气、用于在石棉吸出时的过滤、用于过滤油雾或用于过滤危险物质。
23.按照权利要求20至22之一所述的应用，其特征在于，使用按照权利要求17至19之一所述的过滤元件(1a)。
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