用于固体结构内的参数监控设备的由建筑材料制成的封装体以及相关设备 |
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| 申请号 | CN201380024932.3 | 申请日 | 2013-05-23 | 公开(公告)号 | CN104285131B | 公开(公告)日 | 2017-03-15 |
| 申请人 | 意法半导体股份有限公司; | 发明人 | A·帕加尼; B·穆拉里; F·G·齐格利奥利; M·龙奇; G·里科蒂; | ||||
| 摘要 | 描述了一种用于设备(100)的封装体(15)，该设备可插入在固体结构(300)中以用于检测和监控一个或多个局部参数。封装体(15)由 建筑材料 制成，该建筑材料由微米或亚微米尺寸的颗粒形成。进一步描述了一种用于检测和监控固体结构内的一个或多个局部参数的设备(100)。设备检测模 块 (1)，以及具有如上所述特性的封装体(15)，该封装体设置以便于 覆盖 设备(100)的包括集成检测模块(1)的至少一部分。也描述了一种用于制造设备(100)的方法，以及用于监控包括该设备(100)的固体结构(300)中参数的系统(200)。(100)包括具有至少一个集成 传感器 (10)的集成 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于设备(100)的封装体(15)，所述设备适于被并入在固体结构中以用于检测和监控一个或多个局部参数，其特征在于，所述封装体(15)由建筑材料制成，所述建筑材料由微米或亚微米尺寸的颗粒(155)形成， |
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| 说明书全文 | 用于固体结构内的参数监控设备的由建筑材料制成的封装体以及相关设备 技术领域[0002] 在本发明中，也包括了一种在固体结构内采用上述设备的参数监控系统，以及相同设备的制造方法。 背景技术[0003] 在固体结构中，特别是在例如桥梁、建筑物、隧道、铁道、保护壳壁、挡坝、堤防、建筑物的板层和梁柱、城市地铁的管线和地下结构等等的载重结构中，非常重要的是在许多点处监控重要的参数，诸如例如压力、温度和机械应力。 [0004] 这种周期性或连续执行的监控在初始步骤中以及在结构的使用寿命期间均是有用的。 [0006] 然而，这种设备通常并不能穷尽地检测待监控的结构内的参数，这对于知晓以便于评估结构的质量、其安全性、其老化、对可变大气条件的反应等等是非常有用的。 [0008] 作为对于这些需求的部分响应，在美国专利6,950,767中示出的解决方案提供了一种完全包含(也即“埋设”)在构成待监控的结构的材料(例如钢筋混凝土)内的电子监控设备。这种设备是封装在单个容器内的整个系统，由组装在衬底上的数个部件构成，诸如集成电路、传感器、天线、电容器、电池、存储器、控制单元，以及形成在借由金属连接所组成的电连接而相互连接的不同“芯片”中的另外其他衬底。 [0009] 因此，大体上，US6,950,767公开了一种使用“封装体内系统”(SiP)的方案，其中SiP被覆盖在诸如环氧树脂之类的模具材料的管壳中。管壳是本身已知的传统的封装体。这种系统借由包括在其中的、具有尺寸适于与远程系统通信的天线的无线电通信子系统而与外部通信。 [0012] 因此，由于固有特性或非理想性，从数个观点看，其与具有不规则性的材料接触。 [0013] 所有这些引起了至少两种类型的缺点，分别与可靠性问题以及可能的测量不精确性相关联，以下将研究这一点。 [0014] 关于可靠性问题，引起磨损的相当大起因例如是非常高的压力，也在几百大气压，以及与漏水相关的起因，这些起因随着时间变化可以损害系统。 [0015] 诸如US6,950,767的已知系统的缺点来自于它们是相对复杂的系统的事实，并且由于它们必须操作于其中的操作条件而可以损伤。特别地，US6,950,767中SiP的各个部件之间的电互连可能是脆弱的，这是由于插入在结构中的SiP所经受的机械应力。 [0016] 此外，必需保留在封装体中以允许传感器检测对应参数的“窗口”由于可能的湿气渗漏而可能是弱点。 [0018] 通常，尽管它们设计用于所述用途，但是诸如US6,950,767的系统的可靠性在这种系统的结构的复杂性方面具有限制，尽管已经减小了，并且由于极端条件(诸如在本文中所考虑的应用中所预期的那些)而在通常使用的已知类型封装体的不合适性方面具有限制。 [0019] 关于不正确或不精确测量的问题，可以考虑的是待监控的固体结构由绝非完美均匀的建筑材料构成。 [0020] 例如，混凝土是由具有不同尺寸的也称作惰性体(inerts)的石块聚集体形成的人造石块材料，其与水泥接合作为由与水化学反应所激活的水性粘合剂。因此，在混凝土中其能够标识水泥颗粒(具有从1至50μm范围的尺寸)以及大量各种惰性聚集体的颗粒，其数量可以占据高达80％重量。混凝土惰性聚集体通常基于其颗粒的直径而分类，诸如非常精细，或填充物(直径<0.063mm)；精细，或沙粒/粗砂(0.063－4mm)；粗粒(精细砂砾/精细碾碎石块，4－15mm)；砂砾/碾碎石块(15－40mm)。 [0021] 如在建筑构造领域中已知的，可以采用由以各种百分比的不同尺寸的惰性聚集体构成的混合物而获得不同类型混凝土。这些不同类型的混凝土在诸如机械抗性、多孔性、紧密性、和亮度之类的性质方面具有不同的特性。在任何情形下，为了获得满足对于如上所述特性的每一个所需的最小需求的混凝土(以使得混凝土可以用作用于在此考虑的固体结构的建筑材料)，总是需要使用具有不同粒性的惰性聚集体的混合物。 [0022] 特别是关于非常精细的惰性体，有时使用微硅石或硅石灰，其由具有直径在0.01至1μm之间范围的颗粒构成。微硅石表现为非常精细的填充物，适于填充水泥颗粒之间的自由空间，因此增大了水泥的紧密性。另一方面，由于微硅石颗粒的高度特殊表面，它们无法在10％之上的百分比中使用，这将引起需要过度增大泥浆水量。在其他类型混凝土中，精细和非常精细聚集体以最小百分比存在。 [0023] 因此，应该注意的是，在毫米或亚毫米量级下，由于其特性，混凝土固有地具有不规则性，其随机分布在其所形成的固体结构的体积内。此外，可能存在局部不完整性。 [0024] 在这些条件下，监控设备可以考虑例如设置在混凝土结构的特殊位置处，适于检测由固体结构在宏观层次上在特定位置处并且沿着某些方向(例如垂直方向)施加的力(例如对应于机械应力)。设备局部地检测在包括在其中的、其中具有传感器的集成电路的表面的点处的力。 [0025] 该传感器通常对于压阻效应敏感，并且能够测量沿确定方向的力，其在初始定位步骤中使得与感兴趣的方向(例如如所述的垂直方向)匹配。如果力当保持强度恒定时被施加至不同方向，根据压阻效应的法则，传感器灵敏度降低，并且发现真实检测的力较低，有时严重较低。 [0026] 另一方面，由于混凝土的如上所述特性，埋设在固体结构中的传感器可以与具有局部非常不同和不均匀特性(存在或缺失微空腔，存在或缺失粗颗粒，或者共同存在具有不同尺寸的颗粒等等)的一部分结构接触。这些颗粒在微观层次上施加了点状作用，其可以不同于应该正确检测的宏观作用。 [0027] 特别地，有可能的是混凝土在与将要检测的力的宏观方向不同的方向上通过具有可变颗粒性的颗粒在传感器上局部施加力。因此，由于如上所述的其特性，传感器检测了低于真实值的力强度。 [0028] 所描述的示例示出了通过使用已知的设备可能如何引起特别严重的测量误差，甚至是系统性误差。 [0029] 简言之，如果通常已知的监控设备埋设固体结构内，其中集成电路没有封装体，则在测量期间可以引起不精确问题(或甚至系统性误差)。 [0030] 如果通常已知的监控设备埋设在具有通用类型的封装体的固体结构内，则可以引起数个可靠性问题，也即随着时间变化的损伤的高度可能性。此外在该情形下，可能引起其他测量误差；例如，传统的封装体可以经受在例如可以改变压力测量的除气现象之后的体积减小。此外，封装体材料与固体结构材料之间的界面可能不允许这种粘附以正确地传送待测参数。 [0031] 本发明的目的在于构思并且提供一种用于集成电子设备的封装体，该集成电子设备将用于监控固体结构内的参数，以及其监控设备自身，改进了它们以便于至少部分地消除参照现有技术在上文中所述的缺点。 [0032] 特别地，提出了一种封装体以及相关的设备，其是简单的、具有增强的健壮性和抗磨损性，而同时与已知封装体和设备所允许的测量相比允许了更精确的测量。 发明内容[0035] 包括所述封装体的监控设备限定在权利要求8中。 [0036] 该设备的其他实施例限定在从属权利要求9至22中。 [0037] 包括根据本发明的设备的监控系统限定在权利要求23中。 [0038] 封装体和设备的制造方法限定在权利要求24中。该方法的另一实施例限定在从属权利要求25中。 [0039] 特别地，限定了用于设备的封装体，该设备适于被并入在固体结构中以用于检测和监控一个或多个局部参数，其中该封装体由建筑材料制成，该建筑材料由微米或亚微米尺寸的颗粒形成。 [0040] 此外，限定了用于检测和监控固体结构内的一个或多个局部参数的设备，该设备包括：具有至少一个集成传感器的集成检测模块，以及如此设置以便于覆盖设备的包括集成检测模块的至少一部分的封装体；其中封装体建筑材料制成，该建筑材料由微米或亚微米尺寸的颗粒形成。附图说明 [0041] 参照附图，借由指示性、非限定性示例而从以下优选实施方式示例列出的说明书使得根据本发明的封装体和设备的其他特征和优点变得明确，其中： [0042] －图1是根据本发明实施例的由建筑材料制成的封装体以及电子监控设备的一部分的截面图； [0043] －图2A、图2B和图2C是根据本发明的示出了由建筑材料制成的封装体的一些其他实施例的示意图； [0044] －图3是根据本发明实施例的电子监控设备的操作框图； [0045] －图4是根据本发明另一实施例的电子监控设备的截面图； [0046] －图5A是图4的电子监控设备的详细示意图； [0047] －图5B是包括在监控设备内的传感器的应力灵敏度的角度图； [0048] －图6是根据本发明另一实施例的封装体以及包括在监控设备中的集成检测模块的截面图； [0049] －图7是根据本发明另一实施例的电子监控设备的功能框图； [0050] －图8、图9、图10是根据本发明的监控设备的相应的其他实施例的截面图； [0051] －图11、图12、图13、图14A、图15A、图15B是根据本发明相应实施例的监控设备的示意图； [0052] －图16是根据本发明实施例的用于监控固体结构内的局部参数的系统的示意图； [0053] －图17和图18示出了根据本发明的封装体和监控设备制造方法的示例。 具体实施方式[0054] 参照图1，现在描述用于设备的封装体15，该设备适于被并入在用于检测和监控一个或多个局部参数的固体结构中。在下文中将详细描述的设备除了封装体15之外还包括具有集成传感器10的至少一个集成检测模块1。优选地，集成检测模块1形成在单个半导体芯片(在下文中简称为芯片)上，该半导体芯片通常是基于硅的。 [0055] 采用由微米或者亚微米尺寸的颗粒所形成的建筑材料制造封装体15。这种颗粒在图1的放大截面图中采用附图标记155表示。 [0056] 根据通用语言，术语“微米尺寸的颗粒”在本文中限定了具有在1μm(μm＝微米)与几十μm之间的范围内直径的颗粒；并且术语“亚微米颗粒”限定了具有等于或小于1μm的直径的颗粒。 [0057] 优选地，封装体15由具有小于10μm的直径的颗粒形成。 [0058] 更优选地，封装体15由具有小于1μm的直径的颗粒形成。 [0059] 根据优选实施例，封装体15在毫米量级上是基本上各向同性并且均匀的，也即从几百μm至一毫米或更多的量级。 [0060] 在这种情形下，封装体15排他地由这种微米或者亚微米尺寸的颗粒形成(在可以获得的纯度限制内)。此外，这些颗粒以基本上均匀的方式分布，以便于至少在大于微米量级的量级上(例如在毫米量级上)获得如上所述的各向同性特性。 [0061] 根据典型的实施例，形成封装体15的微米或亚微米尺寸的颗粒包括微硅石或硅石灰颗粒，具有例如在0.01和1μm之间的范围内的尺寸。 [0062] 特别地，根据实施例，封装体15由微米或亚微米尺寸的颗粒155所形成的建筑材料制成，其中这些微米或亚微米尺寸的颗粒155包括微硅石或硅石灰颗粒，以使得所述封装体15在毫米量级上是各向同性和均匀的。 [0063] 根据特定实施例，封装体15由从水泥颗粒以及微硅石或硅石灰颗粒所形成的建筑材料制成。 [0064] 有利地，由于以下所述的原因，微米或亚微米尺寸的颗粒也可以可选地包括磁性颗粒。 [0065] 图2A中所示的封装体15的实施例包括具有用于集成检测模块1的外壳150的外壳部分151，以及被成形为完全覆盖集成检测模块1的填充部分152。外壳150限定了例如平行六面体形状的凹陷。 [0066] 在如图2B所示其他实施方式示例中，外壳150具有凹陷，该凹陷具有适于引导并且促进集成检测模块1合适地定位在相同凹陷内的形状，例如截棱锥的形状。 [0067] 根据如图2C所示其他实施方式示例，外壳150相对于封装体15的轴线系统旋转已知角度，以如此方式确定集成检测模块1的预定位置，以便于沿着对应的预定方向检测与所述的预定位置有关的至少一个局部参数(例如压力)。在该情形下，标记159有利地例如设置在封装体的后部上，以指示该角度，由此允许了集成检测模块1在建筑结构内的合适定位。 [0068] 现在描述根据本发明示例的用于检测和监控固体结构内的一个或多个局部参数的电子设备100(下文也称作“监控设备”)。对于该描述，将参考与分别设备100的功能性和结构性方面有关的图3和图4。 [0069] 监控设备100包括具有至少一个集成传感器10的集成检测模块1，以及设置为覆盖设备100的包括集成检测模块的至少一部分的封装体15。 [0070] 如前所述，集成检测模块1优选地制作在单个硅芯片上。因此，封装体15完全覆盖了集成检测模块1由其形成的芯片(图4示出了该完全覆盖的截面图)。 [0071] 封装体15是具有任何一个已经如上所述特征的组合的封装体。 [0072] 特别地，采用由微米或亚微米尺寸的颗粒所形成的建筑材料制造该封装体15。 [0073] 此外，封装体15优选地在毫米量级上基本上各向同性和均匀。 [0075] 监控设备100进一步包括支撑装置3，支撑装置3被配置为向集成检测模块1和电磁装置2(或电磁电路2)提供支撑，使得它们相互成为一体，并且进一步被配置为将设备100固定至穿过在固体结构内的待监控的点的支撑结构211(其将在图16中示出)。因此，支撑装置3允许将监控设备100维持在待监控的结构内的预定位置处。 [0076] 支撑装置3由有利的柔性支撑3形成，例如由聚合物材料制成，包含集成检测模块1(例如通过胶合层39)的封装体15和电磁装置2均位于其上。 [0077] 再次参照图3，应该注意的是检测模块1包括特别是如前所述的集成传感器10，集成传感器10能够检测和监控待控制的、作为待监控的结构的特性的一个或多个参数。 [0078] 通常，这种参数是压力和/或温度和/或机械应力。此外，应该注意的是可检测参数可以不同于那些如上所述的参数，假设它们对于集成在构成了集成检测模块1的单个芯片中的半导体或结构具有可检测的效应。 [0079] 根据各个实施例，集成在集成检测模块1中的传感器可以多于一个，并且它们的每一个可以检测一个或多个参数。 [0080] 集成传感器10能够通过采用由这些参数感应的已知的变量而将温度或压力数值转换为电变量，例如对于半导体中电子/电子空穴的迁移率。 [0081] 在这点上，根据操纵了压阻现象的法则，已知的是迁移率以独立于半导体材料的晶向的方式取决于温度，并且以依赖于半导体材料的晶向的方式取决于压力(或所施加的力)。特别地，参照米勒指数，通过使用限定了平面的通用符号以及特征化了晶体的轴线，考虑例如平面(001)中的N型晶体。在该示例中，如果相对于与晶向相关联的参照系而沿着轴线[100]和[010]施加这种应力，则对于机械应力的灵敏度(也即对于压力)的灵敏度最大，而沿着轴线[110]最小。 [0082] 因此，借由集成在集成检测模块1的芯片上的部件的合适的配置，能够通过补偿对于温度的依赖性而构建压力传感器，或者反之亦然，通过补偿对于压力的依赖性而构建温度传感器。 [0083] 对其他与老化和磨损的依赖性与上述依赖性不同，并且考虑到它们在相当长时间周期(例如年)之上出现而补偿。 [0084] 根据实施方式示例，传感器10是采用以惠斯通电桥配置而集成的四个电阻器形成的压力传感器，其中两个压敏电阻器沿着相对于晶向的轴线[100]和[010]而定向，而另外两个沿着轴线[110]晶向，该晶向与压阻效应的最小灵敏度的轴线的角度相匹配。如此方式，对于“温度”参数的测量依赖性是可忽略的，并且在这点上，能够说以基本上独立于“温度”参数的方式而测量“压力”参数。 [0085] 根据其他实施方式示例，传感器10是由第一和第二环形振荡器构成的压力和温度传感器，每一个包括级联的多个集成部件(例如三个或奇数个反相器)。第一振荡器的集成部件由具有与第二振荡器的材料的晶向不同的晶向的半导体材料构成：例如，分别具有沿着轴线[110]和[100]或[010]的晶向。 [0086] 如此方式，其中压阻效应最小的、具有[110]晶向的第一振荡器的振荡频率基本上仅取决于温度，压力效应是可忽略的；因此，这种频率可以视作是温度传感器的输出。 [0087] 如果减去了已知作为依赖于第一振荡器的输出的效应的温度效应，具有[100]或[010]晶向的第二振荡器的振荡频率基本上仅取决于压力；因此，这种频率可以视作压力传感器的输出。 [0088] 在如上所描述的示例中，除了集成检测模块1之外的隔膜或部件的存在对于传感器10的操作而言并非是必需的。 [0089] 现在参照图5A，应该注意的是在设备100中，封装体15设置为使得其内表面158与集成传感器10接触，并且其外表面157与固体结构300(在所示示例中，混凝土包括粒状颗粒310)的一部分接触。如此方式，封装体15将集成传感器10与固体结构300分隔，并且同时允许转换至与对应的局部参数相关联的、并且在与封装体15接触的固体结构部分300中测量的一个或多个可检测量的该集成传感器10。 [0090] 因此，一方面，封装体15经受围绕其的固体结构(例如其之上的一部分结构)的作用；另一方面，其能够通过接触将该作用传递至集成传感器10。 [0091] 例如可以考虑的情形是，在混凝土结构内，必需测量正比于沿法线方向施加力强度的压力，法线方向例如是相对于集成检测模块的垂直方向(力和方向由图5A中箭头F’示出)。 [0092] 考虑到待监控的结构(例如混凝土)的不规则性和/或非均匀性，可能的是由结构在宏观量级上沿如上所述法线方向施加的力替代地在微观量级上沿不同方向而局部施加。换言之，可以以如此方式组合由不同无穷小混凝土区域在检查的位置处所产生的、在各个点处具有不同一致性和方向(取决于局部存在或多或少的粗颗粒310、或填充物或微空腔等)的无穷小的力分量，以确定沿着不同于法线方向而局部作用的力。 [0093] 如果集成传感器10直接与混凝土接触(例如通过传统封装体中的窗口)，或者仅由薄钝化层(例如硅)与其分隔，则集成传感器10将直接检测在微观量级上局部施加的力。万一如上所述的力将沿着不同于法线方向的方向作用，也即不同于传感器的灵敏度的晶轴，则传感器灵敏度将降低(如在传感器的角灵敏度的示意图中图5B所示，其中图表的轴线参照图5A的传感器10的定向)。因此，这将导致低估了力的强度，因此在压力的测量中确定了误差，甚至是显著的误差。 [0094] 与此相反，由建筑材料制成的封装体15所执行的调解使得由封装体表面各个点处混凝土以随机和不均匀方式传送的各个无穷小的力分量基本上达到平衡。由于如上所述的封装体15的特性，由封装体15平均的分量导致由封装体施加至集成传感器10的力沿与其正交的方向(该力采用图5A中箭头F表示)。因此，传感器10通过与其接触的封装体15而不是直接从混凝土“接收”力的事实，允许了待检测的力沿其中灵敏度最大的方向，因此允许了正确地测量压力。 [0095] 根据实施例，集成传感器10是压力或机械应力传感器，包括具有一个或多个预定晶轴的晶体材料；该压力或机械应力传感器能够通过利用硅中的压阻现象而沿着一个晶轴测量其经受的压力或机械应力。从封装体15传送至传感器10的可检测量对应于在与封装体15接触的固体结构部分的不同点处沿着晶轴由压力或机械应力呈现的数值的平均组合。 [0096] 在另一实施例中，集成传感器10是温度传感器，能够通过利用硅迁移率依赖于温度变化的现象而测量其所经受的温度。从封装体15传送至传感器10的可检测量对应于由与封装体15接触的固体结构部分的不同点处由温度呈现的数值的平均组合。 [0097] 返回参照如图3所示的检测模块1的功能示意图，应该注意的是其包括整体上构成了集成电路16的一些功能组块。 [0098] 这些集成电路除了传感器10之外进一步包括集成天线11。 [0099] 集成天线11执行了以无线模式将测得数据发送至集成检测模块1外部的功能，测得数据也即取决于并且分别代表了待检测和监控的一个物理量的电变量的每一个的强度。 [0100] 集成天线11进一步执行了从外部接收操作命令的功能。 [0101] 在特定实施方式示例中，集成天线11执行了接收向集成模块1远程输送电能所需的射频波的其他功能，而无需在原位的电池或电源。 [0103] 集成电路16进一步包括作为辅助组块的电源电路12、驱动电路13、以及控制电路14。 [0104] 设置电源电路12以从集成天线11接收的射频波获得集成检测模块1操作所需的电源。 [0105] 设置驱动电路13以驱动集成天线11以使其无线地传送测得的数据。 [0106] 设置控制电路14以基于从外部发送的以及由集成天线11接收的操作命令而控制存在于集成模块1中的集成功能电路的操作。 [0107] 电源电路12、驱动电路13和控制电路14可以借由在智能卡保护技术领域或者RFID(射频识别)技术领域中本身已知的电路实施；例如，集成天线11可以基于负载调制技术而操作。这些已知方面并未在此详细描述。 [0108] 现在，参照图6，将要注意集成检测模块1的一些结构细节。在图6的简化截面图中，示意性示出了硅子层17和集成电路部分16。集成功能电路部分16为了方便仅由一个层示出，但是其当然可以如已知的由多个层构成。 [0109] 硅子层17和集成功能电路部分16形成了其上制造了集成检测模块1的单个芯片。 [0111] 根据实施例，设置封装体15以完全覆盖了其上形成了集成检测模块1的芯片。 [0112] 在如上所述实施例中，封装体15除了提供机械保护之外，也可以用作免受腐蚀的不渗透和保护层，以使得这些模块作为整体可以完全气密地密封并且与周围环境电电流绝缘。 [0113] 应该注意的是，由于由存在于单个芯片内、形成了集成检测模块1的组块来实现检测待监控参数的所有必需功能的事实，可以使得能够完全密封和电流绝缘。特别地，由于如上所述的特性，集成检测模块1有利地能够提供其功能而无需任何引线和/或金属化层以提供朝向集成模块自身外部的连接。因此，其并不具有任何金属端子，也即朝向外部的任何引线键合和/或焊盘和/或凸块，因此其可以完全密封和电流绝缘。 [0115] 此外，关于机械抗性和压力抗性，仅仅由封装体15由诸如微硅石的建筑材料制成的事实而确保了所需性能，这与设备和封装体必需设置在其内的结构的材料(例如混凝土)完全兼容。 [0116] 所述特性允许集成检测模块1在相同结构的构建期间嵌入在待监控的结构中，例如在液态混凝土的浇铸期间。这些特性进一步允许集成模块1在混凝土硬化之后从固体结构(例如钢筋混凝土)内操作，与通常需求相比具有长寿命和良好的可靠性参数。 [0117] 现在参照图3和图7，详细考虑了用于发送/接收电磁信号和能量的电磁装置2(或电磁电路)。 [0118] 该电磁装置2满足允许在集成检测模块1与远程地位于例如在距待测结构(也即距集成检测模块1)几厘米或几米的距离处的外部控制和数据收集系统之间通信。这包括发送近场或远场电磁能量，也考虑了由于电磁场必需穿过的固体结构而导致的衰减。 [0119] 考虑到此，包括在集成检测模块1中的集成天线11无法本身确保远程通信，这是因为主要由于其减小尺寸导致的固有限制。 [0120] 在本文中所述的实施例中，电磁装置2由于自身结构而允许发送/接收远程通信信号(例如发送测得数据并且接收用于传感器的操作命令)，以及与电源的能量交换(例如接收射频波以提供电能)。 [0121] 电磁装置2执行电磁扩展和集中功能，也即它们将外部电磁场及其相关能量集中在集成检测模块1的集成天线11上；并且类似地，它们朝向远程天线而扩展由集成天线11发射的电磁场及其相关能量。 [0122] 特别地，电磁装置2包括由连接装置23互连的至少两个天线，第一天线21和第二天线22。这些连接装置23可以例如是简单传输线或另一电路(其可以包括例如将如下所述的其他电磁扩展/集中单元)。应该注意的是，根据特定实施方式示例(图10中示出了其一个)，第一天线21和第二天线22可以以在0°和180°之间的任何角度彼此斜交，以对应地沿任何方向扩展或集中电磁能量。 [0123] 第一天线21借由电磁场(如图3中符号E所示)而与集成检测模块1的集成天线11通信，并且优选地由电磁场耦合(也即近场磁耦合)。 [0124] 第二天线22通过电磁场(也即远场电磁耦合)与例如控制和数据收集外部系统的远程天线通信。 [0125] 第一和第二天线21、22的每一个可以是磁偶极子或赫兹偶极子，或者也可以是另一已知类型的天线，只要其能够执行如上所述功能。 [0126] 现在将考虑图7，其从结构角度示出了根据本发明的监控设备100。特别地，图7示出了电磁装置2和封装体15的另一实施例。 [0127] 在如图7所示实施例中，电磁装置2的第一天线包括线圈21。电磁装置2的连接装置23包括本身已知的适配电路。电磁装置2的第二天线包括赫兹偶极子天线22。 [0128] 线圈21位于集成检测模块1附近，并且以如此方式围绕其延伸以与集成天线11磁性耦合。由用作磁偶极子的集成天线11在线圈21上感应生成的电流传输至赫兹偶极子天线22。该传输优选地由适配电路23调节，其可以允许改进电磁装置2的总体性能。 [0129] 如前所述，第二天线在该情形中是适于远场通信的赫兹偶极子。因此，电磁装置2在该情形中可以视作混合变压器，其中赫兹偶极子磁耦合至集成天线11。 [0130] 有利地，设计磁偶极子也即线圈21以减小其尺寸并且优化与集成天线11的耦合。 [0131] 也有利地，设计赫兹偶极子也即天线22以优化远场通信。 [0132] 在这点上，赫兹偶极子天线的尺寸通常与通信频率相关的操作性波长是可比的。 [0133] 根据示例性的非限定性实施方式示例，根据本发明的监控设备100可以利用在约800MHz或更高频率下的UHF传输波段，这暗示了其具有厘米量级的合理尺寸的赫兹偶极子。 [0134] 频率波段的广大范围可以用于数个实施例中，根据具体应用在一方面待确保的通信与另一方面合适考虑的赫兹偶极子的尺寸之间找到平衡。 [0135] 如前所述，电磁装置2基于已经描述的相同基础结构不仅能够发送和接收远程通信，而且可以在赫兹偶极子天线22的操作性波段中所包括的频率下从具有合适的功率的电磁波接收能量。接收到的能量用于经由电源电路12向检测模块1远程输送能量。 [0136] 现在将参照封装体15的不同可能设置描述根据本发明的监控设备的各个其他实施例。 [0137] 根据另一实施例，设备100的特征在于，封装体15进一步覆盖在支撑装置3的至少一部分处。 [0138] 特别地，根据实施方式示例，封装体15覆盖了支撑装置3的包含第一天线21的部分。该实施方式示例示出在图7中，以及也从结构观点示出在图8中。根据另一实施方式示例，封装体15覆盖了支撑装置3的包含第一天线21和第二天线22的部分(如图9所示)。应该注意的是，包含第一天线21的支撑部分(截面图)采用附图标记3表示，并且包含第二天线22的支撑部分(图9视图中不可见)在图9中采用附图标记3’表示。 [0139] 应该注意的是，在图8和图9所示的实施方式示例中，孔洞31有利地在集成检测模块1中的集成传感器的位置处设置于支撑3中。采用封装体15的建筑材料填充该孔洞31，这可以因此根据此前已经所述的原理以最优方式将待测参数传输至传感器。实际上，通过考虑例如机械应力测量，在传感器位置处在支撑3中存在孔洞31允许封装体15的建筑材料在集成检测模块1的所有表面施加相同的力，并且因此由压力传感器精确地测量机械应力。 [0140] 另一方面，必需考虑对于最大化检测模块1的集成天线11与电磁装置2的第一天线21之间耦合的需要。因此，尽可能在其中发生这种耦合的区域中减小支撑3的厚度。此外，也如图8和图9所示，可以在围绕集成检测模块1的天线21(截面图中可见)的中心部分中获得支撑3的采用建筑材料填充的孔洞31。 [0141] 为了进一步改进如上所述两个天线之间的磁性耦合，磁性颗粒可以有利地至少埋设在形成封装体15并且与两个天线11和21邻接的建筑材料的一部分中。 [0142] 根据其他实施方式示例(其中一个示出在图10中)，封装体15完全覆盖了集成检测模块1和电磁装置2，不论后者中包括的元件的种类和数目如何。 [0143] 在如上所描述的示例中，支撑装置3的有意将设备100约束至支撑结构(例如图16中列出的支撑结构211)的部分32保持未被封装体1覆盖。 [0144] 然而根据其他实施例，封装体15完全覆盖了设备100。在该情形中，包括了整个设备100的封装体15可以以数种方式固定至支撑结构21，例如通过胶合或者通过使用系连杆或夹具。 [0145] 应该注意的是不同类型的设备100可以完全包含在根据本发明的封装体15中，例如其中电磁装置2也包括至少一个电磁扩展和集中单元25的设备。 [0146] 特别地，在图11所示实施例中，电磁装置2的连接装置23包括通过第一传输线231连接至第一天线21的第三天线251，以及通过第二传输线232连接至第二天线22的第四天线252。接着也配置第三天线251和第四天线252以便于通过用于近场电磁通信的优选地磁性耦合而互相通信。 [0147] 第四天线252、第二传输线232和第二天线22形成了已经描述的电磁扩展和集中单元25。第二天线22和第四天线252以在0°和180°之间任何角度而彼此斜交，以沿任何对应的方向扩展或集中电磁能量。 [0148] 在该实施例中，封装体15覆盖了支撑装置3的也包含至少一个电磁扩展和集中单元25的部分。 [0149] 根据实施方式示例，也如图11所示，电磁装置2包括至少一个其他电磁扩展和集中单元25’(结构上类似于电磁扩展和集中单元25)，包括通过其他第二传输线232’连接至其他第二天线253’的其他第四天线252’，其他第二天线253’具有与第二天线22相同的特性。 [0150] 有利地，该其他电磁扩展和集中单元25’执行了相对于单元25冗余的功能，以便于整体上增强设备的可靠性，因此增加了其有用的寿命。因此，配置其他第四天线252’以通过优选地用于近场电磁通信的磁性耦合而与第三天线251或者与第四天线252通信。 [0151] 根据另一实施例，电磁装置2包括其他电磁扩展和集中单元，该其他电磁扩展和集中单元相互级联设置并且插入在第三天线251与第四天线252之间。类似于已经如上所述的，其他电磁扩展和集中单元的每一个包括经由传输线互连的天线的配对，特别是第五和第六天线，并且使得一个天线被配置为与设置在上游的类似的电磁扩展和集中单元的对应的天线在无线模式下通信，而另一个天线被配置为与设置在下游的类似的电磁扩展和集中单元的对应的天线在无线模式下通信。 [0152] 第五天线和第六天线以在0°和180°之间任何角度下彼此斜交，以沿任何对应的方向扩展或集中电磁能量。 [0153] 依靠于此，在传感器深埋在结构中的情形下，能够也在相对较长距离上传输由检测模块1产生的信号，以允许穿过固体结构的相对较宽的厚度。 [0154] 在包括于本发明中的其他实施方式示例中，提供了不同的封装体15，每一个被配置为包含一个或多个电磁扩展和集中单元25。 [0155] 有利地，其中仅一个监控设备包括多个集成检测模块的实施例也是可能的。 [0156] 例如，监控设备100’示出在图12中，包括两个集成检测模块1’和1”，并且进一步包括具有三个天线的电磁装置2’：用于远场通信的天线22’；以及用于近场通信的两个天线21’、21”。天线21’和21”适于分别与包括在监控设备100’的两个不同集成检测模块1’、1”通信。 [0157] 用于近场通信的天线21’和21”可以分别例如由相互级联设置的线圈21’与其他线圈21”而实施，天线21’是在特殊示例中由两个半线圈形成的四极子。线圈21’直接连接至天线22’；其他线圈21”经由线圈21’连接至天线22’。 [0158] 该方案可以有利地应用于其中两个集成检测模块用于相同监控设备中的情形下，其中一个是冗余的，以使得假设两个集成检测模块的一个损害，在该情形下将使用冗余的集成检测模块，这样不会危害操作。 [0159] 该方案也可以应用于其中两个集成检测模块1’、1”是两个相互独立模块的情形中，假设使用权宜之计以避免在与两个模块相关的通信之间的冲突。例如，合适的通信协议可以应用于避免消息冲突的发生，如已知的，例如在RFID领域中。备选地，两个集成检测模块1’、1”的传输频率可以不同，或者对于两个不同集成检测模块1’、1”的消息可以以不同方式编码。 [0160] 封装体15覆盖了整个监控设备100’。 [0161] 根据另一实施例，替代了相互级联，天线21’和21”串联或并联。 [0162] 根据其他实施方式示例，例如如图14A和图14B所示，监控设备100’包括多个集成检测模块以及对应的多个天线，例如用于近场通信的线圈。这些用于近场通信的天线之间的每一个连接根据任何组合而可以是级联、串联或并联。封装体15完全覆盖了多个集成检测模块以及对应的多个天线。 [0163] 参照图14B，示出了特定的实施方式示例，其中设备100’包括在支撑3上的电磁装置2’的天线21的级联的端部处的两个端部天线22’和22”。可以配置这些端部天线用于经由远场电磁耦合而与远程天线通信，或者优选地通过磁性耦合而与级联设置的类似设备100’的对应的端部天线通信。 [0164] 应该注意的是，在图14B的实施方式示例中，通过在形成封装体15之前将合适的扭矩施加至支撑3，可以确定用于该支撑3的螺旋面形状。如此方式，不同集成检测模块1可以有利地被不同定向，允许每个集成检测模块1以根据相对于与其邻接的另一集成检测模块的不同方向而测量至少一个参数。 [0165] 根据图15A和图15B中所示的备选实施例，每个集成检测模块1可以根据对应的预定朝向封装在由类似于封装体15的建筑材料制成的预封装体15’中。该预定朝向可以通过以下方式获得：根据支撑3上存在的一个或独个标记159’以及根据指示了包含在预封装体15’中的集成检测模块1的朝向的可能的标记159而定位预封装体15’的朝向(图15A中所示示例)；或者通过在支撑3中提供具有对应于其所需的一个自身朝向并且适于容纳包含集成检测模块1的预封装体15’的开口33(该示例示出在图15B中)。 [0166] 在其他实施例中，封装体15完全覆盖了布置在共同的支撑30上的多个设备100，如图13所示。 [0167] 从结构观点看，可以以提供用于封装体15的特定配置(特别是适于特殊应用)的方式，实施其中封装体15完全覆盖一个监控设备100或多个监控设备100的如上所描述的示例。 [0168] 例如，封装体15可以适应于可插入到待监控的固体结构300内对应的凹陷中。这对于在天花板或梁柱中、在板层中、或者也在用于桥梁的桩柱或桩柱结构中监控待使用的设备是特别有用的。在该情形中，通过合适地组合集成模块(包含传感器、对应的天线、以及可选的电磁扩展和集中单元)，可以在结构中预定点处获得测量值，并且数据可以传输至设置在测量数据将要发送至其的外部区域附近中的天线。 [0169] 根据另一示例，封装体15被成形为可插入在钉子或膨胀螺钉中；钉子或膨胀螺钉接着适于固定在待监控的固体结构中。该实施例对于监控已经存在的建筑、例如历史建筑的结构是特别有用的。在钉子的实施方式示例中，钉子由具有电磁扩展和集中功能的电磁装置、以及设置在柔性支撑上的可选的其他电磁扩展和集中单元形成，其弯曲并且与集成检测模块一起容纳在建筑材料制成的封装体中(接着，可选地包括在建筑材料制成的其他封装体中)。 [0170] 为了将钉子插入待监控的结构中，在其中形成凹陷，其中随后注入半固体形式的建筑材料。通过使用建筑构建领域已知的、诸如例如橡胶锤或压缩空气枪之类的技术和工具将钉子插入在该建筑材料(优选地为快速固化材料，因此有意在插入钉子之后硬化)内，合适地修改以容纳该钉子。 [0171] 参照图16考虑用于监控固体结构内的参数的系统200，其中采用了如上所述的监控设备100和封装体15。监控系统200能够监控待监控的固体结构300内的一个或多个点处的一个或多个参数(“局部”参数)。 [0172] 应该注意的是，仅借由示意性示例方式给出的图16的示意图并非是按照比例的。特别地，为了便于明晰示意，其中放大了监控设备100的相对尺寸。 [0173] 图16中所示监控系统200包括设置在固体结构300内的内部监控子系统210，以及相对于固体结构300在外部并且远离设置的外部控制和数据收集子系统220。 [0174] 内部监控子系统210包括穿过固体结构300内待监控的点的支撑结构211，并且进一步包括根据本发明的多个监控设备100。每个监控设备100在已知和预定位置处固定至支撑结构211。 [0175] 在图16的示例中，待监控的结构是钢筋混凝土梁柱300，包括钢筋条301。因此，内部监控子系统210从其构建步骤开始就包括在该钢筋混凝土梁柱内。在构建步骤中，内部监控子系统210合适地设置在由模板限定的体积内的所需位置处。随后，液态混凝土倒入模板中，因此围绕了内部监控子系统210，并且一旦硬化则嵌入其中，以使得该子系统最终“埋设”在钢筋混凝土梁柱内。 [0176] 支撑结构211适于提供支撑并且在已知和预定位置处固定每一个监控设备100。该支撑结构211延伸在固体结构300内。 [0177] 在图16的示例中，支撑结构211是铅垂线，并且以直线方式沿着梁柱300的一个维度而延伸。 [0178] 在其他实施例中，支撑结构211可以是沿着另一维度的任何形状，例如直线，或者破折线、半圆、或一般的曲线、或其他形状。 [0179] 确定该形状所采用的准则取决于待监控的结构的形状，例如曲线形状可以适于隧道拱顶的曲线形状。 [0180] 应该注意的是支撑结构211的形状和定位确定了内部监控子系统210的几何发展，其特征可以在于范围非常宽范围的变化。 [0181] 确定内部监控子系统210的几何发展所采用的准则在不同实施例中可以取决于待监控的结构的形状以及相同结构内待监控的重要点的选择(例如沿着结构的一个或多个轴线，或者在从结构观点看特别敏感的点处)。 [0182] 制成支撑结构211的材料可以是各种不同的，例如金属或合成材料。 [0183] 此外，应该注意的是支撑结构211(因此内部监控子系统210)的几何发展可以包括并未互连的数个部分，每个具有如上列出的特性。 [0184] 根据本发明的一个或多个监控设备100经由支撑3连接至支撑结构211。每个监控设备100在已知和预定位置处固定至支撑结构211。 [0185] 特别地，支撑3可以以任何已知方式胶合或者机械约束至支撑结构211。 [0186] 根据备选实施例，已如以上图13所示，提供了聚合物材料的支撑条带30，该支撑条带30将要固定至支撑结构211，并且适于以预定距离并且在预定位置处容纳多个监控设备100。 [0187] 在支撑条带30上，诸如图13中所示，能够放置具有相互不同的数个类型的电磁装置2的监控设备100。例如，用于远场通信的电磁扩展和集中元件以及用于近场通信的电磁扩展和集中元件可以存在。此外，用于远场通信的电磁扩展和集中元件可以具有不同朝向，以负责接收来自于位于固体结构外部的系统的电磁信号的不同的可能的方向。因此，这种电磁扩展和集中设备的天线可以例如是垂直偏置的天线、水平偏置的天线、和/或根据不同角度定向的天线。 [0188] 再次参照图16中所示的监控系统200，现在将说明外部控制和数据收集子系统(或“外部子系统220”)。 [0189] 外部子系统220可以有利地位于其中容易安装的合适的位置处，也以一定距离远离待监控的结构300，假设该距离允许与内部监控子系统210的通信及其操作。 [0190] 该外部子系统本身是已知的，因此在本文中简要描述。 [0191] 外部子系统220包括一个或多个外部天线221，数据收集、存储和处理装置222，电源和远程供电装置223。 [0192] 外部天线221能够与内部监控子系统210中包括的每一个监控设备100的每一个电磁装置2通信，以便于由此经由电磁场实施已经示出的远程通信信号与能量的交换。 [0193] 通过外部天线221，外部子系统220接收由内部监控子系统210的一个或任意多个设备100发送的数据，代表了由对应的传感器10检测并且测量的一个或多个参数；接收的数据被转发至数据收集、存储和处理装置222。 [0194] 此外，外部子系统220经由天线221发送例如命令的控制信号至内部监控子系统210的一个或任意多个设备100；这些控制信号例如用于配置预定的设备100，和/或需要预定参数的测量(在预定时刻或者连续地)，或者其他控制、配置或远程维护功能。 [0195] 对于如上所述功能，也能够使用本身已知的通信模式和远程通信协议(例如在RFID领域中)。 [0196] 最终，再次经由天线221，外部子系统220例如以射频电磁波的形式发送电磁能量，以用于对内部监控子系统210的一个或任意多个设备100远程供电。 [0197] 数据收集、存储和处理装置222可以借由一个或多个处理器实施，其物理地与外部子系统220的其他元件位于一起，或者也远程地设置并且经由任何远程通信网络而相互连接。 [0198] 许多不同类型的处理操作可以由这些处理器执行以例如但不限于：监控不同参数的空间分布图，采用或者不采用插值法；监控不同参数的临时和历史趋势；与阈值比较以确定可能的退化和危险条件等等。 [0200] 根据本发明的监控系统的其他实施例包括一个或多个单元直接插入待监控的结构中，包括由覆盖一个或多个监控设备的建筑材料制成的封装体：例如，以已经所述的钉子或膨胀螺钉之一的形式，包含一个或多个监控设备，该一个或多个监控设备完全由建筑材料制成的封装体包含并覆盖。 [0201] 参照图17和图18，现在将描述用于制造用于检测并且监控固体结构300内的一个或多个局部参数的设备的方法。该方法包括步骤：通过使用微米或亚微米尺寸的颗粒形成的建筑材料，制造外壳部分151，其中外壳150设置在外壳部分151中；随后，将设备100的集成检测模块1插入外壳150中；随后，通过使用微米或亚微米尺寸颗粒制成的建筑材料，形成填充部分152以制造封装体15以设置使得完全覆盖集成检测模块1；最终，将封装体15固定至设备100的支撑装置3，支撑装置3被配置为进一步支持设备100的电磁装置2，并且进一步配置以便于将设备100固定至穿过固体结构内待监控的点的支撑结构。 [0202] 根据其他实施方式示例，如图18所示，方法包括其他步骤，通过将微米或亚微米尺寸颗粒制成的建筑材料注入模具40中，相对于集成检测模块1在设备100的其他部分周围制造封装体的其他部分。 [0203] 特别地，根据设备的任意如上所述实施例，在对应的外壳150中设置集成检测模块1之后，支撑3可以放置在已经形成的封装体的部分上，并且在由模具40确定的部分中由相同类型的其他建筑材料完成封装体15，以便于包括设备的任何部分。特别地，此外，填充了集成检测模块1位于其中的外壳150。 [0204] 凹陷或孔洞可以位于支撑3中，以便于连接封装体的各个部分，由此使其整体上更健壮。这些孔洞或凹陷的存在进一步允许存在于建筑材料中的空气、水和水蒸气的排出。 [0205] 有利地，为了避免在封装体内形成凹陷和非均匀性，可以摇晃模具以促进存在于模具自身中的气体的逸出。 [0206] 根据其他实施方式示例，方法提供了其他步骤：例如通过简单的机械引导对准外壳部分151和封装体15的填充部分152。 [0207] 根据方法的其他实施例，其(在将集成检测模块1插入外壳150中的步骤之前)包括其他步骤：在由建筑材料制成的预封装体中封装集成探测模块1。 [0208] 应该注意的是，依靠其自身特性而由如上所述的封装体和监控设备实现本发明的目的。 [0209] 实际上，本发明的建筑材料封装体允许对待监控的局部参数的精确测量，而同时确保了本发明的监控设备是简单的、强健的和可靠的，能够抵抗在构建步骤中以及在其对应的操作寿命期间存在于待监控的固体结构内的压力和温度，并且进一步特别地抵抗主要的老化起因，诸如例如由于水和湿气引起的那些。 [0210] 由建筑材料制成的封装体与结构兼容。同时，例如至少部分地由微硅石制成的封装体的建筑材料也与其上形成了设备100的集成检测模块1的芯片的硅子层兼容。 [0211] 此外，根据本发明的封装体15的形状可以是任何形状，因此适于广泛的应用。 [0212] 对于封装体、监控设备、监控系统和制造方法的如上所述实施例，本领域技术人员为了满足临时的需求将能够做出修改、改变，并且采用其他功能等价的元件替换，以及与现有技术组合，也产生了混合实施方式，并未脱离以下权利要求的范围。 [0213] 如属于可能的实施例的所述每一个特征可以与其他所述实施例独立地实施。 |
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