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CN105074411A - 用于监测固体结构内的压力的集成电子设备 - Google Patents

用于监测固体结构内的压力的集成电子设备 Download PDF

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CN105074411A
CN105074411A CN201480019015.0A CN201480019015A CN105074411A CN 105074411 A CN105074411 A CN 105074411A CN 201480019015 A CN201480019015 A CN 201480019015A CN 105074411 A CN105074411 A CN 105074411A
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layer
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integrated
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STMicroelectronics SRL
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Abstract

本发明涉及一种在半导体材料芯片上的集成电子设备(400；400a；500、500’；600、600’；700、700’)，用于检测与在固体结构内在预定方向(d)上施加的力(F)相关的压力。该设备包括：-集成元件(51)，由与力的施加的方向(d)基本上正交的芯片的操作表面(52)限定；-第一传导性元件(53)和第二传导性元件(54)，被容纳在集成元件(51)内并且被配置为面对操作表面；-测量模块(55)，被容纳在集成元件内并且包括分别被连接到第一传导性元件(53)和第二传导性元件(54)的第一测量端子(56)和第二测量端子(57)；-检测元件(58)，被布置在预定方向(d)上以使得操作表面(52)被夹设在第一传导性元件(53)和第二传导性元件(54)与这一检测元件(58)之间；-绝缘层(59)，适于涂覆至少操作表面以便使第一传导性元件(53)和第二传导性元件(54)电流绝缘。该设备包括至少被夹设在检测元件(58)和绝缘层(59)之间的介电材料的层(510、510’)。该介电材料的层在预定方向上的力(F)的施加之后是弹性地可变形的以便改变在检测元件(58)与上述第一传导性元件(53)和第二传导性元件(54)之间的电磁耦合。

Description

用于监测固体结构内的压力的集成电子设备
技术领域
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。
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
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。
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。
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。
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US6,950,767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，US6,950,767描述了“系统级封装(SysteminPackage)”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US6,950,767中的SiP结果很不可靠。
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。
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
该目的通过根据权利要求1的检测设备来实现。
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。
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。
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
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：
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；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
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；
图14图示了本发明的检测和监测模块的结构图；
图15示意性图示了根据本发明的示例的监测系统；
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
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。
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。
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。
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。
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标示的第一和第二传导性元件。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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硅制成。
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。
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。
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。
这一材料(依据其名称定为“弹性/柔性”材料)的属性应当是在其上作用的力F的施加之后的变形，以便通过将检测元件58从静止位置进行移动来将这一力F传导至检测元件58。术语“弹性”和“柔性”被认为是同义词。
具体而言，这一材料应当比待监测的结构的建筑材料(例如钢筋混凝土或石头)更有弹性，并且有利地还比制成检测设备的电路装置和衬底51a的半导体(例如，硅)更有弹性。
对于“弹性/柔性”的更严格的定义，应当参照图13中的总体图(在材料技术中是公知的)，该总体图图示了弹性模量或杨氏模量(Y轴)和多种材料的密度(X轴)。已知杨氏模量提供对硬度的测量，并且因此提供对材料的柔性/弹性的测量。
图13的相关部分是被突出显示的部分，尤其是用标记131(硅的杨氏模量和密度)、标记132(与混凝土和岩石、石水泥、混凝土的杨氏模量和密度相关的小区域)以及标记133(尤其适用于用作用于本发明的设备的电介质150的柔性/弹性材料聚合物和弹性材料的杨氏模量和密度)来标示的在绘图中的那些区域。
区域133中所包括的材料(例如聚酯、PVC、硅树脂、聚四氟乙烯(Teflon)、卡普顿(Kapton)、聚酰亚胺、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、环氧树脂、弹性体、橡胶、聚甲醛、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯、聚碳酸酯)比硅和上述建筑材料具有较低的杨氏模量，甚至是低很多，并且进一步具有与其很不同的密度。因此它们适于用于本发明。
一般而言，可以说具有比硅和待监测的固体结构的建筑材料低(因此比图13中利用虚线指示的阈值低)的杨氏模量的那些材料适于用于电介质层510。
优选地，具有比20Gpa低的杨氏模量的那些材料适于被使用。更优选地，具有比10Gpa低的杨氏模量的那些材料适于用于电介质层510。
这一介电材料的层510可以由聚合物或弹性体制成，诸如：聚酰胺、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、卡普顿、环氧树脂、硅树脂、PVC、聚四氟乙烯(PTFE)、聚酯、尼龙、PMMA、PEN、PE、橡胶、树脂、聚甲醛、聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯或者复合材料。
参照图1和3，应当观察到第一传导性元件53和检测元件58形成第一电容器C1的极板。类似地，第二传导性元件54和检测元件58形成与第一电容器C1串联连接的第二电容器C2的极板。换言之，本发明的电容式传感器等效于互相串联连接的两个电容器C1、C2。
参照图3，由测量模块55在第一测量端子56上生成的输入电压信号Vin，例如直流电压或者可变电压通过电磁耦合从第一传导性元件53被传送到检测元件58，并且从检测元件58传送到第二传导性元件54，即到第二测量端子57。由此，从测量模块电路55(本文中表示为等效输出负载LD，例如电容式或电阻式或者电感式负载，更一般为阻抗)检测的输出电压信号Vout是这一输入电压Vin在串联C1、C2和在负载LD上的划分的变化的结果。假定值LD是恒定的，则由测量模块55检测的电压Vout是根据等效于串联C1、C2的电容变化的。这一等效电容随着如上所述的力F的施加而变化。
在又一实施例中，如果输入电压信号Vin是随时间变化的，则测量模块55被配置为测量峰值电压值、或峰间值或者输出电压信号Vout的有效值中的变化，以便确定传感器电容变化并且确定向其施加的力F或者机械应力。
现在参照图4-6，8-12B，将描述根据本发明的检测设备400a、500、500’、600、600’、700、700’的若干实施例，它们在其结构配置的若干细节方面彼此有所不同。
具体而言，检测设备400a包括设置在与测量模块55的功能电路装置相关联的集成元件51的第二层51b中的嵌入式天线520。这一天线520适于在无线或非接触模式中向检测设备400a的外部发送测量的数据，即表示待检测和监测的物理量值、力和/或压力的电变量的强度。
嵌入式天线520被进一步配置为从外部接收操作命令。
此外，嵌入式天线520还被配置为接收对于远程对检测设备400a供电(即通过“非接触式电源”)所需的射频波而无需本地的电池或电源。
对于检测设备500、500’、600、600’、700、700’的嵌入式天线520，类似的考虑也是有效的。
进一步参照图4，检测设备400a包括用于在测量模块55和设备外部的系统之间发送/接收电磁信号和能量的电磁装置511。具体而言，在图7的平面截面图中详细示出的这些电磁装置511被容纳在设备的支撑层530内，该支撑层530在预定方向d上被布置以使得介电材料510的层被夹设在钝化层59和这一支撑层530之间。应当观察到这些电磁装置511被配置为与设备的嵌入式天线520磁耦合，由此允许在测量模块55和外部环境之间的电磁信号的发送/接收，并且获得用于操作集成元件51的能量。
在实施例中，仍关于图4，支撑层530包括在检测元件58处在所述预定方向d上提供的贯通腔531。这允许了力F向传感器的改善的传递，这导致改善的测量的可靠性。
在图5-6、8-11中示出的另一实施例中，相同的支撑层510’由弹性地可变形的介电材料制成并且除了电磁装置511之外还包括检测元件58，并且在芯片52的操作表面处至少部分地与钝化层59相邻。
在图6的实施例中，由弹性地可变形的介电材料制成的支撑层510’包括被夹设在检测元件58和钝化层59之间的第一电介质层512。这一第一电介质层512具有大于与由可变形介电材料制成的支撑层510'相关联的介电常数的相应的介电常数er。
参照图8-9中的实施例，设备600、600’的检测元件58是至少部分地分布在介电材料的层510’内的传导性元件。
更详细地，如图12A-12B的放大视图中示出的，检测元件58包括分布在介电材料层510’内的例如铝的多个金属微粒子601。在向第一传导性元件53施加电压信号之后，微粒子601可以通过电/电磁感应的效应而被吸收到电偶极子。具体而言，每个粒子可以被吸收到用相邻粒子形成的一个或多个电容器的电极。这些粒子601合作来形成伪电容性极板602。
在力F在与支撑层510’基本上正交的方向上的施加之后，申请人已经计算了在粒子601之间的相互距离的减少，这导致对在这一伪电容性极板602和第一传导性元件53之间(并且因此还在伪电容性极板602和第二传导性元件54之间)的总所得电容的贡献中的变化。
在另一实施例中，参照图10和11的检测设备，这些设备700、700’包括适于覆盖未被钝化层59覆盖的集成元件51的那些部分的封装体60。具体而言，使用模制化合物制成的这一封装体60适于保护检测设备免于机械应力F’。在优选实施例中，为了仅向电容式传感器更好地传递作用在发明设备上的力，即使得被检测的力F的贡献是支配性的，模制化合物的杨氏模量有利地被选择为比由介电材料制成的支撑层510’的杨氏模量高很多。
在备选实施例中，与操作表面52相对的集成元件51的第一表面52’可能被剥除上述封装体60。
应当观察到在本发明的检测设备400、400a、500、500’、600、600’、700、700’中，介电材料的层510、510’被配置为至少部分地包括检测元件58。具体而言，在图9的示例中，传导性微粒子601的层可以基本上延伸贯穿介电材料的层510’的厚度。然而，参照图11中的示例，检测元件58可以从与邻近钝化层59的表面相对的介电材料的层510’的表面突出。
参照图14，现在将描述本发明中还包括的检测和监测模块100。这一模块400a包括根据前述实施例中的任何实施例的检测设备400、400a、500、500’、600、600’、700、700’，并且还包括用于在检测设备的嵌入式天线520和远程天线221(图15中所示)之间发送/接收信号以用于无线电通讯和能量交换的电磁装置511。这些电磁装置511与检测设备是一体的。嵌入式天线520、电磁装置511和远程天线(221)在无线模式中通过磁或电磁耦合互相操作地关联。
电磁装置511满足允许检测设备(例如设备500)与外部控制和数据收集系统之间的通信的要求，该外部控制和数据收集系统远程地位于距待监测的结构因此距设备500几厘米或几米的距离处。这暗示了也考虑到由于电磁场必须穿过的固体结构的衰减而在远场或者近场中传输电磁能量的要求。
由于这些原因，检测设备500中包括的嵌入式天线520不能够确保远程通信本身，这是因为主要由其小尺寸导致的固有局限。
电磁装置511具有向检测设备500的嵌入式天线520电磁膨胀和集中(即集中外部电磁场和其能量)的功能；并且类似地，向远程天线221扩展与嵌入式天线520相关联的电磁场及其能量的功能。
在优选实施例中，电磁装置511包括至少两个天线——第一天线21和第二天线22，其通过连接装置23互相连接。这些连接装置23可以例如是简单传输线或者其它电路。
第一天线21通过电磁场并且优选地通过耦合电磁场(即在近场的磁耦合)而与嵌入式天线520进行通信。
第二天线22通过耦合电磁场(即在远场中的电磁耦合)而与远程天线(例如外部控制和数据收集系统的天线221)进行通信。
第一和第二天线21、22中的每个天线可以是磁偶极子或者赫兹(Herzian)偶极子或者另一类型的已知天线，只要其能够执行以上想要的功能。
在图14中图示的实施例中，电磁装置511的第一天线21包括线圈21(也在图7中示出)。电磁装置511的连接装置23包括其本身为已知的适配电路23(匹配网络)。电磁装置511的第二天线22包括赫兹偶极子天线22。
线圈21被定位在检测设备500附近并且以与嵌入式天线520磁耦合的方式来围绕其发展。由嵌入式天线520在充当磁偶极子的线圈21上感应的电流被传送到赫兹偶极子天线22。这一传送优选地由适配电路23促成，这允许改善电磁装置511的整体性能。
监测模块100还包括例如由聚合材料制成的支撑体3，检测设备500和电磁装置511例如通过胶黏被定位在支撑体3上。这一支撑体3具有将集成检测模块500和电磁装置511保持彼此一体、并且进一步将监测模块100保持在待监测的结构内的预定位置的主要功能，如下所述。
根据在图15中图示的变体实施例，提供了诸如固定到支撑结构211并且适于在预定距离和位置容纳处多个监测模块100的聚合材料的支撑条带。
参照图15，现在将描述用于监测在固体结构300内的多个点中的力和/或压力的系统200。该系统200包括被放置在固体结构300内的监测单元210；以及被放置在固体结构300外并且远离固体结构300的控制和数据收集单元220。
内部监测子系统210包括穿过在固体结构300内的待监测的点的支撑结构211，并且还包括参照14所述的多个监测模块100。此多个监测模块100中的每个监测模块在已知和预定的位置处被固定到支撑结构211。
外部控制和数据收集单元220包括能够与监测模块100的电磁装置511进行电磁通信的上述的外部天线221。这一单元220还包括用于收集、存储和处理数据的装置222、该装置适于接收、存储和处理来自多个监测模块100的表示待监测的压力值的数据。单元220还包括供电和远程供电装置223，该供电和远程供电装置223适于向外部控制和数据收集单元220供应能量和通过天线221向结构300内的监测单元210远程供电。
在图15的示例中，待监测的结构是包括钢加固杆301的钢筋混凝土柱300，钢加固杆301也能被用作支撑结构211。
在实施例(未示出)中，外部天线221和第二天线22可以不存在并且至少一个监测模块100可以通过线缆被连接到外部控制和数据收集单元220。
参照图16-21，下文在若干实施例中描述测试装置，该测试装置被配置为检测本发明的检测设备400-700’。这一测试装置用标记800、802、803、806标注并且相似或等同的元件在以下附图通篇用相同的标记表示。
参照图16，使用测试装置800以晶片的形式来测试将形成本发明的检测设备(例如，设备400)的集成电子设备IC，该测试装置包括通过由传导性材料制成的接触焊盘20和测试电极801被电连接到电路IC测试探头S。这一测试电极801可以被机械地致动以便在基本上正交于操作表面52的方向上(即在集成在电路IC内的传导性元件53、54上方)平移以便测试电容式传感器。这些平移的方向和相反方向由双向箭头H来示意性表示。
在实施例(未图示)中，在测试电极801和电路IC的钝化层59之间提供弹性地可变形的介电材料的层，以便避免在电极801与集成电路IC的表面进行接触的情况中将其损坏。
参照图17，借助于位于例如测试装置的传统探头上方的相应的致动装置800’在由箭头H表示的方向和相反方向上移动测试电极801。测试电极801能够例如通过压电或者机电致动器的方式来移动。在压电致动器的情况中，压电元件将弯曲，由此允许测试电极801移动。在电磁致动器的情况中，线圈吸引或排斥与测试电极801一体的相应的磁元件，以便移动测试电极801。可以存在若干其它机械元件，诸如：弹簧、销、柔性杆、机械导轨。
在备选实施例中，如图18中所示，测试装置802包括测试电极801，该测试电极801在电路IC的晶片803的支撑设备CP(卡盘探测器)在如双向箭头H表示的方向和相反方向上移动时保持固定(例如固定在探头卡上)。
一般而言，测试电极801和集成电子设备IC在正交于操作表面52的预定方向H上向设备是可相互移动的，以便改变电极801与这一操作表面52之间的距离。
参照图19中的实施例，在待测试的集成电路IC也包括检测元件58的情况中，可以使用测试装置800，其中可移动测试电极801以与上述方式等效的方式来操作，即这一电极801可以是机械致动的以便在检测元件58上方在箭头H的方向上移动以便执行电容式传感器测试。备选地，测试电极801可以保持固定并且电路IC的晶片支撑设备(卡盘探测器)在双向箭头H的相同方向和相反方向上移动。
参考图20，在待测试的集成电路IC包括检测元件58和嵌入式天线520两者的情况中，可以借助于测试装置803在非接触模式中测试晶片形式的电路IC，测试装置803未设置有探头S但是包括可平移测试电极801。可移动电极801具有例如磁属性或者被磁性涂层涂覆。具体而言，测试电极801与线圈805操作地相关联，以便在方向H上的移动期间向集成电路IC提供能量和/或与其进行通信。另外在这一情况中，在备选实施例中，测试电极801可以保持固定并且集成电路IC的晶片支撑设备(卡盘探测器)在箭头H的方向和相反方向上移动。
参照图21中的实施例，测试装置806被配置为使用自动测试设备(ATE)或者连接到(例如是赫兹或者磁类型的)相应的天线808模块807在非接触模式中执行对集成电路IC的测试。
测试装置806可以提供光学系统、例如透镜809a和反射镜809b以供激光807使用，以便对电容器C1和/或C2的电容执行本领域技术人员已知的精细调节(微调)操作。这一操作例如可以提供切割金属部分，该金属部分形成这一电容器的极板、例如检测元件58。
在又一实施例中，测试装置806可以仅使用连接到天线808的模块ATE807(自动测试设备)执行还对电磁511膨胀的测试。
为了这一目的，替代集成电路IC，可以采用纯无源电路(例如电路LC)，以便能够测量系统谐振频率，以便执行精细调节。电路LC可以包含与嵌入式天线520等效的电感器，该电感器的端子被连接到与传导性元件53、54相似的两个电容极板。
备选地，有可能仅通过使用由连接到模块ATE807的与传导性元件53、54类似的两个电容性电枢组成的纯无源电路来执行测试和对电容器的精细调节。
如可见的，本发明的目标通过检测设备400、400a、500、500’、600、600’、700、700’(以及根据本发明的监测模块和监测系统)由于其特征来实现。
事实上，本发明的检测设备允许了对存在于在固体结构300内的待监测的点中的力和/或压力和/或机械应力的准确检测。
此外，有利地，上述检测设备的构造特征使得其对存在于固体结构300内的腐蚀效应基本上不敏感。
根据本发明的监测模块和系统是基于根据本发明的设备的，并且从该设备获益。
此外，本文所描述的系统可以被用于测量在罐体或化工厂内的流体压力，或者在建筑材料硬化并形成固体结构300之前测量建筑材料的压力。
对如上所述的检测设备和模块和监测系统的实施例，本领域技术人员为了满足情况需要可以执行修改、适配和结合现有技术用其它功能等效的元件替换元件，还创造混合的实现方式，而不偏离以下权利要求书的范围。被描述为属于可能实施例的特性中的每个特性可以独立于描述的其它实施例来实现。

Claims (22)

1.一种在半导体材料的芯片上的集成电子设备(400；400a；500、500’；600、600’；700、700’)，用于检测与在固体结构(300)内在预定方向(d)上施加的力(F)相关的压力，所述集成电子设备包括：
-集成元件(51)，所述集成元件(51)由与所述力的施加的所述方向(d)基本上正交的所述芯片的操作表面(52)限定；
-第一传导性元件(53)和第二传导性元件(54)，所述第一传导性元件(53)和所述第二传导性元件(54)被容纳在所述集成元件(51)内并且被配置为面对所述操作表面；
-测量模块(55)，所述测量模块(55)被容纳在所述集成元件内并且包括分别被连接到所述第一传导性元件(53)和所述第二传导性元件(54)的第一测量端子(56)和第二测量端子(57)；
-检测元件(58)，所述检测元件(58)被布置在所述预定方向(d)上，以使得所述操作表面(52)被夹设在所述第一传导性元件(53)和所述第二传导性元件(54)与所述检测元件(58)之间；
-绝缘层(59)，所述绝缘层(59)适于涂覆至少所述操作表面，以便使所述第一传导性元件(53)和所述第二传导性元件(54)与所述检测元件(58)电流绝缘，
其中所述设备包括至少被夹设在所述检测元件(58)与所述绝缘层(59)之间的介电材料的层(510、510’)，所述介电材料的层在所述预定方向上的所述力(F)的所述施加之后是弹性地可变形的以便改变在所述检测元件(58)与所述第一传导性元件(53)和所述第二传导性元件(54)之间的电磁耦合。
2.根据权利要求1所述的集成电子设备(400；400a；500、500’；600、600’；700、700’)，其中所述第一传导性元件(53)和所述第二传导性元件(54)是金属元件。
3.根据权利要求1或2所述的集成电子设备(400；400a；500、500’；600、600’；700、700’)，其中所述第一传导性元件(53)和所述第二传导性元件(54)是具有互相交叉结构的金属板。
4.根据权利要求1所述的集成电子设备(400；400a；500、500’；700、700’)，其中所述检测元件(58)是单片的传导性元件。
5.根据权利要求4所述的集成电子设备(400；400a；500、500’；700、700’)，其中所述传导性元件(58)由抗腐蚀材料制成。
6.根据权利要求1所述的集成电子设备(600、600’)，其中所述检测元件(58)是至少部分地分布在所述介电材料的层(510’)内的传导性元件。
7.根据权利要求1所述的集成电子设备(400；400a；500、500’；600、600’；700、700’)，其中所述可变形的介电材料的层(510；510’)被配置为至少部分地包括所述检测元件(58)。
8.根据权利要求1所述的集成电子设备(400；400a；500、500’；600、600’；700、700’)，其中所述可变形的介电材料的层(510；510’)由具有低于20Gpa、优选地低于10Gpa的杨氏模量的材料制成。
9.根据权利要求1或8所述的集成电子设备(400；400a；500、500’；600、600’；700、700’)，其中所述可变形的介电材料的层(510；510’)由聚合物或弹性体制成。
10.根据权利要求6所述的集成电子设备(600、600’)，其中所述检测元件(58)包括分布在所述介电材料的层(510’)内的多个金属微粒子。
11.根据权利要求1所述的集成电子设备(400；400a；500、500’；600、600’；700、700’)，还包括用于在所述测量模块(55)和所述电子设备外部的系统之间发送/接收电磁信号和能量的电磁装置(511)，所述电磁装置(511)被容纳在所述设备的支撑层(530；510’)中。
12.根据权利要求11所述的集成电子设备(400a)，其中所述支撑层(530)被布置在所述预定方向(d)上，以使得所述介电材料的层(510)被夹设在所述绝缘层(59)与所述支撑层之间。
13.根据权利要求12所述的集成电子设备(400a)，其中所述支撑层(530)包括在所述检测元件(58)处在所述预定方向(d)上制作的贯通腔(531)。
14.根据权利要求11所述的集成电子设备(500、500’；600、600’；700、700’)，其中所述支撑层(510’)由弹性地可变形的介电材料制成并且还包括至少部分地邻近在所述芯片的所述操作表面(52)处的所述绝缘层(59)产生的检测元件(58)。
15.根据权利要求14所述的集成电子设备(500’)，其中所述弹性地可变形的介电材料的层(510’)包括被夹设在所述检测元件(58)与所述绝缘层(59)之间的第一电介质层(512)，所述第一电介质层(512)具有大于所述可变形的电介质层的介电常数的介电常数(er)。
16.根据权利要求4所述的集成电子设备(400；400a；500、500’；700、700’)，其中所述金属板(58)具有互相交叉的结构。
17.根据权利要求7所述的集成电子设备(700、700’)，还包括封装体(60)，所述封装体(60)适于涂覆所述设备的未被所述绝缘层(59)覆盖的那些部分。
18.根据权利要求1所述的集成电子设备(400；400a；500、500’；600、600’；700、700’)，其中所述第一传导性元件(53)和所述检测元件(58)形成第一电容器(C1)的极板，所述第二传导性元件(54)和所述检测元件(58)形成第二电容器(C2)的极板，所述第一电容器和所述第二电容器互相被串联连接。
19.根据权利要求1所述的集成电子设备(400；400a；500、500’；600、600’；700、700’)，其中所述测量模块(55)被配置为生成直流电压或处于预定义的频率的交流电压。
20.一种检测和监测模块(100)，包括：
-根据权利要求1-19中任一项的用于检测压力的电子设备(400；400a；500、500’；600、600’；700、700’)；
-电磁装置(511)，所述电磁装置(511)用于在与所述电子设备相关联的第一天线(520)和在所述检测模块外部并与其远离的第二天线(221)之间发送/接收信号以用于无线电通讯和能量交换，
其中所述第一天线(520)、所述电磁装置(511)和所述第二天线(221)在无线模式中通过磁或电磁耦合来操作地连接。
21.一种在固体结构(300)内的多个点中的压力监测系统(200)，包括：
-被放置在所述固体结构(300)内的内部监测单元(210)；
-被放置在所述固体结构(300)外并且与其远离的控制和数据收集单元(220)，
其中：
所述监测单元(210)包括：
·穿过在所述固体结构(300)内的待监测的点的支撑结构(211)，
·根据权利要求20的多个监测模块(100)，所述多个模块中的每个模块在已知和预定的位置被固定到所述支撑结构(211)以便检测压力；
-所述控制和数据收集单元(220)包括：
·天线(221)；
·用于收集、存储和处理数据的装置(222)、所述装置适于通过所述天线接收、存储和处理来自所述多个监测模块(100)的数据，
·供电和远程供电装置(223)，所述供电和远程供电装置适于向所述控制和数据收集单元(220)供应能量和通过所述天线(221)向所述监测单元(210)远程供电。
22.一种用于测试根据权利要求1的集成电子设备(400；400a；500、500’；600、600’；700、700’)的测试装置(800、802、803)，包括测试电极(801)，所述测试电极和所述集成电子设备在与所述设备的操作表面(52)正交的预定方向(H)上能够相互移动，以改变所述测试电极(801)与所述操作表面(52)之间的距离。
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