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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Wegbausensor bzw. Verfahren zur Herstellung eines Wegbausensors nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Aus der
DE 10 2004 021 931 A1 ist bereits ein Erzeugnis bekannt, welches ein Gehäuse für eine elektronische Schaltung betrifft. Hierbei sind die elektronischen Bauelemente auf einer Leiterplatte angeordnet, die mit den Gehäuseteilen klebend verbunden ist. Weiterhin geschieht der Zusammenbau mittels eines Deckels, und auch die Verwendung einer Dichtung ist beschrieben.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Wegbausensor, bzw. das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines solchen Wegbausensors mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil, das Komponenten (z.B. die Leiterplatte) und Montageprozesse entfallen können. Hierdurch ist eine günstigere Herstellung des Sensors möglich. Die elektronischen Bauelemente und das Sensorelement selber werden hierfür in ein eigenes Chipgehäuse (IC) integriert. Es stehen hierzu verschiedene Chipgehäuseformen zur Verfügung die dem Fachmann bekannt sind, beispielsweise die Bauformen SO, TSSOP, SSOP, BGA. Dieser Chip wird im Folgenden Sensormodul genannt. Vorsorglich wird erwähnt dass auch die Verwendung mehrerer Sensormodule bzw. Bauelemente mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich ist.
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Die
DE 199 642 18 C2 lehrt ein elektromechanies Bauelement, bei dem der elekterische Teil mechanisch in ein Gehäuse eingefasst ist. Hierbei werden verschiedene mechanische Kontaktelemente verwendet und die elektrischen Bauelemente fixiert, die weiterhin metallische Anschlussmöglichkeiten besitzen.
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Die US 2003 / 0 107 491 A1 lehrt einen Drucksensor, der einen auf dem piezoelektrischen Effekt basierenden Halbleiter in ein luftdichtes Gehäuse mittels Federn einfügt.
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Die
DE 10 2004 027 094 A1 lehrt ebenfalls ein Halbleitermodul das einen Halbleitersensorchip beinhaltet und mittels einem Kunststoffgehäuse fasst.
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Das Sensormodul wird bei der Montage in das Gehäuse eingelegt, und zwei gegenseitige Kontaktelemente (Modulkontaktelement und Gehäusekontaktelement) stellen eine elektrisch leitende Verbindung zwischen Modul und Gehäuseanschluss kraft- oder formschlüssig her. Auch das Sensormodul selber wird im Gehäuse kraft- oder formschlüssig fixiert, was den Vorteil hat, dass Prozessschritte, die eine stoffschlüssige Verbindung herstellen und daher in der Regel recht aufwendig sind, entfallen können. Beispiele für diese aufwendigen Prozesse sind: Das Auflöten der Bauteile auf eine Leiterplatte, das Befestigen dieser z.B. mittels Einpresstechnik und das elektrische Kontaktieren durch beispielsweise Bonden oder Löten.
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Zweckmäßigerweise wird der Zusammenbau ausschließlich durch Einlegen der Einzelbestandteile des gesamten Sensors und einer kraft- bzw. formschlüssigen Verbindung zwischen diesen hergestellt. Wird auf die weiter oben als nachteilig bezeichneten Kontaktierungsverfahren bei der Herstellung des Sensors generell verzichtet, so lassen sich Synergien im Produktionsprozess nutzen und Vorrichtung für die genannten aufwendigen Kontaktierungsverfahren einsparen.
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Vorteilhaft ist, wenn das Gehäusekontaktelement als Federelement bzw. als Klemmvorrichtung ausgebildet ist. Durch das Einlegen des Sensormoduls, welches entsprechende elektrische Kontaktflächen freihält, beispielsweise in Form von Pins/Füßen bzw. offenliegende Kontaktflächen am Gehäusekörper des Sensormoduls, wird eine elektrisch leitende Verbindung zum Gehäusekontaktelement hergestellt. Falls dieses als Federkontakt ausgebildet ist, muss das Sensormodul eine Fixierung derart erfahren, dass ein Druck auf dieses Federelement ausgeübt wird und somit eine kraftschlüssige Verbindung hergestellt wird. Dieser Anpressdruck müsste dann nicht nur im Moment des Zusammenbaus sondern dauerhaft über die Lebensdauer des Sensors hinweg vorherrschen. Im Falle einer Klemm- oder Steckverbindung wird eine formschlüssige, gegebenenfalls ergänzt durch eine kraftschlüssige, Verbindung hergestellt. In diesem Fall ist ein immerwährender Anpressdruck nicht unbedingt zwingend, kann aus anderen Gründen wie z.B. der Sensorausrichtung aber dennoch notwendig sein.
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Vorteilhaft ist die Ausbildung des Gehäusekontaktelements als Metalleinlegeteil. In diesem Fall kann auch dieses elektrische Kontaktelement genauso wie die anderen Bauteile des Sensors mit dem gleichen Verfahren (Einlegen und kraft-/ formschlüssiges Verbinden) zusammengebaut werden. Beispielsweise kann dieses Metalleinlegeteil die Eigenschaft haben einerseits die Verbindung zum Sensormodul herzustellen und auf der anderen Seite die Verbindung zum externen Sensoranschluss über die die Sensordaten bzw. Signale nach außen verfügbar zu machen. Genauso sind auch andere elektrische Verbindungsvarianten denkbar, bei denen das genannte Metalleinlegeteil nur einen Teil der Verbindung übernimmt.
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Vorteilhafterweise können die Anschlusspins des Sensormoduls plan abstehen, sodass das Substrat des IC's und die Anschlüsse eine Ebene bilden. Üblicherweise ist bei der Herstellung solcher integrierter Schaltkreise diese Anordnung ohnehin eine Zwischenstufe im Herstellungsprozess zum fertigen IC. Normalerweise würden die Pins/Füße des IC's in einem eigenen Prozessschritt gebogen werden, um z.B. eine Leiterplattenmontage zu ermöglichen. Dieser Prozessschritt könnte bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch entfallen und damit weitere Einsparungen ermöglichen.
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Vorteilhafterweise werden die im vorigen Absatz genannten Pins bzw. Modulkontaktelemente in Verbindung mit den Gehäusekontaktelementen des Gehäuses so geformt, dass die kraft- bzw. formschlüssige Verbindung unterstützt wird. Denkbar ist hier beispielsweise eine Wölbung bzw. Körnung der Pins des Sensormoduls, in welche sich der rundliche Kontakt des Federelements einpasst bzw. zumindest zentriert. Hierdurch kann ein möglicher Kontaktverlust durch beispielsweise Erschütterungen vermieden bzw. reduziert werden, ebenso ein potenzieller Kurzschluss mit einem falschen Nachbarpin aufgrund verbogener Metallelemente beispielsweise des Federkontakts bzw. der Pins oder einem nicht exakten Einlegen des Sensormoduls während des Herstellungsprozesses.
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Vorteilhafterweise findet die Fixierung der einzelnen Bauteile des Sensors, insbesondere des Sensormoduls mittels eines Kunststoffteils statt, welches das Sensormodul verschließt. Hierbei ist insbesondere an einen Kunststoffdeckel, oder an einen Deckel aus einem anderen Material gedacht. Abhängig vom Anwendungszweck des Sensor bedeutet Verschließen nicht zwangsläufig ein hermetisches Versiegeln, sondern soll insbesondere die Fixierung des Sensormoduls sicherstellen, des weiteren gegebenenfalls die bereits erwähnte elektrische Kontaktierung. Dieser Deckel kann weitere Aufgaben übernehmen, beispielsweise, indem er mit den anderen mechanischen Bestandteilen des Sensors eine Verbindung eingeht, die nicht zerstörungsfrei wieder auflösbar ist. Dadurch kann sichergestellt werden dass niemand Drittes beispielsweise unerlaubte Manipulationen an diesem Sensor vornimmt. Ein Verfahren aus dem Stand der Technik ist das Laserschweißen des Deckels mit dem Gehäuse, oder das Vergießen, was allerdings zu einer stoffschlüssigen Verbindung führt, die ebenfalls nicht zerstörungsfrei rückgängig machbar ist. Derartige aufwändige Verfahren können bei Anwendung der Erfindung entfallen, bzw. ersetzt werden. Für den Fall kraft-/ bzw. formschlüssiger Verbindungen sind beispielsweise Klipsnasen denkbar, die derart geformt sind, dass sie beim Versuch des Öffnens des Sensors abbrechen würden und somit ein Nachweis einer Manipulation geführt werden kann. Der Aufbau des Sensor kann auch derart sein, dass das Sensorelement bzw. das Sensormodul nicht direkt im Gehäuse, sondern auch am Gehäuse zum Liegen kommt, um beispielsweise Messbedingungen, die nur außerhalb des Gehäuses vorliegen, detektieren zu können. Somit kann das Gehäuse und der Deckel u.a. zwei Aufgaben haben: Erstens einen mechanischen Zusammenbau des Sensors zu ermöglichen und/oder zweitens die mechanischen Messvoraussetzungen zu schaffen, die für die funktionale Verwendung des Sensors von Nöten sind, beispielsweise die Ausbildung eines Druckkanals, der Wärmeleitfähigkeit, etc.
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Vorteilhafterweise kann weiterhin ein Toleranzausgleichselement Anwendung finden, welches bei der Fixierung bzw. der Ausübung eines Anpressdrucks auf das Sensormodul Anwendung finden kann. In einem einfachen Fall kann das beispielsweise ein Silikonkissen sein, welches zwischen dem Gehäusedeckel und dem Sensormodul zum Liegen kommt und durch den Anpressdruck des Gehäusedeckels den Anpressdruck an das Sensormodul weitergibt. Hierbei können sich weitere positive Eigenschaften des jeweiligen Materials zu Nutze gemacht werden, beispielsweise eine flexible Verbindung, Wärmeleitfähigkeit, etc. Es sind auch andere Toleranzausgleichselemente denkbar beispielsweise eine angespritzte Wulst, die auf einem Kunststoffteil beispielsweise dem Deckel angebracht ist (z.B. eine Dichtlippe) oder auch ein Ausschäumen des Innenraum des Sensors.
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Vorteilhafterweise kann eine Dichtung realisiert werden, falls der Sensor zur Druckmessung dient, oder eine Dichtung aus anderen Gründen benötigt, beispielsweise zur Fernhaltung von Feuchtigkeit oder Umgebungsdruckschwankungen. Die dichtende Wirkung kann beispielsweise durch entsprechende Ausformung des oben beschriebenen Gehäusedeckels erzeugt werden, oder ggf. geeigneter durch das Anbringen einer speziellen Dichtlippe, deren Funktionen beispielsweise auch das genannte Toleranzausgleichselement übernehmen kann. Die Dichtlippe kann angespritzt werden, oder auch als separate Dichtung eingelegt werden. Im Falle beispielsweise eines Drucksensors kann die Dichtung einen Druckkanal bilden der den äußeren Druck auf eine Seite des Sensormoduls oder Sensorelements leitet und diesen Druck vom Referenzdruck abschirmt.
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Begriffserläuterungen
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Das Sensormodul bezeichnet vorliegend wenigstens ein Element welches die elektronische Funktionalität beinhaltet. Hierin ist üblicherweise wenigstens ein Sensorelement selber enthalten, welches den/die physikalischen Messparameter aufnimmt, sowie weitere elektronische Bauteile, die für die Vorverarbeitung notwenig sind. Idealerweise existiert nur ein integriertes Sensormodul in dem die komplette Elektronik enthalten ist, es sind jedoch auch erfindungsgemäße Sensoren denkbar, die zusätzlich Bauelemente enthalten oder mehrere Sensormodule, insbesondere bei der Ausbildung eines Sensorarrays in einem einzigen Sensorgehäuse.
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Form- bzw. kraftschlüssige Verbindungen können definitionsgemäß auf verschiedene Weisen ausgebildet werden, beispielsweise durch Klipsen oder Verrasten, Verdrücken, Verklemmen, etc. Zur Definition der Begriffe form-, kraft- und stoffschlüssig sei auf entsprechende Lexika (z.B. Wikipedia) verwiesen.
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Die Fixierung, oder auch mechanische Stabilisierung, bezeichnet die Befestigung eines Werkstückes, Bauteils oder eines Werkstoffes, zur Sicherung gegen Verrutschen (gegeneinander bewegen) in nicht gewünschten Bewegungsbahnen, wie zum Beispiel eine Montage mit Schrauben (Halterung), oder einer Linearführung („seitliche Fixierung“), das Festschnallen von Ladegut (Ladegutsicherung). Vorhergehend findet ein in Position bringen der Bauteilen statt, die ggf. zum Zwecke der Montage vorfixiert werden.
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Ein Toleranzausgleichselement bezeichnet ein Bauteil, dass dazu vorgesehen ist Druckkräfte weiterzugeben und/oder Zwischenräume auszufüllen und/oder eine Fixierung von Bauteilen zu bewirken und/oder eine Dichtung zu bilden. Es gleicht sozusagen das Spiel (die Toleranz) aus, das im Raum zwischen zwei Bauteilen entsteht.
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Kontaktelemente dienen der Herstellung eines elektrischen Kontakts wobei erfindungsgemäß unterschieden wird zwischen einem Kontaktelement des Gehäuses (Gehäusekontaktelement) und dem Gegenstück, einem Kontaktelement des Sensormoduls, bzw. eines elektronischen Bauteiles (Modulkontaktelement). Erfindungsgemäß ist die Anzahl der Kontaktelemente unerheblich. Ist in dieser Schrift nur von einem Kontaktelement die Rede (bzw. von einem verbindenden Paar), so ist damit auch die mehrfache Ausführung weiterer Verbindungen erfindungsgemäß mit eingeschlossen. Die Kontaktelemente können beispielsweise als Federelemente, als Steckverbinder, als Klemmkontakte, etc. ausgebildet sein.
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Unter Einlegen versteht man ein Verfahren zum Zusammenbau mehrerer Bauteile durch räumliches Plazieren an der richtigen Stelle lediglich unter Einwirkung der Schwerkraft, gegebenenfalls unterstützt durch eine temporäre Vorrichtung um die Bauteile in Position zu halten. Dem Einlegen folgt üblicherweise ein Fixieren durch eine kraft-, form- oder stoffschlüssige Verbindung.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- Es zeigen 1 den Aufbau eines Sensors nach dem Stand der Technik,
- 2 den erfindungsgemäßen Aufbau eines Drucksensors auf Basis eines Sensorelements mit integrierter Kontaktfläche,
- 3 zeigt den Aufbau eines Inertialsensors ebenso mit integrierter Kontaktfläche,
- 4 zeigt den Aufbau eines Inertialsensors mit einem Sensormodul welches plan nach außen geführte Pins als Anschlussmöglichkeit besitzt,
- 5 zeigt die mögliche Formung zweier Kontaktelemente zur vorteilhaften Herstellung einer kraft-/formschlüssigen Verbindung.
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Allgemeines zu allen Figuren:
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Die Figurenbezeichnungen a bzw. b illustrieren lediglich den jeweiligen Sensor im offenen bzw. im zusammengebauten Zustand.
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Desweiteren sind der Übersicht halber keine Kontaktpunkte/-vorrichtungen dargestellt, mittels derer der Sensor an beispielsweise der Karosserie befestigt werden könnte.
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Die Zeichnungen sind schematische im Querschnitt dargestellt, erfindungsgemäß können auch mehrere elektrische Anschlüsse und/oder Verbindungspunkte auf die erfindungsgemäße Weise kontaktiert werden.
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In 1 ist ein Wegbausensor gezeigt, wie er in dem Stand der Technik nach vorkommen kann. Es existiert ein Gehäuse 11 welches durch einen Deckel 12 verschlossen wird, dieser kann wie bereits erwähnt beispielsweise verschweißt oder vergossen werden. Bauelemente und das Sensorelement 13 ob integriert oder nicht, werden auf ein Bauelementeträger 14 aufgebracht, welcher mit dem Gehäuse beispielsweise verklemmt werden kann. Optional kann diese Verklemmung auch mittels des elektrischen Anschluss 15 geschehen; in jedem Fall übernimmt der wenigstens eine elektrische Anschluss 15 die elektrische Verbindung zu dem Bauelement. Natürlich können auch mehrere elektrische Verbindungen ausgebildet sein und/oder mehrere elektronische Bauelemente verwendet werden. Dargestellt ist weiterhin ein Toleranzausgleichselement 16 welches in diesem Fall die Funktion einer Dichtung übernimmt. Eine fixierende Funktion des Toleranzausgleichelements ist hier nicht notwendig da die Bauteile bereits über dem Bauelementeträger 14 fixiert sind. Im vorliegenden Fall ist beispielhaft ein Drucksensor dargestellt der weiterhin über einen Druckkanal 17 verfügt.
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In 2 ist nun ein erfindungsgemäßer Sensor, am Beispiel eines Luftdrucksensors dargestellt, der ebenso über ein Gehäuse 21, einen Deckel 22, ein Toleranzausgleichselement 26, ein Druckkanal 27 und ein elektrisches Anschlusselement 25 verfügt. Neu ist hier die Verwendung eines Sensormoduls 23 in dem die elektrische Funktionalität der bisher vorhandenen Bauelemente 13 integriert ist. Dieses Modul 23 besitzt eine elektrische Kontaktfläche (28) (Modulkontaktelement), über die ein Federkontakt 24 (Gehäusekontaktelement) eine elektrisch leitende Verbindung zum Anschluss 25 herstellt. Unterschiedlich ist ebenso die Funktionalität des Toleranzausgleichselements 26, welches hier nicht nur die Funktion einer umfassenden Dichtung übernimmt, sondern gleichzeitig einen Anpressdruck des Deckels 22 auf das Sensormodul 23 überträgt und somit die Fixierung des Sensormoduls bewerkstelligt.
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In 3 ist ebenso ein erfindungsgemäßer Sensor dargestellt, der jedoch ohne die Ausprägung eines Druckkanals und eines entsprechend zugeschnittenen Toleranzausgleichselements 26. Ein Silikonkissen oder ein Kissen eines anderen Werkstoffs 31 übernimmt die Aufgabe des Fixierens des Sensormoduls im Gehäuse. Der hier dargestellte Sensor kann z.B. ein Inertialsensor wie z.B. ein Beschleunigungssensor sein.
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In 4 ist ebenso ein Sensor wie in 3 dargestellt, der sich dadurch unterscheidet, dass das Sensormodul 41 die Modulkontaktelemente 42 nicht am Gehäusekörper des Moduls selber vorgesehen hat, sondern diese als separate Pins/Füße 42 ausgebildet sind. Diese sind plan zum Substrat der integrierten Schaltung ausgebildet. Auch klassisch gebogene Pins können jedoch mit dem erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise über einen Federkontakt wie in 43 dargestellt kontaktiert werden.
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In 5 ist eine zusätzliche formschlüssige Verbindungsmöglichkeit der Kontaktelemente zwischen dem Sensorelement 51 und dem elektrischen Anschluss 52 dargestellt. Das Federelement wie in 24 oder 43 kann an der Kontaktstelle eine Nase 53 besitzen, welche sich in eine entsprechend geformte Vertiefung 54 des Modulkontaktelements formschlüssig einpasst. Ebenso könnte das Gehäusekontaktelement eine entsprechende Formung aufweisen.