(57)【要約】ハイブリッド電子検出部品は、少なくとも１つの検出素子が集積されたアナログ回路に取り付けられた集積回路を備える。ハイブリッド検出部品は、その環境状態の定量化可能な変化に対応して、デジタル形式の出力を提供する。検出機能はデータ処理から分離されているので、プロセッサ内の電力消費による自己発熱の影響を軽減する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
環境状態の定量化可能な変化に対応してデジタル形式の出力を提供する電子検出部品であって、
環境状態の変化に対応して抵抗が変化する少なくとも１つの検出素子が集積されたアナログ回路と、
環境状態が変化しても抵抗が一定のままである少なくとも１つの別の抵抗器と、
少なくとも１つの集積回路と、を備え、
電位差が前記アナログ回路に印加された際に、２つの電位が前記集積回路の入力端子に印加されるように、前記アナログ回路と前記集積回路とが接続され、
前記２つの電位の一方は測定される環境状態に対応し、前記２つの電位の他方は基準値に対応し、
前記集積回路の１つ以上の出力端子で固有のデジタル信号を生成し、
前記固有のデジタル信号は測定される環境状態の変化に対応する、
電子検出部品。
【請求項２】
前記検出素子は負の温度係数のサーミスタであり、前記サーミスタの抵抗は温度が上昇するにつれて低下する、
請求項１の電子検出部品。
【請求項３】
前記アナログ回路の少なくとも前記サーミスタおよび配線は印刷により作られる、
請求項２の電子検出部品。
【請求項４】
一定値の２つの抵抗器が前記検出素子に直列に接続され、
集積回路の入力に印加される２つの電位が、それぞれ、一定値の一方の前記抵抗器の両端の電位差、および、一定値の前記抵抗器および前記検出素子にわたる電位差である、
請求項１または２の電子検出部品。
【請求項５】
１つまたは複数の電位は、独立したアナログデジタル変換器、または、マルチプレクサを介して単一のアナログデジタル変換器に印加される、
請求項１から４のいずれか１つの電子部品。
【請求項６】
前記集積回路は、１つ以上の出力端子にデジタル値を提供する前に、データに対する追加の計算を実行するマイクロコントローラまたはマイクロプロセッサを備える、
請求項１から４のいずれか１つの電子部品。
【請求項７】
デジタル出力はシリアルインターフェースを介して提供される、
請求項６の電子部品。
【請求項８】
デジタル出力は、多数の出力端子を同時に用いるパラレルインターフェースを介して提供される、
請求項６の電子部品。
【請求項９】
１つの集積回路の出力は、不揮発性メモリを有する第２の集積回路に接続される、
請求項７または８の電子部品。
【請求項１０】
前記マイクロコントローラは、無線トランシーバ集積回路と接続されるか、または、一体化され、アンテナが、前記アナログ回路に接続されるか、または、組み込まれる、
請求項６から９のいずれか１つの電子部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、環境検出装置及びそのような装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特に、本発明は、その副構成要素の１つの電気抵抗の変化によって環境状態の変化を監視し、環境状態の値をデジタル式で外部の電子回路に伝える、複合電子構成要素に関する。生鮮食品の輸送や貯蔵から産業プロセスの監視や医療にいたるまで、全ての市場部門にわたる生活の全ての側面において大きな需要を抱えている、温度の監視と通信に特に関心がある。
【０００３】
「オンチップセンサ」と呼ばれることが多いデジタル出力を有する温度センサは、当技術分野において周知であり、単一の集積回路として利用可能であるか、またはマイクロプロセッサなどのより大きな集積回路に統合されている。そのようなセンサの主な機能は、概して、マイクロプロセッサの内部温度を監視することである。一般に、この種の内部センサは、高いコンダクタンスを有する小さな半導体接合を備え、高いコンダクタンスは、接合部の温度に依存する。外部本体または外部環境の温度を測定するために用いられる場合、当技術分野で知られているデジタルセンサは望ましくない。
【０００４】
オンチップセンサの１つの問題は、接合部を通る高い電流密度が強い局所的な自己発熱を引き起こし、接合部から離れる熱伝導が悪いほど悪化することである。これは、監視されている物体の実際の温度よりもかなり高い、温度の誤った測定を引き起こす。
【０００５】
デジタル温度センサの反応に影響を与える他の要因は、その物理的サイズ、特にその接触面積と比較して高い熱質量と、監視される物体との熱的結合である。
【０００６】
電気的測定によって温度を測定する好ましい方法は、電気抵抗が温度と共に変化する構成要素、例えばサーミスタを用いることである。印刷されたサーミスタは、しばしば１ＭΩを超える、または、数百ＭΩに至る高い電気抵抗で製造することができ、その結果、デバイスを流れる電流が非常に小さくなり、消費電力が非常に低くなり、自己発熱が効果的に起こらない。印刷されたサーミスタを用いるさらなる利点は、薄い基板上に印刷された際に、その熱質量がその領域に関して低く、広い面積で良好な熱的結合を達成することができることである。したがって、より速い応答時間およびより正確な測定が可能になる。
【０００７】
それにもかかわらず、多くの用途では、例えばサーミスタのような従来のアナログ構成要素と比較して、使い易さと利便性のためにデジタル温度センサが好ましい。特に有益な点は、摂氏や華氏などの単位での温度に対する較正されたデジタル値の直接出力であり、これはユーザにとって意味がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って、本発明の目的は、温度等の環境状態を監視し、その結果を伝える電子部品であって、監視された状態での較正されたデジタル値を提供する全ての利点と、印刷されたサーミスタの技術的利点を有する電子部品を製造することである。同じ構成が、抵抗センサを適用することができる他の環境監視、例えば湿度または圧力にも適用可能である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様によれば、環境状態の定量化可能な変化に対応してデジタル形式の出力を提供する電子検出部品であって、環境状態の変化に対応して抵抗が変化する少なくとも１つの検出素子が集積されたアナログ回路と、環境状態が変化しても抵抗が一定のままである少なくとも１つの別の抵抗器と、少なくとも１つの集積回路と、を備え、電位差が前記アナログ回路に印加された際に、２つの電位が前記集積回路の入力端子に印加されるように、前記アナログ回路と前記集積回路とが接続され、前記２つの電位の一方は測定される環境状態に対応し、前記２つの電位の他方は基準値に対応し、前記集積回路の１つ以上の出力端子で固有のデジタル信号を生成し、前記固有のデジタル信号は測定される環境状態の変化に対応する。
【００１０】
本発明のある実施態様では、前記検出素子は負の温度係数のサーミスタであり、前記サーミスタの抵抗は温度が上昇するにつれて低下する。
【００１１】
好ましくは、前記アナログ回路の少なくとも前記サーミスタおよび配線は印刷により作られる。
【００１２】
本発明のある実施態様では、一定値の２つの抵抗器が前記検出素子に直列に接続され、集積回路の入力に印加される２つの電位が、それぞれ、一定値の一方の前記抵抗器の両端の電位差、および、一定値の前記抵抗器および前記検出素子にわたる電位差である。
【００１３】
本発明のある実施態様では、１つまたは複数の電位は、独立したアナログデジタル変換器、または、マルチプレクサを介して単一のアナログデジタル変換器に印加される。
【００１４】
本発明のある実施態様では、前記集積回路は、１つ以上の出力端子にデジタル値を提供する前に、データに対する追加の計算を実行するマイクロコントローラまたはマイクロプロセッサを備える。
【００１５】
本発明のある実施態様では、デジタル出力はシリアルインターフェースを介して提供される。
【００１６】
本発明のある実施態様では、デジタル出力は、多数の出力端子を同時に用いるパラレルインターフェースを介して提供される。
【００１７】
ある実施態様における１つの集積回路の出力は、不揮発性メモリを有する第２の集積回路に接続される。
【００１８】
本発明のある実施態様では、前記マイクロコントローラは、無線トランシーバ集積回路と接続されるか、または、一体化され、アンテナが、前記アナログ回路に接続されるか、または、組み込まれる。
【００１９】
本発明は、単なる例として、添付の図面を参照して、詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】デジタル電子集積回路が取り付けられた基板上に製造された集積抵抗センサを有するアナログ電子回路を含む、本発明のハイブリッド電子デジタルセンサの第１の実施の形態の概略図である。
【図２】デジタル不揮発性メモリおよび充電式バッテリの追加によって外部電子回路と独立して機能することができる、本発明のハイブリッド電子センサの第２の実施の形態の概略図である。
【図３】アナログ部分が同一基板上のアンテナと一体化され、外部との通信のために無線トランシーバが取り付けられている、ハイブリッド電子センサを含む無線検知システムの概略図である。
【図４】本発明の一実施の形態に従って製造されたハイブリッドデジタル電子温度センサの写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
簡単に言えば、本発明は、同じ機能性を有するが、従来技術よりも優れた性能を有する「センサオンチップ」を製造するために、チップ上の「センサの概念」の逆転である。そのような装置は、必然的に、集積回路が少なくとも１つの検出要素が集積されたアナログ回路に取り付けられているハイブリッド電子検出部品である。ハイブリッド検出部品は、その環境状態の定量化可能な変化に応答して、デジタル形式で出力を提供する。
【００２２】
しかしながら、機能的には、検出はデータ処理から分離され、プロセッサ内の電力消費による自己発熱の影響を低減する。複合された構成要素内の２つの機能のこの分離はさらに、特定の用途に適した形状および性能を有するようにセンサを設計することを可能にする。検出素子の抵抗は、環境変化、例えば温度に対応して変化する。抵抗を直接測定することはできないので、検出素子は、環境変化があっても抵抗が一定のままである少なくとも１つの他の抵抗器と共に、構成要素のアナログ部分に組み込まれる。これらは、電位差がアナログ回路に印加されると、一方が測定される状態に対応し他方が基準値に対応する２つの電位が集積回路の入力に印加されるように、接続される。
【００２３】
集積回路は、２つの電位の組み合わせに対応する、したがって、監視される環境状態に対応する、固有のデジタル信号を生成する。この固有のデジタル信号は、２つの電位の比の数値のような単純なものであってもよいし、または、例えば、摂氏で示す温度、ニュートンで示す力、％で示す相対湿度のような、正確な単位で意味のある量を得るために、複雑な較正関数の適用の結果であってもよい。
【００２４】
本発明の図示された実施の形態を参照すると、添付の図１に示す第１の実施の形態では、アナログ検出回路１が基板２上に製造される。基板は、シート材料であってもよいし、または、環境が検出される物体の本体の一部を形成してもよい。
【００２５】
シート材料から形成された基板の場合、シートは剛性または可撓性であってもよく、固体フィルム、織物または不織布でもよい繊維状材料、またはそのような材料の組み合わせの複合体であってもよい。好適な固体フィルムには、以下のものが含まれる。ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴまたはポリエステルとして一般に知られている）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリイミド（ＰＩ、Ｋａｐｔｏｎ、Ｖｅｓｐｅｌ）などのこれらに限定されないポリマー；アルミニウム、鉄、銅およびこれらの合金を含む、これらに限定されない金属箔; 一般にガラスと呼ばれる、アモルファス酸化物およびケイ酸塩;シリコンのような単結晶半導体材料及び多結晶半導体材料;焼結されたセラミック材料。繊維材料は、一般に、以下に称されるものである。これに限定されないが植物起源のセルロース繊維を含む紙；例えばポリエステル、ポリアミド、ポリイミドのような合成ポリマー繊維；ガラス繊維およびセラミック繊維；セルロース、ケラチン、ポリエステル、ポリイミド、ポリアミド、およびアラミドを含むがこれらに限定されない、動物または植物起源の天然繊維、合成ポリマー繊維、ガラス繊維またはセラミック繊維、を含む織物または不織布。
【００２６】
複合材料は、例えば、固化したポリマー樹脂で補強した織布または不織布または繊維状または粒状の充填材料で充填したポリマーを含む繊維複合体を含んでもよい。あるいは、複合材料は、上述したような異なるシート材料の層から形成されてもよく、その配向は、基板の表面に対して平行であってもよく、垂直であってもよく、表面に対して任意の他の角度で傾斜してもよい。一般に、当技術分野で周知のように、後者の構造は、たとえば剛性または強度を高めるために、シート材料の機械的特性を変えるために用いられるが、表面と平行に層を整列させることが、異なる材料の表面を出すために最も頻繁に用いられる。そのようなものの例には、以下が含まれるが、これらに限定されない：金属シートの導電性表面に塗布された絶縁層、または本発明の製造中に付着した材料、例えばインクおよび接着剤、の接着性を改善するためにポリマーフィルムに塗布された表面コーティング。
【００２７】
基板が物体の本体の一部を形成する場合の例は、器具の筐体またはケースに組み込まれたセンサシステムのようなものである。代替的に、そのようなシステムは、より大きな電子回路の一部として一体化することができ、そのような場合、基板は、デバイスの回路基板となる。
【００２８】
アナログ回路１は、好ましくは、エレクトロニクス製造、グラフィックス、およびメディアおよび通信産業における実務者による印刷として一般的に説明されている方法の１つによって製造される。印刷には、グラビア印刷、パッド印刷、フレキソ印刷、凸版印刷、オフセットリソグラフィ、インクジェット印刷、およびエアロゾルジェット印刷がふくまれるが、これらに限定されない。この代わりに、回路の一部または全ての部分において、上述した業界で知られている他のコーティングおよび堆積技術によって製造されてもよい。他のコーティングおよび堆積技術には、フォトリソグラフィ、インプリントリソグラフィを使用すること、または、化学蒸着、物理蒸着、スピンコーティング、ブレードコーティングまたはスロットダイコーティングなどの堆積技術と組み合わせてマスクを製造することも同様に含まれるが、これに限定されない。
【００２９】
アナログ回路は、相互接続または配線と呼ばれる内部回路接続を形成する導体パターン３を備える。導体パターンは、個々の構成要素の実装および接続に使用される接続パッド４を有する。個々の構成要素には、集積回路５において、構成要素全体の一部を形成する抵抗、コンデンサ、ダイオードなどのさらなる電子部品が含まれる。導体パターンは、例えば、電力の供給およびデータの転送のために、構成要素に対する外部接続または端子として機能する別の接続パッド６をさらに有する。
【００３０】
本発明の重要な態様は、抵抗センサ素子７がアナログ回路１に集積されていることである。本発明の意味において、「集積された」という用語は、導体パターン３とセンサ素子７の両方の製造に共通の少なくとも１つの製造ステップにより同じ製造プロセスを使用して、センサ７が導体パターン３と同じ基板２上に製造されることを意味する。センサ素子７の抵抗性の記述は、その電気抵抗がその直近の環境の変化との関連で変化することを意味する。好ましい実施の形態では、センサ素子７は、負の温度係数（ＮＴＣ）サーミスタとして機能し、その電気抵抗は温度が上昇するにつれて減少する。好ましくは、このセンサ７は、米国特許第９，０２９，１８０号に記載されているように、導電性パターン上にシリコンインクを印刷することによって製造され、参照により本明細書に組み込まれる。制限されることなく、集積された負の温度係数サーミスタを、その抵抗が温度の上昇と共に増加する正の温度係数サーミスタか、または、例えば白金などの、温度の上昇に伴って抵抗が直線的に増加するＲＴＤ（抵抗温度装置）として機能する金属膜抵抗器に置き換えてもよい。同じように集積することができる他のセンサ要素としては、限定するものではないが、水分または特定の標的化学物質の存在下で導電率が変化する材料から製造された湿度センサまたは化学センサ、ならびに、ピエゾ抵抗材料から製造された圧力センサまたは歪みセンサが含まれる。
【００３１】
さらに、アナログ回路１は、少なくとも第２の抵抗器８と、好ましくは第３の抵抗器９を備える。抵抗器８および抵抗器９は、環境変化が感知されてもそれらの電気抵抗が大きく変化しないという意味で固定または一定である。例えば、センサ素子７がＮＴＣサーミスタである場合、抵抗器８および９は実質的に温度に依存しない。抵抗器８または９の電気抵抗が環境状態の変化に弱い依存性を有する場合、この変化はセンサ素子７の抵抗の変化とは反対の検知であることが好ましい。例えば、センサ素子７がＮＴＣサーミスタである場合、実質的に温度に依存しない抵抗器８および９は、弱い正の温度係数の抵抗を有する。すなわち、それらの抵抗は、温度の上昇と共にわずかに増加し得るが、この変化はセンサ素子７の変化よりも著しく小さく、好ましくは少なくとも１桁以上小さい。
【００３２】
好ましくは、抵抗器８および抵抗器９も、センサ素子７と同様にアナログ回路１に集積される。例えば、米国特許第９，０２９，１８０号に記載されているように、センサ素子７が印刷される場合、抵抗器８および９は、適切な抵抗インク組成物を使用して同様の方法で印刷され得る。あるいは、１つ以上の抵抗器８および９が、アナログ回路１に接続パッドを介して取り付けられて接続される追加の部品として供給されてもよい。
【００３３】
外部接続６を介して、電位差または電圧がアナログ回路１に印加されるか、または、電流がアナログ回路１に流れると、２つ以上の電位が、導電パターン３および接続パッド４を介して集積回路５の入力端子１０に印加される。これらの電位のうちの１つは、決定すべき測定条件、例えば温度に対応し、もう１つの第２の電位は、内部基準値、例えばセンサと１つ以上の抵抗器に印加される全電位差に対応する。集積回路は、その入力端子に印加された２つ以上の電位の組み合わせに明確に対応する固有のデジタル信号を１つ以上の出力端子１１に供給する前に、内部的に様々な動作を実行することができる。
【００３４】
好ましい実施の形態では、集積回路５は、少なくとも２つのアナログ入力を有するマイクロコントローラまたはマイクロプロセッサである。これらの入力は、独立したアナログ/デジタル変換（ＡＤＣ）チャネルに内部で接続するか、または単一のＡＤＣに多重化してもよい。あるいは、さらなる集積回路は、マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラへの入力段としてアナログ回路に取り付けてもよい。一例として、１つ以上の独立したＡＤＣをデジタル入力に接続してもよいし、マルチプレクサを単一のアナログ入力の入力段として使用してもよい。独立したマルチプレクサと単一のＡＤＣとを、マイクロコントローラまたはマイクロプロセッサのデジタル入力への入力段として一緒に組み合わせることがさらに望ましいこともある。
【００３５】
ＡＤＣのデジタル出力が出力端子に接続されるように、マルチプレクサとＡＤＣのみを使用することも可能だが、望ましくない。しかしながら、この実施の形態は、マイクロコントローラの使用が構成要素全体に追加の機能を提供するので、好ましくない。この機能は、較正された数値を提供するためにセンサデータに対して追加の計算を実行する能力によって提供される。これは、アナログ入力端子に印加された電位の比を計算するのと同じくらい簡単かもしれない。あるいは、実際の値または監視されている環境状態の変化を推定するために較正機能を適用することもできる。例えば、温度センサの場合、実際の温度は、摂氏または華氏のような選択された温度スケールで出力され得る。
【００３６】
好ましい実施の形態では、集積回路によって計算され出力された値は、シリアル形式で1つ以上の出力端子を介して送信される。以下に限定されないが、ＳＰＩ、Ｉ２Ｃ、ＵＡＲＴ、１線式、２線式、３線式などを含むどのような業界標準のプロトコルを使用してもよい。別の好ましい実施の形態では、数値をパラレル形式で送信するために複数の出力端子を同時に使用し、１つの端子が１ビットの情報に対応し、情報は制御文字およびテキストラベルならびに数値を含めてもよい。
【００３７】
添付された図２に示されるさらに好ましい実施態様では、不揮発性メモリを備えるさらなる集積回路１２が基板２に取り付けられている。集積回路１２は集積回路５の１つ以上のデジタル入出力端子に接続され、集積回路５は好ましくはマイクロコントローラまたはマイクロプロセッサであり、回路全体のデジタル部分を形成する。２つの集積回路間の接続は、好ましくは、回路のアナログ部分に用いられる導体パターン３に統合される。２つの集積回路のデジタル入力/出力端子間の接続は、外部接続へのデータ転送と同様の方法で、シリアルまたはパラレルデータ形式のいずれかを用いて容易にすることができる。
【００３８】
センサおよびマイクロコントローラが任意の外部接続と自立的に機能するように、外部電源から電力を供給するために用いられる外部接続の向かい側に内部バッテリ（またはセル）１３を取り付けてもよい。このようにして、構成要素はセンサと同様にデータロガーとして機能することができる。理想的には、バッテリ１３は再充電可能なバッテリであるが、同様に電解コンデンサ、スーパーキャパシタ、一次電池、光電池または他の電位源を適用してもよい。
【００３９】
上記実施の形態のいずれかのハイブリッド電子センサは、完全な検知システムを形成するために、外部データおよび電源接続部６を介してさらなる電子回路に接続することができる。例えば、添付の図３に示すように、集積回路５は、シリアルまたはパラレルデータプロトコルを使用して、そのデータを無線トランシーバ１４に通信することができる。アンテナ１５およびトランシーバへの電源接続は、同じ基板２上の導体パターン３によって形成されたアナログ検出回路１にさらに組み込まれてもよい。充電式バッテリ１３も備えられている場合、センサおよび集積回路に電力を供給するために、放射フィールドからエネルギーを回収してもよい。
【００４０】
本発明は、以下の非限定的な実施例を参照してさらに説明される。
【００４１】
（実施例１）
図４は、図１に示す第１の実施の形態に従って構成されたハイブリッド電子デジタル温度センサの写真を示す。完成した構成要素は、基板２として機能する、全厚みが約０．２５ｍｍの層状の、ＰＥＴシート上に組み立てられる。相互接続部、接続パッド４および外部端子６１〜６６を備える導電パターン３は、ＮＴＣサーミスタ７の内部電極構造および実質的に温度に依存しない抵抗器８，９と同様に、銀系インクを用いたスクリーン印刷によって成膜される。多くの好適な組成物が容易に利用可能であり、例えば、デュポン社の５０００銀導体がここで提示された実施例において使用されている。
【００４２】
この実施例で使用される集積回路５は、ＳＯＩＣ−８パッケージと同じフットプリントを有する、ＳＯＰ−８パッケージの８ビットマイクロコントローラである。この実施例では、マイクロコントローラはＡｔｍｅｌ社のＡＴＴｉｎｙ８５である。集積回路は、導電性接着剤を用いて接続パッド４に取り付けられる。外部接続は、以下のように６つの端子６１〜６６を介して行われる。符号６１のＶＣＣは負の電源電圧またはコモン・ゼロであり、符号６２のＶＳＳはマイクロコントローラの仕様を超えない正の電源電圧であり、符号６３はシリアルデジタル送信Ｔｘであり、符号６４はシリアルデジタル受信Ｒｘであり、符号６５はチップセレクトである。マスター出力/スレーブ入力（ＭＯＳＩ）、マスター入力/スレーブ出力（ＭＩＳＯ）、および外部クロックとしての端子６３〜６５の代替構成も適用してもよい。
【００４３】
ＮＴＣサーミスタ７および実質的に温度に依存しない抵抗器８，９は、参照により本明細書に組み込まれている米国特許第９，０２９，１８０号およびＰＣＴ公開ＷＯ２０１３１１４２８９号に記載されているように、印刷された銀パターン上に直接スクリーン印刷することによって製造される。図１に示すように、これら３つの抵抗は互いに直列に接続され、マイクロコントローラと同じ電源を備えている。サーミスタと各抵抗との交差部は、導体パターン３によって接続パッド４を介して１０ビットＡＤＣとして構成されたマイクロコントローラ１０の２つの入力部に接続されている。したがって、マイクロコントローラへの入力は、抵抗器９の両端間の電位差と、抵抗器９とサーミスタ７の両端の合成電位差とを独立して測定することを含む。これらの２つの電位の比は、センサが受ける温度の固有の測定値を提供する。マイクロコントローラに記憶された較正関数を用いて、この比は適切な尺度で温度の数値に変換される。
【図１】
2018534573.tif 000003
【図２】
2018534573.tif 000004
【図３】
2018534573.tif 000005
【図４】
2018534573.tif 000006
【国際調査報告】
2018534573.tif 000007
2018534573.tif 000008
2018534573.tif 000009