CN107250748B - 内部温度测定装置以及传感器封装体 - Google Patents

Abstract

内部温度测定装置1包括：传感器封装体10，在带底筒状的封装部11内配置有MEMS芯片20和温度传感器，所述MEMS芯片20包括用于测定通过封装部11底部的一部分区域的热通量的一个或多个热电堆，所述温度传感器用于测定作为MEMS芯片20的规定部分的温度使用的基准温度；印刷电路板30，基于传感器封装体10的输出来计算测定对象物的内部温度；传感器封装体10的外底面具有通过设置于印刷电路板30的贯通孔从印刷电路板30的板面凸出的结构。

Description

内部温度测定装置以及传感器封装体

技术领域

本发明涉及内部温度测定装置和传感器封装体。

背景技术

作为检测从体表面流出的热流的大小并基于该检测结果来测定(计算)深部体温的方法，已知具有使用图6A所示的结构的传感器模块的方法(例如，参照专利文献1)和使用图6B所示的结构的传感器模块的方法(例如，参照专利文献2)。

在使用图6A所示的传感器模块，即在绝热材料的上下表面分别安装有温度传感器的一个热通量传感器的情况下，可利用下式(1)，基于由绝热材料的上表面侧的温度传感器测定的温度Ta和由绝热材料的下表面侧的温度传感器测定的温度Tt来计算出深部体温Tb。

Tb＝(Tt-Ta)Rx/R1+Tt…(1)

其中，R1、Rx分别为绝热材料的热电阻、皮下组织的热电阻。

即，使用图6A所示的传感器模块的内部温度计算方法基本上使用固定值作为R1和Rx的值。但是，由于Rx值为存在位置上的差异、个体差异的值，因此，在使用固定值作为Rx值来利用上述数式来计算出的深部体温Tb中包括与使用的Rx值与实际的Rx值之差相对应的测定误差。因此，也通过测定Tt、Ta的时间变化并基于测定结果来计算Rx(参照专利文献1)。

在使用图6B所示的传感器模块来计算内部温度的情况下，通过绝热材料的热电阻不同的两个热通量传感器，分别测定表示来自体表面的热通量的温差。若通过绝热材料的热电阻不同的两个热通量传感器测定温差，则能够得到下面的两个数式。

Tb＝(Tt-Ta)Rx/R1+Tt…(2)

Tb＝(Tt’-Ta’)Rx/R2+Tt’…(3)

其中，Ta、Ta’分别为利用图6B中的左侧、右侧所示的热通量传感器的上表面侧的温度传感器测定的温度。Tt和Tt’分别为利用图6B中的左侧、右侧所示的热通量传感器的下表面侧的温度传感器测定的温度。如图6B所示，R1、R2为各热通量传感器的绝热材料的热电阻。

在R1和R2为已知数的情况下，上述的两个数式中的未知数仅为Rx和Tb。因此，能够基于数式(2)和(3)求出Tb。在使用图6B所示的传感器模块计算内部温度的情况下，通过该原理，能够测定(计算)深部体温Tb。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2002-372464号公报

专利文献2：日本特开2007-212407号公报

发明内容

发明要解决的问题

图6A、图6B所示的传感器模块利用多个温度传感器得到Tb的计算所需的信息。并且，温度传感器的精度并不高，因此，在图6A、图6B所示的传感器模块中使用热电阻和热容量大的绝热材料。因此，这些传感器模块为响应性差(直至得到稳定的深部体温的测定结果为止所需的时间长)的模块。

若将具有热电堆的MEMS(Micro Electro Mechanical System：微机电系统)芯片用于测定温差，则用于测定深部体温的模块的热电阻和热容量大大降低，因此，能够以响应性更好的方式测定深部体温。因此，进行使用MEMS芯片的内部温度测定装置的开发。但是，在现有内部温度测定装置中所采用的在印刷布线板上配置MEMS芯片的结构中，难以使MEMS芯片与测定对象物之间良好地进行热接触。

此处，本发明的课题在于，提供能够使MEMS芯片与测定对象物之间良好地进行热接触的内部温度测定装置和用于制造这样的内部温度测定装置的传感器封装体。

解决问题的手段

为了解决上述课题，本发明的用于对测定对象物的内部温度进行测定的内部温度测定装置包括：

传感器封装体，在该传感器封装体的带底筒状的封装部内配置有MEMS芯片和温度传感器，所述MEMS芯片包括用于测定通过所述封装部的底部的一部分区域的热通量的一个或多个热电堆，所述温度传感器用于测定作为所述MEMS芯片的规定部分的温度使用的基准温度，

印刷电路板，基于所述传感器封装体的输出来计算测定对象物的内部温度；

所述传感器封装体的外底面具有通过设置于所述印刷电路板的贯通孔，从所述印刷电路板的板面凸出。

即，本发明的内部温度测定装置为，MEMS芯片配置于封装部的底部上而非配置于印刷电路板(构成印刷电路板的印刷布线板)上的结构，封装部的外底面具有从印刷电路板的板面(下表面)凸出的结构。因此，根据本发明的内部温度测定装置，能够使MEMS芯片与测定对象物(人体等)之间良好地进行热接触。

此外，本发明的内部温度测定装置中的“带底筒状的封装部”为具有带底圆筒状、带底椭圆筒状、带底方筒状等的底部和围绕该底部周围的侧壁部的封装部即可。另外，对本发明的内部温度测定装置也可以采用如下结构，即，“所述封装部的所述底部包括非传热部和传热部，该传热部由导热性比所述非传热部的构成材料的导热性好的材料(例如，金属)构成，所述MEMS芯片中的至少一部分位于所述传热部上”。

对本发明的内部温度测定装置也可以采用如下结构，即，“所述传感器封装体的所述封装部具有多条引线，所述多条引线贯通所述封装部的筒状壁，且比所述筒状壁更靠外侧的顶端部的朝向同一方向的面位于同一平面上，利用所述多条引线的所述顶端部的所述面，使所述传感器封装体安装于所述印刷电路板”。此外，若对本发明的内部温度测定装置采用该结构，则与采用其他结构的情况相比，能够容易地制造(组装)装置。另外，为了进一步提高MEMS芯片与测定对象物(人体等)之间的热接触性，也可以采用如下结构，即，“所述传感器封装体的所述外底面具有中央部凸出的曲面形状”。

也可以利用模具成型来形成本发明的内部温度测定装置的传感器封装体的封装部。若如此形成，则易于制造传感器封装体，因此，能够容易地(以总工序数更少的方式)实现本发明的内部温度测定装置。

另外，为了防止从上方入射的光被传感器封装体的内表面反射而向MEMS芯片入射的情况，为了使传感器封装体10内的空气温度稳定，也可以利用黑色构件覆盖本发明的内部温度测定装置的封装部的筒状壁的内表面。

另外，本发明的传感器封装体，用于获取在测定对象物的内部温度的计算中使用的数据，

该传感器封装体包括：

带底筒状的封装部，

配置于所述封装部内的MEMS芯片和温度传感器，所述MEMS芯片包括用于测定通过所述封装部的底部的一部分区域的热通量的一个或多个热电堆，所述温度传感器用于测定作为所述MEMS芯片的规定部分的温度使用的基准温度，

所述封装部具有多条引线，所述多条引线贯通所述封装部的筒状壁，且比所述筒状壁更靠外侧的顶端部的朝向同一方向的面位于同一平面上。

因此，若使用本发明的传感器封装体，则能够实现能够使MEMS芯片与测定对象物之间良好地进行热接触的内部温度测定装置。

发明效果

根据本发明，能够提供能够使MEMS芯片与测定对象物之间良好地热接触的内部温度测定装置。

附图说明

图1是本发明一实施方式的内部温度测定装置的概略结构图。

图2是在实施方式的内部温度测定装置所具有的传感器封装体中使用的封装部的立体图。

图3A是配置于封装部内的MEMS芯片的一个例子的上表面图。

图3B是图3A所示的MEMS芯片的沿图3A中的III-III线的剖视图。

图4是实施方式的内部温度测定装置的使用例的说明图。

图5是实施方式的内部温度测定装置的使用例的说明图。

图6A是用于测定(计算)深部体温的传感器模块的说明图。

图6B是用于测定(计算)深部体温的传感器模块的说明图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

图1示出本发明一实施方式的内部温度测定装置1的概略结构。

本实施方式的内部温度测定装置1是作为用于测定人体的内部温度(深部体温)的装置而开发的。如图所示，内部温度测定装置1具有传感器封装体10和印刷电路板30。

印刷电路板30是将运算电路32a等各种器件32(电阻、电容器等)安装于印刷布线板31上的单元。运算电路32a是基于传感器封装体10(后述的MEMS芯片20、ASIC(Application Specific Integrated Circuit：专用集成电路)26)测定的温差、温度的测定结果计算并输出所述测定对象物的内部温度的电路。

如图所示，在该印刷电路板30的印刷布线板31上设置有用于插入传感器封装体10的贯通孔。在该贯通孔的周围设置有多个焊盘(省略图示)，以使其与插入贯通孔的传感器封装体10的各引线13相对。

传感器封装体10是用于测定内部温度的计算所需的值(温度和一个以上的温差)的模块。内部温度测定装置1构成为使该传感器封装体10的图1中的下侧的面与人体表面接触所使用的装置。在下面的传感器封装体10、内部温度测定装置1的说明中，将图1中的上、下表示为上、下。

传感器封装体10是将MEMS芯片20和ASIC26配置于封装部11的内底面的模块。如图1中所示，对传感器封装体10采用封装部11，为了使与人体表面的热接触状态变得良好，该封装部11将其下表面形状形成为中央部分向下方凸出的曲面形状。

下面，对封装部11进一步详细地说明。

图2示出了封装部11的结构。如图所示，封装部11具有大致带底四方筒状框体12。在封装部11的框体12的相对的侧壁12a、12b分别设置有贯通侧壁12a/12b的距框体12的内底面规定高度的部分的多条引线13。各引线13的侧壁12a/12b的贯通位置被设定为，在将传感器封装体10的底部侧插入印刷布线板31的贯通孔时，传感器封装体10的下表面从印刷电路板30(印刷布线板31)的下表面凸出。

另外，在封装部11的框体12的底部由高导热性的材料(本实施例中为金属)制的传热垫片14以及低导热性的材料制的部分构成。传热垫片14是为了使热量从人体良好地传递到MEMS芯片20和ASIC26而设置的构件，传热垫片14的形状被设定为，能够在其上配置MEMS芯片20和ASIC26。

框体12的侧壁的构成材料为导热性较差的材料即可，框体12的底部(下面，也记载为框体底部)的除了传热垫片14以外的部分的构成材料为导热性比传热垫片14的构成材料差的材料即可。但是，若使框体12侧壁的构成材料和框体底部的除传热垫片14以外的部分的构成材料为相同的树脂，则能够利用模具成型(嵌入成型)制造封装部11。因此，优选地，使框体12的侧壁的构成材料和框体底部的除传热垫片14以外的部分的构成材料为相同的树脂。

MEMS芯片20(图1)是使用MEMS技术制造的小型温差传感器(热通量传感器)，其具有一个以上的热电堆，该热电堆用于测定因经由封装部11的框体底部流入的热通量而在芯片内产生的温差。

用于传感器封装体10的MEMS芯片20的具体结构为与用于计算内部温度的计算方法相对应的结构。即，如在“背景技术”部分说明的那样，在内部温度的计算方法中具有需要两个温差(Tt-Ta、Tt’-Ta’)的方法和只需要一个温差的方法。

在将前者的方法用于计算内部温度的情况下，使用MEMS芯片20，该MEMS芯片20具有用于测定ΔT(相当于“Tt-Ta”的温差)的一个以上的热电堆和用于测定ΔT’(相当于“Tt’-Ta’”的温差)的一个以上的热电堆。另外，在将后者的方法用于计算内部温度的情况下，使用具有用于测定ΔT(1种温差)的一个以上的热电堆的MEMS芯片20。

下面，使用图3A和图3B对前者的MEMS芯片20的一个例子即MEMS芯片20a进行说明。此外，图3A是MEMS芯片20a的上表面图，图3B是MEMS芯片20a的沿图3A中的III-III线的剖视图。另外，在关于MEMS芯片20的下面的说明中，上、下、左、右是图3B中的上、下、左、右。

如图3B所示，MEMS芯片20a具有顶面部21和支撑部22。顶面部21是使用各种半导体工艺(成膜、抗蚀剂图案形成、蚀刻等)形成于硅基板上的部分。支撑部22是将形成顶面部21的硅基板从背面侧(图3B中的下侧)进行蚀刻而形成的部分。

如图3B所示，MEMS芯片20a的支撑部22具有到达顶面部21的一个以上的空洞(被蚀刻的部分)。下面，将位于支撑部22的空洞上方的顶面部21的部分记载为膜部。另外，将支撑部22的图3A所示的各点划线框25内的部分(位于热电堆24的测温对象的顶面部21的部分下方的支撑部22的部分)记载为脚部23。

如图3A和图3B所示，在MEMS芯片20a的顶面部21内设置有将多个热电偶进行串联连接的热电堆24a和24b。此外，虽省略了图示，但在MEMS芯片20a的顶面部21的上表面设置有用于获取各热电堆24的输出的电极。

构成热电堆24a的各热电偶和构成热电堆24b的各热电偶为大致相同的长度。如图3A所示，构成热电堆24a的各热电偶的热接点、冷接点分别配置于MEMS芯片20a左侧的脚部23(支撑部22的左侧的点划线框25内的部分)上方、膜部内的MEMS芯片20a的左右方向的大致中央部分。另外，构成热电堆24b的各热电偶的热接点、冷接点分别配置于MEMS芯片20a的右侧的脚部23上方、膜部内的MEMS芯片20a的左右方向的大致中央部分。

MEMS芯片20a的支撑部22所具有的空洞的左右方向的中心比MEMS芯片20a的左右方向的中心更靠左侧。其结果，从MEMS芯片20a的左侧脚部23的下表面至设置有热电堆24a的冷接点组的顶面部21的部分的热路径的热电阻大于从右侧的脚部23的下表面至设置有热电堆24b的冷接点组的顶面部21的部分的热路径的热电阻。

因此，该MEMS芯片20a作为利用热电堆24a测定ΔT，利用热电堆24b测定ΔT’(＜ΔT)的器件发挥作用。

ASIC26(图1)是输入输出用多个电极设置于其上表面的集成电路。ASIC26内置有温度传感器。另外，ASIC26具有用于放大温度传感器的输出以及MEMS芯片20的各热电堆24的输出的功能和对放大后的各输出进行数字数据化的功能。作为该ASIC26，例如可以使用如下的集成电路，该集成电路具有用于输出与绝对温度成比例的电压的PTAT(Proportional To Absolute Temperature：与绝对温度成比例)电压源(即，发挥温度计功能的电压源)，PTAT电压源的结构构件具有温度传感器的功能。

如图1所示，传感器封装体10为如下模块：将上述那样的ASIC26和MEMS芯片20配置于封装部11(框体12)的传热垫片14上，并将MEMS芯片20与ASIC26之间和引线13与ASIC26之间利用引线键合电连接。

并且，内部温度测定装置1构成为：在将具有上述结构的传感器封装体10的底部插入印刷电路板30(印刷布线板31)的贯通孔的状态下，利用引线13将传感器封装体10固定于印刷电路板30。

以上，如说明的那样，本实施方式的内部温度测定装置1为MEMS芯片20配置于封装部11的内底面上而非印刷电路板30(作为印刷电路板30的结构构件的印刷布线板31)上的结构，并且具有封装部11的下表面(外底面)从印刷电路板30的板面(下表面)凸出的结构。而且，内部温度测定装置1的传感器封装体10(封装部11)的下表面具有中央部分向下方(人体侧)凸出的曲面形状。因此，根据内部温度测定装置1，能够使MEMS芯片20与人体之间良好地进行热接触。

下面，对内部温度测定装置1补充几点说明。

MEMS芯片20通常使用银浆等导热性良好的粘合剂固定于传热垫片14上。此时，也可以使MEMS芯片20的下表面的整个区域利用银浆等固定于传热垫片14上。但是，这样一来，膜部的下方的空洞成为封闭区域，因此，因温度升高会导致空洞内的空气的压力升高，从而膜部会破损。

因此，优选将MEMS芯片20以各空洞不成为封闭区域的方式固定于传热垫片14上，但是在某脚部23与传热垫片14之间存在导热性差的部分时，利用热接点存在于该脚部23上的热电堆24测定的温差中可能包括因上述部分导致的误差。并且，若仅在MEMS芯片20的各脚部23的下表面整个区域涂敷银浆等，并将MEMS芯片20固定于传热垫片14上，则能够不降低MEMS芯片20的性能，从而能够抑制因空洞内的空气的压力升高而产生膜部破损。

因此，在制造(组装)传感器封装体10时，优选地，仅在MEMS芯片20的各脚部23的下表面整个区域涂敷银浆等，并将MEMS芯片20固定于传热垫片14上。但是，根据MEMS芯片20的结构，在脚部23中有时也存在与传热垫片14之间的导热性差也无妨的脚部23。对传感器封装体10使用这样结构的MEMS芯片20的情况下，也可以仅在需要与传热垫片14之间的导热性良好的各脚部23的下表面整个区域涂敷银浆等，并将MEMS芯片20固定于传热垫片14上。

将框体底部(框体12的底部)的配置有MEMS芯片20和ASIC26的部分作为高导热性的传热垫片14(参照图1)是因为，原则上，框体底部的厚度方向的导热性越良好，则越能够准确地测定温差。但是，在基于ΔT和ΔT’来计算内部温度的情况下，由于传热垫片14的横向(与厚度方向垂直的方向)的导热性良好，因此，有时会导致内部温度的推定误差(内部温度的计算结果与实际的内部温度之差)变大。因此，也可以不在框体底部设置传热垫片14，而利用导热性较差的材料形成框体底部。

另外，在使用具有ΔT测定用热电堆24和ΔT’测定用热电堆24的MEMS芯片20(例如，图3A和图3B的MEMS芯片20a)的温差测定装置中，为了防止因框体底部的横向导热导致内部温度的推定误差增大，也可以将框体底部构成为，在MEMS芯片20的ΔT测定用热电堆24的热接点侧的脚部23下和ΔT’测定用热电堆24的热接点侧的脚部23下分别设置传热垫片14，并利用导热性差的构件将这些传热垫片14之间隔离。

另外，传感器封装体10为如下构件，在测定环境为不从上方向传感器封装体10内入射光(红外线等)且传感器封装体10的上方的空气温度稳定的环境的情况下，能够在图1所示的状态，即上部不被密封的状态下使用。但是，测定环境为如上述那样的情况占少数。并且，在从上方向传感器封装体10内入射光的情况或传感器封装体10上方的空气温度发生变化的情况下，会导致温差的测定精度降低。因此，传感器封装体10通常如图4中示意性所示的那样，在利用开口部以上的尺寸的盖部15覆盖其开口部(上表面)的状态下使用。

另外，传感器封装体10是上方的空气温度越低则灵敏度越高的模块。因此，在利用盖部15覆盖传感器封装体10的开口部的情况下，如图4所示，也可以在盖部15的下表面设置用于吸收红外线的构件16。另外，作为传感器封装体10的盖部15，也可以采用具有散热性良好的形状的构件，例如具有散热片的构件、面积为传感器封装体10的开口部的面积的数倍的构件。

另外，如图5示意性地所示，也可以不设置盖部15，而利用框体18包围除传感器封装体10的下表面以外的部分。此外，在此情况下，也可以通过在框体18的传感器封装体10的开口部上方的部分设置用于吸收红外线的构件16，从而能够提高内部温度测定装置的灵敏度。

为了防止从上方入射的光被传感器封装体10的内表面反射而向MEMS芯片20入射的情况，为了使传感器封装体10内的空气温度稳定，也可以利用黑色构件，例如黑色的涂料、黑色的树脂来覆盖传感器封装体10(封装部11、框体12)的内表面。

另外，也可以将具有生物体适应性的绝缘性的薄膜、树脂构件等固定于传感器封装体10的下表面。另外，也可以在传感器封装体10的下表面设置多个由曲面构成的凸结构，来替代使传感器封装体10的下表面成为中央部分向下方凸出的曲面状。也可以使传感器封装体10的下表面成为平坦面，这样会使该下表面与人体间的热接触性稍微变差。

为了能够利用引线13将传感器封装体10安装在印刷电路板30(可电连接以及物理连接)上，多条引线13的外侧的顶端部的朝向同一方向(下方向或上方向)的面位于同一平面即可。因此，也可以使传感器封装体10的多条引线13的形状成为鸥翼状。另外，传感器封装体10的封装部11(框体12)的形状也可以是与上述形状不同的形状(除带底四方筒状以外的带底方筒状、带底圆筒状、带底椭圆筒状等)，也可以将内部温度测定装置1变形为用于测定除人体以外的测定对象物内部温度的装置等，这些都是理所当然的。

附图标记的说明：

1 内部温度测定装置

10 传感器封装体

11 封装部

12、18 框体

12a、12b 侧壁

13 引线

14 传热垫片

15 盖部

20 MEMS芯片

21 顶面部

22 支撑部

23 脚部

24、24a、24b、24c 热电堆

26 ASIC

30 印刷电路板

31 印刷布线板

32 器件

32a 运算电路

Claims (15)

1.一种内部温度测定装置，用于对测定对象物的内部温度进行测定，其特征在于，

包括：

传感器封装体，在传感器封装体的带底筒状的封装部内配置有MEMS芯片和温度传感器，所述MEMS芯片包括用于测定通过所述封装部的底部的一部分区域的热通量的一个或多个热电堆，所述温度传感器用于测定作为所述MEMS芯片的规定部分的温度使用的基准温度，

印刷电路板，基于所述传感器封装体的输出来计算测定对象物的内部温度；

所述传感器封装体的外底面通过设置于所述印刷电路板的贯通孔，从所述印刷电路板的板面凸出。

2.根据权利要求1所述的内部温度测定装置，其特征在于，

所述封装部的所述底部包括非传热部和传热部，该传热部由导热性比所述非传热部的构成材料的导热性好的材料构成，

所述MEMS芯片中的至少一部分位于所述传热部上。

3.根据权利要求2所述的内部温度测定装置，其特征在于，

所述传热部的构成材料为金属。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的内部温度测定装置，其特征在于，

所述传感器封装体的所述封装部具有多条引线，所述多条引线贯通所述封装部的筒状壁，且比所述筒状壁更靠外侧的顶端部的朝向同一方向的面位于同一平面上，

利用所述多条引线的所述顶端部的所述面，使所述传感器封装体安装于所述印刷电路板。

5.根据权利要求1～3中任一项所述的内部温度测定装置，其特征在于，

所述传感器封装体的所述外底面具有中央部凸出的曲面形状。

6.根据权利要求4所述的内部温度测定装置，其特征在于，

所述传感器封装体的所述外底面具有中央部凸出的曲面形状。

7.根据权利要求1～3中任一项所述的内部温度测定装置，其特征在于，

所述封装部通过模具成型形成。

8.根据权利要求4所述的内部温度测定装置，其特征在于，

所述封装部通过模具成型形成。

9.根据权利要求5所述的内部温度测定装置，其特征在于，

所述封装部通过模具成型形成。

10.根据权利要求6所述的内部温度测定装置，其特征在于，

所述封装部通过模具成型形成。

11.根据权利要求4所述的内部温度测定装置，其特征在于，

所述封装部的所述筒状壁的内表面被黑色构件覆盖。

12.根据权利要求6所述的内部温度测定装置，其特征在于，

所述封装部的所述筒状壁的内表面被黑色构件覆盖。

13.根据权利要求8所述的内部温度测定装置，其特征在于，

所述封装部的所述筒状壁的内表面被黑色构件覆盖。

14.根据权利要求10所述的内部温度测定装置，其特征在于，

所述封装部的所述筒状壁的内表面被黑色构件覆盖。

15.一种传感器封装体，用于获取在测定对象物的内部温度的计算中使用的数据，其特征在于，

包括：

带底筒状的封装部，

配置于所述封装部内的MEMS芯片和温度传感器，所述MEMS芯片包括用于测定通过所述封装部的底部的一部分区域的热通量的一个或多个热电堆，所述温度传感器用于测定作为所述MEMS芯片的规定部分的温度使用的基准温度，

所述封装部具有多条引线，所述多条引线贯通所述封装部的筒状壁，且比所述筒状壁更靠外侧的顶端部的朝向同一方向的面位于同一平面上。