用于监测固体结构内的压力的集成电子设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于检测在固体结构内在特定方向上本地感知的压力的集成电子设备。
[0002]本发明中还包括检测和监测模块，该检测和监测模块使用上述设备以及在固体结构内的相应的压力监测系统。
【背景技术】
[0003]在例如桥梁、建筑物、廊道、铁路、挡土墙、水坝、水堤、建筑物的厚板和梁、地下管道和城市地铁的结构等的固体结构(尤其是负重结构)中，非常重要的是在若干点中监测重要的参数，尤其是结构在那些位置所经受的机械应力(并且因此监测导致机械应力的那些力和压力)。在本说明书中，固体结构被认为是诸如由建筑材料(例如，水泥、混凝土、灰浆)制成的结构。
[0004]或者定期或者不断地执行的这样的监测在初始步骤和结构的寿命期间都是有用的。
[0005]为了这个目的，已知使用基于有能力的电子传感器或者在成本高效的同时提供良好性能的电子监测设备。通常，这些设备或者被应用于待监测的结构的表面或者在结构内先前提供的凹陷内并且能够从其外部进行访问。
[0006]为了增强监测的性能，鉴于评估结构的质量、安全、老化、对其变化的大气条件的反应等等，还已经执行提供被“埋置”到制成待监测的结构的材料(例如钢筋混凝土)中的监测电子设备的解决方案。在解决方案当中，在专利US 6，950，767中描述的设备是被封装在一个容器中的整个系统，该系统由在衬底上组装的若干部分(诸如集成电路、传感器、天线、电容器、电池、存储器和控制单元)构成，所述部分被实施在通过金属连接彼此连接各种“芯片”中。整体而言，US 6，950，767描述了 “系统级封装(System in Package) ”类型(SiP)的方案。然而应当理解首先“淹没”在建筑材料(例如，液体混凝土)并且旨在于保持“埋置”在固体结构内的SiP经受环境上危急的条件，例如由于其经受的非常高的压力，甚至可以高达600个大气压。应当向以上加入多种其它磨损原因，其它磨损原因是由于例如可以在时间上损坏上述系统的水泄露。因此，在上述应用领域中，诸如是在US 6，950, 767中的SiP结果很不可靠。
[0007]还已知其它电子设备，其适于检测压力并且因此检测已经生成压力的力或机械应力并且通过电容式压力传感器来实施。然而，这些设备不能够被用于固体结构的监测。事实上，这些设备的构造特性使得它们易受存在于结构内的上述压力和由泄露到结构中的水的腐蚀的效果的影响。因此，这些电容式压力传感器也很不可靠。
[0008]本发明的目的在于设想和提供用于检测在固体结构内的压力和/或机械应力的改善的集成电子设备，该集成电子设备被改善以使得至少部分地克服上文参照现有技术所描述的缺点。
【发明内容】
[0009]该目的通过根据权利要求1的检测设备来实现。
[0010]在从属权利要求2至19中限定了这一设备的另外的实施例。
[0011]在权利要求20中限定了包括根据本发明的检测设备的检测和监测模块。
[0012]在权利要求21中限定了包括根据本发明的至少一个模块(并因此包括设备)的监测系统。
【附图说明】
[0013]根据本发明的集成电子检测设备的进一步的特性和优点将通过以下对优选实施例的描述来出现，参照所附附图通过非限制性说明来给出优选实施例，在附图中:
[0014]图1示出了根据本发明的设备的优选实施例的侧视截面图；
[0015]图2示出了图1的设备的(相对于穿过传感器的水平面的)顶视截面图；
[0016]图3示意性示出了图1中的设备的等效电子电路作为具有连接到电压生成器的输入和连接到负载的输出；
[0017]图4、5、6示出了分别与根据本发明的设备的三个另外的实施例相关的三个侧视截面图；
[0018]图7示出了图5和6中的设备的(相对于穿过传感器的水平面的)顶视截面图；
[0019]图8、9示出了与根据本发明的设备的另外的实施例相关的侧视截面图；
[0020]图10、11示出了与根据本发明的设备的另外的实施例相关的侧视截面图；
[0021]图12A、12B示出了在两个操作条件中的图8中的设备的一部分的侧视截面和放大的图；
[0022]图13是杨氏模量和多种材料的密度的透视图，其中示出了与本发明相关的材料的感兴趣的属性；
[0023]图14图示了本发明的检测和监测模块的结构图；
[0024]图15示意性图示了根据本发明的示例的监测系统；
[0025]图16-21示意性图示了可以用于测试本发明的检测设备的测试装置的实施例。
【具体实施方式】
[0026]参照上述图1-12B，根据本发明和在若干实施例中的、用于检测与在固体结构内的压力在预定方向“d”上经受的力F或机械应力相关的压力的、集成在半导体材料的芯片上的电子设备用数字 400、400a、500、500 ’、600、600 ’、700、700 ’ 标示。
[0027]为了简明，上述电子设备将在下文中被指定为“检测设备”或仅仅为设备。此外，等同或相似的元件或部件将在上面列出的图通篇借助相同的附图标记来标示。
[0028]参照图1，检测设备400或压力传感器包括特别为半导体材料的集成元件51，该集成元件51由与力F的施加的方向d基本上正交的芯片的操作表面52限定。
[0029]应当注意集成电路51示意性地由两个重叠的层表示:包括半导体材料(例如硅)的第一层或衬底51a ;以及与将在第一层51a中集成和提供的电路的若干元件连接的敷金属对应的第二层51b。
[0030]此外，设备400包括容纳在集成元件51内(特别地在第二层51b中)并且被配置为面对操作表面52的分别用53和54标不的第一和第二传导性元件。
[0031]在实施例中，这些第一和第二传导性元件53和54是金属元件。在优选实施例中，参照图2，第一和第二传导性元件53和54是具有互相交叉结构的金属板以避免涡电流的形成，在设备还包括集成(嵌入式)天线的情况中该涡电流可能负面影响整个设备的性能，如下面详细介绍。应当观察到金属板53和54可以还具有除了图2中所示的几何形状之外的几何形状。
[0032]检测设备400还包括电路，在电路当中电子测量模块55被容纳在集成元件51内并且包括分别电连接到所述第一和第二传导性元件53和54第一和第二测量端子56和57。这一测量模块55特别地包括传感器的集成功能电路装置。模块55的该功能电路装置被集成在集成元件51内，尤其在第一层51a内，并且设置有被包括在第二层51b内并且使用已知的微电子技术由通过传导性过孔连接的若干敷金属层构成的连接线。
[0033]除此之外，检测设备400包括被布置在预定方向“d”上的检测元件58以使得设备操作表面52被夹设在一侧的第一和第二传导性元件53和54和另一侧的上述检测元件58之间。
[0034]在实施例中，检测元件58通过单片制成的传导性元件实施。在优选实施例中，传导性元件58由抗腐蚀和/或氧化的材料制成。这一传导性元件58可以是例如铝的金属板。备选地，使用传导性聚合物或其它传导性材料来制造这一传导性元件58。
[0035]在实施例中，参照图7，金属板58具有互相交叉的结构。然而，这一金属板58可以具有变化的几何形状。
[0036]仍参照图1，检测设备400包括绝缘层或钝化层59，该绝缘层或钝化层59适于至少覆盖操作表面52，以便使第一和第二传导性元件53和54与集成元件51的外部电流绝缘。由于这些第一和第二传导性元件53和54在钝化层59之下被连接，因此它们对由可能劣化其结构并且因此影响整个检测设备400的可靠性的外部试剂(例如，湿气、酸性物质)造成的腐蚀和/或氧化效果基本上不敏感。
[0037]参照图4、5、6、8和9，钝化层59是防水并且保护性的层，其完全覆盖检测设备400a、500、500’、600、600’的集成元件51，以使得测量模块55和传导性元件53、54均作为整体完全紧密密封并且与周围环境电流绝缘。
[0038]在本发明中包括的若干示例性实施例中，这一钝化层59可以由氧化硅或氮化硅或者碳化娃制成。
[0039]除此之外，设备400包括至少被夹设在检测元件58和钝化层59之间的介电材料的层510。特别地，介电材料的层510是在力F在预定方向d上的施加之后弹性地可变形的，以便改变检测元件58与第一和第二传导性元件53和54之间的电磁耦合。
[0040]在图1的示例中，在电介质510的弹性变形之后力F在方向d上的施加适于尤其通过朝着这些传导性元件53和54移动检测元件58而显著改变检测元件58与第一和第二传导性元件53和54之间的距离。
[0041]参照图13，将更详细描述构成设备400中的电介质510的柔性/弹性材料。
[0042]这一材料(依据其名称定为“弹性/柔性”材料)的属性应