DE102004062908A1

DE102004062908A1 - Sensor und Verfahren zum Herstellen eines Sensors

Info

Publication number: DE102004062908A1
Application number: DE200410062908
Authority: DE
Inventors: Eike Dr. Willers
Original assignee: Behr Thermot Tronik GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2004-12-22
Filing date: 2004-12-22
Publication date: 2006-07-06
Anticipated expiration: 2024-12-23
Also published as: DE102004062908B4

Abstract

Ein Sensor zum Erfassen einer Kenngröße eines Mediums, insbesondere der Temperatur einer Flüssigkeit, mit einem einen temperaturabhängigen elektrischen Widerstand aufweisenden Halbleiterelement 13, mit Kontakten 14 und Kontaktfahnen 15 ist bei der Herstellung eines Funktionsteils mit in dieses Funktionsteil eingeformt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zum Erfassen einer Kenngröße eines Mediums, insbesondere der Temperatur eines Fluids, mit einem einen temperaturabhängigen elektrischen Widerstand aufweisenden Halbleiterelement, das mit Kontakten versehen ist, die zu einer Anschlusseinrichtung führen, und ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors.

Sensoren der eingangs genannten Art und insbesondere Temperatursensoren werden vielfach in Kraftfahrzeugen verwendet. Beispielsweise wird mittels eines derartigen Sensors die aktuelle Temperatur des Kühlmittels der Motorkühlung erfasst und an ein Motorsteuergerät übermittelt. Für die Sensoren werden Öffnungen, beispielsweise in einem Ventilgehäuse oder in einem Thermostatgehäuse oder in einem Wasserkasten eines Kühlmittelkühlers oder in anderen Bauteilen, vorgesehen, in die die Sensoren eingebaut werden. Hierzu müssen in der Regel Befestigungsmittel und Dichtungselemente vorgesehen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor der eingangs genannten Art zu schaffen, der sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass er eine einfache Montage ermöglicht.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Halbleiterelement und die Kontakte in ein aus Kunststoff hergestelltes Funktionsteil eingebettet sind.

Ein erfindungsgemäßer Sensor wird direkt in dem gleichen Herstellungsvorgang hergestellt, mit welchem das betreffende Funktionsteil hergestellt wird. Dadurch entfallen zusätzliche Montage- und Abdichtarbeiten. Außerdem ist die Gefahr weitgehend vermieden, dass im Bereich des Sensors eine Undichtheit auftreten kann.

Funktionsteile im Sinne der Erfindung sind die Bauteile, die üblicherweise einen derartigen Sensor aufnehmen, beispielsweise ein Ventilgehäuse, ein Gehäuse eines Thermostatventils eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines bedarfsorientiert geregelten Thermostatventils, ein Wasserkasten eines Kühlmittelkühlers, eine Kühlmittelleitung, ein Wärmetauscher im Bereich der Fahrzeugheizung, ein Ventil im Bereich eines Getriebeölkühlers und sonstige Bauteile.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird vorgesehen, dass das Halbleiterbauteil und die Kontakte bei einem Spritzvorgang in das Funktionsteil eingeformt sind. Damit wird eine gute Einbettung der Teile des Sensors erhalten, so dass eine hohe Sicherheit gegen Leckagen besteht.

Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird vorgesehen, dass das Halbleiterelement und die Kontakte als Vorformling in das Funktionsteil eingeformt sind. Dadurch kann beispielsweise der Spritzvorgang und insbesondere die Formgebung der Spritzform vereinfacht werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgesehen, dass in das Funktionsteil ein vorzugsweise metallisches Übertragungselement mit eingeformt ist, das mit dem Halbleiterelement und dem Medium, dessen Kenngröße zu erfassen ist, in Verbindung steht. Dadurch ist es möglich, das Halbleiterelement auch in größerem Abstand von dem zu messenden Medium anzuordnen und dennoch eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit zu erzielen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgesehen, dass die Kontakte mit Steckerfahnen versehen oder als Steckerfahnen ausgebildet sind, die teilweise in den Kunststoff des Funktionsteils und/oder den Vorformling eingeformt sind. Nach der Herstellung des Funktionsteils muss dann keine zusätzliche Arbeit mehr zur Vervollständigung des Sensors ausgeführt werden. Vorteilhaft wird dabei weiter vorgesehen, dass die Steckerfahnen in einem Steckerteil enden, das mit dem Funktionsteil oder dem Vorformling einteilig ist.

Die Aufgabe der Erfindung wird weiter durch ein Verfahren zum Herstellen eines Sensors gelöst, bei welchem der Sensor bei der Herstellung eines Funktionsteils in dieses integriert wird. Besonders vorteilhaft wird dabei vorgesehen, dass der Sensor mit den Kontakten in eine Spritzform eingelegt wird, in welcher das Funktionsteil mitsamt Sensor hergestellt wird.

Um die exakte Position des Halbleiterelements 13 und/oder die Materialstärke zu kontrollieren, mit der das Halbleiterelement überdeckt ist, wird in Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das Halbleiterelement wenigstens zu Beginn des Spritzvorgangs fixiert ist. Diese Fixierung kann eine Halterung im Werkzeug sein, die in der Nachdruckphase zurückgezogen wird. Es sind jedoch auch Hülsen aus Metall oder Kunststoff möglich, in welcher das Halbleiterteil eingebracht wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgesehen, dass dem Halbleiterelement ein vorzugsweise metallisches Übertragungselement zugeordnet ist, das derart in das Funktionsteil eingeformt wird, dass es auf der dem Medium zugeordneten Seite frei liegt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen und den Unteransprüchen.

1 zeigt eine perspektivische Ansicht auf ein Oberteil eines bedarfsorientiert regelnden Thermostatventils, d.h. eines sogenannten Kennfeldthermostaten, in welchen ein Temperatursensor integriert ist,
2 einen Teilschnitt entlang der Linie II-II der 1,
3 einen Teilschnitt entlang der Linie III-III der 2,
4 einen weiteren Schnitt durch einen in ein Funktionsteil integrierten Temperatursensor,
5 einen erfindungsgemäßen Temperatursensor mit einem in eine Wand eines Funktionsteils eingeformten Steckerteil,
6 einen Schnitt durch eine Ausführungsform, ähnlich 5, bei welchem der Temperatursensor als ein Vorformling ausgebildet ist,
7 einen Schnitt durch einen in ein Funktionsteil integrierten Temperatursensor mit einem Wärmeübertragungsteil und
8 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform mit einem Wärmeübertragungsteil.
In 1 bis 3 ist als Funktionsteil das Gehäuse 10 eines sogenannte Kennfeldthermostaten dargestellt, wie er beispielsweise aus der DE 4409547 A1 bekannt ist. Dieser Kennfeldthermostat besitzt zwischen einem Anschluss 11 für von einem Kühlmittelkühler kommendes Kühlmittel und einem Motorvorlauf eine Mischkammer, die zu dem Anschluss 11 mittels des Hauptventils und zu dem Motorvorlauf mittels eines Kurzschlussventils begrenzt ist. Von der Mischkammer führt zu dem Verbrennungsmotor zurück ein Motorrücklaufanschluss.
In das Ventilgehäuse 10 ist ein Sensor 12 integriert, der die Temperatur des in der Mischkammer des Kennfeldthermostaten befindlichen Kühlmittels erfasst. Dieser Sensor besitzt ein Halbleiterelement 13 an das Kontakte 14, beispielsweise Kontaktdrähte, angeschlossen, z.B. durch Löten, sind, die zu Steckerfahnen 15 führen, die aus einem Steckerteil 16 herausragen. Die Steckerfahnen 15 sind beispielsweise als im Wesentlichen zylindrische, abgestufte Stifte ausgebildet, in die die als Kontaktdrähte ausgebildeten Kontakte 14 eingesteckt und verlötet sind.
Der Sensor 12 ist in das Gehäuse 10 des Kennfeldthermostaten mittels eines Spritzvorgangs eingeformt worden, mit welchem das Gehäuse 10 hergestellt worden ist. Hierzu wird das Halbleiterelement 13 mit den daran angebrachten Kontakten 14 und den wiederum daran angebrachten Kontaktfahnen 15 in die Spritzform eingelegt, in welcher das Gehäuse 10 hergestellt wird. In der Spritzform kann in nicht näher dargestellter Weise während des Beginns des Einspritzvorgangs eine Fixierung des Sensors erfolgen, beispielsweise mittels einer in der Nachdruckphase zurückgezogenen Hülse aus Metall oder Kunststoff.
Das Halbleiterelement 13, das beispielsweise ein PTC- oder NTC-Widerstand ist, liegt üblicherweise in einer Handelsform vor, in der es zusammen mit den Anschlussstellen der Kontakte 14 mit einem Kunststoffüberzug versehen ist. Da das Halbleiterelement 13 bei dem erfin dungsgemäßen Temperatursensor völlig in den Kunststoff des Ventilgehäuses 10 eingebettet ist, kann ein derartiger Überzug entfallen, d.h. von vornherein nicht angebracht werden oder vor seinem Einbetten in das Ventilgehäuse 10 entfernt werden. Das Halbleiterelement 13 ist völlig von dem Kunststoff des Ventilgehäuses 10 umhüllt. Durch die Dicke, mit der dieser Kunststoff das Halbleiterelement 13 umgibt, ist es möglich, das Ansprechverhalten des Sensors 12 zu beeinflussen.
Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Sensor 12 der Mischkammer eines Thermostatventils einer Motoreintrittsregelung zugeordnet. In entsprechender Weise ist der Sensor auch in ein Ventilgehäuse eines Thermostatventils einer Motoraustrittsregelung integrierbar. Ebenso kann er in den Auslasswasserkasten oder auch in den Einlasswasserkasten eines Kühlmittelkühlers integriert werden, abhängig von den jeweils gewünschten Kenngrößen. Ebenso ist es möglich, den Sensor so in einem Ventilgehäuse oder auch in einem Kühlmittelschlauch o.dgl. anzuordnen, dass er die Kühlmitteltemperatur in einem Bypass aufnimmt.
Bei einem Kennfeldthermostaten, wie er aus der DE 4409547 A1 bekannt ist, ist auch ein elektrischer Anschluss vorgesehen, der zu einem in einem thermostatischen Arbeitselement angeordneten Heizelement führt. Es ist ohne weiteres möglich, die Kontaktfahnen 15 des Sensors 12 so anzuordnen und die Kontakte entsprechend zu verlegen, dass die Kontaktfahnen 15 mit den Kontaktfahnen des Heizelements zu einer Steckerbaugruppe zusammengeführt werden. Wenn der Sensor 12 die Kühlerrücklauftemperatur erfasst, beispielsweise am Auslasswasserkasten des Kühlmittelkühlers, so ist es möglich, den Sensor 12 auch einer Diagnoseeinheit zuzuordnen, mit welcher die Funktion der gesamten Motoranlage eines Fahrzeuges überprüft wird.
Die erfindungsgemäße Ausbildung des Temperatursensors 12 ermöglicht es, dass eigentliche Fühlelement, das Halbleiterelement 13, praktisch an einer beliebigen Stelle anzuordnen und die Kontakte so zu führen, dass die Kontaktfahnen 15 an einer anderen beliebigen Stelle angeordnet und zugänglich sind. Dadurch ergeben sich sehr große Gestaltungsfreiheiten.
Bei der Ausführungsform nach 4 ist vorgesehen, dass der Sensor 12 in eine Wand 17 eines Gehäuses o.dgl. integriert ist. An die Wand 17 ist ein Ansatz 18 angeformt, in welchem sich das Halbleiterelement 13 befindet. An das Halbleiterelement 13 schließen als Kontakte 14 gestanzte Laschen an, die auch als Kontaktfahnen 15 dienen. Diese Kontaktfahnen befinden sich innerhalb einer Steckerausnehmung 19, in die ein Steckerteil einsteckbar ist. Die Steckeraufnahme 19 ist so ausgerichtet, dass ein Steckerteil parallel zur Wand 17 einsteckbar ist.
Bei der Ausführungsform nach 5 ist an eine Wand 17 ein Ansatz 18 angeformt, der nach innen in einen Strömungskanal ragt, beispielsweise in einen Strömungskanal für Kühlmittel eines Verbrennungsmotors. In diesem Ansatz 18 befindet sich das Halbleiterelement 13, das mit Kontakten 14 verbunden ist. Die Kontakte 14 sind gestanzte Blechstreifen, die nach außen als Kontaktfahnen 15 geführt sind. Diese Kontaktfahnen 15 befinden sich innerhalb einer Aussparung 20 der Wand 17, die ein Steckerteil aufnehmen kann.
Auch bei den Ausführungsformen nach 4 und 5 werden das Halbleiterelement 13, die Kontakte 14 und die Kontaktfahnen 15 zunächst zu einer Baugruppe vorgefertigt, die dann in die Spritzform eingelegt wird, so dass keine nachträglichen Arbeiten erforderlich sind, um den Sensor zu vervollständigen, d.h. beispielsweise das Verbinden der Kontakte 14 mit den Kontaktfahnen 15 durch Schweißen oder Löten.
Um das Halbleiterelement 13, die Kontakte 14 und die Kontaktfahnen 15 festzulegen, bevor sie in eine Spritzform für das Funktionsteil eingelegt werden, wird bei einer abgewandelten Ausführungsform vorgesehen, dass diese zu einem Vorformling 21 geformt werden, wie dies beispielsweise anhand des Vorformlings 21 der 6 dargestellt ist. Dieser Vorformling 21 bildet den Ansatz 18 und die Aussparung 20 zusammen mit dem Halbleiterelement 13, den Kontakten 14 und den Kontaktfahnen 15 und der Aussparung 20. Dieser Vorformling 21, der zweckmäßigerweise aus dem gleichen Material wie das Funktionsteil hergestellt ist, wird in die Spritzform eingelegt und dann umspritzt, wobei das Material der Wand 17 mit dem Vorformling verschmilzt und eine innige Verbindung herstellt.
Selbstverständlich ist es auch möglich, das Halbleiterelement 13 so anzuordnen, dass es innerhalb einer auf der Strömungsseite glatten Wandung liegt, so dass die Strömung des Mediums, dessen Temperatur zu erfassen ist, in dem Funktionsbauteil nicht gestört wird.
Wie in 7 und 8 gezeigt ist, ist es möglich, das Ansprechverhalten des Sensors nicht nur durch die Dicke der Schicht zwischen dem Medium, dessen Temperatur zu erfassen ist, und dem Halbleiterelement zu beeinflussen. Bei der Ausführungsform nach 7 ist vorgesehen, dass in die Wand 17 des Funktionsteils ein Übertragungselement mit guter Wärmeleitfähigkeit eingesetzt ist, beispielsweise ein Übertragungselement 22 aus Metall. Das Halbleiterelement 13 liegt entweder an diesem Übertragungselement 22 an oder ist in geringem Abstand dazu angeordnet. Bei dem Ausführungsbeispiel hat das Übertragungselement eine U-förmige Gestalt, wobei ein Schenkel in dem Kanal o.dgl. liegt, in welchem das Medium strömt, insbesondere eine Flüssigkeit, deren Temperatur zu erfassen ist. Um den Bereich, in welchem sich das Halbleiterelement 13 befindet, möglichst flüssigkeitsdicht gegenüber dem Bereich abzudichten, in welchem das Medium strömt, kann der Quersteg des U-förmigen Übertragungselementes mit einer labyrinthartigen Profilierung versehen sein.
Bei der Ausführungsform nach 8 ist in dem Bereich, in welchem sich das Halbleiterelement 13 in der Wand 17 befindet, eine Metallkappe 23 miteingespritzt, an der innen das Halbleiterelement 13 anliegt oder zu dem dieses in einem geringen Abstand angeordnet ist. Auch bei dieser Ausführungsform ist der Bereich des Halbleiterelements 13 gegen Flüssigkeit gut abgedichtet, die an der Metallkappe 23 vorbeiströmt.
Der in ein Funktionsteil integrierte Sensor 12, der insbesondere ein Temperatursensor für das Erfassen der Temperatur einer Flüssigkeit ist, hat den Vorteil, dass für seine Herstellung nur ein relativ geringer Mehraufwand gegenüber der Herstellung des Funktionsteils besteht, da die zusätzliche Menge an Kunststoff, die eventuell erforderlich ist, praktisch nicht ins Gewicht fällt. Die für den Sensor erforderlichen Bauelemente, nämlich das Halbleiterelement 13, die Kontakte 14 und die Kontaktfahnen 15 sind für jeden Sensor notwendig, so dass diese Kosten nicht eingespart werden. Dagegen entfallen jedoch zusätzliche Montagekosten für das Einsetzen eines Temperatursensors, für sein Befestigen und für eventuell notwendige Dichtungsmittel vollständig.

Claims

Sensor zum Erfassen einer Kenngröße eines Mediums, insbesondere der Temperatur eines Fluids, mit einem einen temperaturabhängigen Widerstand aufweisenden Halbleiterelement, das mit Kontakten verbunden ist, die zu einer Anschlusseinrichtung führen, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterelement (13) und die Kontakte (14) in ein aus Kunststoff hergestelltes Funktionsteil eingebettet sind.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterelement (13) und die Kontakte (14, 15) bei einem Spritzvorgang in das Funktionsteil (10, 17) eingeformt sind.
Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterelement (13) und die Kontakte (14, 15) als Vorformling (21) in das Funktionsteil (17) eingeformt sind.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in das Funktionsteil (17) ein vorzugsweise metallisches Wärmeübertragungselement (22, 23) miteingeformt ist, das dem Halbleiterelement (13) zugeordnet ist und mit dem Medium, dessen Kenngröße zu erfassen ist, in Verbindung steht.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakte (14) mit Steckerfahnen (15) versehen oder als Steckerfahnen ausgebildet sind, die teilweise in den Kunststoff des Funktionsteils (10, 17) und/oder den Vorformling (21) eingeformt sind.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steckerfahnen (15) in einem Steckerteil enden, das mit dem Funktionsteil (10, 17) oder dem Vorformling (21) einteilig ist.
Verfahren zum Herstellen eines Sensors zum Erfassen eines Kenngröße eines Mediums, insbesondere der Temperatur einer Fluids mit einem einen temperaturabhängigen elektrischen Widerstand aufweisenden Halbleiterelement, das mit Kontakten verbunden ist, die zu einem Anschlusselement führen, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (12) bei der Herstellung eines Funktionsteils (10, 17) in dieses Funktionsteil (10, 17) integriert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterelement (13) mit den Kontakten (14) und vorzugsweise den Kontaktfahnen (15) in eine Spritzform eingelegt wird, in welcher anschließend das Funktionsteil (10, 17) hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterelement (13) wenigstens zu Beginn des Spritzvorgangs in der Spritzform fixiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, das dem Halbleiterelement (13) ein vorzugsweise metallisches Wärmeübertragungselement (22, 23) zugeordnet wird, dass derart in das Funktionsteil (10, 17) eingeformt wird, dass es auf der dem Medium zugeordneten Seite frei liegt.