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Die
Erfindung betrifft ein Schaltungsmodul, das insbesondere für einen
Reifensensor einsetzbar ist.
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Stand der Technik
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Als
Schaltungsträger
für Sensormodule
sind unter anderem LTCC-Schaltungsträger bekannt. Die LTCC-Technologie
(Low Temperature Co-fired Ceramic) ermöglicht es, keramische Verdrahtungsträger im Mehrlagenaufbau
zu realisieren.
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Die
LTCC wird aus ungesinterten, flexiblen Folien (green tapes) zusammengesetzt
und bearbeitet, bevor sie bei maximal 900°C gesintert wird. Als Basismaterial
dieser Folien kommt ein Gemisch aus Glas, Keramik und organischen
Lösungsmitteln
zum Einsatz. Hierbei kann auf vielfältige Keramikmaterialien zurückgegriffen
werden, die auch funktionale Eigenschaften besitzen können, wodurch
die Integration von dielektrischen, piezoelektrischen, ferroelektrischen
oder ferrromagnetischen Lagen möglich
ist.
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Reifensensoren
dienen insbesondere zur Messung des Reifeninnendrucks, der Temperatur oder
von Beschleunigungen bzw. Vibrationen, die am Reifen auftreten.
Hierbei wird in der Regel ein Sensormodul mit einem Schaltungsträger, mindestens
einem Sensorbauelement, einer Batterie als Energiequelle und einer
Antenne gebildet, über
die an eine Sende-Empfangs-Einrichtung am Fahrzeug Daten übermittelt
werden.
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Das
Sensormodul wird in der Regel an der Reifenfelge montiert, da zum
einen eine Einbringung in das Gummimaterial durch Einvulkanisieren
eine sehr hohe Temperaturbeständigkeit
verlangt und zum anderen die als Batterien eingesetzten galvanischen
Zellen getrennt vom Gummimaterial des Reifens zu entsorgen sind.
Auch führt
die Verwendung von Batterien bzw. galvanischer Zellen aufgrund deren
Baugrößen zu Dimensionierungen,
die zu groß sind
für eine
Reifenintegration.
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Bei
einer derartigen Anbringung an der Reifenfelge können jedoch z.B. die in der
Lauffläche
auftretenden Schwingungen und die Reifentemperatur nicht direkt
gemessen werden. Weiterhin ist die Lebensdauer der Batterie begrenzt.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, in dem Schaltungsmodul einen
Energiewandler vorzusehen, der die durch mechanische Belastung,
insbesondere durch Biegung und/oder Druck auftretenden Verformungsenergien
aufgrund des piezoelektrischen Effektes in eine elektrische Spannung
umwandelt, die zur Versorgung der Elektronik verwendet werden kann.
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Insbesondere
bei diskontinuierlichen mechanischen Belastungen bzw. diskontinuierlichem
Betrieb der Elektronik kann die generierte Energie auch in einem
Energiespeicher zwischengespeichert werden. Als Energiespeicher
kann z.B. ein Kondensator oder auch ein Akkumulator verwendet werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
kann der Energiespeicher ganz oder teilweise in einer oder mehreren
Lagen des Schaltungsträgers
ausgebildet werden. Dies kann insbesondere durch Ausbildung eines integrierten
Kondensators erfolgen, der durch großflächige Metallflächen auf
den Ober- und Unterseiten von ein oder mehreren Lagen ausgebildet
wird. Ein derartiger Kondensator dient hierbei auch zur Glättung der
erzeugten Piezospannung. Erfindungsgemäß wird somit die Integration
eines Energiespeichers ermöglicht,
der die bei einem LTCC-Prozess auftretenden Temperaturen von bis
900°C erträgt.
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Alternativ
zur Ausbildung der des Energiespeichers in dem Schaltungsträger kann
dieser auch als Bauelement, z.B. SMD-Bauelement, auf dem Schaltungsträger montiert
werden. Neben Kondensatoren ist z.B. auch der Ensatz von Akkumulatoren, z.B.
einem Ni-MH- oder Li-Ionen-Akku möglich. Weiterhin können auf
dem Schaltungsträger
z.B. ein Sensor-Bauelement und gegebenenfalls ein Steuerchip sowie
für die
Antennenversorgung vorgesehen Bauelemente wie Oszillator, RF-Chip
usw. montiert werden.
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Die
Stromversorgungsschaltung weist auch weitere Komponenten auf, z.B.
einen Gleichrichter zur Gleichrichtung der bei Biegeschwingungen
auftretenden unterschiedlichen Polaritäten der Piezospannung. Auch
diese Komponenten können
durch Ausbildung von z.B. Dioden und Widerständen zwischen den Lagen bzw.
auf Ober- und Unterseite der Lagen ausgebildet sein. Alternativ
hierzu kann auch hierfür
ein montiertes Bauelement vorgesehen sein, z.B. auch als kombiniertes
Bauelement zur Spannungswandlung und Energiespeicherung.
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Somit
kann eine konventionelle Energieversorgung mittels Batterie entfallen.
Durch das erfindungsgemäße Aufbau-
und Verbindungskonzept kann ein stressbasierter Energiewandler elegant
an ein Sensorsystem gekoppelt werden, so dass ein hochintegriertes
Sensormodul mit deutlichen Kostenvorteilen realisierbar ist.
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Der
Schaltungsträger
kann insbesondere als LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic)-Schaltungsträger mit
mehreren keramischen Schaltungsebenen ausgebildet sein. Ein derartiger
LTCC-Schaltungsträger
bietet eine hohe Temperaturbeständigkeit,
so dass ein Reifensensormodul zum direkten Einvulkanisieren in das
Gummimaterial des Reifens, z.B. auch im Bereich der Lauffläche des
Reifens, ausgebildet werden kann. Gerade ein derartiger Einsatz
gewährleistet
im Betrieb die Energieversorgung des Schaltungsmoduls mit mechanischen
Verformungen.
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Die
spannungserzeugende Lage kann als eine Lage des aus green tapes
gesinterten Lagenstapels vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich hierzu
kann als spannungserzeugende Lage z.B. eine Kappe oder ein Deckel
nach dem Sintern und Bestücken
aufgesetzt und z.B. verlötet
oder verklebt werden. Grundsätzlich
können
auch sämtliche
Lagen des Schaltungsträgers
aus piezoelektrischen Keramikmaterial hergestellt sein und zur Spannungszeugung
dienen.
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Als
Material der spannungserzeugenden Lage kann z.B. Bleizirkonat-Titanat
(PZT) dienen. Die Piezoelektrizität wird im Allgemeinen durch
nachträgliches
Aufprägen
einer Prägespannung
zur Ausrichtung der einzelnen ferroelektrischen Domänen bzw. Weißscheu Bezirke
ausgebildet. Hierzu kann der gesamte Schaltungsträger nachträglich der
Prägespannung
ausgesetzt werden, oder bei Ausbildung einzelner piezoelektrischer
Lagen nur die jeweilige Lage.
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Das
erfindungsgemäße Schaltungsmodul kann
klein und kompakt gebaut werden, da keine zusätzliche Energiequelle erforderlich
ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen
an einigen Ausführungsformen
erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
erfindungsgemäßes Schaltungsmodul
als LTCC-Modul mit eingezeichneten Spannungsversorgungsebenen im
Querschnitt;
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2 ein
weiteres erfindungsgemäßes Schaltungsmodul
als LTCC-Modul mit
nachträglich aufgelötetem oder
-geklebten Ober- oder Unterseitendeckel aus piezoelektrischem Keramikmaterial.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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Ein
erfindungsgemäßes Schaltungsmodul 1 ist
als LTCC-Modul 1 mit einem LTCC-Schaltungsträger 2 aus
mehreren Lagen 3, 3.1 ausgebildet. Die einzelnen
Lagen 3 sind jeweils aus einem keramischen Material hergestellt
und weisen auf ihrer Oberseite 3a und/oder ihrer Unterseite 3b leitende
Bereiche, insbesondere Metallisierungen auf, die strukturiert als
Leiterbahnen 4 und z.B. Kondensatorelektroden 5 dienen.
Weiterhin können
in an sich bekannter Weise Widerstände 6 und andere Funktionseinrichtungen
bzw. Bauelemente auf den Ober- und Unterseiten 3a, 3b der
Lagen 3, 3.1 ausgebildet sein. Weiterhin verlaufen
Durchkontaktierungen 7 in vertikaler Richtung durch die
Lagen 3, 3.1 hindurch. Grundsätzlich können auch ein oder mehrere
Lagen 3 aus einem nicht keramischen Material hergestellt
sein; vorzugsweise ist der Schaltungsträger 2 jedoch vollständig als
LTCC hergestellt, indem flexible Ausgangsfolien (green tapes) aufeinander
gepresst und gesintert werden.
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Der
Schaltungsträger 2 ist
mit Bauelementen 8, 9 bestückt. Hier können insbesondere integrierte Schaltkreise
(IC) 8 und Sensorchips, z.B. MEMS (Mikro-Elektro-Mechanisches-System)-Bauelemente 9 montiert
werden, wobei je nach Einsatz z.B. Druck- und/oder Temperatur- und/oder
Beschleunigungssensor-Bauelemente 9 eingesetzt werden.
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Die
montierten Bauelemente 8, 9 können mittels Pins kontaktiert
werden, wobei Pins bei den auftretenden mechanischen Beanspruchungen
jedoch brechen können.
Vorteilhafterweise erfolgt die Befestigung über eine Klebeschicht 13 und
die Kontaktierung über
Die -Pads 10 auf der Ober- oder Unterseite der Lagen 3, 3.1,
oder die Befestigung und Kontaktierung über Die-Pads 10 mittels Lot oder Leitkleber.
Gemäß 1 kann
eine oberste Lage 12 als Kappe 12 nachträglich mittels
einer Kleberschicht 15 oder Lotschicht 15 auf
dem LTCC-Stapel 3, 3.1 angebracht sein, wobei
auf der Kappe 12 die Bauelemente 8, 9 befestigt
sind, so dass diese in einem Freiraum 14 innerhalb des
Schaltungsträgers 2 aufgenommen sind,
wobei die Kontaktierung der Bauelemente 8, 9 hierbei
gemäß 1 auch
mit den weiteren Lagen 3, 3.1 unterhalb des Freiraums 14 erfolgen
kann. Alternativ hierzu können
die Bauelemente 8, 9 auch gemäß 2 auf der
obersten Lage 3, 3.1 unterhalb der Kappenlage 12 befestigt
sein.
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Erfindungsgemäß ist zumindest
ein Teilbereich mindestens einer Lage 3.1, 12,
d.h. einer Lage 3.1 des LTCC-Stapels und/oder einer nachträglich aufgesetzen
Lage 12, aus einem piezoelektrischem Material hergestellt.
Vorteilhafterweise ist eine ganze Lage 12 und/oder 3.1 aus
piezoelektrischem Material hergestellt, um als Spannungsquelle des
gesamten Schaltungsmoduls 1 zu wirken. In 1 sind
beispielhaft eine der Kontaktierung der Bauelemente 8, 9 dienende
obere Lage 3.1 sowie z.B. die beiden unteren Lagen 3.1 als
spannungserzeugende Lagen 3.1 aus piezoelektrischem Material
hergestellt. Gemäß 2 sind
die Kappenlage 12 auf der Oberseite und gegebenenfalls
Unterseite des Schaltungmoduls 1 als spannungserzeugende
Lagen 12 ausgebildet.
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Erfindungsgemäß kann die
Anzahl und Position der spannungserzeugenden Lagen frei gewählt werden;
somit ist es auch möglich,
dass sämtliche gesinterten
Lagen 3.1, gegebenenfalls auch die zusätzlichen Kappenlagen 12,
als spannungserzeugende Lagen aus piezoelektrischem Material gefertigt sind.
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Die
piezoelektrischen Lagen 3.1 können entsprechend auch als
Träger
der elektronischen Bauelemente 8, 9 und Signalebenen
dienen, d.h. auf ihrer Oberseite 3a und/oder Unterseite 3b sind
Leiterbahnen 4 und gegebenenfalls großflächige leitfähige Bereiche 5 ausgebildet.
Hierdurch kann ein einfacher Herstellungsprozess erreicht werden.
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Die
piezoelektrischen Lagen 3.1 bzw. 12 sind vorteilhafterweise
möglichst
weit von der neutralen Biegelinie B des Schaltungsmoduls 1 entfernt.
Hierzu können
als spannungserzeugende piezoelektrische Lagen insbesondere die äußeren Lagen 3.1 oder 12 des
LTCC-Schaltungsträgers 2 vorgesehen
sein, da diese der maximalen Dehnung bzw. Stauchung ausgesetzt sind.
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Hierbei
kann eine Piezospannung Up sowohl bei Dehnung als auch bei Stauchung
induziert werden.
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Die
piezoelektrischen Lagen 3.1, 12 sind mit mindestens
zwei Elektroden 16 auf der Oberseite 3a und der
Unterseite 3b versehen, an denen die erzeugte Piezospannung
Up abgegriffen wird; hierbei wird die Piezospannung Up vorteilhafterweise
auch bei unterschiedlichen mechanischen Belastungen immer zwischen
der Oberseite 3a und der Unterseite 3b abgegriffen.
Um den Piezoeffekt weitgehend auszunutzen, sind die Kontakte 16 als
vollflächige
Metallisierungen ausgebildet; sie können aber auch strukturiert
sein, wobei sie dann vorteilhafterweise als Kontaktflächen oder
Kontaktstreifen an lateral äußeren Bereichen
der Lagen 3.1, 12 ausgebildet sind.
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Erfindungsgemäß kann eine
erzeuge Piezospannung Up bei Verformungen gemäß dem 33-Effekt und/oder 31-Effekt,
d.h. gemäß dem 31-Effekt bei
Biegebeanspruchungen bzw. Verformung senkrecht zu den Elektroden
oder dem 33-Effekt bei Druckbeanspruchungen bzw. bei Verformung
in Richtung der Elektroden, und somit entlang sämtlicher drei Raumrichtungen
X, Y, Z ausgenutzt werden.
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Das
Schaltungsmodul 1 kann insbesondere als Reifensensormodul
zur Messung des Drucks (Reifeninnendrucks) und/oder Temperatur und/oder Beschleunigung
bzw. Vibration verwendet werden. Hierbei kann eine Antenne 20 zur
Aufnahme und Aussendung von Antennensignalen, zur Datenübermittlung
mit einer entsprechenden Sende-Empfangseinheit am Fahrzeug vorgesehen
sein, die wie beispielhaft in 1 gezeigt
auf einer Außenseite
des Sensormoduls, oder auch in einem zusätzlichen Gehäuse ausgebildet
ist. Vorteilhafterweise wird kein weiteres Gehäuse verwendet, da dann die
mechanischen Verformungen des Schaltungsmoduls 1 größer sind.
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Das
Schaltungsmodul 1 kann wie in 1, 2 gezeigt
direkt oder auch in einem zusätzlichen Gehäuse aufgenommen
im Gummimaterial des Fahrzeug reifens, z.B. auch im Bereich der Lauffläche, einvulkanisiert
werden, so dass die bei der Fahrt auftretenden Walkkräfte ständig das
Schaltungsmodul 1 durchwalken bzw. durchbiegen und somit
ständig
Energie erzeugt wird. Das erfindungsgemäße Schaltungsmodul 1 wirkt
somit als mechanisch-elektrischer
Energiewandler.
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Das
Material der piezoelektrischen Lagen 3.1, 12 kann
z.B. Bleizirkonat-Titanat (PZT) sein. Grundsätzlich kann die Piezokeramik
bereits vor dem Sintern in dem green tage vorliegen oder erst beim Sintern
ausgebildet werden. Die piezoelektrischen Lagen 3.1 und/oder 12 werden
vorteilhafterweise aus anorganischen, ferroelektrischen und polykristallinen Keramikwerkstoffen
gefertigt. Hierbei wird nach dem Sinterprozess ein Prägespannung
angelegt und die elektrischen Dipole der einzelnen Domänen ausgerichtet.
Bei Einbinden der piezoelektrischen Lagen zusammen mit weiteren
Lagen in den Schaltungsträger 2 erfolgt
das Anlegen der Prägespannung über den
gesamten gesinterten LTCC-Schaltungsträger 2. Bei nachträglichem
Aufbringen einer piezoelektrischen Lage 12 wird diese vorteilhafterweise
bereits vorher geprägt.
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In
oder auf dem LTCC-Schaltungsträger 2 ist eine
Stromversorgungsschaltung 36 ausgebildet, die die erzeugte
Piezospannung Up aufnimmt und vorzugsweise einen Gleichrichter 41 aufweist.
Weiterhin ist vorteilhafterweise ein Energiespeicher 37 vorgesehen,
der z.B. als Kondensator 37 ausgebildet ist und die gleichgerichtete
Piezospannung Up speichert. Der interne Kondensator 37 kann
durch große Metallflächen 5,
z.B. auf der Oberseite 3a und der Unterseite 3b einer
Lage 3 ausgebildet sein. Hierbei können insbesondere auch mehrere
derartige Metallflächen 5 – in an
sich bekannter Weise – kammartig ineinander
verschachtelt ausgebildet sein, um als Kondensator 37 zu
dienen.
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Weiterhin
kann der als Kondensator oder Akkumulator ausgebildete Energiespeicher
auch als zusätzliches
Bauelement 38 ergänzend
zu den Bauele menten 8, 9 montiert sein. Weiterhin
kann auch die Stromversorgungsschaltung mitsamt dem Gleichrichter
als Bauelement 39, z.B. SMD-Bauelement, auf oder in dem
Schaltungsträger 2 montiert
sein. In 2 sind somit – rein beispielhaft – die beiden
zusätzlichen
Bauelemente 38, 39 eingezeichnet. Die Ausführungsform
der 2 kann auch entsprechend 1 mit interner
Stromversorgungsschaltung 36 und Energiespeicher 37 realisiert
werden.
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Somit
kann die durch unterschiedliche Belastungen eingehende mechanische
Energie in elektrische Energie, d.h. eine Piezospannung Up umgewandelt,
gleichgerichtet und abgespeichert werden und somit fortlaufend zum
Betrieb der Bauelemente 8, 9 sowie der Antenne 20 dienen.
Das Schaltungsmodul 1 kann somit vollständig autark ausgebildet sein.