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WO2016016085A1 - Sensor, filterelement mit einem sensor und verwendung eines solchen filterelements - Google Patents

Sensor, filterelement mit einem sensor und verwendung eines solchen filterelements Download PDF

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WO2016016085A1
WO2016016085A1 PCT/EP2015/066877 EP2015066877W WO2016016085A1 WO 2016016085 A1 WO2016016085 A1 WO 2016016085A1 EP 2015066877 W EP2015066877 W EP 2015066877W WO 2016016085 A1 WO2016016085 A1 WO 2016016085A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
sensor
chip
sensor chip
filter element
sensor according
Prior art date
Application number
PCT/EP2015/066877
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Caesar
Renate Tapper
Steffen Heinz
Marco NEUBERT
Original Assignee
Carl Freudenberg Kg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Carl Freudenberg Kg filed Critical Carl Freudenberg Kg
Priority to CN201580045566.9A priority Critical patent/CN106796151A/zh
Priority to RU2017106102A priority patent/RU2665341C1/ru
Priority to KR1020177005437A priority patent/KR20170036081A/ko
Priority to US15/500,545 priority patent/US10189701B2/en
Priority to CA2956867A priority patent/CA2956867C/en
Priority to JP2017505633A priority patent/JP2017528701A/ja
Priority to EP15745425.7A priority patent/EP3174617A1/de
Publication of WO2016016085A1 publication Critical patent/WO2016016085A1/de

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Definitions

  • the invention relates to a sensor, a filter element with a sensor and a use of a filter element with a sensor.
  • a disadvantage of the known filter elements is that the sensors are often made relatively large in order to detect and evaluate one or more physical variables.
  • the production of such filter elements is relatively expensive.
  • larger sensors are difficult to mount on filter elements.
  • the detection of very small pressure differences in the range 10 - 500 Pa is possible in the prior art only with relatively large sensors and requires a lot of space.
  • the connection of such a relatively large sensor to a filter element is quite difficult and expensive.
  • contacting such a sensor is often done by cables. The latter is above all not worthwhile, because a handling of cables is cumbersome and of
  • the invention is therefore based on the object, a cost-effective
  • Specify filter element which has a compact sensor.
  • a 180 nm technology can be used to arrange electronics and a membrane on a sensor chip. This allows the compact design of the sensor chip and thus of the functional volume.
  • the electronic chip could have a plurality of analog and / or digital interfaces with which different sensor chips can be evaluated. As a result, a single electronic chip can be combined with various sensors or sensor chips.
  • the sensor chip with a transducer element and / or the sensor chip with a transducer element and a sensor front end could be used in their entirety in a 180 nm CMOS technology, in particular for detecting a Differential pressure in the range 10 - 500 Pa with a resolution of 5 Pa, be made. As a result, pressures can be measured accurately and efficiently.
  • the transducer element could be designed as a transistor or resistor on a silicon membrane. As a result, a very reliable arrangement is created.
  • the electronics chip and the sensor chip could be arranged side by side on a circuit board. As a result, a very flat structure is realized.
  • the electronic chip and the sensor chip could be electrically conductively connected to one another by bonding wires.
  • the electronics chip and the sensor chip can be placed very close to each other. The usage of
  • Bonding wires allow easy fabrication because the bonding wires are mounted on the sides of the chips facing away from the board.
  • the electronic chip and the sensor chip could be electrically conductively connected to one another by a flip-chip connection using contact bumps, namely so-called "bumps.” This contacting makes sense when electrical devices, namely, in particular
  • Oxide layers which are arranged on a silicon substrate, facing a circuit board and facing away from the pure silicon side of the silicon substrate of the circuit board.
  • the sensor chip could include a membrane and electronic devices.
  • the sensor chip may consist of a silicon substrate, is arranged on and / or in the electronics.
  • the sensor chip can be constructed very compact. It is even conceivable that the membrane only consists of one
  • the sensor chip could comprise a silicon substrate in which a membrane is etched, which is free of electronic devices and / or oxide layers except for transducer elements.
  • Transducer elements are preferably designed as n- or p-doped regions on and / or in the membrane. By etching the membrane also a compact structure of the sensor chip is generated, as an intrinsic in the
  • Silicon substrate existing material is used as a membrane.
  • the membrane is therefore designed as a silicon membrane.
  • Electronics or oxide layers with a thickness of about 10 m could be etched away until reaching the Sliziumsubstrats, on the other hand up to 500 ⁇ depth is etched into the silicon substrate into to create the membrane.
  • the electronics chip and the sensor chip could be arranged on a circuit board in which a passage is formed, wherein the passage is the only fluid-conducting access to a volume which is formed by the circuit board, the sensor chip and a sealing ring surrounding the sensor chip or sealed , wherein the volume is a first
  • Membrane surface facing a membrane A second membrane surface which faces the first membrane surface faces the atmosphere or another volume fluid-tightly separated from the volume.
  • the functional volume in the literal sense of this document is formed only by the sums of the extensions of the electronic chips and sensor chips in each case in the x, y and z directions.
  • the bonding wires, the Greierhügel and / or parts of a Abdichtkranzes contribute nothing to the functional volume or increase this not.
  • the bonding wires, the Druckierhügel and Parts of the sealing ring protrude beyond the functional volume.
  • a part of the Abdichtkranzes, which is arranged between an electronic chip and sensor chip, has to be disregarded in the total extension of the functional volume in the x, y or z direction. Decisive are only the dimensions of the electronic chips and sensor chips as such in the respective directions. In Fig. 5, the calculation or detection of the extensions x and z
  • a filter element according to the invention comprises a base body, wherein a sensor of the type described here is arranged on the base body.
  • the main body could comprise a filter medium, which is a
  • Outflow side in the range 10 - 500 Pa is detectable. This allows
  • the sensor chip could have a resolution of 5 Pa against this background.
  • the sensor chip could have a resolution that ranges from 1 Pa to less than 5 Pa.
  • the sensor chip could have a resolution that is greater than 5 Pa to 10 Pa.
  • Laser printers emit particles that are harmful to health as fine dust
  • Filter elements are deposited.
  • the filter elements settle by a particle storage and must be replaced regularly, the change time depends heavily on the use of the device, such as the type of prints and the paper used. Because of this, a change in fixed time or counting intervals does not make sense. Thus, monitoring of the condition of a filter element is required. This can be done in particular by measuring a pressure difference. Usual sensors for pressure difference measurement must be installed in the device.
  • connection of the sensor to a device electronics is required. This connection usually takes place via a cable. Cabling is too uncomfortable to use a filter element in a laser printer that requires a simple, layman-friendly replacement.
  • a filter element is used with a sensor that allows wireless energy and / or data transmission, in or on a laser printer, a room air cleaner, a motor vehicle, agricultural and / or construction machine.
  • filter elements with integrated sensor and wireless energy and data transmission,
  • a filter element with a sensor having an energy and / or
  • Data transmission with or without cable allowed could be used for building ventilation, in hospitals, in hygiene relevant areas, in gas turbines, in
  • Compressors used for aeration of industrial processes in drying processes in the food industry, in surface engineering, in painting processes, for filtering industrial waste air, for filtering asbestos removal, for filtering oil mist or for filtering hazardous substances.
  • a filter element in the sense of this description is a device or arrangement for separating particles or gaseous substances from a fluid, wherein particles may be solids or liquid droplets and wherein the fluid may be liquid or gaseous.
  • these may be filter elements with a folded filter medium made of paper or nonwoven fabric, fillings or foam structures.
  • the main body can be configured as a bellows, as a flat filter medium, as a frame or as another component of the filter element.
  • the sensor can therefore be located anywhere on the filter element.
  • Fig. 1 shows a filter element with a folded filter medium, wherein the
  • Fiiterelement is associated with a sensor
  • Fig. 2 is a schematic view of the sensor, wherein the sensor has only two chips, namely an electronic chip and a sensor chip, which are interconnected, and a
  • Fig. 3 is a schematic view of the sensor chip 4 is a schematic view of the electronic chip
  • Fig. 5 is a schematic view of the sensor chip and the
  • Fig. 7 is a schematic transparent view of a sensor chip from above, which is arranged on a circuit board , where several
  • Fig. 1 shows a filter element 1a, comprising a base body 1, wherein the base body 1, a sensor 2 is arranged.
  • FIG. 2 shows that the sensor 2 has at least one electronic chip 4 and at least one sensor chip 5, which are located within one
  • Functional volume 3 are arranged, which is at most 4 to 5 mm at most 2 to 3 mm wide and at most 0.5 to 0.8 mm high.
  • the distance x is 5 mm
  • the distance y is 3 mm
  • the distance z is 0.8 mm.
  • the electronics chip 4 has a plurality of analog and / or digital interfaces with which various sensor chips can be evaluated.
  • By means of the electronic chip 4 and the sensor chip 5 is a wireless energy and / or data transmission. This can be done via a radio interface or via a non-pluggable connection of contacts.
  • the electronics chip 4 and the sensor chip 5 are arranged on a circuit board 6, which has a larger base area than the functional volume 3.
  • the main body 1 comprises a folded filter medium 7, which is a
  • the sensor chip 5 On the upstream side 8 and a downstream side 9, wherein the sensor chip 5 is so high resolution that a pressure difference between the upstream side 8 and outflow side 9 in the range 10 - 500 Pa can be detected.
  • the sensor chip 5 has a resolution of 5 Pa.
  • the filter medium 7 is made of a nonwoven fabric. However, paper can also be used as the filter medium.
  • the filter element 1 a may have glued edge strips. The edge strips can be one
  • the filter element 1 a can be configured as a combination filter.
  • a combination filter filters particles and gaseous substances.
  • the sensor chip 5 makes it possible to detect a differential pressure in the range 10 - 500 Pa.
  • the sensor chip 5 can either consist of only one transducer element 10, which converts a pressure change into an electrical signal, or of a transducer element 10 with a sensor front end 11.
  • the sensor chip 5 with a transducer element 10 and / or the sensor chip 5 with a transducer element 10 and a sensor front-end 1 1 is manufactured in its entirety in a 180 nm CMOS technology.
  • the sensor front end 11 could have an electronics or be configured as such.
  • the transducer element 10 could be designed as a transistor or as a resistor on a silicon membrane.
  • Fig. 4 shows a schematic view of the electronic chip 4.
  • Electronic chip 4 comprises analog and / or digital interfaces for connection to further sensors 12 or to further sensor chips.
  • Electronics chip 4 comprises a sensor front end 13.
  • the electronics chip 4 comprises a microcontroller for signal processing 14.
  • the electronics chip 4 comprises a memory 15.
  • the electronics chip 4 comprises an RFID front end 16 for a contactless supply and / or for supply via a contact connection , 5 shows with reference to a further sensor 2 'that the electronics chip 4' and the sensor chip 5 'are arranged side by side on a circuit board 6'.
  • the electronics chip 4 'and the sensor chip 5' are connected to one another in an electrically conductive manner by bonding wires 17.
  • 6 shows, by means of a further sensor 2 ", that the electronic chip 4" and the sensor chip 5 "are connected to one another in an electrically conductive manner by a flip-chip connection using contacting bumps 18, namely so-called" bumps ".
  • the sensor chip 5 ', 5 comprises a membrane 19', 19” and electronic devices 20 ', 20 “which may comprise oxide layers.
  • the sensor chip 5', 5" comprises one each Silicon substrate 21 ', 21 ", in which a membrane 19', 19” is etched, which is except for transducer elements 10 ', 10 "free of electronic devices or oxide layers.
  • the electronic chip 4 ', 4 "and the sensor chip 5', 5" are arranged on a board 6 ', 6 ", in which a passage 6'a, 6" a is formed, wherein the passage 6'a, 6 "a the only fluid-conducting access to a volume 22 ', 22 "is formed by the circuit board 6', 6", the sensor chip 5 ', 5 “and a sealing ring 23', 23” which surrounds the sensor chip 5 ', 5 ", wherein the volume 22 ', 22 "faces a first membrane surface 19'a, 19" a of the membrane 19', 19 ".
  • the electronic chip 4 ', 4" is glued.
  • the electronics chip 4 ', 4 " also has electronic devices 20', 20".
  • the volume 22 ', 22 " is sealed only by the circuit board 6', 6", the sensor chip 5 ', 5 "and the sealing ring 23', 23", which surrounds the sensor chip 5 ', 5 "on two different sides the membrane 19 ', 19 "prevail
  • the Abdichtkranz 23 ', 23 preferably consists of a potting compound, which can also flow into a small gap sealing. 7 shows, in a transparent view, that the contact mounds 18 surround a membrane 19 "The contact mounds 18 must be mounted so precisely that the sensor chip 5" or the membrane 19 "
  • An interface between the sensor chip 5, 5 ', 5 "and the electronics chip 4, 4', 4" can be located in the functional volume 3.

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Abstract

Ein Sensor (2, 2', 2"), umfassend einen Elektronikchip (4, 4', 4") und einen Sensorchip (5, 5', 5"), welche innerhalb eines Funktionsvolumens (3) angeordnet sind, welches höchstens 4 bis 5 mm lang, höchstens 2 bis 3 mm breit und höchstens 0,5 bis 0,8 mm hoch ist, löst die Aufgabe, ein kostengünstiges Filterelement anzugeben, welches einen kompakten Sensor aufweist.

Description

Sensor, Filterelement mit einem Sensor und Verwendung
eines solchen Filterelements
Beschreibung
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Sensor, ein Filterelement mit einem Sensor und eine Verwendung eines Filterelements mit einem Sensor.
Stand der Technik
Aus der DE 10 2010 044 616 A1 ist ein Mikrosystem für einen Filtereinsatz bekannt.
Aus der DE 10 2009 040 707 A1 ist bereits ein Filterelement bekannt, bei dem einem Filtermedium ein Sensor zugeordnet ist.
Bei den bekannten Filterelementen ist nachteilig, dass die Sensoren häufig relativ groß ausgebildet sind, um eine oder mehrere physikalische Größen zu erfassen und auszuwerten. Die Fertigung solcher Filterelemente ist relativ teuer. Des Weiteren sind größere Sensoren schwierig an Filterelementen zu montieren. Insbesondere die Erfassung von sehr kleinen Druckdifferenzen im Bereich 10 - 500 Pa ist im Stand der Technik nur mit relativ großen Sensoren möglich und erfordert viel Bauraum. Des Weiteren ist die Anbindung eines solch relativ großen Sensors an ein Filterelement recht schwierig und kostspielig. Überdies erfolgt ein Kontaktieren eines solchen Sensors häufig durch Kabel. Letzteres ist vor allem nicht erstrebenswert, weil ein Umgang mit Kabeln umständlich ist und von
Endkunden nicht akzeptiert wird.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein kostengünstiges
Filterelement anzugeben, welches einen kompakten Sensor aufweist.
Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 17 sowie 20 bis 23 gelöst.
Erfindungsgemäß ist zunächst erkannt worden, dass ein Bedarf nach einer Miniaturisierung eines Sensors zur Erfassung kleinster Druckdifferenzen im Bereich 10 - 500 Pa besteht. Mit einem solchen Sensor kann die
Verschmutzung eines Filterelements erfasst werden.
Darauf ist erkannt worden, dass eine Miniaturisierung und eine bevorzugt kabellose, nicht steckbare Energieversorgung es ermöglicht, den Sensor in ein Filterelement kostengünstig zu integrieren. Die Integration und der bevorzugt kabellose, nicht steckbare Energie- und Datentransfer erfordert zudem keinen zusätzlichen Installationsaufwand beim Einsatz der Filterelemente in
Filteranlagen. Erfindungsgemäß ist konkret erkannt worden, dass ein Sensor, welcher ein so geringes Funktionsvolumen aufweist, besonders leicht zu montieren ist. Des Weiteren kann Material eingespart werden, wenn das Funktionsvolumen derart klein gewählt wird. Insoweit ist ein kostengünstiges Filterelement angegeben, welches einen kompakten Sensor aufweist.
Folglich ist die eingangs genannte Aufgabe gelöst.
Es kann eine 180 nm-Technologie genutzt werden, um auf einem Sensorchip eine Elektronik und eine Membran anzuordnen. Dies erlaubt den kompakten Aufbau des Sensorchips und damit des Funktionsvolumens.
Innerhalb des Funktionsvolumens könnten mehrere Elektronikchips und/ oder mehrere Sensorchips angeordnet sein. Hierdurch sind mehrere physikalische Größen erfassbar.
Der Elektronikchip könnte mehrere analoge und/ oder digitale Schnittstellen aufweisen, mit welchen verschiedene Sensorchips auswertbar sind. Hierdurch kann ein einziger Elektronikchip mit verschiedenen Sensoren oder Sensorchips kombiniert werden.
Mittels des Elektronikchips und/ oder des Sensorchips könnte eine kabellose Energie- und/ oder Datenübertragung über eine Funkschnittstelle,
insbesondere eine RFID-Schnittstelle, oder über eine nicht steckbare
Verbindung von Kontakten möglich sein oder erfolgen. Hierdurch ist eine aufwendige Verkabelung nicht mehr notwendig.
Der Sensorchip mit einem Wandlerelement und/ oder der Sensorchip mit einem Wandlerelement und einem Sensor-Frontend könnte in seiner Gesamtheit in einer 180 nm CMOS-Technologie, insbesondere zur Erfassung eines Differenzdrucks im Bereich 10 - 500 Pa mit einer Auflösung von 5 Pa, gefertigt sein. Hierdurch sind Drücke exakt und effizient messbar.
Vor diesem Hintergrund könnte das Wandlerelement als Transistor oder Widerstand auf einer Siliziummembran ausgestaltet sein. Hierdurch wird eine sehr zuverlässige Anordnung geschaffen.
Der Elektronikchip und der Sensorchip könnten nebeneinander auf einer Platine angeordnet sein. Hierdurch wird ein sehr flacher Aufbau realisiert.
Der Elektronikchip und der Sensorchip könnten durch Bonddrähte miteinander elektrisch leitend verbunden sein. Der Elektronikchip und der Sensorchip können so sehr eng beieinander platziert werden. Die Verwendung von
Bonddrähten erlaubt eine einfache Fertigung, da die Bonddrähte auf den der Platine abgewandten Seiten der Chips angebracht werden.
Der Elektronikchip und der Sensorchip könnten durch eine Flip-Chip- Verbindung unter Verwendung von Kontaktierhügeln, nämlich von sogenannten „Bumps", miteinander elektrisch leitend verbunden sein. Diese Kontaktierung ist sinnvoll, wenn elektrische Einrichtungen, nämlich insbesondere
Oxidschichten, die auf einem Siliziumsubstrat angeordnet sind, einer Platine zugewandt sind und die reine Siliziumseite des Siliziumsubstrats der Platine abgewandt ist. Der Sensorchip könnte eine Membran und elektronische Einrichtungen umfassen. Der Sensorchip kann aus einem Silizumsubstrat bestehen, auf und/ oder in dem Elektronik angeordnet ist. Der Sensorchip kann so sehr kompakt aufgebaut sein. Es ist sogar denkbar, dass die Membran nur aus einem
Siliziumsubstrat und mindestens einem oder mehreren Wandlerelementen besteht. Ein Wandlerelement ist bevorzugt ein dotierter Bereich. Vor diesem Hintergrund könnte der Sensorchip ein Siliziumsubstrat umfassen, in welches eine Membran eingeätzt ist, die bis auf Wandlerelemente frei von elektronischen Einrichtungen und/ oder Oxidschichten ist. Die
Wandlerelemente sind bevorzugt als n- oder p-dotierte Bereiche auf und/ oder in der Membran ausgestaltet. Durch das Einätzen der Membran wird ebenfalls ein kompakter Aufbau des Sensorchips erzeugt, da ein intrinsisch im
Siliziumsubstrat vorhandenes Material als Membran genutzt wird. Die Membran ist daher als Siliziummembran ausgestaltet. Elektronik oder Oxidschichten mit einer Dicke von etwa 10 m könnten bis zum Erreichen des Sliziumsubstrats weggeätzt sein, wobei auf der anderen Seite bis zu 500 μιτι Tiefe in das Siliziumsubstrat hinein geätzt wird, um die Membran zu schaffen. Der Elektronikchip und der Sensorchip könnten auf einer Platine angeordnet sein, in welcher ein Durchgang ausgebildet ist, wobei der Durchgang der einzige fluidleitende Zugang zu einem Volumen ist, welches von der Platine, dem Sensorchip und einem den Sensorchip umfangenden Abdichtkranz gebildet bzw. abgedichtet begrenzt ist, wobei dem Volumen eine erste
Membranfläche einer Membran zugewandt ist. Eine zweite Membranfläche, welche der ersten Membranfläche gegenüberliegt, ist der Atmosphäre oder einem anderen vom Volumen fluiddicht abgetrennten Raum zugewandt.
Hierdurch kann der Sensorchip Differenzdrücke messen, wenn auf die zwei Membranflächen unterschiedliche Drücke einwirken.
Das Funktionsvolumen im Wortsinn dieser Schrift wird nur durch die Summen der Erstreckungen der Elektronikchips und Sensorchips jeweils in x-, y- und z- Richtung gebildet. Die Bonddrähte, die Kontaktierhügel und/ oder Teile eines Abdichtkranzes tragen nichts zum Funktionsvolumen bei bzw. vergrößern dieses nicht. Insbesondere können die Bonddrähte, die Kontaktierhügel und Teile des Abdichtkranzes über das Funktionsvolumen hinaus ragen. Ein Teil des Abdichtkranzes, welcher zwischen einem Elektronikchip und Sensorchip angeordnet ist, hat bei der Gesamterstreckung des Funktionsvolumens in x-, y- oder z-Richtung unberücksichtigt zu bleiben. Maßgeblich sind nur die Maße der Elektronikchips und Sensorchips als solche in den jeweiligen Richtungen. In Fig. 5 ist die Berechnung bzw. Erfassung der Erstreckungen x und z
beispielhaft eingezeichnet.
Ein erfindungsgemäßes Filterelement umfasst einen Grundkörper, wobei am Grundkörper ein Sensor der hier beschriebenen Art angeordnet ist.
Der Grundkörper könnte ein Filtermedium umfassen, welches eine
Anströmseite und eine Abströmseite aufweist, wobei der Sensorchip derart hochauflösend ist, dass eine Druckdifferenz zwischen Anströmseite und
Abströmseite im Bereich 10 - 500 Pa erfassbar ist. Hierdurch können
Druckdifferenzen genau erfasst werden.
Der Sensorchip könnte vor diesem Hintergrund eine Auflösung von 5 Pa haben. Der Sensorchip könnte eine Auflösung haben, die im Bereich 1 Pa bis kleiner 5 Pa liegt. Der Sensorchip könnte eine Auflösung haben, die im Bereich größer 5 Pa bis 10 Pa liegt.
Laserdrucker emittieren Partikel, die als Feinstaub zu gesundheitlichen
Schäden beim Menschen führen können. Diese Partikel können durch
Filterelemente abgeschieden werden. Bekannt sind Aufsatzfilterelemente, die auf die Ausblasöffnung von bestehenden Geräten aufgesetzt werden können.
Bekannt sind außerdem eingebaute Aktivkohlefilter zur Ozonumwandlung. Die Integration der Partikelfilter in Geräte verursacht verschiedene Probleme. Der Einbauraum für die Filterelemente ist begrenzt. Es muss ein Einpassen in vorhandene kompakte Gerätestrukturen erfolgen.
Die Filterelemente setzen sich durch eine Partikeleinlagerung zu und müssen regelmäßig ausgetauscht werden, wobei der Wechselzeitpunkt stark von der Nutzungsweise des Gerätes, beispielsweise der Art der Ausdrucke und des eingesetzten Papiers abhängt. Aufgrund dessen ist ein Wechsel in festgelegten Zeit- oder Zählintervallen nicht sinnvoll. Somit ist eine Überwachung des Zustands eines Filterelements erforderlich. Dies kann insbesondere durch Messung einer Druckdifferenz erfolgen. Übliche Sensoren zur Druckdifferenzmessung müssen im Gerät verbaut werden.
Hiermit gehen ein zusätzlicher Platzbedarf und eine regelmäßige Wartung, insbesondere eine Reinigung oder Kalibrierung, einher. Zwar sind
Filterelemente mit Sensoren zur Druckdifferenzmessung bekannt.
Zur Auswertung der Sensordaten ist der Anschluss des Sensors an eine Geräteelektronik erforderlich. Dieser Anschluss erfolgt üblicherweise über ein Kabel. Ein Anschluss über Kabel ist für die Anwendung eines Filterelements in einem Laserdrucker, bei der ein einfacher, für Laien sicher durchführbarer Wechsel erforderlich ist, zu unkomfortabel.
Aus anderen Produktbereichen, insbesondere dem Bereich Druckertinte für Tintenstrahldrucker, sind nicht steckbare Verbindungen von Kontakten, insbesondere durch Berührung, bekannt.
Es ist auch eine Entstaubungspatrone mit integriertem Sensor bekannt, bei der die Datenübertragung durch Funk erfolgt. Eine Übertragung durch Funk hat den Nachteil, dass der Einbau einer Empfängereinheit erforderlich ist. Hiermit gehen ein hoher Platzbedarf und Kosten einher.
Vor diesem Hintergrund wird ein Filterelement mit einem Sensor, der eine kabellose Energie- und/ oder Datenübertragung erlaubt, in oder an einem Laserdrucker, einem Raumluftreiniger, einem Kraftfahrzeug, Land- und/ oder Baumaschine verwendet. Erfindungsgemäß werden so Filterelemente mit integriertem Sensor und kabelloser Energie- und Datenübertragung,
insbesondere über Funkschnittstelle oder über eine nicht-steckbare Verbindung von Kontakten, verwendet. Es ist auch denkbar, dass die Energie und/ oder Datenübertragung mit einem Kabel erfolgt.
Es besteht die Möglichkeit, dass ein Filterelement mit Elektronik an einem Drucker angebracht werden kann und die Kontaktierung nicht über Funk, sondern durch Berührung freiliegender Kontakte erfolgt. Durch
positionsgenaues Anbringen des Filterelements berühren sich die Kontakte vom Filterelement mit denen am Drucker.
Ein Filterelement mit einem Sensor, der eine Energie- und/ oder
Datenübertragung mit oder ohne Kabel erlaubt, könnte zur Gebäudebelüftung, in Krankenhäusern, in hygienerelevanten, Bereichen, in Gasturbinen, in
Kompressoren, zur Belüftung industrieller Prozesse, in Trocknungsprozessen in der Lebensmittelindustrie, in der Oberflächentechnik, in Lackierungsprozessen, zur Filterung industrieller Abluft, zur Filterung bei der Asbestabsaugung, zur Filterung von ölnebeln oder zur Filterung von Gefahrstoffen, verwendet werden.
Eine Verwendung eines Filterelements der hier beschriebenen Art in den zuvor genannten Anwendungen erlaubt die Verwendung eines sehr kompakten Sensors und insbesondere eine Messung einer Druckdifferenz im Bereich von 10 - 500 Pa.
Ein Filterelement im Sinne dieser Beschreibung ist eine Vorrichtung oder eine Anordnung zur Separierung von Partikeln oder gasförmigen Stoffen aus einem Fluid, wobei Partikel Feststoffe oder Flüssigkeitströpfchen sein können und wobei das Fluid flüssig oder gasförmig sein kann.
Beispielhaft aber nicht abschließend kann es sich dabei um Filterelemente mit einem gefalteten Filtermedium aus Papier oder Vliesstoff, Schüttungen oder Schaumstrukturen handeln.
Der Grundkörper kann als Balg, als flächiges Filtermedium, als Rahmen oder als sonstiges Bauteil des Filterelements ausgestaltet sein. Der Sensor kann daher irgendwo an dem Filterelement angeordnet sein.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung zeigen
Fig. 1 ein Filterelement mit einem gefalteten Filtermedium, wobei dem
Fiiterelement ein Sensor zugeordnet ist,
Fig. 2 eine schematische Ansicht des Sensors, wobei der Sensor nur zwei Chips, nämlich einen Elektronikchip und einen Sensorchip aufweist, die miteinander verbunden sind, und ein
Funktionsvolumen definieren,
Fig. 3 eine schematische Ansicht des Sensorchips Fig. 4 eine schematische Ansicht des Elektronikchips,
Fig. 5 eine schematische Ansicht des Sensorchips und des
Elektronikchips, welche durch Bonddrähte miteinander verbunden sind, wobei Oxidschichten oder andere elektronische
Einrichtungen auf einem Sliziumsubstrat des Sensorchips der Platine abgewandt sind,
Fig. 6 eine schematische Ansicht des Sensorchips und des
Elektronikchips, welche durch Kontaktierhügel mit der Platine und miteinander elektrisch leitend verbunden sind, wobei Oxidschichten oder andere elektronische Einrichtungen auf einem Sliziumsubstrat des Sensorchips der Platine zugewandt sind, und Fig. 7 eine schematische transparente Ansicht eines Sensorchips von oben, der auf einer Platine angeordnet ist, wobei mehrere
Kontaktierhügel eine Membran umgebend angeordnet sind.
Ausführung der Erfindung
Fig. 1 zeigt ein Filterelement 1a, umfassend einen Grundkörper 1 , wobei Grundkörper 1 ein Sensor 2 angeordnet ist.
Fig. 2 zeigt, dass der Sensor 2 mindestens einen Elektronikchip 4 und mindestens einen Sensorchip 5 aufweist, welche innerhalb eines
Funktionsvolumens 3 angeordnet sind, welches höchstens 4 bis 5 mm höchstens 2 bis 3 mm breit und höchstens 0,5 bis 0,8 mm hoch ist.
Die Strecke x beträgt 5 mm, die Strecke y beträgt 3 mm und die Strecke z beträgt 0,8 mm. Der Elektronikchip 4 weist mehrere analoge und/ oder digitale Schnittstellen auf, mit welchen verschiedene Sensorchips auswertbar sind. Mittels des Elektronikchips 4 und des Sensorchips 5 erfolgt eine kabellose Energie- und/ oder Datenübertragung. Dies kann über eine Funkschnittstelle oder über eine nicht steckbare Verbindung von Kontakten erfolgen.
Der Elektronikchip 4 und der Sensorchip 5 sind auf einer Platine 6 angeordnet, die eine größere Grundfläche als das Funktionsvolumen 3 aufweist.
Der Grundkörper 1 umfasst ein gefaltetes Filtermedium 7, welches eine
Anströmseite 8 und eine Abströmseite 9 aufweist, wobei der Sensorchip 5 derart hochauflösend ist, dass eine Druckdifferenz zwischen Anströmseite 8 und Abströmseite 9 im Bereich 10 - 500 Pa erfassbar ist. Der Sensorchip 5 hat eine Auflösung von 5 Pa.
Das Filtermedium 7 ist aus einem Vliesstoff gefertigt. Als Filtermedium kann jedoch auch Papier verwendet werden. Das Filterelement 1 a kann geleimte Kantenstreifen aufweisen. Die Kantenstreifen können eine
Schaumstoffdichtung aufweisen. Das Filterelement 1 a kann als Kombifilter ausgestaltet sein. Ein Kombifilter filtert Partikel und gasförmige Stoffe.
Fig. 3 zeigt in einer schematischen Ansicht den Sensorchip 5. Der Sensorchip 5 ermöglicht eine Detektion eines Differenzdruckes im Bereich 10 - 500 Pa. Der Sensorchip 5 kann entweder nur aus einem Wandlerelement 10 bestehen, welches eine Druckänderung in ein elektrisches Signal wandelt, oder aus einem Wandlerelement 10 mit einem Sensor-Frontend 11 . Der Sensorchip 5 mit einem Wandlerelement 10 und/ oder der Sensorchip 5 mit einem Wandlerelement 10 und einem Sensor-Frontend 1 1 wird in seiner Gesamtheit in einer 180 nm CMOS-Technologie gefertigt. Das Sensor-Frontend 11 könnte eine Elektronik aufweisen oder als solche ausgestaltet sein.
Das Wandlerelement 10 könnte als Transistor oder als Widerstand auf einer Siliziummembran ausgestaltet sein.
Fig. 4 zeigt in einer schematischen Ansicht den Elektronikchip 4. Der
Elektronikchip 4 umfasst analoge und / oder digitale Schnittstellen für einen Anschluss an weitere Sensoren 12 oder an weitere Sensorchips. Der
Elektronikchip 4 umfasst ein Sensor-Frontend 13. Der Elektronikchip 4 umfasst einen Mikrokontroller für die Signalverarbeitung 14. Der Elektronikchip 4 umfasst einen Speicher 15. Der Elektronikchip 4 umfasst ein RFID-Frontend 16 für eine kontaktlose Versorgung und/ oder für eine Versorgung über eine Kontaktverbindung. Fig. 5 zeigt anhand eines weiteren Sensors 2', dass der Elektronikchip 4' und der Sensorchip 5' nebeneinander auf einer Platine 6' angeordnet sind. Der Elektronikchip 4' und der Sensorchip 5' sind durch Bonddrähte 17 miteinander elektrisch leitend verbunden. Fig. 6 zeigt anhand eines weiteren Sensors 2", dass der Elektronikchip 4" und der Sensorchip 5" durch eine Flip-Chip-Verbindung unter Verwendung von Kontaktierhügeln 18, nämlich von sogenannten„Bumps", miteinander elektrisch leitend verbunden sind. Sowohl in Fig. 5 als auch in Fig. 6 umfasst der Sensorchip 5', 5" eine Membran 19', 19" und elektronische Einrichtungen 20', 20", die Oxidschichten umfassen können. Der Sensorchip 5', 5" umfasst jeweils ein Siliziumsubstrat 21 ', 21 ", in welches eine Membran 19', 19" eingeätzt ist, die bis auf Wandlerelemente 10', 10" frei von elektronischen Einrichtungen oder Oxidschichten ist.
Der Elektronikchip 4', 4" und der Sensorchip 5', 5" sind auf einer Platine 6', 6" angeordnet, in welcher ein Durchgang 6'a, 6"a ausgebildet ist, wobei der Durchgang 6'a, 6"a der einzige fluidleitende Zugang zu einem Volumen 22', 22" ist, welches von der Platine 6', 6", dem Sensorchip 5', 5" und einem den Sensorchip 5', 5" umfangenden Abdichtkranz 23', 23" gebildet ist, wobei dem Volumen 22', 22" eine erste Membranfläche 19'a, 19"a der Membran 19', 19" zugewandt ist. Der Elektronikchip 4', 4" ist geklebt. Der Elektronikchip 4', 4" weist ebenfalls elektronische Einrichtungen 20', 20" auf. Das Volumen 22', 22" wird nur von der Platine 6', 6", dem Sensorchip 5', 5" und dem Abdichtkranz 23', 23", welcher den Sensorchip 5', 5" umfängt, abgedichtet. Auf zwei unterschiedlichen Seiten der Membran 19', 19" herrschen
unterschiedliche Drücke p1 und p2. Mit dem Sensor 2', 2" kann der
Differenzdruck zwischen den Seiten gemessen werden, wenn die beiden Seiten voneinander dicht abgetrennt sind und der Sensor 2', 2" geeignet angeordnet und abgedichtet gelagert ist. Dies ist durch die strichlierte Linie schematisch dargestellt.
Der Abdichtkranz 23', 23" besteht bevorzugt aus einer Vergussmasse, die auch in kleine Spalte abdichtend hineinfließen kann. Fig. 7 zeigt in einer transparenten Ansicht, dass die Kontaktierhügel 18 eine Membran 19" umgeben. Die Kontaktierhügel 18 müssen derart exakt angebracht werden, dass der Sensorchip 5" bzw. die Membran 19"
gleichmäßig mit mechanischer Spannung beaufschlagt werden.
Eine Schnittstelle zwischen dem Sensorchip 5, 5', 5" und dem Elektronikchip 4, 4', 4" kann im Funktionsvolumen 3 liegen.

Claims

Patentansprüche
Sensor (2, 2', 2"), umfassend einen Elektronikchip (4, 4', 4") und einen Sensorchip (5, 5', 5"), welche innerhalb eines Funktionsvolumens (3) angeordnet sind, welches höchstens 4 bis 5 mm lang, höchstens 2 bis 3 mm breit und höchstens 0,5 bis 0,8 mm hoch ist.
Sensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Funktionsvolumens (3) mehrere Elektronikchips (4, 4', 4") und/ oder mehrere Sensorchips (5, 5', 5") angeordnet sind.
Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronikchip (4, 4', 4") mehrere analoge und/ oder digitale
Schnittstellen aufweist, mit welchen verschiedene Sensorchips auswertbar sind.
Sensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass mittels des Elektronikchips (4, 4', 4") und/ oder des Sensorchips (5, 5', 5") eine kabellose Energie- und/ oder
Datenübertragung über eine Funkschnittstelle oder über eine nicht steckbare Verbindung von Kontakten erfolgt.
Sensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Sensorchip (5, 5', 5") mit einem
Wandlerelement (10, 10', 10") und/ oder der Sensorchip (5) mit einem Wandlerelement (10) und einem Sensor-Frontend (1 1 ) in seiner Gesamtheit in einer 180 nm CMOS-Technologie gefertigt ist.
Sensor nach dem voranstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Wandlerelement (10) als Transistor oder Widerstand auf einer Siliziummembran ausgestaltet ist.
7. Sensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass mit dem Sensorchip (5, 5', 5") eine Druckdifferenz im Bereich 10 - 500 Pa messbar ist.
8. Sensor nach dem voranstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorchip (5, 5', 5") eine Auflösung von 5 Pa hat.
9. Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorchip (5, 5', 5") eine Auflösung hat, die im Bereich 1 Pa bis kleiner 5 Pa liegt.
10. Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorchip (5, 5', 5") eine Auflösung hat, die im Bereich größer 5 Pa bis 10 Pa liegt.
1 1 . Sensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Elektronikchip (4, 4', 4") und der Sensorchip (5, 5', 5") nebeneinander auf einer Platine (6, 6', 6") angeordnet sind.
12. Sensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Elektronikchip (4, 4') und der Sensorchip (5, 5') durch Bonddrähte (17) miteinander elektrisch leitend verbunden sind.
13. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronikchip (4") und der Sensorchip (5") durch eine Flip- Chip-Verbindung unter Verwendung von Kontaktierhügeln (18) miteinander elektrisch leitend verbunden sind.
14. Sensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Sensorchip (5, 5', 5") eine Membran (19', 19") und elektronische Einrichtungen (20', 20") umfasst.
15. Sensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Sensorchip (5', 5") ein Siliziumsubstrat (21 ', 21 ") umfasst, in welches eine Membran (19', 19") eingeätzt ist, die bis auf Wandlerelemente (10', 10") frei von elektronischen Einrichtungen und/ oder Oxidschichten ist.
Sensor nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Elektronikchip (4, 4', 4") und der Sensorchip (5, 5', 5") auf einer Platine (6, 6', 6") angeordnet sind, in welcher ein Durchgang (6'a, 6"a) ausgebildet ist, wobei der Durchgang (6'a, 6"a) der einzige fluidleitende Zugang zu einem Volumen (22', 22") ist, welches von der Platine (6, 6', 6"), dem Sensorchip (5, 5', 5") und einem den Sensorchip (5, 5', 5") umfangenden Abdichtkranz (23', 23") gebildet ist, wobei dem Volumen (22', 22") eine erste Membranfläche (19'a, 19"a) einer Membran (19', 19") zugewandt ist. 17. Filterelement (1 a), umfassend einen Grundkörper (1 ), wobei am
Grundkörper (1 ) ein Sensor (2, 2', 2") nach einem der voranstehenden Ansprüche angeordnet ist.
18. Filterelement nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (1 ) ein Filtermedium (7) umfasst, welches eine
Anströmseite (8) und eine Abströmseite (9) aufweist, wobei der
Sensorchip (5, 5', 5") derart hochauflösend ist, dass eine Druckdifferenz zwischen Anströmseite (8) und Abströmseite (9) im Bereich 10 - 500 Pa erfassbar ist.
19. Filterelement nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorchip (5, 5', 5") eine Auflösung von 5 Pa hat oder dass der Sensorchip (5, 5', 5") eine Auflösung hat, die im Bereich 1 Pa bis kleiner 5 Pa liegt, oder dass der Sensorchip (5, 5', 5") eine Auflösung hat, die im Bereich größer 5 Pa bis 10 Pa liegt.
20. Verwendung eines Filterelements (1 a) mit einem Sensor (2, 2', 2"), der eine kabellose Energie- und/ oder Datenübertragung erlaubt, in oder an einem Laserdrucker, einem Raumluftreiniger, Kraftfahrzeugen, Land- und/ oder Baumaschinen.
21. Verwendung eines Filterelements (1 a) mit einem Sensor (2, 2', 2"), der eine Energie- und/ oder Datenübertragung mit einem Kabel erlaubt, in oder an einem Laserdrucker, einem Raumluftreiniger, Kraftfahrzeugen, Land- und/ oder Baumaschinen.
22. Verwendung eines Filterelements (1 a) mit einem Sensor (2, 2', 2"), der eine Energie- und/ oder Datenübertragung erlaubt, zur
Gebäudebelüftung, in Krankenhäusern, in hygienerelevanten, Bereichen, in Gasturbinen, in Kompressoren, zur Belüftung industrieller Prozesse, in Trocknungsprozessen in der Lebensmittelindustrie, in der
Oberflächentechnik, in Lackierungsprozessen, zur Filterung industrieller Abluft, zur Filterung bei der Asbestabsaugung, zur Filterung von ölnebeln oder zur Filterung von Gefahrstoffen.
23. Verwendung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch
gekennzeichnet, dass ein Filterelement (1 a) nach einem der Ansprüche 17 bis 19 verwendet wird.
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