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Die
Erfindung betrifft ein Sensormodul mit einem Sensorchip, der mit
einer Kunststoffabdeckung abgedeckt ist.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung des Sensormoduls.
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Ein
derartiges Sensormodul ist aus der
US 2007/0139044 A1 bekannt.
Bei dem bekannten Sensormodul ist der Sensorchip auf einem Leitergitter aufgebracht
und mit einer ersten Kunststoffhülle aus einem Duroplast
umgeben. Die innere Kunststoffhülle ist weiterhin von einer äußeren
Kunststoffhülle umgeben, die sich bis zu einem Kontaktende
der vom Leitergitter gebildeten Leiterbahnen erstreckt. An den Kontaktenden
der Leiterbahn ist die äußere Kunststoffhülle
als Steckerfassung ausbildet. Das bekannte Sensormodul dient insbesondere
der Erfassung der Drehgeschwindigkeit eines Turboladers.
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Ferner
ist aus der
US
2004/0118227 A1 ein Sensormodul bekannt, bei dem ein Sensorchip
auf einem Leitergitter fixiert ist. Der Sensorchip und das Leitergitter
sind von einer Kunststoffhülle umgeben. Die Leiterbahnen
des Leitergitters sind ferner mit Kontaktstiften verbunden. Der Übergangsbereich zwischen
dem Leitergitter und den Kontaktstiften ist von einer weiteren Kunststoffhülle
abgedeckt, die sich bis zu Kontaktenden der Kontaktstifte erstreckt und
dort eine Steckerfassung bildet.
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Als
Sensorchip sind insbesondere temperaturempfindliche Sensorchips,
auf Magnetfelder empfindliche Sensorchips, Winkelgeschwindigkeitssensoren
oder Beschleunigungssensoren vorgesehen.
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Ein
Nachteil der bekannten Sensormodule ist, dass die Kunststoffhülle
das Messsignal verfälschen kann. Beispielsweise kann die
zusätzliche Masse der Kunststoffhülle die Antwortzeit
des Sensormoduls vergrößern. Ferner können
Eichungen notwendig sein, um den Einfluss der Kunststoffhülle zu
korrigieren.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
ein hinsichtlich der Messeigenschaften verbessertes Sensormodul
zu schaffen. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren zur Herstellung des Sensormoduls anzugeben.
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Diese
Aufgaben werden durch das Sensormodul und das Verfahren mit den
Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
In davon abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.
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Das
Sensormodul verfügt über einen Kanal, der von
einer Sensorfläche des Sensorchips zu einer Außenseite
des Sensormoduls führt. Unter Kanal soll dabei eine Freisparung
verstanden werden, deren Querschnittsabmessungen klein im Vergleich
zu der von der Sensorfläche des Sensorchips bis zur Außenseite
gemessenen Länge des Kanals ist. Durch einen derartigen
Kanal steht die Sensorfläche des Sensorchips mit der Umgebung
des Sensormoduls in Kontakt. Insbesondere Druckänderungen
in dem umgebenden Medium können mit dem Sensormodul unmittelbar
erfasst werden, ohne dass der Einfluss der Kunststoffhülle
auf das Messergebnis durch Eichungen bestimmt werden muss.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform ist das Sensormodul mit
Leiterbahnen versehen und der Kanal entlang einer Leiterbahn bis
zu einer Kontaktstelle der Leiterbahn geführt. Dabei besteht
die Möglichkeit, den Kanal durch eine geeignete Querschnittsprofilierung
der Leiterbahn auszubilden.
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Insbesondere
ist es möglich, den Kanal durch eine Prägung einer
Leiterbahn herzustellen, wenn die Leiterbahnen von einem Leitergitter
gebildet sind. In diesem Fall kann beispielsweise der Kanal durch
Ausbilden einer Nut in einer Leiterbahn des Leitergitters hergestellt
werden. Unter Leitergitter soll in diesem Zusammenhang eine selbsttragende
Einheit von Leiterbahnen verstanden werden, wobei die Leiterbahnen
nach Abschluss der Fertigung nicht notwendigerweise untereinander
verbunden sein müssen. Bei dem Leitergitter kann es sich
beispielsweise um ein so genanntes Stanzgitter (= lead frame) handeln.
Durch die Verwendung eines derartigen Leitergitters kann die Festigkeit
des Sensormoduls zusätzlich erhöht werden. Außerdem
wird die Fertigung erleichtert, da ein stabiler Träger
zur Verfügung steht.
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Die
in einer Leiterbahn des Leitergitters ausgebildete Nut ist vorzugsweise
mithilfe einer Folie abgedeckt, um zu verhindern, dass während
der Herstellung der Kunststoffabdeckung Kunststoff in den Kanalbereich
gelangt und den Kanalbereich blockiert.
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Ferner
kann der Kanal auch von einer Kanüle gebildet sein, die
beispielsweise in eine in einer Leiterbahn des Leitergitters ausgebildete
Nut eingelegt ist. Durch eine derartige Kanüle kann ein
durchgängiger Kanal von der Sensorfläche des Sensorchips
bis zur Außenseite des Sensormoduls ausgebildet werden.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform ist das Sensormodul mit
einer weiteren Freisparung versehen, die von der Außenseite
des Sensormoduls bis zu einer weiteren Sensorfläche des
Sensorchips reicht. Falls es sich bei dem Sensorchip um einen Differenzdrucksensor
handelt, kann in diesem Fall der Differenzdruck zwischen dem Druck
des Mediums an der weiteren Sensorfläche und der am Kanal
anliegenden Sensorfläche bestimmt werden.
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Weitere
Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden
Beschreibung hervor, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand
der beigefügten Zeichnung erläutert werden. Es
zeigen:
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1 eine
perspektivische Außenansicht eines Sensormoduls;
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2 eine
perspektivische Ansicht eines Leitergitters des Sensormoduls aus 1 mit
darauf aufgebrachten Bauelementen;
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3 eine
perspektivische Ansicht der Rückseite des Leitergitters
aus 2;
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4 eine
perspektivische Ansicht einer Leiterplatte eines abgewandelten Sensormoduls
mit darauf aufgebrachtem Sensorchip;
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5 eine
vergrößerte Querschnittsansicht einer abgewandten
Leiterplatte;
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6 eine
vergrößerte Querschnittsansicht einer weiteren
Leiterplatte und
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7 eine
perspektivische Ansicht eines weiteren abgewandelten Sensormoduls.
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1 zeigt
eine perspektivische Außenansicht eines Sensormoduls 1,
bei dem ein Leitergitter 2 mit einem Sensorchip 3 versehen
ist. Das Leitergitter 2 und der Sensorchip 3 sind
von einer Kunststoffhülle 4 umgeben, die sich
bis zu Kontaktenden 5 des Leitergitters 2 erstreckt.
Ferner ist die Kunststoffhülle 4 mit einer Freisparung 6 versehen,
die von einer Außenseite 7 des Sensormoduls 1 bis
zu einer Sensorfläche 8 des Sensorchips 3 reicht.
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2 zeigt
eine perspektivische Ansicht des Leitergitters 2, das eine
innere Leiterbahn 9 aufweist, die für die Belegung
mit Masse vorgesehen ist. Neben der Leiterbahn 9 sind weitere
Leiterbahnen 10 und 11 vorgesehen, über
die Messsignale laufen oder die Versorgungsspannung zum Sensorchip 3 geführt
wird. Der Sensorchip 3 ist auf einen gabelförmigen
Halteabschnitt 12 der Leiterbahn 9 aufgebracht
und mithilfe von Bonddrähten 13 mit den Leiterbahnen 9 bis 11 verbunden.
In 2 ist auch die durch die Freisparung 6 in
der Kunststoffhülle 4 freigelegte Sensorfläche 8 erkennbar.
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Die
für die Belegung mit Masse vorgesehene Leiterbahn 9 verfügt
auch über seitliche Ansätze 14, deren
Enden aus der Kunststoffhülle 4 herausgeführt sind.
Dadurch kann die Außenseite 7 des Sensormoduls 1 wenigstens
punktweise auf Masse gelegt werden und eine elektrostatische Aufladung
des umgebenden Mediums gegenüber dem Sensorchip 3 unterbunden
werden.
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Neben
dem Sensorchip 3 können auch weitere Bauelemente
auf das Leitergitter 2 aufgebracht und von der Kunststoffhülle 4 eingehüllt
werden. In 2 sind beispielsweise Kondensatoren 15 und 16 dargestellt,
die eine Verbindung zwischen der inneren Leiterbahn 9 und
den äußeren Leiterbahnen 10 und 11 herstellen.
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3 zeigt
eine perspektivische Ansicht der Rückseite des in 2 dargestellten
Leitergitters 2. Anhand 3 ist erkennbar,
dass auf der Rückseite der inneren Leiterbahn 9 ein
Kanal 17 ausgebildet ist, der von dem Kontaktende 5 der
Leiterbahn 9 zu dem gabelförmigen Halteabschnitt 12 der
Leiterbahn 9 führt. Durch den Kanal 17 kann
ein das Sensormodul 1 umgebendes Medium zu einer weiteren
Sensorfläche 18 geführt werden, die auf
einer Auflagefläche 19 des Sensorchips 3 ausgebildet
ist. Dementsprechend handelt es sich bei dem Sensorchip 3 vorzugsweise
um einen Differenzdrucksensor, der den Differenzdruck zwischen der
Sensorfläche 8 und der weiteren Sensorfläche 18 erfasst.
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Zur
Herstellung des Sensormoduls 1 wird auf der Rückseite
des Leitergitters 2 zunächst eine Nut 20 ausgebildet,
durch die der Kanal 17 verlaufen soll. Die Nut 20 kann
beispielsweise hergestellt werden, indem die Nut 20 entlang
der Leiterbahn 9 in das Leitergitter 2 eingeprägt
wird. Anschließend wird auf die Vorderseite des Leitergitters 4 der
Sensorchip 3 aufgebracht und mithilfe der Bonddrähte 13 mit
dem Leitergitter 4 verbunden. Auch die übrigen
Bauelemente, wie beispielsweise die Kondensatoren 15 und 16, werden
in diesem Arbeitsschritt auf das Leitergitter 2 aufgebracht.
Daraufhin wird das Leitergitter 2 in ein Formwerkzeug eingebracht
und mit der Kunststoffhülle 4 umhüllt.
Die Freisparung 6 wird dabei von einem geeigneten Kern
freigehalten. Um den Kanal 17 auf der Rückseite
des Leitergitters 2 auszubilden, wird vor dem Einlegen
des Leitergitters 2 in das Formwerkzeug in die Nut 20 eine
Kanüle 21 eingebracht, die sich vom Kontaktende 5 bis
zum Halteabschnitt 12 erstreckt. Anschließend
wird die Nut 20 und der Halteabschnitt 12 mit
einer Klebefolie abgedeckt, so dass die Kanüle 21 in
der Nut 20 gesichert ist und die Sensorfläche 18 während
des Formgebungsprozesses freigehalten wird.
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Die
Kunststoffhülle 4 wird vorzugsweise in einem Spritzpressvorgang
ausgebildet, bei dem das für die Kunststoffhülle 4 verwendete
Material in einem Vorzylinder in einen fließfähigen
Zustand gebracht und anschließend in das Formwerkzeug gepresst
wird. Der Einlauf der Formmasse in das Formwerkzeug erfolgt vorzugsweise
mit einem Druck unterhalb von 10 Bar. Nach dem Verfüllen
des Formwerkzeugs kann ein Nachpressvorgang durchgeführt werden,
bei dem die Formmasse unter einem Druck zwischen 50 und 100 Bar
gesetzt wird, um verbleibende Luft aus dem Formwerkzeug herauszudrücken.
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Für
die Kunststoffhülle 4 sind vorzugsweise Kunststoffe
auf der Basis eines Epoxidharzes vorgesehen, da die Parameter wie
Glastemperatur TG, Elastizitätsmodul
und Wärmeausdehnungsko effizienten durch die Zusammensetzung
variiert oder über die Vergussparameter eingestellt werden
können.
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Das
Sensormodul 1 kann auf verschiedene Art und Weise abgewandelt
werden. Beispielsweise ist es möglich, das Leitergitter 2 soweit
an die Sensorfläche 18 heranzuführen,
dass keine separate Kanüle zur Ausbildung des Kanals 17 erforderlich
ist. In diesem Fall kann die Abdeckung der Rückseite des Leitergitters 2 ausreichen,
um einen durchgehenden Kanal 17, der sich von der Eintrittsöffnung 19 der
Leiterbahn 9 bis zur Sensorfläche 18 erstreckt,
bereitzustellen.
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Anstelle
des Leitergitters 2 können auch andere Schaltungsträger
verwendet werden. In 4 ist beispielsweise eine Leiterplatte 22 dargestellt,
die ebenfalls für das Sensormodul 1 verwendet
werden kann. Beispielsweise ist auf die Vorderseite der Leiterplatte 22 der
Sensorchip 3 aufgebracht und mithilfe von in 4 nicht
dargestellten Bonddrähten mit ebenfalls nicht dargestellten
Leiterbahnen auf der Vorderseite der Leiterplatte 22 verbunden.
Unterhalb des Sensorchips 3 ist eine Aussparung 23 vorgesehen,
die sich über die Sensorfläche 18 des
Sensorchips 3 erstreckt. Ferner ist auf der Rückseite
der Leiterplatte 22 eine Nut 24 ausgebildet, die
dazu verwendet werden kann, einen vom Kontaktende 5 der Leiterplatte 22 zu
der Aussparung 23 führenden Kanal auszubilden.
Dieser Kanal kann ausgebildet werden, indem die Nut 24 während
des Formgebungsprozesses für die Kunststoffhülle 4 mit
einer Folie abgedeckt wird oder indem gemäß 5 eine
Kanüle 25 in die Nut 24 eingelegt wird.
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Daneben
ist es aber auch möglich, auf die Nut 24 zu verzichten
und den Kanal gemäß 6 mit einer
auf der planen Rückseite der Leiterplatte aufgebrachte
Kanüle 26 zu bewerkstelligen.
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Ferner
ist es möglich, auf die Freisparung 6 zu verzichten
und die Sensorfläche 8 beispielsweise mithilfe
einer auf der Vorderseite des Leitergitters 4 auf dem Ansatz 14 nach
außen geführte Kanüle 27 mit
der Umgebung zu verbinden.
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Der
Kanal kann ferner auch ausgebildet werden, indem zwei Leitergitter
aufeinander gelegt werden, wobei der Kanal in einem der der beiden
Leitergitter oder in beiden Leitergittern ausgebildet ist. Schließlich
kann der Kanal auch hergestellt werden, indem im Formwerkzeug ein
nadelförmiger Schieber vorgesehen wird, der vor oder nach
dem Einfüllen der Kunststoffmasse in Kontakt mit einer
Sensorfläche gebracht wird und der vor dem endgültigen
Aushärten der Kunststoffmasse zurückgezogen wird,
um ein Einkleben des Schiebers zu verhindern.
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In 7 ist
schließlich eine Sensorfassung 28 dargestellt,
in die das in 1 dargestellte Sensormodul 1 eingebracht
werden kann. Insbesondere weist die Sensorfassung 28 eine
Ausnehmung auf, in die das Sensormodul 1 im Schiebesitz
eingebracht werden kann. Die Sensorfassung 28 weist vorzugsweise
eine Außensechskant-Mutter 29 sowie einen Gewindeabschnitt 30 auf,
so dass die Sensorfassung 28 in die Wand eines Behälters
oder einer Leitung eingeschraubt werden kann. Da der Kanal 17 bis
zum Kontaktende 5 des Leitergitters 2 geführt
ist, kann der Sensorchip 3 den Differenzdruck zwischen
dem im Inneren des Behälters oder der Leitung herrschenden
Innendruck und dem außerhalb des Behälters oder
der Leitung herrschenden Außendruck bestimmen.
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Daneben
ist es möglich, einen Kanal auch so zu führen,
dass der Innendruck an verschiedenen Stellen gemessen wird, um beispielsweise
die Strömungsgeschwindigkeit eines Gases zu bestimmen. Insofern
bestehen hinsichtlich des Verlaufs und des Querschnitts des Kanals
keine Einschränkungen.
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Falls
erforderlich, kann das Ende des Kanals auch durch eine in die Kunststoffhülle
eingebettete Membran vor Verunreinigungen geschützt werden. Die
Membran kann beispielsweise eine aus Polytetrafluorethylen bestehende
wasserundurchlässige, aber dampfdiffusionsoffene Membran
sein, die zur Verbindung mit der Kunststoffhülle im Randbereich perforiert
ist. Beispielsweise kann die Membran in das Formwerkzeug eingelegt,
dort fixiert und anschließend in die Kunststoffhülle
eingespritzt werden.
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Schließlich
können anstelle eines Differenzdrucksensors auch Gaskonzentrationssensoren
verwendet werden, die über einen Kanal 17 mit
dem Medium verbunden sind.
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Abschließend
sei darauf hingewiesen, dass Merkmale und Eigenschaften, die im
Zusammenhang mit einem bestimmten Ausführungsbeispiel beschrieben
worden sind, auch mit einem anderen Ausführungsbeispiel
kombiniert werden können, außer wenn dies aus
Gründen der Kompatibilität ausgeschlossen ist.
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Schließlich
wird noch darauf hingewiesen, dass in den Ansprüchen und
in der Beschreibung der Singular den Plural einschließt,
außer wenn sich aus dem Zusammenhang etwas anderes ergibt.
Insbesondere wenn der unbestimmte Artikel verwendet wird, ist sowohl
der Singular als auch der Plural gemeint.
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- 1
- Sensormodul
- 2
- Leitergitter
- 3
- Sensorchip
- 4
- Kunststoffhülle
- 5
- Kontaktende
- 6
- Freisparung
- 7
- Außenseite
- 8
- Sensorfläche
- 9
- Leiterbahn
- 10
- Leiterbahn
- 11
- Leiterbahn
- 12
- Halteabschnitt
- 13
- Bonddraht
- 14
- Ansatz
- 15
- Kondensator
- 16
- Kondensator
- 17
- Kanal
- 18
- Sensorfläche
- 19
- Auflagefläche
- 20
- Nut
- 21
- Kanüle
- 22
- Leiterplatte
- 23
- Aussparung
- 24
- Nut
- 25
- Kanüle
- 26
- Kanüle
- 27
- Kanüle
- 28
- Sensorfassung
- 29
- Außensechskant-Mutter
- 30
- Gewindeabschnitt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2007/0139044
A1 [0003]
- - US 2004/0118227 A1 [0004]