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Stand der Technik
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Insbesondere
im Automobilbereich, jedoch auch in anderen Bereichen, werden, Bauelemente eingesetzt,
die einen oder mehrere Sensoren zur Erfassung bestimmter Eigenschaften
von Medien umfassen. Die Erfindung wird nachfolgend im Wesentlichen
beschrieben unter Bezugnahme auf Drucksensoren, insbesondere mikromechanische
Drucksensoren, wie sie beispielsweise zur Erfassung von Saugrohrdrücken,
Ladedrücken sowie als Differenzdrucksensoren für
Partikelfilter eingesetzt werden. Derartige Drucksensoren werden
beispielsweise in Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe
2007, Seiten 74–76 sowie Seiten 128–130 beschrieben.
Die Erfindung ist jedoch grundsätzlich nicht auf Drucksensoren
beschränkt, so dass beispielsweise auch Sensoren für
andere Messgrößen erfindungsgemäß modifiziert
werden können.
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Insbesondere
Drucksensoren, jedoch auch andere Arten von Sensorelementen, weisen
typischerweise einen Sensorchip auf, welcher durch ein Gel vor korrosiven
Medien, wie beispielsweise Abgasen, Luft oder Wasserdampf, geschützt
wird. In einzelnen Anwendungsfällen kann es jedoch trotz
dieses Schutzes durch ein hochbeständiges Gel aufgrund
einer Diffusion von Abgas durch das Gel zu einer Ansammlung von
Abgaskondensat im Bereich des Sensorchips kommen, beispielsweise
in Kavernen zwischen dem Chip, Bonddrähten und dem Gel. Dies
kann zu Bondablösungen oder Leiterbahnkorrosion und damit
bis hin zum vollständigen Ausfall der Sensorelemente führen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
wird daher eine Sensoranordnung zur Erfassung eines Drucks, insbesondere
eines Mediums vorgeschlagen, welche die Nachteile bekannter Sensoranordnungen
zumin dest weitgehend vermeidet. Insbesondere bietet die Sensoranordnung
eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit, eine erhöhte Langzeitstabilität
und eine im Vergleich zu herkömmlichen Bauelementen verringerte
Ausfallrate.
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Die
Sensoranordnung dient der Erfassung eines Drucks, insbesondere des
Mediums. Grundsätzlich könnte, alternativ oder
zusätzlich, auch wenigstens eine andere Eigenschaft des
Mediums erfasst werden. Diese wenigstens eine Eigenschaft des Mediums
kann beispielsweise eine physikalisch Eigenschaft und/oder chemisch
messbare Eigenschaft des Mediums sein. Insbesondere kann es sich
dabei um eine Temperatur, eine Geschwindigkeit, einen Fluss, eine
Zusammensetzung oder ähnliche physikalische und/oder chemisch
messbare Eigenschaften des Mediums handeln. Das Medium kann insbesondere
ein flüssiges und/oder gasförmiges Medium sein.
Insbesondere kann die Sensoranordnung zur Erfassung eines Drucks
eines Gases, beispielsweise eines Abgases, eingesetzt werden.
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Die
Sensoranordnung umfasst mindestens ein Sensorelement zur Erfassung
des Drucks. Das Sensorelement kann beispielsweise eine oder mehrere
Sensorflächen umfassen, welche bei direktem oder indirektem
Kontakt mit dem Medium eingerichtet sind, um alleine oder in Zusammenwirkung
mit weiteren Bauelementen der Sensoranordnung den Druck des Mediums
qualitativ oder quantitativ zu erfassen. Bezüglich der
Ausgestaltung des Sensorelements kann beispielsweise auf den oben
genannten Stand der Technik verwiesen werden, insbesondere die in Robert
Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 74–76
sowie Seiten 128–130 beschriebenen mikromechanischen
Drucksensoren. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere
Arten von Sensorelementen grundsätzlich einsetzbar.
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Dabei
ist das Sensorelement zumindest teilweise durch eine Schutzabdeckung
abgeschirmt. Die Abschirmung kann beispielsweise gegenüber
dem Medium, dessen Druck erfasst werden soll, selbst erfolgen und/oder
gegenüber einem anderen Medium, beispielsweise einem korrosiven
und/oder in anderer Weise aggressiven Medium, beispielsweise Feuchtigkeit, Öl
oder Kraftstoff. Die Schutzabdeckung kann beispielsweise die genannte
Sensorfläche umfassen, beispielsweise eine Sensormembran.
Die Sensorfläche kann beispielsweise vollständig
oder teilweise durch die Schutzabdeckung bedeckt sein. Alternativ oder
zusätzlich kann die Schutzabdeckung jedoch auch, wie unten
noch näher ausgeführt wird, einen oder mehrere
Anschlusskontakte schützen, beispielsweise bedecken. Unter
einer Schutzabdeckung soll dabei allgemein ein Ele ment verstanden
werden, welches eingerichtet ist, um ein Vordringen von aggressiven
Medien zu dem abgeschirmten Teil des Sensorelements zumindest zu
verlangsamen, beispielsweise im Vergleich zu einem ungeschützten Teil
um mindestens einen Faktor 1000, vorzugsweise um mindestens einen
Faktor 10000. Wie unten ausgeführt wird, kann die Schutzabdeckung
insbesondere mindestens ein Gel umfassen, welches das Sensorelement
ganz oder teilweise bedeckt, beispielsweise mindestens eine Sensorfläche
des Sensorelements und/oder mindestens einen Anschlusskontakt des
Sensorelements. Ein Vorteil eines Gels als Schutzabdeckung und/oder
Bestandteil der Schutzabdeckung liegt insbesondere darin, dass ein
Gel einen Druck übertragen kann, was insbesondere in Drucksensoren
vorteilhaft ist.
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Die
Sensoranordnung weist weiterhin mindestens ein Heizelement auf.
Die Sensoranordnung ist eingerichtet, um mittels des Heizelements
einer Kondensation an der Sensoranordnung entgegenzuwirken. Insbesondere
kann einer Kondensation von Bestandteilen des Mediums entgegengewirkt
werden, beispielsweise einer Bildung von Abgaskondensat. Insbesondere
kann der Kondensation an der Schutzabdeckung entgegengewirkt werden,
also an einer Oberfläche der Schutzabdeckung und/oder in einem
Inneren der Schutzabdeckung. Insbesondere kann die Sensoranordnung
eingerichtet sein, um mittels des Elements die Betriebstemperatur
des Sensorelements gegenüber der Umgebungstemperatur zu erhöhen.
So kann beispielsweise die Druckerfassung bei einer gegenüber
der Umgebungstemperatur erhöhten Betriebstemperatur durchgeführt
werden. Beispielsweise kann das Heizelement einen oder mehrere Heizwiderstände
aufweisen. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Ausgestaltungen
der Heizelemente denkbar.
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Wie
oben dargestellt, kann das Sensorelement insbesondere ein Drucksensor
sein, der mindestens eine Sensormembran aufweist. Beispielsweise
kann es sich dabei um eine Halbleiter-Membran handeln, welche beispielsweise
durch ein Ätzverfahren aus einem Chip-Festland herausgeätzt
wurde. Die Sensormembran kann beispielsweise von einer Seite her
mit einem Referenzdruck beaufschlagbar sein und von einer entgegengesetzte
Seite her mit einem Messdruck.
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So
kann das Sensorelement insbesondere eine Sensormembran und ein mit
der Sensormembran verbundenes Festland umfassen, wobei das Heizelement
ganz oder teilweise auf mindestens einem der folgenden Elemente
angeordnet ist: der Sensormembran; dem Festland; einem die Sensormembran und/oder
das Festland aufneh menden Substrat, beispielsweise einem einen Sensorchip
mit der Sensormembran und dem Festland aufnehmenden Substrat, insbesondere
einem Keramiksubstrat und/oder einem Gehäusespritzteil.
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Das
Heizelement kann insbesondere eingerichtet sein, um das Sensorelement,
insbesondere eine Sensorfläche des Sensorelements, im wesentlichen
homogen zu beheizen. Auf diese Weise kann beispielsweise sicher
gestellt werden, dass die Messung des Sensorelements, also die Erfassung
des Drucks und/oder der wenigstens einen anderen Eigenschaft des
Mediums, nicht durch Temperatur-Inhomogenitäten innerhalb
des Sensorelements gestört wird. So kann beispielsweise
die Sensoranordnung derart eingerichtet sein, dass eine räumliche Temperaturschwankung über
das Sensorelement hinweg, insbesondere eine Sensorfläche
des Sensorelements hinweg, nicht mehr als 1 Grad beträgt,
insbesondere nicht mehr als 0,5 Grad.
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Das
Heizelement kann als separates, von der sonstigen Sensorfunktion
des Sensorelements unabhängiges Element ausgestaltet sein,
beispielsweise, wie oben beschrieben, in Form eines oder mehrerer
Heizwiderstände, welche auf und/oder innerhalb der Sensormembran
und/oder anderen Elementen der Sensoranordnung angeordnet sein können.
Alternativ oder zusätzlich können als Heizelement
jedoch auch Elemente der Sensoranordnung verwendet werden, welche
ohnehin in der Sensoranordnung vorhanden sind. So kann das Sensorelement,
insbesondere im Falle eines Drucksensors, beispielsweise mindestens
einen Messwiderstand umfassen, insbesondere mindestens einen Dehnungswiderstand,
beispielsweise mindestens einen piezoresistiven Widerstand. Diese
mindestens eine Dehnungswiderstand kann beispielsweise auf einer Sensormembran
angeordnet sein und/oder in eine derartige Sensormembran integriert
sein. Alternativ oder zusätzlich zu einem oder mehreren
Dehnungswiderständen kann auch eine Widerstandsbrückenschaltung
vorgesehen sein, beispielsweise eine Wheatstone-Brücke.
Ein oder mehrere Dehnungswiderstände können in
diese Widerstandsbrückenschaltung integriert sein, wobei
der Widerstand dieses Dehnungswiderstands über die Widerstandsbrückenschaltung
erfasst werden kann. Der Messwiderstand und/oder die Widerstandsbrückenschaltung können
ganz oder teilweise Bestandteil des Heizelements sein. In diesem
Fall können beispielsweise der Messwiderstand und/oder
die Widerstandsbrückenschaltung ganz oder teilweise mit
einem Heizstrom beaufschlagt werden, um die gewünschte
und oben beschriebene Beheizung des Sensorelements zu erreichen.
Diese Beheizung kann beispielsweise auch getaktet erfolgen, so dass
beispielsweise Messfunktionen des Sensorelements nicht gestört
werden.
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Die
Sensoranordnung kann weiterhin eine Auswerteschaltung umfassen.
Unter einer Auswerteschaltung ist dabei eine elektronische Schaltung
zu verstehen, welche eingerichtet ist, um Signale des Sensorelements
aufzunehmen und vollständig oder teilweise zu verarbeiten
und/oder weiterzuleiten. Alternativ oder zusätzlich kann
die Auswerteschaltung weitere Funktionen übernehmen, beispielsweise
Ansteuerfunktionen für das Sensorelement. Die Auswerteschaltung
kann insbesondere eine oder mehrere Schnittstellen umfassen, über
welche Signale der Sensoranordnung weitergeleitet und/oder abgefragt werden
können. Auch eine Energieversorgung des Sensorelements
kann über die Auswerteschaltung gewährleistet
werden. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Auswerteschaltung zumindest
teilweise räumlich getrennt von dem Sensorelement angeordnet
ist, wobei das Heizelement eingerichtet ist, um zumindest das Sensorelement
zu beheizen, vorzugsweise ausschließlich das Sensorelement.
So können die Auswerteschaltung und das Sensorelement beispielsweise
auf einem Substrat angeordnet werden, beispielsweise einem Kunststoff-
und/oder Keramiksubstrat und/oder einem Gehäusespritzteil,
wobei die Anordnung räumlich getrennt erfolgen kann. Die
Verbindung zwischen der Auswerteschaltung und dem Sensorelement
kann beispielsweise durch Drähte und/oder Leiterbahnen
erfolgen. Das Heizelement kann insbesondere derart eingerichtet
sein, dass ausschließlich das Sensorelement beheizt wird,
wohingegen die Auswerteschaltung beispielsweise von dem Heizelement
im wesentlichen unbeeinflusst sein soll. Grundsätzlich
kann die Auswerteschaltung jedoch auch von dem Heizelement mit beheizt
werden.
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Wie
oben dargestellt, kann die Schutzabdeckung beispielsweise mindestens
ein Gel umfassen oder sogar vollständig aus mindestens
einem Gel bestehen. Unter einem Gel ist dabei eine Form von Materie
zu verstehen, welche zum Zwecke eines Aufbringens auf die zu schützende
Stelle der Sensoranordnung verformbar ist, um sich beispielsweise
einer Oberflächenkontur anzupassen. Das Gel kann insbesondere
in einem weichen, verformbaren Zustand verbleiben, kann grundsätzlich
auch nach dem Aufbringen ausgehärtet werden. Das Gel kann
beispielsweise Medien-dichte oder Medien-abweisende Eigenschaften
aufweisen, beispielsweise eine Feuchtedichtigkeit und/oder eine Öldichtigkeit.
Besonders bevorzugt ist es, wenn das Gel eine oder mehrere der folgenden
Substanzen umfasst: ein Dimethylsiloxangel, ein Fluorsilikongel,
ein Perfluorpolyether. Derartige Gele haben sich in der Elektrotechnik
zum Schutz von Bauelementen, insbesondere gegenüber korrosiven
Umgebungsmedien, als vorteilhaft erwiesen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Sensoranordnung ist
diese Sensoranordnung eingerichtet, um eine Betriebstemperatur zu
erfassen und eine Heizleistung des Heizelements zu steuern und/oder
zu regeln. Zum Zwecke der Erfassung der Betriebstemperatur kann
beispielsweise die Sensoranordnung einen oder mehreren Temperaturfühler umfassen.
Beispielsweise können einen oder mehrere Temperaturfühler
direkt oder indirekt mit dem Sensorelement verbunden sein, beispielsweise
einer Sensorfläche des Sensorelements, insbesondere einer
Sensormembran. Beispielsweise können derartige Temperaturfühler
direkt oder indirekt auf die Membran aufgebracht werden und/oder
in diese integriert werden. Beispielsweise können die Temperaturfühler einen
oder mehrere Temperaturwiderstände umfassen. Auch andere
Arten von Temperaturfühlern sind jedoch grundsätzlich
einsetzbar. Die Sensoranordnung kann beispielsweise eine elektronische und/oder
programmtechnisch eingerichtete Steuerung und/oder Regelung umfassen,
welche, beispielsweise unter Verarbeitung der Signale des mindestens
einen Temperaturfühlers, den Betrieb des Heizelements steuert
und/oder regelt, beispielsweise um die Betriebstemperatur auf einen
bestimmten Wert oder innerhalb eines bestimmten Wertebereichs einzustellen
und/oder zu regeln. Derartige Vorrichtungen sind dem Fachmann grundsätzlich
bekannt.
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Die
Sensoranordnung kann insbesondere eingerichtet sein, um eine Heizleistung
des Heizelements derart zu steuern oder zu regeln, dass die Betriebstemperatur
eine vorgegebene Maximaltemperatur, insbesondere eine Maximaltemperatur
zwischen 90°C und 150°C, vorzugsweise eine Maximaltemperatur
von 100°C, nicht überschreitet. Alternativ oder
zusätzlich kann die Sensoranordnung auch eingerichtet sein,
um die Betriebstemperatur um 2 Kelvin bis 15 Kelvin, vorzugsweise
um 4 Kelvin bis 6,5 Kelvin, oberhalb der Umgebungstemperatur einzustellen
und/oder zu regeln. Insbesondere kann die Betriebstemperatur um
mindestens 4 Kelvin oberhalb der Umgebungstemperatur gewählt
werden, vorzugsweise um mindestens 4–10 Kelvin oberhalb
der Umgebungstemperatur.
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Die
Schutzabdeckung kann, wie oben dargestellt, das Sensorelement ganz
oder teilweise gegenüber dem Medium und/oder anderen Medien,
beispielsweise korrosiven Medien, abschirmen. Wie oben dargestellt,
kann diese Abschirmung beispielsweise einen Teil des Sensorelements
umfassen, welcher beispielsweise eine Sensorfläche umfasst.
So kann beispielsweise die Sensorfläche direkt oder indirekt
abgeschirmt werden. Alternativ oder zusätzlich können
jedoch auch andere Teile des Sensorelements durch die Schutzabdeckung
abgeschirmt werden, beispielsweise ein oder mehrere Anschlusskontakte.
In diesem Fall, jedoch auch in anderen Fällen, ist es bevorzugt,
wenn die Sensoranordnung mindestens einen Anschlusskontakt umfasst,
wobei das Heizelement eingerichtet ist, um den Anschlusskontakt zu
heizen. Der Anschlusskontakt kann insbesondere mindestens eine intermetallische
Phase umfassen, beispielsweise eine Au-Al-intermetallische Phase umfassen.
Derartige intermetallische Phasen können beispielsweise
auftreten, wenn ein Bonddraht auf ein Kontaktpad aufgebracht wird,
beispielsweise ein Gold-Bond auf ein Aluminium-Kontaktpad. Derartige intermetallische
Phasen sind in der Regel besonders anfällig gegenüber
Korrosionen, beispielsweise galvanische Korrosionen. Durch Heizung
der Anschlusskontakte können derartige Korrosionen zumindest
teilweise vermieden werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
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Es
zeigen
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1A und 1B eine
Detaildarstellung eines Anschlusskontakts einer Sensoranordnung; und
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2 ein
schematisches Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Sensoranordnung in Draufsicht.
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Ausführungsbeispiele
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In
den 1A und 1B ist,
zur Verdeutlichung der oben beschriebenen Problematik einer Korrosion
von Sensoranordnungen durch Abgase oder andere aggressive Medien,
ein Teil einer Sensoranordnung 110 gezeigt. Dabei zeigt 1A exemplarisch
einen Anschlusskontakt 112 der Sensoranordnung 110,
in welchem ein Bonddraht 114 aus Gold auf ein Kontaktpad 116 aus
Aluminium aufgebracht ist. Das Kontaktpad 116 ist auf einem
Festland 118 eines Silizium-Chips 120 aufgebracht
und dient zur Kontaktierung eines in den 1A und 1B nicht dargestellten
Sensorelements.
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Zum
Schutz des Anschlusskontakts 112 vor Korrosion, insbesondere
durch Abgase, ist die in den 1A und 1B dargestellte
Anordnung durch eine Schutzabdeckung 122 in Form eines
Gels 124 geschützt, welches den Anschlusskontakt 112 vorzugsweise
vollständig umgibt. Verschiedene Arten von Gelen 124 sind
bekannt und werden in der Praxis verwendet, insbesondere in der
Automobiltechnik. So werden beispielsweise Dimethylsiloxangele als reiner
Feuchteschutz verwendet. Für höhere Anforderungen,
insbesondere für eine erhöhte Öl- und Kraftstoffbeständigkeit,
werden Fluorsilikongele verwendet, welche insbesondere ein verringertes
Quellverhalten aufweisen. Für eine beste Langzeitbeständigkeit
und einen hohen Schutz werden schließlich Perfluorpolyether
verwendet. Derartige Gele 124 sind dem Fachmann aus der
Elektrotechnik grundsätzlich bekannt.
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Allerdings
hat es sich gezeigt, dass sich in der Praxis in manchen Bereichen,
hier insbesondere im Bereich des Übergangs zwischen dem Gold-Bonddraht 114 und
dem Aluminium-Kontaktpad 116, Hohlräume 126 ausbilden
können. In 1B ist eine vergrößerte
Darstellung des in 1A mit A bezeichneten Bereichs
gezeigt, aus der einer dieser Hohlräume 126 in
vergrößerter Darstellung hervorgeht. Trotz des
hochbeständigen Gels 124 kann es in einzelnen
Anwendungsfällen durch Diffusion von Abgas durch das Gel 124 zu
einer Ansammlung von Abgaskondensat in den Hohlräumen 126,
welche üblicherweise als kleine Kavernen zwischen dem Chip 120,
den Bonddrähten 114 und dem Gel 124 ausgebildet
sind, kommen. Diese Diffusion ist in 1B durch
die Wassermoleküle 128 angedeutet. Alternativ
oder zusätzlich zu Wassermolekülen können
auch andere Substanzen diffundieren, beispielsweise ionische Substanzen,
Gase, Flüssigkeiten oder Ähnliches.
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Eindiffundierte
Wassermoleküle 128 und andere schädliche
Substanzen, insbesondere eine Ansammlung von Abgaskondensat in den
Hohlräumen 126, kann jedoch zu einer Korrosion
insbesondere der Anschlusskontakte 112 führen.
Beispielsweise bildet sich am Übergang zwischen den Bonddrähten 114 und
den Kontaktpads 116 in vielen Fällen eine intermetallische
Phase 130, beispielsweise eine Gold-Aluminiumintermetallische
Phase. Insbesondere in diesem Bereich kann das Kondensat, welches
in 1B symbolisch mit der Bezugsziffer 132 bezeichnet
ist, zu einer galvanischen Korrosion führen. Die Korrosion
ist in 1B symbolisch mit der Bezugsziffer 134 bezeichnet.
Diese Vorgänge können bis hin zu Bondablösungen
oder Leiterbahnkorrosion und damit bis hin zum vollständigen
Ausfall der Bauelemente führen. Insbesondere bei starker
Abgasbeaufschlagung, beispielsweise durch Abgasrückführung oder
bei der Messung des Differenzdrucks für Dieselpartikelfilter,
reichen somit unter Umständen die gewählten Schutzmaßnahmen
zur Vermeidung von Korrosion, beispielsweise durch Schutzgele (Gel 124),
durch verwendete stabile Materialien (beispielsweise Gold-Bonddrähte 114)
nicht aus, um eine Korrosion vollständig zu verhindern.
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Eine
Kondensation flüchtiger Abgas-Bestandteile, beispielsweise
von Wasserdampf aus dem Abgas, tritt jedoch vorzugsweise an der
kältesten Stelle auf dem Weg innerhalb der Sensoranordnung,
beispielsweise dem Weg hin zu einem Sensorelement, auf. Eine Grundidee
der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einen Sensorchip und/oder
ein Sensorelement zumindest teilweise während des Betriebes
aufzuheizen, dadurch eine Beheizung des Sensorchips bzw. Sensorelements eine
Kondensation von Abgaskondensat im Gel 124 oder in den
Hohlräumen 126 an der Chipoberfläche oder
an den Bonddrähten wirksam vermeiden kann.
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In 2 ist
daher eine erfindungsgemäße Sensoranordnung 110 dargestellt,
bei welcher ein Sensorelement 136 in Form eines Sensorchips 138 getrennt
von einer Auswerteschaltung 140 angeordnet ist. Die Auswerteschaltung 140 kann
beispielsweise einen oder mehrere integrierte Schaltkreise (ICs)
umfassen. Auch das Sensorelement 136 kann ganz oder teilweise
als integrierter Schaltkreis ausgestaltet sein, insbesonde re, wie
oben dargestellt, als Sensorchip 138. Sensorchip 136 und
Auswerteschaltung 140 sind in diesem Ausführungsbeispiel auf
ein Substrat 142 aufgebracht, beispielsweise ein Keramiksubstrat
und/oder ein Kunststoffsubstrat. Das Substrat 142 weist
einen Messbereich 144 und einen Auswertebereich 146 auf.
Der Messbereich 144 ist teilweise mit dem zu messenden
Medium direkt oder indirekt in Kontakt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die Sensoranordnung 110 zur Erfassung eines Drucks
eines Abgases ausgestaltet. Grundsätzlich sind jedoch auch
andere Messgrößen mit dieser oder anderen Sensoranordnungen 110 erfassbar.
Der Auswertebereich 146 ist jedoch durch ein Trennelement 148 vom
Messbereich 144 getrennt und vorzugsweise nicht mit dem
Druck beaufschlagt. Beispielsweise kann das Trennelement 148 eine
oder mehrere Kleberaupen oder Klebeflächen umfassen. Auf
diese Weise kann beispielsweise die Auswerteschaltung 140 vor
aggressiven Abgasen und/oder Feuchtigkeit geschützt werden.
Der Auswertebereich 146 kann beispielsweise in einer Schaltungskammer
und/oder einem Gehäuse der Sensoranordnung 110 angeordnet
werden, deren bzw. dessen Innenraum nicht mit dem Abgas beaufschlagt wird
und durch das Trennelement 148 geschützt wird.
Alternativ oder zusätzlich kann auch die Auswerteschaltung 140 durch
eine Schutzabdeckung 122 in Form eines Gels 124 geschützt
sein. Beispielsweise kann ein Kunststoffrahmen 150 auf
dem Substrat vorgesehen sein, welcher mit dem Gel 124 ausgefüllt
wird.
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Das
Substrat 142, beispielsweise das Keramiksubstrat, kann
durch Substratkontaktierungen 152 mit weiteren Bauelementen
verbunden werden, so dass beispielsweise weitere Teile der Auswerteschaltung 140 außerhalb
des Substrats 142 angeordnet sein können. So kann
die Auswerteschaltung 140 auch mehrere Bauelemente umfassen,
welche auf dem Substrat 142 oder außerhalb des
Substrats 142 angeordnet sein können, beispielsweise
in einem Gehäuse der Sensoranordnung 110, welches
in 2 nicht dargestellt ist. Die Auswerteschaltung 140 kann
auch ganz oder teilweise auf der gegenüberliegende Seite
des Substrats 142 angeordnet sein und/oder ganz oder teilweise
in das Substrat 142 integriert werden. Nicht dargestellt
in 2 sind zudem Leiterbahnen, welche beispielsweise
die Substratkontaktierungen 152 mit der Auswerteschaltung 140 verbinden
und/oder die Auswerteschaltung 140 mit dem Sensorelement 136.
Auch eine direkte Verbindung zwischen dem Sensorelement 136 und
den Substratkontaktierungen 152 ist möglich.
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Das
Sensorelement 136 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel
den Sensorchip 138 auf, welcher beispielsweise ganz oder
teilweise als Silizium-Sensorchip ausgestal tet ist und welcher ein
Festland 118 und eine, beispielsweise durch ein Ätzverfahren
hergestellte, Sensormembran 154 aufweist. Auf und/oder
in der Sensormembran 154 können beispielsweise
ein oder mehrere Dehnungswiderstände angeordnet sein, welche
in 2 nicht dargestellt sind, beispielsweise piezoelektrische
Dehnungswiderstände. Das Sensorelement 136 wirkt
als Drucksensor 156, indem die als Sensorfläche 158 wirkende Oberfläche
der Sensormembran 154 mit einem Druck beaufschlagt wird. Über
eine Öffnung im Substrat 142 kann die Sensormembran 154 von
einer entgegengesetzten Seite mit einem Referenzdruck beaufschlagt
werden, beispielsweise über ein Referenzdruckrohr. Andere
Ausgestaltungen sind grundsätzlich möglich. Durch
eine Durchbiegung der Sensormembran 154 aufgrund der Druckdifferenz
zwischen dem Messdruck, welcher von der Sensorfläche 158 her
auf die Sensormembran 154 einwirkt, und dem Referenzdruck,
welcher von der Unterseite her auf die Sensormembran 154 einwirkt,
biegt sich diese Sensormembran 154, was wiederum durch
die Dehnungswiderstände erfasst werden kann und beispielsweise
mittels einer Widerstandsbrückenschaltung ausgewertet werden
kann. Alternativ zu der in 2 gezeigten
Darstellung mit lediglich einem Sensorelement 136 sind
auch Sensoranordnungen 110 mit einer Mehrzahl von Sensorelementen 136 möglich,
welche dieselbe Eigenschaft eines Mediums und/oder unterschiedliche
Eigenschaften eines Mediums erfassen können.
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Wiederum
ist auch das Sensorelement 136 in 2 durch
eine Schutzabdeckung 122 in Form eines Gels 124 geschützt.
Wiederum kann beispielsweise ein Kunststoffrahmen 150 vorgesehen
sein, welcher eine Ausbreitung des Gels 124 in unerwünschte
Bereiche auf dem Substrat 142 verhindern kann.
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Bei
Drucksensoren 156, in welchen die Auswerteschaltung 140 und
der Sensorchip 138 integriert in einem Bauelement vorgesehen
ist, kann bereits eine Verlustleistung der Auswerteschaltung 140 zu
einer Erwärmung der Sensoranordnung 110 um 4 bis
circa 6,5 Kelvin wirken. Bei zukünftigen Sensorgenerationen
wie beispielsweise der in 2 dargestellten
Sensoranordnung 110, bei welchen der Sensorchip 138 und
die Auswerteschaltung 140 getrennt voneinander angeordnet
sind, um beispielsweise auch digitale Signale bereitstellen zu können,
ist jedoch eine geringere Erwärmung des Sensorchips 138 zu
verzeichnen. Um dennoch die oben beschriebene Wirkung der Aufheizung
des Sensorelements 136 und damit eine Vermeidung von Kondensation
zu bewirken, insbesondere bei Sensoranordnungen 110, bei
welchen lediglich ein Bruchteil der Stromaufnahme in Wärme
umgewandelt wird, und bei welchen somit per se das Risiko von Bondablösungen
oder Korrosion erhöht ist, wird erfindungsgemäß daher vorgeschlagen
ein oder mehrere Heizelemente 160 in die Sensoranordnung 110 zu
integrieren.
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Diese
Heizelemente 160 können beispielsweise zusätzliche
Heizwiderstände umfassen, welche beispielsweise auf dem
Festland 118 angeordnet sein können, beispielsweise
um die Sensormembran 154 herum. Alternativ oder zusätzlich
ist jedoch auch eine Anordnung auf der Sensormembran 154 und/oder
auf einem Chip-Träger, beispielsweise dem Substrat 142,
insbesondere einem Keramiksubstrat, möglich, und/oder eine
Anordnung auf dem Gelrähmchen 150 und/oder einem
Gehäusespritzteil. Wiederum alternativ oder zusätzlich
kann auch eine Brückenschaltung, beispielsweise eine Widerstandsbrückenschaltung,
welche Teil des Sensorelements 136 ist, selbst als Heizelement 160 und/oder
als Teil dieses Heizelements 160 eingesetzt werden. Die
Sensoranordnung kann beispielsweise eingerichtet sein, um, insbesondere
gesteuert/geregelt, eine Betriebstemperatur des Sensorelements 136 derart
einzustellen, dass diese um beispielsweise 4 bis 10 Kelvin gegenüber
der Umgebungstemperatur erhöht ist. Um mit der Betriebstemperatur
die maximale Spezifikation des Sensorchips 138 nicht zu überschreiten,
kann die Heizleistung auch oberhalb von 100°C oder einer anderen
Maximaltemperatur abgeschaltet werden und/oder die Heizleistung
kann generell geregelt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Robert Bosch
GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 74–76
sowie Seiten 128–130 [0001]
- - Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007,
Seiten 74–76 sowie Seiten 128–130 [0005]