ДАТЧИК, ФИЛЬТРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ С ДАТЧИКОМ И ПРИМЕНЕНИЕ ТАКОГО ФИЛЬТРУЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА
SENSOR, FILTERING ELEMENT WITH SENSOR AND APPLICATION OF SUCH FILTERING ELEMENT

Данное изобретение касается датчика, фильтрующего элемента с датчиком и применения фильтрующего элемента с датчиком.
Из DE 10 2010 044 616 A1 известна микросистема для фильтрующей вставки.
Из DE 10 2009 040 707 A1 уже известен фильтрующий элемент, в котором фильтрующий материал снабжен датчиком.
Недостатком известных фильтрующих элементов является то, что указанные датчики обычно выполнены сравнительно большими для того, чтобы измерять и оценивать одну или несколько физических величин. Изготовление таких фильтрующих элементов относительно дорого. Кроме того, большие датчики трудно устанавливать на фильтрующих элементах.
В частности, измерение очень небольших перепадов давления в диапазоне 10-500 Пa в уровне техники возможно лишь с помощью сравнительно больших датчиков, и для их установки требуется много пространства.
Кроме того, подсоединение такого сравнительно большого датчика к фильтрующему элементу является довольно трудным и дорогостоящим. Помимо этого, контактирование такого датчика происходит обычно посредством кабеля. Последнее нежелательно прежде всего потому, что работа с кабелями является трудоемкой и неприемлемой для конечных пользователей.
Поэтому в основу изобретения положена задача создания экономичного фильтрующего элемента, снабженного компактным датчиком.
Согласно изобретению вышеуказанная задача решается признаками независимых пунктов 1 и 17, а также 20-23 формулы изобретения.
Согласно изобретению, прежде всего, было установлено, что существует потребность в миниатюризации датчика для измерения незначительных перепадов давления в диапазоне 10-500 Пa. Таким датчиком можно определять загрязнение фильтрующего элемента.
Затем было установлено, что миниатюризация и предпочтительно беспроводное электропитание без использования разъемных контактов делают возможным экономичное интегрирование такого датчика в фильтрующий элемент. Такое интегрирование и предпочтительно беспроводная, не использующая разъемные контакты передача энергии и данных не требует к тому же никаких дополнительных монтажных затрат при установке фильтрующих элементов в фильтрующие установки.
Соответственно изобретению, конкретно было установлено, что датчик, имеющий столь небольшой функциональный объем, монтируется особенно легко. Кроме того, может быть сэкономлен материал, если функциональный объем выбирается таким небольшим. Таким образом, предлагается экономичный фильтрующий элемент, содержащий компактный датчик.
Тем самым решается указанная вначале задача.
Можно использовать технологию 180 нм для того, чтобы разместить на сенсорном чипе электронику и мембрану. Это позволяет получить компактную структуру сенсорного чипа и, тем самым, функционального объема.
Внутри функционального объема могут быть расположены несколько электронных чипов и/или несколько сенсорных чипов. Благодаря этому возможно измерение нескольких физических величин.
Электронный чип может иметь несколько аналоговых и/или цифровых интерфейсов, с помощью которых могут считываться различные сенсорные чипы. За счет этого один единственный электронный чип может быть скомбинирован с различными датчиками или сенсорными чипами.
С помощью электронного чипа и/или сенсорного чипа возможна или осуществляется беспроводная передача энергии и/или данных через радиоинтерфейс, в частности, RFID-интерфейс (с радиочастотной идентификацией), или через соединение контактов, не использующее разъемов. Благодаря этому больше не требуется трудоемкое кабельное соединение.
Сенсорный чип с преобразовательным элементом и/или сенсорный чип с преобразовательным элементом и фронт-эндом для датчика в своей совокупности могут быть изготовлены с использованием 180 нм КМОП-технологии, в частности, для измерения перепада давления в диапазоне 10-500 Пa с разрешением в 5 Пa. Благодаря этому возможно точное и эффективное измерение давления.
В связи с этим указанный преобразовательный элемент может быть выполнен как транзистор или резистор на кремниевой мембране. Таким образом получается очень надежное устройство.
Электронный чип и сенсорный чип могут быть размещены рядом друг с другом на одной плате. Благодаря этому реализуется очень плоская структура.
Электронный чип и сенсорный чип могут быть электрически соединены друг с другом гибкими металлическими проволочными выводами. Электрический чип и сенсорный чип могут быть, таким образом, расположены очень плотно друг к другу. Использование гибких металлических проволочных выводов позволяет простое изготовление, так как эти гибкие металлические проволочные выводы размещаются на обращенной от платы стороне таких чипов.
Электронный чип и сенсорный чип могут быть электрически связаны друг с другом посредством соединения «методом перевернутого кристалла» при использовании контактирующих выступов, а именно так называемых «Bumps» (контактных бугорков из мягкого припоя). Такое контактирование целесообразно, если электронные устройства, а именно, в частности, оксидные слои, расположенные на кремниевой подложке, обращены к плате, а чистая кремниевая сторона кремниевой подложки обращена от платы.
Сенсорный чип может содержать мембрану и электронные устройства. Сенсорный чип может состоять из кремниевой подложки, на которой и/или в которой находится электроника. Сенсорный чип может быть, тем самым, очень компактным. Возможно также, чтобы мембрана состояла только из кремниевой подложки и по меньшей мере одного или нескольких преобразовательных элементов. Преобразовательный элемент предпочтительно представляет собой легированную область.
В связи с этим сенсорный чип может содержать кремниевую подложку, в которой травлением образована мембрана, которая свободна от электронных устройств и/или оксидных слоев вплоть до преобразовательных элементов. Преобразовательные элементы предпочтительно выполнены в виде n- или p-легированных областей на мембране и/или в ней. За счет такого вытравливания мембраны также получается компактная структура сенсорного чипа, поскольку в качестве мембраны используется присутствующий в кремниевой подложке собственный материал. Поэтому мембрана выполнена как кремниевая мембрана.
Электроника или оксидные слои толщиной примерно 10 мкм могут стравливаться вплоть до получения кремниевой подложки, причем с другой стороны кремниевая подложка вытравливается на глубину до 500 мкм, чтобы получилась такая мембрана.
Электронный чип и сенсорный чип могут быть расположены на одной плате, в которой образовано сквозное отверстие, причем это сквозное отверстие предоставляет единственный проводящий среду доступ в объем, который образован, соответственно, герметично ограничен платой, сенсорным чипом и охватывающим сенсорный чип уплотнительным кольцом, причем к этому объему обращена первая поверхность мембраны. Вторая поверхность мембраны, противоположная первой поверхности мембраны, обращена в атмосферу или в другое пространство, герметично отделенное от объема. За счет этого сенсорный чип может измерять перепады давления, когда на эти две поверхности мембраны воздействует разное давление.
Функциональный объем в смысле данного описания образован лишь суммами протяженностей каждого из электрических чипов и сенсорных чипов в направлениях x, y и z. Упомянутые гибкие металлические проволочные выводы, контактирующие выступы и/или части уплотнительного кольца ничего не привносят в этот функциональный объем, соответственно, не увеличивают его. В частности, эти гибкие металлические проволочные выводы, контактирующие выступы и части уплотнительного кольца могут выступать наружу за этот функциональный объем. Часть уплотнительного кольца, находящаяся между электронным чипом и сенсорным чипом, может не учитываться в общей протяженности функционального объема в направлениях x, y или z. Определяющими являются только размеры электронных чипов и сенсорных чипов как таковых в соответствующих направлениях. На Фиг.5 в качестве примера показан расчет и, соответственно, измерение протяженностей в направлениях x и z.
Предлагаемый изобретением фильтрующий элемент содержит основное тело, причем на основном теле установлен датчик описанного здесь типа.
Основное тело может содержать фильтрующую среду, которая имеет сторону набегающего потока и сторону стекающего потока, причем указанный сенсорный чип обладает настолько высоким разрешением, что может определять перепад давления между стороной набегающего потока и стороной стекающего потока в диапазоне 10-500 Пa. Благодаря этому возможно точное определение перепадов давления.
Сенсорный чип в связи с этим может иметь разрешение в 5 Пa. Сенсорный чип может иметь разрешение в диапазоне от 1 Пa до менее 5 Пa. Сенсорный чип может иметь разрешение в диапазоне от выше 5 Пa до 10 Пa.
Лазерные принтеры испускают частицы, которые в виде тонкодисперсной пыли могут причинять вред здоровью человека. Эти частицы могут осаждаться фильтрующими элементами. Известны насадочные фильтрующие элементы, которые могут насаживаться на продувочное отверстие соответствующих аппаратов.
Известны также встроенные фильтры с активированным углем для превращения озона в кислород. Встраивание фильтров твердых частиц в аппараты вызывает различные проблемы. Пространство для встраивания фильтрующих элементов ограничено. Необходимо производить подгонку к существующим компактным структурам аппарата.
Фильтрующие элементы забиваются отложением твердых частиц и должны регулярно заменяться, причем этот момент замены сильно зависит от способа использования этого аппарата, например, от вида распечатываемых документов и используемой бумаги. Вследствие этого замена через фиксированные временные или количественные интервалы нецелесообразна.
Таким образом, необходим контроль за состоянием фильтрующего элемента. Это может осуществляться, в частности, путем измерения перепада давления. Обычные датчики для измерения перепада давления должны устанавливаться в аппарат.
Таким образом, возникает потребность в дополнительном месте и в регулярном обслуживании, в частности, требуется чистка или калибровка. Правда, фильтрующие элементы с датчиками для измерения перепада давления известны.
Для оценки данных от датчика необходимо подключение датчика к электронным устройствам аппарата. Такое подключение обычно осуществляется через кабель. Подключение через кабель слишком неудобно для применения фильтрующего элемента в лазерном принтере, в котором необходима простая замена, надежно выполняемая неспециалистом.
Для других категорий изделий, в частности, в области применения чернил для струйных печатающих устройств, известны не имеющие разъемов соединения контактов, в частности, через соприкосновение.
Известен также пылеулавливающий картридж с интегрированным датчиком, в котором передача данных происходит по радиосвязи. Недостатком в передаче по радиосвязи является то, что требуется встраивание блока приемника. Это тоже сопряжено с высокой потребностью в площади и с затратами.
В связи с этим фильтрующий элемент с датчиком, который обеспечивает беспроводную передачу энергии и/или данных, применяется в лазерном принтере или на нем, в очистителе воздуха в помещении, в автомобиле, в сельскохозяйственной и/или строительной машине. Согласно изобретению, таким образом, применяются фильтрующие элементы с интегрированным датчиком и беспроводной передачей энергии и/или данных, в частности, через радиоинтерфейс или через соединение контактов без использования разъемов. Возможно также, что передача энергии и/или данных осуществляется по кабелю.
Существует возможность установки фильтрующего элемента с электронными устройствами на печатающем устройстве, когда контактирование осуществляется не по радиосвязи, а посредством соприкосновения открытых контактов. За счет точно позиционированного размещения фильтрующего элемента контакты фильтрующего элемента соприкасаются с контактами на печатающем устройстве.
Фильтрующий элемент с датчиком, обеспечивающим передачу энергии и/или данных с использованием кабеля или без него, может применяться для вентиляции зданий, в больницах, в зонах с повышенными требованиями по гигиене, в газовых турбинах, в компрессорах, для продувки при производственных процессах, при процессах сушки в пищевой промышленности, в технологиях обработки поверхностей, при процессах нанесения лакокрасочных покрытий, для фильтрации отработанного воздуха технологических процессов, для фильтрации при отсасывании асбеста, для фильтрации масляного тумана или для фильтрации опасных веществ.
Применение фильтрующего элемента вышеописанного рода в приведенных выше случаях становится возможным за счет использования очень компактного датчика и, в частности, измерения перепада давления в диапазоне 10-500 Пa.
Фильтрующий элемент в смысле данного описания представляет собой устройство или систему для отделения частиц или газообразных веществ из текучей среды, причем частицы могут представлять собой твердые вещества или капельки жидкости, причем текучая среда может быть жидкой или газообразной.
В качестве примера, но не ограничиваясь этим, под фильтрующими элементами при этом могут пониматься складчатый фильтрующий материал из бумаги или нетканого материала, сыпучие массы или ячеистые структуры.
Основное тело может быть выполнено в виде сильфона, в виде плоского фильтрующего материала, в виде рамы или иного конструктивного узла фильтрующего элемента. Датчик поэтому может быть размещен где-нибудь на этом фильтрующем элементе.
На чертежах показано следующее.
Фиг.1 - фильтрующий элемент со складчатым фильтрующим материалом, причем этот фильтрующий элемент снабжен датчиком,
Фиг.2 - схематичный вид датчика, причем датчик содержит только два чипа, а именно электронный чип и сенсорный чип, которые соединены друг с другом и определяют функциональный объем,
Фиг.3 - схематичный вид сенсорного чипа,
Фиг.4 - схематичный вид электронного чипа,
Фиг.5 - схематичный вид сенсорного чипа и электронного чипа, которые соединены друг с другом посредством гибких металлических проволочных выводов, причем оксидные слои или иные электронные устройства на кремниевой подложке сенсорного чипа обращены от платы,
Фиг.6 - схематичный вид сенсорного чипа и электронного чипа, которые посредством контактирующих выступов электрически соединены с платой и друг с другом, причем оксидные слои или иные электронные устройства на кремниевой подложке сенсорного чипа обращены к плате, и
Фиг.7 - схематичный прозрачный вид сверху сенсорного чипа, установленного на плате, причем несколько контактирующих выступов расположены, окружая мембрану.
На Фиг.1 показан фильтрующий элемент 1a, содержащий основное тело 1, причем на основном теле 1 установлен датчик 2.
На Фиг.2 показано, что датчик 2 содержит по меньшей мере один электронный чип 4 и по меньшей мере один сенсорный чип 5, которые расположены внутри функционального объема 3 длиной максимум 4-5 мм, шириной максимум 2-3 мм и высотой максимум 0,5-0,8 мм.
Участок x составляет 5 мм, участок y составляет 3 мм и участок z составляет 0,8 мм.
Электронный чип 4 имеет несколько аналоговых и/или цифровых интерфейсов, посредством которых могут оцениваться различные сенсорные чипы.
Посредством электронного чипа 4 и сенсорного чипа 5 осуществляется беспроводная передача энергии и/или данных. Это может осуществляться через радиоинтерфейс или через не использующее разъемы соединение контактов.
Электронный чип 4 и сенсорный чип 5 расположены на плате 6, которая имеет бóльшую базовую поверхность, чем указанный функциональный объем 3.
Основное тело 1 содержит складчатый фильтрующий материал 7, имеющий сторону 8 набегающего потока и сторону 9 стекающего потока, причем сенсорный чип 5 обладает настолько высоким разрешением, что перепад давления между стороной 8 набегающего потока и стороной 9 стекающего потока может определяться в диапазоне 10-500 Пa. Сенсорный чип 5 обладает разрешением в 5 Пa.
Фильтрующий материал 7 изготовлен из нетканого материала. Однако, в качестве фильтрующего материала может использоваться также бумага. Фильтрующий элемент 1a может иметь проклеенные кромочные полоски. Эти кромочные полоски могут иметь уплотнение из вспененного материала. Фильтрующий элемент 1a может быть выполнен как комбинированный фильтр. Комбинированный фильтр отфильтровывает частицы и газообразные вещества.
На Фиг.3 показан схематичный вид сенсорного чипа 5. Сенсорный чип 5 делает возможным детектирование перепада давления в диапазоне 10-500 Пa. Сенсорный чип 5 может состоять либо только из преобразовательного элемента 10, который преобразует изменение давления в электрический сигнал, либо из преобразовательного элемента 10 с фронт-эндом 11 для датчика.
Сенсорный чип 5 с преобразовательным элементом 10 и/или сенсорный чип 5 с преобразовательным элементом 10 и фронт-эндом 11 для датчика в своей совокупности изготовляются в 180 нм КМОП-технологии.
Фронт-энд 11 для датчика может содержать электронику или быть выполнен как такая электроника.
Преобразовательный элемент 10 может быть выполнен как транзистор или как резистор на кремниевой мембране.
На Фиг.4 показан схематичный вид электронного чипа 4. Электронный чип 4 содержит аналоговые и/или цифровые интерфейсы для подключения к другим датчикам 12 или к другим сенсорным чипам. Электронный чип 4 содержит фронт-энд 13 для датчика. Электронный чип 4 содержит микроконтроллер для обработки 14 сигнала. Электронный чип 4 содержит запоминающий элемент 15. Электронный чип 4 содержит RFID-фронт-энд 16 для бесконтактного питания и/или для питания через контактное соединение.
На Фиг.5 с привлечением одного дополнительного датчика 2ʹ показано, что электронный чип 4ʹ и сенсорный чип 5ʹ расположены рядом друг с другом на плате 6ʹ. Электронный чип 4ʹ и сенсорный чип 5ʹ электрически соединены друг с другом посредством гибких металлических проволочных выводов 17.
На Фиг.6 с привлечением одного дополнительного датчика 2ʹʹ показано, что электронный чип 4ʹʹ и сенсорный чип 5ʹʹ электрически соединены друг с другом посредством соединения «методом перевернутого кристалла» с использованием контактирующих выступов 18, а именно так называемых «Bumps» (бугорков из мягкого припоя).
Как на Фиг.5, так и на Фиг.6 сенсорный чип 5ʹ, 5ʹʹ содержит мембрану 19ʹ, 19ʹʹ и электронные устройства 20ʹ, 20ʹʹ, которые могут содержать оксидные слои. Каждый сенсорный чип 5ʹ, 5ʹʹ содержит кремниевую подложку 21ʹ, 21ʹʹ, в которой травлением образована мембрана 19ʹ, 19ʹʹ, которая свободна от электронных устройств или оксидных слоев до преобразовательных элементов 10ʹ, 10ʹʹ.
Электронный чип 4ʹ, 4ʹʹ и сенсорный чип 5ʹ, 5ʹʹ расположены на плате 6ʹ, 6ʹʹ, в которой выполнено сквозное отверстие 6ʹa, 6ʹʹa, причем это сквозное отверстие 6ʹa, 6ʹʹa является единственным проводящим среду доступом в объем 22ʹ, 22ʹʹ, образованный платой 6ʹ, 6ʹʹ, сенсорным чипом 5ʹ, 5ʹʹ и охватывающим сенсорный чип 5ʹ, 5ʹʹ уплотнительным кольцом 23ʹ, 23ʹʹ, причем к объему 22ʹ, 22ʹʹ обращена первая поверхность 19ʹa, 19ʹʹa мембраны 19ʹ, 19ʹʹ.
Электронный чип 4ʹ, 4ʹʹ является приклеенным. Электронный чип 4ʹ, 4ʹʹ тоже содержит электронные устройства 20ʹ, 20ʹʹ. Объем 22ʹ, 22ʹʹ герметизирован только платой 6ʹ, 6ʹʹ, сенсорным чипом 5ʹ, 5ʹʹ и уплотнительным кольцом 23ʹ, 23ʹʹ, которое окружает сенсорный чип 5ʹ, 5ʹʹ.
На две разные стороны мембраны 19ʹ, 19ʹʹ действует различное давление p1 и p2. Датчик 2ʹ, 2ʹʹ может измерять перепад давления между этими сторонами, если эти стороны герметично отделены друг от друга, а датчик 2ʹ, 2ʹʹ установлен и герметизирован подходящим для этого образом. Это схематично показано пунктирной линией.
Уплотнительное кольцо 23ʹ, 23ʹʹ состоит предпочтительно из заливочной массы, которая может, герметизируя, затекать даже в мелкие зазоры.
На Фиг.7 в прозрачном представлении показано, что контактные выступы 18 окружают мембрану 19ʹʹ. Контактные выступы 18 должны быть размещены настолько точно, чтобы сенсорный чип 5ʹʹ, соответственно, мембрана 19ʹʹ испытывали равномерное механическое напряжение.
Интерфейс между сенсорным чипом 5, 5ʹ, 5ʹʹ и электронным чипом 4, 4ʹ, 4ʹʹ может находиться в функциональном объеме 3.