Детекторы падения и способ обнаружения падений - RU2559933C2

Чертежи

Показать все 28 чертежа(ей)

Описание

ТЕХНИЧЕСКАЯ ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к детектору падения и способу обнаружения падений, и в частности к детектору падения и способу, в котором используют несколько датчиков для обнаружения падений. Изобретение также относится к конкретному датчику, который можно использовать в детекторе падения и других устройствах.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Падения являются существенной проблемой в уходе за престарелыми людьми, которая может привести к заболеванию и смерти. В физическом плане падения служат причиной травм, тогда как в психическом плане падения служат причиной страха падения, который в свою очередь ведет к социальной изоляции и депрессии.

Разработаны системы обнаружения падения, которые могут предоставить автоматизированное и надежное средство обнаружения, когда пользователь упал. Если обнаружено падение, система подает аварийный сигнал, который вызывает помощь для пользователя. Это убеждает пользователя в том, что если произойдет падение, то в этом случае будут приняты адекватные меры.

Обычно детекторы падения основаны на датчике ускорения (обычно трехмерный датчик ускорения, который измеряет ускорение в трех измерениях), который должен крепиться к телу пользователя. Детектор падения обрабатывает сигналы от датчика ускорения для того, чтобы обнаружить, произошло ли падение. Однако, к сожалению, поскольку эти детекторы падения содержат только один датчик, часто они обладают недостаточной чувствительностью и/или избирательностью.

Следовательно, в некоторых детекторах падения используют дополнительные датчики, такие как гироскопы или датчики давления воздуха, чтобы добиться высокой чувствительности и избирательности.

Однако детекторы падения с несколькими датчиками каждого из этих типов имеют свои собственные недостатки. Например, гироскопы предоставляют очень надежные данные, но их невозможно использовать в носимом на теле портативном устройстве вследствие их размеров и потребления мощности. Датчики давления воздуха можно использовать для предоставления информации о высоте (обычно информации об изменениях высоты), но они только предоставляют эту информацию о высоте с низкой частотой регистрации, что делает надежное обнаружение падений затруднительным. Кроме того, сложно устанавливать датчики давления воздуха в детекторы падения, если детектор падения должен быть водостойким, что означает, что нужна специальная гидрофобная мембрана и специализированная камера для измерения давления, поскольку для датчика давления воздуха необходим прямой и достаточный поток воздуха.

Следовательно, существует необходимость в улучшенном детекторе падения, в котором преодолены недостатки стандартных детекторов падения, описанных выше.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно первому аспекту изобретения предоставлен детектор падения для обнаружения падений пользователя или объекта, к которому прикреплен детектор падения, отличающийся тем, что детектор падения содержит датчик потока воздуха для предоставления измерений, указывающих вертикальную скорость и/или изменения высоты детектора падения. Таким образом, изобретение относится к детектору падения, который может оценивать изменения высоты и вертикальную скорость, при этом не используя гироскопы или датчики давления воздуха.

В предпочтительных вариантах осуществления детектор падения дополнительно содержит датчик ускорения для измерения ускорений детектора падения и процессор для обработки измерений от датчика потока воздуха и датчика ускорения для обнаружения того, произошло ли падение.

В предпочтительном варианте осуществления процессор выполнен с возможностью оценки ориентации детектора падения по измерениям от датчика ускорения и использования оцененной ориентации для генерации профиля вертикальной скорости для детектора падения по измерениям от датчика потока воздуха.

В предпочтительных вариантах осуществления датчик потока воздуха представляет собой тепловой датчик потока воздуха. Тепловые датчики потока воздуха снижают потребление мощности детекторов падения, обеспечивают способность измерять направление потока воздуха на 360 градусов, чувствительны к низким скоростям потока воздуха и допускают простую конструкцию корпуса устройства, чтобы гарантировать, что оно является водонепроницаемым.

В предпочтительных вариантах осуществления тепловой датчик потока воздуха содержит приводимый в действие электричеством тепловой элемент на передней стороне теплового датчика потока воздуха, расположенный обращенным к каналу, и контактную площадку, электрически соединенную с приводимым в действие электричеством тепловым элементом, чтобы сделать электрический контакт удаленным от теплового датчика потока воздуха, контактную площадку располагают обращенной от передней стороны, чтобы быть доступной для контакта с обратной стороны теплового датчика потока воздуха.

Имея контактную площадку, доступную с обратной стороны интегральной схемы, которая обращена от канала для текучего вещества, пространство, необходимое для контактной площадки и любых соединений с ней, не должно выходить за пределы приводимого в действие электричеством теплового элемента, например, термочувствительного элемента, и стоять на пути канала для текучего вещества. Таким образом, приводимый в действие электричеством тепловой элемент, например, термочувствительный элемент можно разместить ближе к каналу для текучего вещества или в канале для текучего вещества, чтобы сделать возможными более качественные измерения.

Предпочтительно, тепловой датчик потока воздуха дополнительно содержит проводящий слой на передней стороне теплового датчика потока воздуха для электрического соединения между приводимым в действие электричеством тепловым элементом и контактной площадкой, и контактная площадка содержит обратную сторону проводящего слоя. Это обеспечивает преимущество в виде дополнительной степени свободы относительно теплопроводности устройства датчика теплового потока, при этом предоставляя контакт на обратной стороне. Например, толщину проводящего слоя или вещество, содержащееся в проводящем слое, можно использовать в качестве переменных проектирования.

Предпочтительно, тепловой датчик потока воздуха дополнительно содержит изолирующий слой для электрической изоляции теплового датчика потока воздуха от текучего вещества в канале. Предпочтительно, изолирующий слой содержит полиимид. Полиимид обладает теплопроводностью приблизительно 0,15 Вт/(мК) и допускает нанесение толщиной приблизительно 10 мкм. В результате снижают тепловое шунтирование. Это благоприятно повышает чувствительность устройства датчика теплового потока. Кроме того, меньшая толщина положительно влияет на время отклика, связанное с устройством датчика теплового потока. В дополнение к этому, полиимид легко наносить способами нанесения покрытия центрифугированием, эти способы благоприятным образом обходят необходимость склеивания.

Предпочтительно, тепловой датчик потока воздуха дополнительно содержит подложку, в подложке сформирован рисунок, чтобы предоставить отверстие для обнажения контактной площадки, чтобы сделать возможным контакт с контактной площадкой через отверстие. Это делает возможным доступ к контактной площадке, при этом сохраняя определенную толщину подложки для механической прочности и стабильности.

Предпочтительно, приводимый в действие электричеством тепловой элемент содержит нагревательный элемент или термочувствительный элемент на передней стороне теплового датчика потока воздуха, обращенный к каналу. Размещение на передней стороне делает температурный датчик более чувствительным.

Согласно второму аспекту изобретения, в детекторе падения предоставлен способ обнаружения падений пользователя или объекта, к которому прикреплен детектор падения, причем способ включает в себя использование датчика потока воздуха, чтобы предоставить измерения, указывающие вертикальную скорость и/или изменение высоты детектора падения.

Аспекты также относятся к интегральным схемам датчиков для обнаружения скорости потока, к системам, включающим в себя такие интегральные схемы, и к способам производства и функционирования таких интегральных схем и таких систем.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Далее изобретение описано, только в качестве примера, со ссылкой на следующие чертежи, на которых:

Фиг.1 является иллюстрацией детектора падения в соответствии с изобретением;

Фиг.2 является иллюстрацией датчика потока воздуха для использования в детекторе падения в соответствии с изобретением;

Фиг.3 является блок-схемой этапов, иллюстрирующей способ обнаружения падений в соответствии с изобретением;

Фиг.4-16 показывают этапы в способе производства интегральной схемы, которая имеет контактную площадку, доступную через отверстие в подложке;

Фиг.17-24 показывают этапы в альтернативном способе производства интегральной схемы, которая имеет контактную площадку на контактном столбике на обратной стороне подложки;

Фиг.25 показывает формирование сборки посредством монтажа интегральной схемы на печатной плате;

Фиг.26 показывает нанесение герметика на сборку; и

Фиг.27 и 28 показывают сборку, установленную в стенке канала.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Несмотря на то что изобретение описано в настоящем документе в отношении детектора падения, который должен носить субъект и который определяет падение субъекта, следует принимать во внимание, что детектор падения и способ обнаружения падений по изобретению можно применить для альтернативного использования, такого как обнаружение падений объектов, например, жестких дисков или другого чувствительного электронного оборудования.

Изобретение предоставляет детектор падения, который содержит датчик потока воздуха для предоставления измерений, указывающих вертикальную скорость и/или изменения высоты детектора падения. В предпочтительных вариантах осуществления детектор падения содержит дополнительный датчик или датчики, например, датчик для измерения или обеспечения измерений, указывающих ускорение (такой как датчик ускорения). В этих вариантах осуществления измерения от датчика потока воздуха используют для обнаружения изменений высоты и/или вертикальной скорости детектора падения, и их обрабатывают в сочетании с измерениями ускорения для обнаружения того, произошло ли падение.

На Фиг.1 проиллюстрирован детектор 1 падения по изобретению. Детектор 1 падения может подходить для ношения пользователем на верхней части его тела, например, вокруг талии, на груди, на запястье или в виде подвески вокруг шеи. Детектор 1 падения содержит датчик 2 ускорения, который измеряет ускорение, испытываемое детектором 1 падения, датчик 3 потока воздуха, который обеспечивает измерение скорости и направления потока воздуха вокруг детектора 1 падения, процессор 4, который получает измерения от датчика 2 ускорения и датчика 3 потока воздуха и который обрабатывает измерения для обнаружения того, произошло ли падение.

Детектор 1 падения дополнительно содержит устройство 5 сигнализации, которое может запускаться процессором 4, если обнаруживают, что произошло падение. В альтернативных вариантах осуществления детектор 1 падения может также или альтернативно содержать средство для беспроводной передачи сигнала тревоги в центр обработки сигналов или в другое удаленное подразделение оказания помощи, если пользователь не поднялся быстро после обнаружения падения.

Датчик 3 потока воздуха может содержать датчик потока воздуха любого типа, например, датчики на основе ультразвука, разности давлений или импеллера, но в предпочтительном варианте осуществления изобретения, датчик 3 потока воздуха содержит тепловой датчик потока воздуха, упрощенная версия которого представлена на Фиг.2. Тепловой датчик потока воздуха является предпочтительным, поскольку он имеет низкое потребление мощности (и поэтому может быть использован в портативном устройстве с элементом питания), обладает возможностью измерения направления потока воздуха на 360 градусов и чувствителен к низким скоростям потока воздуха. Кроме того, тепловой датчик потока воздуха способен экранировать часть датчика от воздушного потока, что допускает простую конструкцию корпуса устройства, чтобы гарантировать, что он является водонепроницаемым.

Примерный датчик теплового потока, который можно использовать в детекторе 1 падения согласно изобретению (и способ производства такого датчика теплового потока), подробно описан ниже в разделе «Датчик теплового потока».

Как показано на Фиг.2, тепловой датчик 3 потока воздуха содержит нагревательный элемент 6 (который соответствует сопротивлению, которое сохраняется при постоянной мощности или постоянной температуре) и один или несколько термочувствительных элементов 7 (термопар или резисторов), которые измеряют температурные перепады на поверхности чувствительных элементов 7. Предпочтительно, термочувствительный элемент 7 содержит термобатарею (которая представляет собой несколько термопар, соединенных параллельно), поскольку она непосредственно измеряет температурный перепад с высокой чувствительностью и нулевым смещением. Тепловой датчик 3 потока воздуха можно установить на печатной плате или другой структуре в детекторе 1 падения, как описано ниже в разделе «Датчик теплового потока», с тем, чтобы детектор 1 падения был водонепроницаемым.

При нулевом потоке, перенос тепла от термобатареи 7 к текучему веществу 8 в датчике 3 происходит посредством теплопроводности, что ведет к симметричному распределению температур по поверхности термобатареи 7. Если существует определенный поток текучего вещества, то тепло переносится посредством конвекции.

Конвекционный перенос тепла состоит из двух механизмов; перенос энергии происходит не только посредством теплопроводности, но также посредством переносного движения текучего вещества 8 в присутствии температурного градиента (адвекция). Конвекционный перенос тепла ведет к асимметричному распределению температур; в верхней части охлаждение термобатареи 7 происходит больше, чем в нижней части, поскольку горячее текучее вещество 8 подвергается адвекции в направлении вниз по току, что ведет к температурному перепаду на поверхности термобатареи 7.

Предпочтительно, тепловой датчик 3 потока воздуха производят, используя технологию изготовления интегральных схем (ИС), в силу его высокой воспроизводимости и возможности уменьшения размеров занимаемой датчиком площади. Например, тепловой датчик 3 потока воздуха можно производить в соответствии с процессами, описанными ниже в разделе «Датчик теплового потока». Дополнительное преимущество от изготовления теплового датчика 3 потока воздуха в технологии изготовления ИС состоит в возможности интегрировать электронные компоненты, такие как усилители, аналого-цифровые преобразователи и микроконтроллеры, на кристалле для дополнительного уменьшения размеров, цены и потребления энергии детектора 1 падения.

Далее в отношении Фиг.3 описан способ обнаружения падений по изобретению (который соответствует способу, исполняемому процессором 4 в детекторе 1 падения).

На этапе 1001 процессор 4 получает измерения от датчика 2 ускорения, а на этапе 1003 процессор 4 получает измерения потока воздуха от датчика 3 потока воздуха. Измерения этих двух типов получают по существу параллельно, как показано на Фиг.3.

На этапе 1005 процессор 4 оценивает ориентацию детектора 1 падения, любое изменение ориентации детектора 1 падения и произошли ли какие-либо скачки измерений датчика 2 ускорения.

Способы обработки для оценки ориентации объекта по измерениям датчика ускорения известны в данной области техники и не будут дополнительно описаны в настоящем документе.

На этапе 1007 процессор 4 использует ориентацию детектора 1 падения, оцененную на этапе 1005, и измерения от датчика 3 потока воздуха для оценки вертикальной скорости детектора 1 падения и профиля вертикальной скорости (т.е. профиля, который показывает, как изменяется вертикальная скорость детектора 1 падения со временем).

В частности, процессор 4 использует оцененную ориентацию для идентификации составляющей измерений потока воздуха, которая соответствует вертикальному направлению.

Типично, датчик 3 потока воздуха содержит воздуховодный канал, и процессор 4 может использовать оцененную ориентацию для оценки ориентации воздуховодного канала и, следовательно, определять, находится ли поток воздуха в вертикальном направлении.

На этапе 1009 процессор 4 использует оцененную вертикальную скорость для оценки изменения высоты детектора 1 падения с течением времени (например, посредством интегрирования профиля вертикальной скорости за конкретный период времени).

На этапе 1011 процессор 4 определяет, произошло ли или вероятно произошло ли падение по профилю вертикальной скорости, профилю ускорения (который будет указывать временные характеристики и амплитуду любых скачков и присутствие каких-либо «тихих» периодов после скачков, где ускорение находится в неизменном состоянии - действует только гравитация), изменения ориентации детектора 1 падения и оцененное изменение высоты. Специалисты в данной области техники знают о множестве алгоритмов, которые может использовать процессор 4 для обработки этой информации для обнаружения того, произошло ли падение.

Следовательно, предоставлен детектор падения и способ обнаружения падений, в которых преодолены недостатки стандартных детекторов падения и способов обнаружения падения, и в конкретных вариантах осуществления в результате этого детектор падения обладает (i) низким потреблением мощности, (ii) способностью измерять направление потока воздуха на 360 градусов, (iii) чувствительностью к низким скоростям потока воздуха и (iv) простой конструкцией корпуса устройства, чтобы обеспечить то, что он является водонепроницаемым.

ДАТЧИК ТЕПЛОВОГО ПОТОКА

Описанные ниже аспекты изобретения, относящиеся к интегральным схемам датчиков теплового потока для обнаружения потока в канале на основе измерений температуры, содержат интегральную схему, содержащую термочувствительный элемент на передней стороне интегральной схемы, обращенный к каналу для текучего вещества, и контактную площадку, электрически соединенную с термочувствительным элементом, чтобы сделать электрический контакт удаленным от интегральной схемы, контактную площадку размещают обращенной от передней стороны, чтобы она была доступна для контакта с обратной стороны интегральной схемы.

В некоторых вариантах осуществления датчика теплового потока, произведенный по технологии интегральных схем (ИС) датчик теплового потока показан с контактными площадками, изготовленными на обратной стороне датчика, чтобы предоставить возможность простого монтажа и быстрый и чувствительный отклик датчика. Поскольку контактные площадки изготавливают на этапе постобработки, описанные этапы могут быть совместимы с основными процессами изготовления ИС, такими как процесс изготовления КМОП, в частности стандартный процесс изготовления КМОП, таким образом, позволяя интегрировать управляющие электронные компоненты на интегральной схеме. В другом варианте осуществления датчика теплового потока, датчик можно установить на печатной плате в процедуре захвата и монтажа для того, чтобы сделать возможным крупно объемное, низкозатратное производство.

В некоторых вариантах осуществления датчика теплового потока имеет место металлический слой на передней стороне интегральной схемы для электрического соединения между чувствительным элементом и контактной площадкой, и контактная площадка включает обратную сторону металлического слоя. Это позволяет расположить контактную площадку относительно близко к чувствительному элементу, чтобы сохранить структуру простой и компактной. В первом варианте осуществления датчика теплового потока представлен описанный ниже пример.

В некоторых вариантах осуществления датчика теплового потока интегральная схема содержит подложку, и в подложке сформирован рисунок, чтобы предоставить отверстие для обнажения контактной площадки, чтобы сделать возможным контакт с контактной площадкой через отверстие. Это может помочь защитить контакт и предоставить компактную структуру.

В некоторых вариантах осуществления датчика теплового потока интегральная схема содержит подложку, и в подложке сформирован рисунок, чтобы сформировать один или несколько контактных столбиков, а контактная площадка расположена на обратной стороне подложки на одном из контактных столбиков. Контактные столбики могут предоставить опору для контактной площадки и сохранить изоляцию от остальной схемы. Во втором варианте осуществления датчика теплового потока представлен описанный ниже пример.

В некоторых вариантах осуществления датчика теплового потока интегральная схема содержит нагревательный элемент на передней стороне интегральной схемы, обращенный к каналу для текучего вещества. Это дает возможность более интегрированного решения, хотя в альтернативных вариантах осуществления датчика теплового потока нагревание можно обеспечить посредством нагревателя, расположенного вне интегральной схемы. Внешний нагреватель следует предоставлять так, чтобы нагревать текучее вещество достаточно близко к температурному датчику.

В некоторых вариантах осуществления датчика теплового потока интегральная схема содержит интегральную схему с кремнием на диэлектрике. Это помогает предоставить возможность интегрировать другие элементы схемы. Описанный ниже третий вариант осуществления датчика теплового потока раскрывает эту компоновку.

В некоторых вариантах осуществления датчика теплового потока предоставлена сборка, содержащая печатную плату и интегральную схему по любому варианту осуществления, установленную на печатную плату, причем контактная площадка соединена с соответствующим контактом на печатной плате. Это позволяет установить другие элементы схемы на плате, в качестве альтернативы интегрировать их в ту же интегральную схему, которая может быть менее дорогостоящей и более простой в производстве. Также это позволяет включить дополнительные компоненты в интегральную схему. В четвертом варианте осуществления датчика теплового потока представлен описанный ниже пример.

В некоторых вариантах осуществления предоставлена система, которая имеет канал для текучего вещества для потока текучего вещества, канал имеет стенку, которая имеет углубление, и в углублении расположена интегральная схема или сборка, причем чувствительный элемент обращен к каналу.

Аспекты, относящиеся к датчику теплового потока, также предоставляют способ производства интегральной схемы датчика теплового потока для обнаружения потока в канале для текучего вещества на основе измерений температуры, который может включать в себя этапы формирования приводимого в действие электричеством теплового элемента, такого как термочувствительный элемент на передней стороне интегральной схемы, обращенный к каналу для текучего вещества, и формирования контактной площадки, электрически соединенной с приводимым в действие электричеством тепловым элементом, таким как термочувствительный элемент, чтобы сделать электрический контакт удаленным от интегральной схемы, контактная площадка расположена обращенной от канала для текучего вещества.

Способ производства датчика теплового потока может включать этап формирования контактной площадки на обратной стороне металлического слоя, или формирования рисунка в подложке для формирования отверстия, и формирование контактной площадки в отверстии, или формирование рисунка в подложке для формирования контактного столбика и формирования контактной площадки на контактном столбике.

Итак, описанные варианты осуществления датчика теплового потока включают в себя произведенный по технологии ИС датчик теплового потока с контактными площадками, выполненными на обратной стороне датчика. Поскольку контактные площадки можно выполнить на этапе постобработки, то по меньшей мере некоторые варианты осуществления датчика теплового потока совместимы с основными процессами изготовления ИС, такими как процесс изготовления КМОП, в частности стандартный процесс изготовления КМОП, таким образом, позволяя интегрировать, например, управляющие электронные компоненты на интегральной схеме. В другом варианте осуществления датчика теплового потока показано, что способ монтажа датчика на печатной плате в процедуре захвата и монтажа делает возможным крупно объемное, низкозатратное производство.

Датчик теплового потока типично содержит один или несколько нагревательных элементов и/или один или несколько термочувствительных элементов, таких как резисторы, транзисторы или термопары. Нагревательный элемент (на интегральной схеме или в ином месте) нагревает часть текучего вещества, которая расположена близко к датчику. Поток текучего вещества вызывает снижение температуры нагревателя и сдвиг в температурном профиле интегральной схемы, который можно измерить с использованием термочувствительных элементов. Как температуру нагревателя, так и сдвиг в температурном профиле можно использовать в качестве меры скорости потока. Дополнительное преимущество измерения температурного профиля состоит в способности обнаружить направление потока.

В вариантах осуществления датчика теплового потока термин «подложка» может включать в себя любой лежащий в основании материал или материалы, которые можно использовать, или на которых можно сформировать устройство, схему или эпитаксиальный слой. В других альтернативных вариантах осуществления датчика теплового потока эта «подложка» может содержать полупроводниковую подложку, например, такую как кремний, легированный кремний, арсенид галлия (GaAs), арсенид фосфид галлия (GaAsP), фосфид индия (InP), германий (Ge), или кремний-германиевая (SiGe) подложка. «Подложка» может содержать, например, изолирующий слой, такой как слой SiO₂ или Si₃N₄, в дополнение к полупроводниковой части подложки. Таким образом, термин подложка также содержит подложки кремний-на-стекле, кремний-на-сапфире. Таким образом, термин «подложка» используют, как правило, для определения элементов для слоев, которые лежат в основании под слоем или частями, представляющими интерес.

Первый вариант осуществления датчика теплового потока представляет собой интегральную схему, изготовленную, как показано на Фиг.4-16, которая имеет контактную площадку, доступную через отверстие в подложке.

На Фиг.4 показан исходный материал, в этом случае полупроводниковая подложка, такая как полупроводниковая пластина, примером которой является кремниевая подложка 20 толщиной 300 мкм с изолирующим слоем сверху, таким как оксидный слой, например, 0,5 микронный термооксидный слой 10 сверху. Можно использовать другие толщины изолирующего слоя или материалы изолирующего слоя, такие как нитрид кремния. Нагревательные элементы и термочувствительные элементы можно обрабатывать, используя стандартные способы осаждения и литографии (представлены на Фиг.5-10).

На Фиг.5 показано формирование приводимого в действие электричеством теплового элемента, такого как терморезистор, например, осаждение и формирование рисунка в 0,3 микронный легированном на месте (n++) слое 30 поликремния с использованием первой маски: МАСКА 1:PS. Слой 30 поликремния можно сформировать в один или несколько нагревательных элементов и/или один или несколько термочувствительных элементов, таких как резисторы, транзисторы или термопары. Нагревательный элемент можно разместить отдельно, а слой поликремния представляет собой единственный используемый термочувствительный элемент. Где предоставлен нагревательный элемент, он нагревает часть текучего вещества, которая расположена близко к датчику. Поток текучего вещества вызывает снижение температуры нагревателя, которую можно измерить с использованием термочувствительного элемента. Как температуру нагревателя, так и сдвиг в температуре температурного датчика можно использовать в качестве меры скорости потока.

На Фиг.6 показано формирование предметаллического диэлектрического слоя, такого как 0,2 микронный слой 40 TEOS, и вскрытие первых контактных окон 42, 44 поверх теплового элемента, например, слоя 30 поликремния. Для этого используют вторую маску: МАСКА 2:CO. На Фиг.7 показано вскрытие вторых контактных окон 50 до подложки для контактных площадок. Для этого можно использовать третью маску: МАСКА 3:CB. На Фиг.8 показано формирование проводящего слоя, который может представлять собой слой металлизации, такой как многослойный металл, например, 20 нанометровый Ti+0,5 слой 60 металлизации алюминием, для создания электрического контакта между элементами, в частности, контактов 62, 64 к тепловому элементу, выполненному из поликремния 30, через первые контактные окна 42, 44 и контакта 66 к окну контактной площадки или второму контактному окну 50. Для этого можно использовать четвертую маску: МАСКА 4:IN. Контакты 62, 64, 66 предоставляют электрические соединения для приведения в действие теплового элемента и функционирования датчика.

На Фиг.9 показано формирование пассивирующего слоя и защищающего от царапин слоя поверх законченного устройства, такое как формирование 0,5 микронного ПХГФО нитрида и 0,5 микронного оксидного слоя 70 для пассивации и защиты от царапин. Та часть датчика, которая находится ближе всего к каналу для текучего вещества, расположена выше слоя 30 поликремния с тем, чтобы можно было нанести дополнительные слои, чтобы обеспечить теплопроводность и улучшить адгезию, например. На Фиг.10 показано формирование металлического слоя, такого как 0,05-1 микронный слой 75 алюминия, для корректировки теплопроводности, и изолирующего слоя, такого как 0,5 микронный оксидный слой 80, для адгезии. Для получения оптимального времени отклика и чувствительности среднюю теплопроводность набора слоев можно корректировать путем адаптации толщины дополнительного (не содержащего рисунка) слоя металлизации.

На Фиг.11 показан процесс присоединения к химически устойчивому гладкому и плоскому поверхностному слою. Например, перед изоляционной подложкой 90 наносят клей 100. Изоляционную подложку 90 можно изготовить из стекла, которое обладает теплопроводностью приблизительно 1 Вт/(мК). В случае изготовления из стекла, изоляционная подложка типично будет иметь толщину около 400 мкм. Это можно реализовать, помещая полупроводниковую пластину сверху вниз на изоляционную подложку 90. Затем необязательно уменьшают толщину изоляционной подложки 90, например, посредством (дисковой) шлифовки до толщины 50-100 мкм с последующим необязательным этапом полировки, чтобы обеспечить гладкую поверхность датчика, как показано на Фиг.12. Альтернативно, изоляционную подложку 90 изготавливают из полиимида, который обладает теплопроводностью приблизительно 0,15 Вт/(мК) и толщиной приблизительно 10 мкм. В результате, снижают тепловое шунтирование области, в которой следует разместить датчик. Это благоприятно повышает чувствительность датчика. Кроме того, меньшая толщина положительно влияет на время отклика датчика. В дополнение к этому, полиимид легко наносить на полупроводниковую пластину, например, способами нанесения покрытия центрифугированием, эти способы благоприятным образом обходят необходимость приклеивания изоляционной подложки 90.

На Фиг.13 показано формирование маски 120 обратной стороны, например, слоя резиста, для анизотропного травления, такого как глубокое РИТ-травление с использованием пятой маски: МАСКА 5:CAV.

На Фиг.14 показано формирование отверстий 130 в полупроводниковой подложке для того, чтобы открыть контактные площадки посредством локального удаления полупроводникового материала, например, кремния. Это может включать в себя анизотропное травление, такое как глубокое РИТ-травление (процесс Bosch), которое останавливается на изолирующем слое, например, оксиде 10, и проводящем слое 60, например, металле, например, алюминиевых контактных площадках. Следует отметить, что алюминиевые контактные площадки расположены непосредственно на кремниевой подложке с тем, чтобы удаление подложки открывало контактную площадку. Необязательно, для повышения чувствительности датчика можно удалять кремний под чувствительной областью. Оставшийся кремний обеспечивает механическую прочность и выполняет функцию теплоотвода. Далее можно создать контакт с датчиком, например, используя проводное соединение.

На Фиг.15 показано удаление маски обратной стороны, например, слоя 120 резиста. На Фиг.16 показан последний этап резки на кристаллы и предоставление проводного соединения 160 с внешней схемой, такой как печатная схема или фольгированная монтажная пленка.

Второй вариант осуществления датчика теплового потока включает в себя изготовление электрически изолированных полупроводниковых, например, кремниевых, «контактных столбиков» для создания электрического соединения датчика с объединяющей шиной набора слоев. Исходный материал представляет собой, например, полупроводниковую пластину, например, сильно легированную подложку с низким сопротивлением с изолирующим слоем сверху, таким как термооксидный слой сверху. Нагревательные элементы и/или термочувствительные элементы обрабатывают с использованием стандартных способов осаждения и литографии и описаны, как показано на Фиг.5-10, по отношению к первому варианту осуществления датчика теплового потока, т.е. от слоя 30 поликремния. Для получения оптимального времени отклика и чувствительности среднюю теплопроводность набора слоев можно корректировать, адаптируя толщину дополнительного слоя металлизации, как показано на Фиг.10.

Пластину соединяют, например, склеиванием сверху вниз со стеклянной подложкой, как показано на Фиг.11, и необязательно уменьшают толщину стеклянной подложки посредством (дисковой) шлифовки до толщины 50-100 мкм с последующим этапом полировки для того, чтобы обеспечить гладкую поверхность датчика, как показано на Фиг.12. Вместо этапов способа, описанных в отношении Фиг.13-16, первого варианта осуществления датчика теплового потока, второй вариант осуществления датчика теплового потока содержит этапы, представленные на Фиг.17-22.

На Фиг.17 показано осаждение металлического слоя, такого как 0,5 микронный алюминиевый слой 180, на обратной стороне пластины, например, посредством металлизации распылением. На Фиг.18 показана маска обратной стороны для анизотропного травления, например, глубокого РИТ-травления: МАСКА 5:CAV. Это может представлять собой слой 190 резиста. Это используют для нанесения рисунка на металлический слой, например, алюминиевый слой 180, чтобы задать контактные площадки 200, как показано на Фиг.19.

На Фиг.20 показано анизотропное травление, например, глубокое РИТ-травление (процесс Bosch), останавливающееся на оксидном слое 10 (и любом алюминиевом слое 60). Это позволяет удалить кремний 220 под чувствительной областью для повышения чувствительности датчика, а кремний вокруг контактных площадок удаляют для формирования электрически изолированных кремниевых «контактных столбиков» 240, предоставляя электрическое соединение между датчиком и контактным площадками. Оставшийся кремний придает механическую прочность и выполняет функцию теплоотвода для датчика. Далее можно создать контакт с датчиком, например, используя проводное соединение.

На Фиг.21 показано удаление слоя резиста.

На Фиг.22 изображено предоставление покрытия 250 из электрически резистивного материала на обратной стороне набора слоев. В настоящем документе канавки между контактными столбиками 240 заполнены покрытием 250. Также на оставшейся кремниевой подложке предоставляют покрытие 250 электрически резистивного материала. Предпочтительно, покрытие 250 содержит парилен. Покрытие 250 имеет такую толщину, что канавки между контактными столбиками полностью заполнены, т.е. покрытие 250 имеет толщину, которая равна приблизительно половине ширины канавок между контактными столбиками 240.

На Фиг.23 показано удаление покрытия 250 посредством нанесения кислородной плазмы на него до тех пор, пока не будет удалено все покрытие 250 с оксидного слоя 10 и верхних поверхностей контактных столбиков. Удаляют только небольшую часть покрытия 250, осажденного в канавках между контактными столбиками 240, эта часть имеет толщину, которая более или менее равна исходной толщине покрытия 250.

На Фиг.24 показана обработка в масштабе пластины для формирования столбиковых выводов 270. За этим может следовать резка пластины на кристаллы, чтобы предоставить отдельные интегральные схемы.

Третий вариант осуществления датчика теплового потока включает изготовление датчиков по вариантам осуществления 1 и 2 с использованием тех же этапов, как описано выше, но исходным материалом является пластина SOI (кремний-на-диэлектрике), которая имеет монокристаллический верхний слой над изолирующим слоем. В этом варианте осуществления датчика теплового потока, управляющие электронные компоненты, такие как аналого-цифровые преобразователи и т.д., можно выполнить в слое монокристаллического кремния в SOI. Также термочувствительные элементы можно выполнить в монокристаллическом кремнии вместо использования отдельного слоя 30 поликремния.

В четвертом варианте осуществления датчика теплового потока предоставлен способ монтажа набора слоев датчика, как описано в любом варианте осуществления датчика теплового потока. В качестве примера, датчик устройства по второму варианту осуществления датчика теплового потока установлен непосредственно на печатной плате, как показано на Фиг.25 и 26. Столбиковые выводы наносят на контактные площадки, чтобы предоставить хорошее электрическое соединение с печатной платой 290. Дополнительно, столбиковые выводы наносят под кремниевым теплоотводом, чтобы предоставить хорошее тепловое соединение с печатной платой. Электрически проводящий адгезив 280 наносят на печатную плату. Адгезив следует подбирать с целью снижения несовпадения коэффициентов теплового расширения кремния и печатной платы. Предпочтительно электропроводную эпоксидную смолу, которая твердеет при комнатной температуре, используют для предотвращения создания механического напряжения в датчике вследствие несовпадения коэффициентов теплового расширения кремния и печатной платы. Во избежание проникновения воды (пара) и грязи в зазор между датчиком и печатной платой, для герметизации датчика наносят адгезив 330. Теплоотвод 300 можно установить на обратной стороне печатной платы и соединить с кремниевым теплоотводом с помощью теплопроводящих сквозных отверстий 310 в печатной плате. Показаны электрические соединения 320 для соединения контактных площадок датчика с другими компонентами на печатной плате. Эти соединения могут содержать стандартные сквозные отверстия и печатные медные дорожки.

На Фиг.27 показан монтаж сборки, которая имеет датчик потока по одному из вариантов осуществления датчика теплового потока, в углублении в форме предварительно изготовленного окна в стенке канала потока 340. На этом виде канал потока расположен выше датчика. На Фиг.28 показан монтаж датчика потока позади альтернативного типа углубления в форме локально тонкой части 350 стенки канала потока. Эта тонкая часть может обеспечивать барьер для снижения риска утечки или засорения текучего вещества и устраняет необходимость предоставить хорошую герметизацию вокруг краев интегральной схемы датчика.

Датчики, сборки и способы изготовления не ограничены применением в детекторах падения. Например, их можно применять в системах распылителей или других медицинских применениях, где необходима стерильность, например, в доставке лекарственных средств внутривенным введением. Также их можно применять в применениях, отличных от медицинской области, например, для использования в средах с агрессивными текучими веществами.

В вариантах осуществления датчиков теплового потока датчик размещают сверху или в верхнем слое кремниевой подложки. Стандартно как область датчика, так и контактные площадки для соединения датчика, например, с управляющими электронными компонентами, размещают на передней стороне кремниевого набора слоев. В таких стандартных устройствах область датчика и контактные площадки размещают в одной плоскости так, что при встраивании датчика теплового потока в стенку трубки необходимо наносить толстый слой между датчиком и текучим веществом, протекающим по трубке, чтобы предоставить пространство, защитить и направить соединительные провода к печатной плате или выводной рамке. Описанные варианты осуществления датчика теплового потока могут решить эту проблему, которая может влиять на характеристики датчика в отношении чувствительности и времени отклика. Снижение расстояния между термочувствительными элементами, входящими в тепловой датчик, и текучим веществом, протекающим по каналу для текучего вещества, посредством описанных выше вариантов осуществления может улучшить время отклика и чувствительность датчика.

Следовательно, таким образом, этот аспект предусматривает альтернативные датчики и интегральные схемы датчиков для обнаружения скорости потока, системы, включающие такие датчики или интегральные схемы датчиков, и способы производства и функционирования таких датчиков или интегральных схем датчиков и таких систем. По первому аспекту предоставлено устройство датчика теплового потока. Это устройство содержит интегральную схему датчика теплового потока или датчик теплового потока с интегральной схемой (ИС), который содержит интегральную схему для обнаружения потока в канале для текучего вещества на основе измерений температуры, интегральная схема содержит приводимый в действие электричеством тепловой элемент, например, термочувствительный элемент на передней стороне интегральной схемы, обращенный к каналу для текучего вещества, и контактную площадку, электрически соединенную с приводимым в действие электричеством тепловым элементом, например, термочувствительным элементом, чтобы сделать электрический контакт удаленным от интегральной схемы, контактную площадку размещают обращенной от передней стороны, чтобы она была доступна для контакта с обратной стороны интегральной схемы.

Имея контактную площадку, доступную с обратной стороны интегральной схемы, обращенную от канала для текучего вещества, пространство, необходимое для контактной площадки и каких-либо соединений с ней, не должно выходить за пределы приводимого в действие электричеством теплового элемента, например, термочувствительного элемента, и загораживать путь канала для текучего вещества. Таким образом, приводимый в действие электричеством тепловой элемент, например, термочувствительный элемент, можно разместить ближе к каналу для текучего вещества или в канале для текучего вещества, чтобы сделать возможными более качественные измерения.

Точное измерение скорости потока необходимо во многих применениях. Одно такое применение состоит в обнаружении падения, а другое состоит в мониторинге и контроле внутривенной доставки лекарственного средства. Другим таким применением являются системы распылителей. Системы распылителей используют для доставки лекарственных средств в форме аэрозолей пациентам с респираторными заболеваниями. Чтобы предоставить возможность точной доставки лекарственного средства или аэрозоля, точный период времени для высвобождения лекарственного средства или аэрозоля определяют на основе данных датчика потока. Такой датчик потока должен быть быстрым и чувствительным, чтобы разрешать колебания скорости, например, вокруг точки перехода от вдоха к выдоху и наоборот.

Медицинские устройства, такие как распылители, могут требовать стерилизации в автоклаве или с использованием медицинских или химических способов. Способность измерять поток через стенку канала для текучего вещества делает возможным устанавливать датчик потока и электронные компоненты в герметически изолированной части устройства, отделенной от стерильной среды. Однако для хороших характеристик датчика в отношении чувствительности и времени отклика датчик следует устанавливать близко к текучему веществу.

Интегральные схемы датчиков теплового потока изготавливают, используя технологии ИС, сверху или в верхнем слое кремниевой подложки. Следовательно, как область датчика, так и контактные площадки для контакта с датчиком размещают на передней стороне кремниевого набора слоев. Поскольку область датчика и контактные площадки размещают в одной плоскости, то необходимо наносить толстый слой между датчиком и текучим веществом, чтобы защитить и направить соединительные провода к печатной плате или выводной рамке. Характеристики датчика в отношении чувствительности и времени отклика снижаются с увеличением расстояния между потоком и текучим веществом.

Проводящий слой можно предоставить на передней стороне устройства датчика теплового потока для электрического соединения между приводимым в действие электричеством тепловым элементом и контактной площадкой, и контактная площадка содержит обратную сторону проводящего слоя. Преимущество этого состоит в предоставлении дополнительной степени свободы в отношении теплопроводности устройства датчика теплового потока, при этом предоставляя контакт на обратной стороне. Например, толщину проводящего слоя или материала, содержащегося в проводящем слое, можно использовать в качестве переменной проектирования.

Устройство датчика теплового потока может содержать изолирующий слой, чтобы электрически изолировать его от текучего вещества в канале. Предпочтительно, изолирующий слой содержит полиимид. Полиимид обладает теплопроводностью приблизительно 0,15 Вт/(мК) и допускает нанесение толщиной приблизительно 10 мкм. В результате снижают тепловое шунтирование. Это благоприятно повышает чувствительность устройства датчика теплового потока. Кроме того, меньшая толщина положительно влияет на время отклика, связанное с устройством датчика теплового потока. В дополнение к этому, полиимид легко наносить способами нанесения покрытия центрифугированием, эти способы благоприятным образом обходят необходимость склеивания.

Устройство может содержать подложку, такую как полупроводниковая подложка. В подложке можно сформировать рисунок, чтобы предоставить отверстие для обнажения контактной площадки, чтобы сделать возможным контакт с контактной площадкой через отверстие. Это делает возможным доступ к контактной площадке, при этом сохраняя определенную толщину подложки для механической прочности и стабильности.

В подложке также можно сформировать рисунок для формирования одного или нескольких контактных столбиков, а контактную площадку можно разместить на обратной стороне подложки на одном из контактных столбиков.

Контактные столбики можно предоставить с покрытием из электрически резистивного материала, чтобы усилить механическую опору из контактных столбиков. В результате, размер контактных столбиков в поперечном сечении можно уменьшить, при этом реализуя достаточную механическую прочность. Уменьшение размера поперечного сечения контактных столбиков уменьшает размер ИС и, следовательно, благоприятно снижает стоимость ИС. Предпочтительно, электрически резистивный материал содержит парилен, поскольку последний материал обладает очень хорошими свойствами для этапа нанесения покрытия. В связи с указанными превосходными свойствами для этапа нанесения покрытия, парилен покрывает боковые стенки контактных столбиков почти с такой же скоростью, как горизонтальную поверхность подложки. Примером подходящего парилена является поликсилилен.

Приводимый в действие электричеством тепловой элемент может содержать нагревательный элемент или термочувствительный элемент на передней стороне устройства датчика теплового потока, обращенный к каналу. Расположение на передней стороне делает температурный датчик более чувствительным.

Устройство можно формировать в виде интегральной схемы. Поэтому можно создать компактное устройство, которое можно легко включить в другое оборудование. ИС может представлять собой интегральную схему на кремнии на диэлектрике.

Аспекты также предусматривают сборку, содержащую печатную плату и описанное выше устройство датчика теплового потока, установленное на печатной плате, с контактной площадкой, которая соединена с соответствующим контактом на печатной плате.

Аспекты также предусматривают систему, которая имеет канал, канал имеет стенку, стенка имеет углубление, и в углублении устанавливают устройство датчика теплового потока или описанную выше сборку с приводимым в действие электричеством тепловым элементом, обращенным к каналу.

Аспекты также предусматривают способ производства устройства датчика теплового потока для обнаружения потока в канале на основе измерений температуры, способ имеет этапы формирования приводимого в действие электричеством теплового элемента на передней стороне устройства датчика теплового потока, обращенного к каналу, и формирования контактной площадки, электрически соединенной с приводимым в действие электричеством тепловым элементом, чтобы сделать электрический контакт удаленным от устройства датчика теплового потока, контактную площадку размещают обращенной от передней стороны, чтобы она была доступна для контакта с обратной стороны устройства датчика теплового потока. Эти этапы способов совместимы со стандартным технологическим маршрутом изготовления КМОП, что допускает экономичное производство.

Для электрического соединения между приводимым в действие электричеством тепловым элементом и контактной площадкой можно предоставить проводящий слой, при этом контактная площадка содержит обратную сторону металлического слоя. Когда этот слой расположен на передней стороне устройства, он может помочь улучшить время термического отклика вдоль направления, параллельного основному направлению канала для текучего вещества.

Устройство датчика теплового потока может содержать подложку, такую как полупроводниковая подложка, а способ может содержать этап формирования рисунка в подложке, чтобы предоставить отверстие для обнажения контактной площадки, чтобы сделать возможным контакт с контактной площадкой через отверстие.

Способ также может содержать этап формирования рисунка в подложке для формирования контактного столбика, этап формирования контактной площадки, включая формирование контактной площадки на контактном столбике.

Способ может содержать этап сборки устройства датчика теплового потока на печатной плате и соединения контактной площадки с соответствующим контактом на печатной плате.

Устройство датчика теплового потока можно предпочтительно монтировать в углублении в стенке канала для потока текучего вещества.

Другие аспекты включают датчики и системы датчиков, которые содержат такие интегральные схемы, и способы производства таких интегральных схем или таких систем, а также способы функционирования таких датчиков и систем датчиков, содержащих такие интегральные схемы.

Аспекты также предусматривают способ производства устройства датчика теплового потока, например, интегральной схемы датчика теплового потока для обнаружения потока в канале для текучего вещества на основе измерений температуры, включающий в себя этапы формирования приводимого в действие электричеством теплового элемента, например, термочувствительного элемента на передней стороне интегральной схемы, обращенного к каналу для текучего вещества, и формирования контактной площадки, электрически соединенной с приводимым в действие электричеством тепловым элементом или термочувствительным элементом, чтобы сделать электрический контакт удаленным от интегральной схемы, контактную площадку размещают обращенной от канала для текучего вещества.

Способ может включать этап формирования контактной площадки на обратной стороне металлического слоя или формирование рисунка в подложке для формирования отверстия и формирования контактной площадки в отверстии или формирование рисунка в подложке для формирования контактного столбика и формирования контактной площадки на контактном столбике.

Несмотря на то что изобретение подробно проиллюстрировано и описано на чертежах и в предшествующем описании, такие иллюстрации и описание следует рассматривать в качестве иллюстрации или примера, а не в качестве ограничения; изобретение не ограничено описанными вариантами осуществления.

Специалисты в данной области могут понять вариации описанных вариантов осуществления и реализовать их при практическом осуществлении описываемого в заявке изобретения, основываясь на изучении чертежей, описания и приложенной формулы изобретения. В формуле изобретения слово «содержит» не исключает другие элементы или этапы, а формы единственного числа не исключают множественного. Один процессор или другой блок может исполнять функции нескольких элементов, перечисленных в формуле изобретения. Сам факт того, что определенные меры перечислены во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что сочетание этих мер нельзя использовать с выгодой. Компьютерную программу можно хранить/распространять в подходящей среде, такой как оптическая среда хранения или твердотельная среда, которые поставляют вместе с другим аппаратным обеспечением или в виде его части, а также ее можно распространять в других формах, например, через интернет или другие проводные или беспроводные телекоммуникационные системы. Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не следует толковать в качестве ограничения объема.

Реферат

Изобретение относится к медицинской технике. Детектор для обнаружения падений пользователя или объекта содержит датчик потока воздуха. Датчик потока воздуха выполнен для измерений, которые учитывают вертикальную скорость и/или изменение высоты падения. Детектор существенно облегчает уход за престарелыми людьми. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 28 ил.

Формула