EP2008071A1

EP2008071A1 - Sensorvorrichtung

Info

Publication number: EP2008071A1
Application number: EP07727187A
Authority: EP
Inventors: Frieder Haag; Sascha Goetzl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-04-10
Filing date: 2007-03-21
Publication date: 2008-12-31
Also published as: WO2007115916A1; JP2009533660A; KR20090005318A; DE102006016813A1

Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung wird eine besonders kostengünstige Sensorvorrichtung zum Erfassen eines Drucks bzw. einer Kraft vorgeschlagen, die sich durch einen sehr einfachen, robusten und einfach zu applizierenden Aufbau auszeichnet und gleichzeitig eine Messwerterfassung mit der für Anwendungen in der Consumer-Elektronik erforderlichen Genauigkeit ermöglicht. Dazu umfasst die Sensorvorrichtung mindestens ein aus einem Halbleitersubstrat hergestelltes, gegen Verbiegung empfindliches Sensorelement (3), das weitestgehend in ein Gehäuse (1) gemoldet ist. Außerdem weist das Gehäuse (1) mindestens eine Sollbiegestelle (4) auf, auf die der zu erfassende Druck bzw. die zu erfassende Kraft einwirkt. Da das Sensorelement (3) im Bereich der Sollbiegestelle (4) angeordnet ist, wird es zusammen mit dem Gehäuse (1) verbogen und liefert dann ein entsprechendes Ausgangssignal.

Description

Sensorvorrichtung

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zum Erfassen eines Drucks bzw. einer Kraft mit mindestens einem aus einem Halbleitersubstrat hergestellten, gegen Verbiegung empfindlichen Sensorelement, das weitestgehend in ein Gehäuse gemoldet ist.

Derartige Sensorvorrichtungen werden für verschiedenste Anwendungen im Bereich der Consumer-Elektronik eingesetzt, beispielsweise bei berührungsempfindlichen Bildschirmen von PDAs und Smartphones oder bei Laptops, die mit einer berührungsempfindlichen Fläche als Mausersatz ausgestattet sind.

Es ist bekannt, die Oberfläche einer solchen berührungsempfindlichen Fläche als starre Platte auszuführen, die an mehreren Punkten auf kraftempfindlichen Elementen gelagert ist. Mit Hilfe des Hebelgesetzes kann aus dem Verhältnis der an den einzelnen Messpunkten erfassten Kräfte auf die Position der Krafteinwirkung, also die Position eines Stifts bzw. Fingers, geschlossen werden. Dazu müssen die Kräfte aber mit einer Genauigkeit von ca. 1% bestimmt werden können. Die Anpresskraft ergibt sich aus der Summe der erfassten Kräfte und kann ggf. als Strichstärke wiedergegeben werden .

Die Kraft-/Drucksensoren, die hier zur Messwerterfassung eingesetzt werden, müssen außerdem sehr robust sein, da bei den typischen Anwendungen der hier in Rede stehenden berührungsempfindlichen Flächen, den sogenannten Touchpads, Kräfte von bis ca. 5 N auftreten. Darüber hinaus sollten die hier verwendeten Kraft-/Drucksensoren bis ca. 50 N überlastsicher gegen Bruch oder ähnliches sein.

In der deutschen Patentanmeldung 10 2005 03 69 55 wird eine Sensorvorrichtung der eingangs genannten Art beschrieben, die sowohl die voranstehend genannten Anforderungen an die Messgenauigkeit erfüllt als auch hinreichend robust ist. Diese bekannte Sensorvorrichtung umfasst einen Drucksensorchip, der mit Verfahren der Oberflächenmikromechanik aus einem Halbleitersubstrat hergestellt ist und weitestgehend in ein Gehäuse gemoldet ist. Die mikromechanische Struktur des Drucksensorchips umfasst eine Membran, die eine Kaverne überspannt und abschließt. Das oberhalb der Membran ausgebildete Gehäuseoberteil der bekannten Sensorvorrichtung soll wenigstens in gewissen Grenzen beweglich sein und einen Kraftnebenschluss zur Membran aufweisen, so dass eine auf das Gehäuseoberteil wirkende Kraft zumindest teilweise auf die Membran übertragen wird.

Bei dem hier verwendeten Drucksensorchip handelt es sich um ein relativ aufwändig herzustellendes mikromechanisches Bauelement. Auch die fertigungstechnischen Anforderungen an das Gehäuse des Drucksensorchips, insbesondere an das Gehäuseoberteil, sind relativ hoch, so dass die bekannte Sensorvorrichtung insgesamt im Hinblick auf die stetig fallenden Preise für Produkte aus dem Bereich der Consumer- Elektronik relativ teuer ist.

Vorteile der Erfindung Mit der vorliegenden Erfindung wird eine besonders kostengünstige Weiterbildung der bekannten Sensorvorrichtung vorgeschlagen, die sich durch einen sehr einfachen, robusten und einfach zu applizierenden Aufbau auszeichnet und gleichzeitig eine Messwerterfassung mit der für Anwendungen in der Consumer-Elektronik erforderlichen Genauigkeit ermöglicht .

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass das Gehäuse mindestens eine Sollbiegestelle aufweist, auf die der zu erfassende Druck bzw. die zu erfassende Kraft einwirkt. Das

Sensorelement ist im Bereich dieser Sollbiegestelle angeordnet, so dass es zusammen mit dem Gehäuse verbogen wird und im Falle einer Verbiegung ein Ausgangssignal entsprechend der die Verbiegung verursachenden Kraft liefert.

Zunächst ist erkannt worden, dass die zu erfassenden Kräfte in der Regel eine Verbiegung des Gehäuses der bekannten Sensorvorrichtung verursachen. Erfindungsgemäß ist dann erkannt worden, dass sich der Aufbau der bekannten Sensorvorrichtung stark vereinfachen lässt, wenn man diese Verbiegung des Gehäuses mittelbar oder unmittelbar erfasst. In diesem Fall kann nämlich der Drucksensorchip mit seiner relativ komplizierten mikromechanischen Struktur durch ein sehr einfaches gegen Verbiegungen empfindliches Sensorelement, wie z.B. einen oder auch mehrere Dehnmessstreifen, ersetzt werden. Ergänzend dazu wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, das Gehäuse mit mindestens einer Sollbiegestelle auszustatten. Diese Maßnahme unterstützt die Messgenauigkeit bzw. Messempfindlichkeit der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung, da das Gehäuse bei einer Krafteinwirkung im Bereich der Sollbiegestelle eine signifikante, definierte Verbiegung erfährt. Da das Sensorelement mit dem Gehäuse verbogen wird, liefert es ein entsprechend differenziertes Ausgangssignal.

Grundsätzlich gibt es verschiedene Möglichkeiten für die Realisierung der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung, insbesondere des Sensorelements sowie des Gehäuses.

Als Sensorelement kommt prinzipiell jedes Sensorelement in Frage, das gegen Verbiegung empfindlich ist - also auch ein Drucksensorchip. Für eine besonders einfache und kostengünstige Variante wird die Verwendung von Siliziumstreifen mit piezoempfindlichen Widerständen als Sensorelement vorgeschlagen.

Im Hinblick auf eine einfache und kostengünstige Fertigung erweist es sich als vorteilhaft, das Gehäuse aus einem Duroplasten, insbesondere aus einem Epoxid, herzustellen.

Ist die Richtung der zu erfassenden Kräfte vorgegeben, wie beispielsweise im Falle einer berührungsempfindlichen Fläche, wo jeweils nur die senkrecht zu dieser Fläche wirkende Kraftkomponente ausgewertet wird, so kann die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung zum Anschluss an eine Auswerteeinheit einfach auf einer Leiterplatte montiert werden. In der Regel wird die Leiterplatte dann senkrecht zur Kraftrichtung orientiert, so dass sie die zu erfassenden Kräfte zumindest teilweise aufnehmen kann. In diesem Fall wird das Gehäuse der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung bevorzugt so auf der Leiterplatte montiert, dass es in mindestens einem Bereich außerhalb der Sollbiegestelle unterstützt wird und über die Sollbiegestelle gegen die Leiterplatte verbiegbar ist. Dabei sollten die mechanischen und elektrischen Verbindungen zwischen der Sensorvorrichtung und der Leiterplatte möglichst wenig beansprucht werden. Das kann einfach durch Unterstützung des Gehäuses in mindestens zwei Bereichen erreicht werden, wenn diese Bereiche so gewählt sind, dass eine Krafteinwirkung an der Sollbiegestelle kein Drehmoment am montierten Gehäuse bewirkt.

Zeichnung

Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung von zwei Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Zeichnungen verwiesen.

Fig. Ia zeigt einen Schnitt durch eine erste erfindungsgemäße Sensorvorrichtung 10 und

Fig. Ib zeigt eine Draufsicht auf diese erste Sensorvorrichtung 10.

Fig. 2a zeigt einen Schnitt durch eine zweite erfindungsgemäße Sensorvorrichtung 20 und

Fig. 2b zeigt eine Draufsicht auf diese zweite Sensorvorrichtung 20.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die in den Figuren Ia und b dargestellte Sensorvorrichtung 10 dient zum Erfassen eines Drucks bzw. einer Kraft, die im wesentlichen senkrecht von oben auf das Gehäuse 1 einwirkt, was durch den Pfeil 2 in Fig. Ia angedeutet wird. Die Sensorvorrichtung 10 umfasst ein gegen Verbiegung empfindliches Sensorelement 3, das aus einem Halbleitersubstrat hergestellt ist. Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Sensorelement 3 um einen einfachen Siliziumstreifen mit piezoempfindlichen Widerständen. Der Siliziumstreifen und mit ihm die piezoempfindlichen Widerstände sind so angeordnet, dass sich ihr Widerstandswert bei einer Verbiegung in Richtung der Kraft 2 ändert. Das Sensorelement 3 ist in das Gehäuse 1 gemoldet. Als Moldmasse eignet sich beispielsweise ein Duroplast oder ein Epoxid. Je nach Anwendung können aber auch andere Materialien als Moldmasse verwendet werden.

Erfindungsgemäß weist das Gehäuse 1 eine Sollbiegestelle 4 auf. Das Gehäuse 1 ist im Bereich der Sollbiegestelle 4 gezielt geschwächt, beispielsweise indem die Wandung dünner ausgeführt ist oder mit einer Kerbe versehen wurde. In jedem Fall muss die Sollbiegestelle 4 so angeordnet und ausgerichtet werden, dass sie die zu erfassende Kraft aufnehmen kann.

Das Sensorelement 3 erstreckt sich bis über den Bereich der Sollbiegestelle 4 und wird dementsprechend zusammen mit dem Gehäuse 1 verbogen, wenn eine Kraft, wie mit dem Pfeil 2 angedeutet, auf die Sensorvorrichtung 10 einwirkt.

Schließlich umfasst das hier dargestellte Sensorelement 10 noch einen ASIC 5, der über Bonddrähte 6 mit dem Sensorelement 3 verbunden ist und gemeinsam mit diesem auf einem Leadframe 7 angeordnet ist. Der ASIC 5 ist ebenfalls in das Gehäuse 1 gemoldet aber so positioniert, dass eine Verformung aufgrund einer auf das Gehäuse 1 wirkenden Kraft weitestgehend vermieden wird. Insbesondere wenn die Sensorvorrichtung 10 auf einer Leiterplatte montiert ist, kann eine derartige Verformung ausgeschlossen werden, da das Gehäuse 1 dann im Bereich des ASIC 5 auf der Leiterplatte aufsitzt, so dass die in diesem Bereich auf die Sensorvorrichtung 10 wirkende Kraft von der Leiterplatte aufgenommen wird. Die Sensorvorrichtung 10 umfasst Beinchen 8, über die sowohl die mechanische Montage auf einer Leiterplatte erfolgt als auch elektrische Verbindungen hergestellt werden.

Im Gegensatz zur linken Seite des Gehäuses 1, wo der ASIC 5 placiert ist, wird das rechte Ende des Gehäuses 1, wo sich die Sollbiegestelle 4 befindet, nicht unterstützt, so dass dieses Ende bei entsprechender Krafteinwirkung gegen die Leiterplatte gebogen wird. An diesem rechten Gehäuseende ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel auch ein nasenartiger Vorsprung 9 als bevorzugter Angriffspunkt für die zu erfassende Kraft ausgebildet.

Mit der in den Figuren Ia und b dargestellten Variante einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 10 wird eine sogenannte Zweipunkt-Biegung realisiert. Dementsprechend müssen sowohl die mechanische als auch die elektrische Verbindung zwischen Sensorvorrichtung 10 und Leiterplatte bei dieser Ausführungsform ein Drehmoment gegenhalten, das durch eine Krafteinwirkung gemäß Pfeil 2 hervorgerufen wird.

Die Figuren 2a und b zeigen eine Sensorvorrichtung 20, bei der dieses Problem nicht auftritt, weil hier eine sogenannte Dreipunkt-Biegung realisiert ist.

Dazu sind am Gehäuse 21 zwei Sollbiegestellen 24 ausgebildet. Das Sensorelement 23 erstreckt sich über beide Sollbiegestellen 24. Es ist - wie auch im Fall der Sensorvorrichtung 10 - zusammen mit einem ASIC 25 auf einem Leadframe 26 angeordnet und in das Gehäuse 21 gemoldet. Der ASIC 25 befindet sich in der linken Gehäusehälfte, die in montiertem Zustand direkt auf einer Leiterplatte aufsitzt. Die rechte Gehäusehälfte ist lediglich endseitig auf der Leiterplatte festgelegt. Aufgrund der speziellen Gehäuseform der Sensorvorrichtung 20 verbleibt auch im montierten Zustand ein Zwischenraum zwischen der Leiterplatte und dem mittleren Bereich 30 der rechten Gehäusehälfte, in dem die beiden Sollbiegestellen 24 angeordnet sind. Ein nasenartiger Vorsprung 29, der mittig zwischen den beiden Sollbiegestellen 24 am Gehäuse 21 ausgebildet ist, stellt hier den bevorzugten Kraftangriffspunkt für die Messwerterfassung dar. Bei einer entsprechenden Krafteinwirkung aus Richtung des Pfeils 22 werden der mittlere Bereich 30 des Gehäuses 21 und damit auch das Sensorelement 23 in Richtung der Leiterplatte verbogen. Da das Gehäuse 21 aber zu beiden Seiten des Bereichs 30 auf der Leiterplatte aufsitzt, wird die einwirkende Kraft gleichmäßig von der Leiterplatte aufgenommen, so dass keine der Verbindungsstellen zwischen Sensorvorrichtung 20 und Leiterplatte ein Drehmoment erfährt.

An dieser Stelle sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung auch Varianten umfasst, mit denen beispielsweise eine Vierpunkt-Biegung realisiert wird. Selbstverständlich können alle Varianten einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung mit oder ohne spezielle Ausformung eines Angriffspunkts für die zu erfassenden Kräfte ausgeführt werden. Außerdem kommen für die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung neben der hier dargestellten SOIC- Gehäuseform mit Beinchen auch andere Gehäuseformen, wie beispielsweise QFN-Gehäuse, in Frage.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Sensorvorrichtung zum Erfassen eines Drucks bzw. einer

Kraft, mit mindestens einem aus einem Halbleitersubstrat hergestellten, gegen Verbiegung empfindlichen Sensorelement

(3), das weitestgehend in ein Gehäuse (1) gemoldet ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Gehäuse (1) mindestens eine Sollbiegestelle (4) aufweist, auf die der zu erfassende Druck bzw. die zu erfassende Kraft einwirkt, dass das Sensorelement (3) im Bereich der Sollbiegestelle (4) angeordnet ist und zusammen mit dem Gehäuse (1) verbogen wird und dass das Sensorelement (3) im Falle einer Verbiegung ein entsprechendes Ausgangssignal liefert .

2. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Siliziumstreifen mit piezoempfindlichen Widerständen als Sensorelement (3) dient.

3. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) aus einem Duroplasten, insbesondere aus einem Epoxid, gefertigt ist.

4. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) auf einer Leiterplatte montiert ist, so dass es in mindestens einem Bereich außerhalb der Sollbiegestelle (4) unterstützt wird und über die Sollbiegestelle (4) gegen die Leiterplatte verbiegbar ist.

5. Sensorvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) in mindestens zwei Bereichen unterstützt ist, so dass eine Krafteinwirkung an der Sollbiegestelle (4) kein Drehmoment am montierten Gehäuse (1) bewirkt.