WO2000003219A2 - Pressure sensor arrangement, especially for detecting pressure in a pressurised area of a vehicle transmission which is impinged upon by oil - Google Patents

Pressure sensor arrangement, especially for detecting pressure in a pressurised area of a vehicle transmission which is impinged upon by oil Download PDF

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WO2000003219A2
WO2000003219A2 PCT/DE1999/001906 DE9901906W WO0003219A2 WO 2000003219 A2 WO2000003219 A2 WO 2000003219A2 DE 9901906 W DE9901906 W DE 9901906W WO 0003219 A2 WO0003219 A2 WO 0003219A2
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pressure
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Herbert Rödig
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    • G01L19/14—Housings
    • G01L19/147—Details about the mounting of the sensor to support or covering means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H61/00—Control functions within control units of change-speed- or reversing-gearings for conveying rotary motion ; Control of exclusively fluid gearing, friction gearing, gearings with endless flexible members or other particular types of gearing
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    • F16H61/0006—Electronic control units for transmission control, e.g. connectors, casings or circuit boards
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
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    • H01L2224/48091—Arched

Definitions

  • Pressure sensor arrangement in particular for pressure detection in an oil-loaded pressure area of a motor vehicle transmission
  • the invention relates to a pressure sensor arrangement for pressure detection in a pressure area, in particular an oil-loaded pressure area of a motor vehicle transmission, with the features specified in the preamble of claim 1.
  • the preamble of claim 1 is based on the currently applicable technology. It is provided that pressure sensors enclosed in a housing are arranged outside the electronics room which has the electronic circuitry and the further signal processing. This will a separation between the electronics room to be protected and the pressure area, the pressure of which is to be recorded.
  • the invention has for its object to mount the pressure sensor element so that the manufacturing effort is significantly reduced.
  • the support of the pressure sensor arrangement is designed as a mechanical partition between the pressure area and the electronic space having the electronic circuit.
  • the preferably housing-free pressure sensor element is in the region of an opening in the carrier with hermetic sealing of the
  • the (or more) pressure sensor (s) are thus installed directly in the electronics space, the pressure sensor elements being processed directly in or on the electronics substrate. They are mounted on the carrier so that, on the one hand, evaluation electronics integrated on the sensor chip against the aggressive environmental conditions in the pressure range, such as, for. B. Oil pressure, moisture, aggressive atmosphere is protected.
  • a media separation is realized at the same time by the type of mounting according to the invention, which separates the electronics room from Pressure area, the pressure of which must be recorded, separates.
  • the support of the pressure sensor element and the pressure sensor element itself are involved in this separation.
  • the specified breakthrough serves as a pressure channel for the connection between the pressure area and the pressure detector.
  • the proposed integration of pressure sensors combines assembly technologies with housing technologies.
  • the specified mounting method of the sensor element fulfills both electrical functions and mechanical stabilization - in practice, pressure differences in the example of a transmission control can be up to 100 bar - as well as the function of separating the different functional spaces and thus the sealing function. This represents a pronounced dual function, which also leads to a reduction in device manufacturing costs.
  • a further improvement in this regard results from the avoidance of the housing inclusion of the pressure sensors.
  • manufacturing tolerances can be reduced by calibrating the sensor element on the associated electronic circuit, for example by programming.
  • the fields of application of the pressure sensor arrangement according to the invention are not limited to motor vehicle transmissions.
  • the intake vacuum or the ambient pressure in engine controls, the system pressure of reducing agents (e.g. aqueous urea solution) for exhaust gas aftertreatment in diesel vehicles, the exhaust gas pressure as part of a catalyst or soot filter monitoring in diesel vehicles, etc. can be measured.
  • 1 to 4 are schematic vertical sections through different pressure sensor arrangements for measuring transmission oil pressure.
  • gearbox control units for the operation of which the gearbox oil pressure must be measured.
  • a pressure sensor element 9 is provided, which in the exemplary embodiment according to FIG. 1 is fixed on the upper mounting surface 17 of the substrate 8 via an opening 10 which penetrates the base plate 6 and the substrate 8.
  • a corresponding pressure detection opening 11 is provided in the area of the hydraulic unit 3, so that the pressure prevailing in the pressure area 2 reaches the physical pressure detector 12 of the sensor element 9 via the pressure detection opening 11 and the opening 10.
  • An electronic circuit is provided on the sensor element 9, which in the exemplary embodiment according to FIG. 1 comprises an evaluation and adjustment circuit. Between the bottom plate 6 and the hydraulic unit 3, an O-ring seal 13 is interposed, so that a pressure-tight connection between the opening 10 and the pressure area 2 is given.
  • the pressure sensor element 9 is of a housing-less design and is electrically connected to corresponding conductor tracks on the substrate 8 via so-called flip-chip contacts 14 on its underside. These flip-chip contacts 14 are embedded in an underfill seal 15, which hermetically seals the gap between the underside of the pressure sensor element 9 and the opening 10. This underfill seal 15, together with the chip passivation, protects the circuit parts of the chip arranged in the lower region of the pressure sensor element 9. Furthermore, the underfill seal 15 also largely ensures the mechanical strength of the pressure sensor element 9.
  • the electronics room 5 is closed off by a housing cover 16 seated tightly on the carrier 4 or the base plate 6.
  • FIG. 2 differs only in the design of the pressure sensor element 9 ', which will be explained in more detail. Components that otherwise correspond to the exemplary embodiment according to FIG. 1 are provided with identical reference numerals and do not require any further explanation.
  • the pressure sensor element 9 in the so-called “surface micromachining technology” is designed as a capacitively operating pressure sensor in the embodiment according to FIG. 1
  • the pressure sensor element 9 ′ in the embodiment according to FIG. 2 is also designed as a housing-less one "Bare die element", however, implemented in "bulk silicon technology”.
  • the physical pressure detector 12 ' works piezoresistively and is implemented as a pressure receiving layer on the top of the chip of the pressure sensor element 9'.
  • the latter has a Wheatstone bridge as an electronic circuit. This is used to adjust the pressure detector 12 '.
  • the pressure sensor element 9 ' can also be implemented using BSOI silicon technology in a capacitive or piezorestive design.
  • the pressure sensor element 9 ' is also fastened to the substrate 8 by a full-surface soldering 26 on the top mounting surface 17, so that the pressure area 2 is again hermetically separated from the electronics space 5 by the pressure sensor element 9'.
  • the measured value evaluation circuit located on the upper side of the pressure sensor element 9 ' is thus protected from the pressure area as well as the electronic transmission control implemented on the substrate 8.
  • the evaluation circuit is connected to the electronic transmission control via schematically indicated bonding wires 18. Contacting by so-called “thermocompression bonding” is also possible.
  • the chip-shaped pressure sensor element 9 ′′ is arranged in the opening 10 ′ of the carrier 4 embodied as an aluminum base plate 6 and on the downward-facing mounting surface 19 of the so-called wiring level 20 of the switching arranged for transmission control.
  • this “wiring level 20” is formed by a Kapton E film with a conductor track structure located thereon.
  • the carrier can in turn also be designed, for example, as a ceramic, in particular LTCC ceramic, as a conventional printed circuit board or as a cast housing Flip-chip technology or a direct contacting method (not shown in detail) on the underside of the wiring level 20, as a result of which the circuit thereon remains insulated from the oil-loaded pressure area 2.
  • FIG. 4 again shows the use of a pressure sensor arrangement according to the invention for the transmission oil pressure measurement.
  • the carrier 4 is realized here by a base plate 6 with a substrate 8 glued thereon.
  • the opening 10 is widened in stages towards the substrate to a receiving opening 23 in which the chip-shaped pressure sensor element 9 '' 'is accommodated.
  • This is attached and contacted via flip chip contacts 14 'on the lower mounting surface 19.
  • the flip-chip contacts 14 ' are embedded in an underfill seal 15', so that the pressure area 2 is in turn hermetically sealed from the electronics compartment 5.
  • Physical pressure detector 12 '' 'and evaluation circuit are located on the top of the chip-shaped pressure sensor element 9' ''. The evaluation circuit is in turn protected by the chip passivation and the underfill seal 15 '.
  • the mechanical strength of the pressure sensor element 9 '' ' is primarily guaranteed by this design.
  • the substrate 8 has an opening 24 above the physical pressure detector 12 ′′ ′′ of the pressure sensor element 9 '''.
  • the electronics room 5 acts as a counter pressure area to the pressure area 2.
  • an overflow groove 25 for adhesives in the base plate 6 is provided laterally outside the receiving opening 23. This makes it possible to be able to apply different adhesives (for example ATF-resistant adhesives and flexible adhesives) for producing the adhesive 7.
  • pressurization P acts through the opening 10 on the pressure sensor element 9, 9 ', 9' ', 9' '', which in turn together with the substrate for hermetically sealing the pressure area 2 from the electronics room 5 cares.

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Abstract

A pressure sensor arrangement is provided with a pressure sensor element (9) with a physical pressure detector (12) and integrated electronic wiring, a support (4) for the pressure sensor element (9) and an electronic circuit (22) which is located on the support (4). Said support is configured as a dividing wall between the pressurised area (2) and the electronics compartment (5). The sensor element (9) is located in a passage (10) in the support (4), said passage (10) being hermetically sealed.

Description

Beschreibungdescription
Drucksensor-Anordnung, insbesondere zur Druckerfassung in einem ölbeaufschlagten Druckbereich eines Kraftfahrzeuggetrie- besPressure sensor arrangement, in particular for pressure detection in an oil-loaded pressure area of a motor vehicle transmission
Die Erfindung betrifft eine Drucksensor-Anordnung zur Druckerfassung in einem Druckbereich, insbesondere einem ölbeaufschlagten Druckbereich eines Kraftfahrzeuggetriebes, mit den im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen.The invention relates to a pressure sensor arrangement for pressure detection in a pressure area, in particular an oil-loaded pressure area of a motor vehicle transmission, with the features specified in the preamble of claim 1.
Zum Hintergrund der Erfindung ist festzuhalten, daß moderne Elektroniksteuerungen in zunehmenden Maße komplexer werden. Dabei erhöht sich ständig die Anzahl der miteinander verbun- denen und auszuwertenden Sensoren und deren Signale. Parallel dazu steigen die Anforderungen hinsichtlich der Miniaturisierung solcher elektronischer Steuerungen und der damit verbundenen Erhöhung der Integrationsdichte. Auch sollen die Geräte-Herstellungskosten in zunehmenden Maße reduziert werden. Insoweit ist also der Einsatz neuer Integrationstechniken von Wichtigkeit.In the background of the invention, it should be noted that modern electronic controls are becoming increasingly complex. The number of sensors to be connected and evaluated and their signals is constantly increasing. At the same time, the requirements regarding the miniaturization of such electronic controls and the associated increase in integration density are increasing. The device manufacturing costs are also to be reduced to an increasing extent. In this respect, the use of new integration techniques is important.
Insbesondere im Zusammenhang mit Industrieanwendungen und im Automobilbau ist zunehmend ein Trend zu verzeichnen, elektro- nische Steuerungen und andere elektronische Baueinheiten insbesondere in Modultechnik an Einbauorten mit rauhen Umgebungsbedingungen einzusetzen, z. B. in einem Getriebe. Hier ist insbesondere der Einsatz von Drucksensoren für die vorstehende Erfindung relevant, was ganz allgemein die DE 295 13 950 Ul anhand der Integration eines Drucksensors in eine Getriebesteuerung zeigt.In particular in connection with industrial applications and in automobile construction, there is an increasing trend to use electronic controls and other electronic units, particularly in module technology, at installation locations with harsh environmental conditions, e.g. B. in a transmission. The use of pressure sensors is particularly relevant here for the above invention, which DE 295 13 950 U1 very generally shows on the basis of the integration of a pressure sensor in a transmission control.
Insoweit setzt der Oberbegriff des Anspruches 1 auf die derzeit geltende Technik auf. Dabei ist vorgesehen, daß Druck- sensoren in einem Gehäuse eingeschlossen außerhalb des die elektronische Beschaltung und die weitere Signalverarbeitung aufweisenden Elektronikraums angeordnet werden. Dadurch wird eine Trennung zwischen dem zu schützenden Elektronikraum und dem Druckbereich erzielt, dessen Druck zu erfassen ist.In this respect, the preamble of claim 1 is based on the currently applicable technology. It is provided that pressure sensors enclosed in a housing are arranged outside the electronics room which has the electronic circuitry and the further signal processing. This will a separation between the electronics room to be protected and the pressure area, the pressure of which is to be recorded.
Die vorstehend erörterte Konzeption bedingt ein eigenes Ge- häuse für das Sensor-Element sowie zusätzliche Verbindungselemente zwischen dem eigentlichen physikalischen Druckdetektor, seiner elektronischen Beschaltung zur Meßwertaufbereitung und gegebenenfalls weiteren Schaltungseinheiten mit komplexen Aufgaben, wie z. B. eine Getriebesteuerelektronik. Insgesamt ist also ein erhöhter Montageaufwand und ein größeres Einbauvolumen mit entsprechend höheren Fertigungskosten als Nachteil des Standes der Technik zu verzeichnen.The concept discussed above requires a separate housing for the sensor element and additional connecting elements between the actual physical pressure detector, its electronic circuitry for processing the measured values and, if appropriate, further circuit units with complex tasks, such as, for. B. a transmission control electronics. Overall, an increased assembly effort and a larger installation volume with correspondingly higher manufacturing costs are to be noted as a disadvantage of the prior art.
Ausgehend von den geschilderten Problemen des Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Drucksensor-Element so zu montieren, daß sich der Herstellungsaufwand deutlich reduziert.Based on the described problems of the prior art, the invention has for its object to mount the pressure sensor element so that the manufacturing effort is significantly reduced.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichnungsteil des An- Spruches 1 angegebenen Merkmale gelöst. Demnach ist der Träger der Drucksensor-Anordnung als mechanische Trennwand zwischen dem Druckbereich und dem die elektronische Schaltung aufweisenden Elektronikraum ausgebildet. Das vorzugsweise gehäuselose Drucksensor-Element ist dabei im Bereich eines Durchbruchs im Träger unter hermetischer Abdichtung desThis object is achieved by the features specified in the characterizing part of claim 1. Accordingly, the support of the pressure sensor arrangement is designed as a mechanical partition between the pressure area and the electronic space having the electronic circuit. The preferably housing-free pressure sensor element is in the region of an opening in the carrier with hermetic sealing of the
Durchbruchs derart angeordnet, daß der physikalische Druckdetektor im Drucksensor-Element vom zu erfassenden Druck im Druckbereich beaufschlagbar ist. Erfindungsgemäß erfolgt also die Montage des (oder mehrerer) Drucksensors (en) direkt im Elektronikraum, wobei die Drucksensor-Elemente direkt in oder auf das Elektroniksubstrat integriert verarbeitet werden. Sie sind dabei so auf dem Träger montiert, daß zum einen eine auf dem Sensorchip integrierte Auswerteelektronik gegen die aggressiven Umweltbedingungen im Druckbereich, wie z. B. Öl- druck, Feuchte, aggressive Atmosphäre geschützt ist. Zum anderen wird durch die erfindungsgemäße Montageart gleichzeitig eine Medientrennung realisiert, die den Elektronikraum vom Druckbereich, dessen Druck zu erfassen ist, trennt. An dieser Trennung ist der Träger des Drucksensor-Elementes und das Drucksensor-Element selbst beteiligt. Der angegebene Durchbruch dient dabei als Druckkanal zur Verbindung zwischen Druckbereich und Druckdetektor.Breakthrough arranged such that the physical pressure detector in the pressure sensor element can be acted upon by the pressure to be detected in the pressure area. According to the invention, the (or more) pressure sensor (s) are thus installed directly in the electronics space, the pressure sensor elements being processed directly in or on the electronics substrate. They are mounted on the carrier so that, on the one hand, evaluation electronics integrated on the sensor chip against the aggressive environmental conditions in the pressure range, such as, for. B. Oil pressure, moisture, aggressive atmosphere is protected. On the other hand, a media separation is realized at the same time by the type of mounting according to the invention, which separates the electronics room from Pressure area, the pressure of which must be recorded, separates. The support of the pressure sensor element and the pressure sensor element itself are involved in this separation. The specified breakthrough serves as a pressure channel for the connection between the pressure area and the pressure detector.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Preferred embodiments of the invention are specified in the subclaims.
Zusammenfassend kombiniert die vorgeschlagene Integration von Drucksensoren Montagetechnologien mit Gehäusetechnologien. Die angegebene Montageweise des Sensor-Elementes erfüllt dabei sowohl elektrische Funktionen und die mechanische Stabilisierung - in der Praxis können Druckdifferenzen im Beispiel einer Getriebesteuerung in der Größenordnung von bis zu 100 bar liegen - als auch die Funktion der Trennung der unterschiedlichen Funktionsräume und damit die Dichtungsfunktion. Dies stellt eines ausgesprochene Doppelfunktion dar, die auch zur Reduzierung von Geräte-Herstellungskosten führt. Eine weitere Verbesserung in dieser Hinsicht ergibt sich durch die Vermeidung des Gehäuseeinschlusses der Drucksensoren. Ferner können Fertigungstoleranzen durch einen Abgleich des Sensor- Elementes auf der zugehörigen Elektronikschaltung, beispielsweise durch Programmierung, reduziert werden.In summary, the proposed integration of pressure sensors combines assembly technologies with housing technologies. The specified mounting method of the sensor element fulfills both electrical functions and mechanical stabilization - in practice, pressure differences in the example of a transmission control can be up to 100 bar - as well as the function of separating the different functional spaces and thus the sealing function. This represents a pronounced dual function, which also leads to a reduction in device manufacturing costs. A further improvement in this regard results from the avoidance of the housing inclusion of the pressure sensors. Furthermore, manufacturing tolerances can be reduced by calibrating the sensor element on the associated electronic circuit, for example by programming.
Die Anwendungsgebiete der erfindungsgemäßen Drucksensor- Anordnung sind dabei nicht auf Kraftfahrzeuggetriebe beschränkt. Mit einer entsprechenden Anordnung können der Ansaugunterdruck bzw. der Umgebungsdruck bei Motorsteuerungen, der Systemdruck von Reduktionsmitteln (z. B. wäßrige Harnstofflösung) für eine Abgasnachbehandlung bei Dieselfahrzeugen, der Abgasdruck im Rahmen einer Katalysator- oder Rußfilterüberwachung bei Dieselfahrzeugen usw. gemessen werden.The fields of application of the pressure sensor arrangement according to the invention are not limited to motor vehicle transmissions. With a corresponding arrangement, the intake vacuum or the ambient pressure in engine controls, the system pressure of reducing agents (e.g. aqueous urea solution) for exhaust gas aftertreatment in diesel vehicles, the exhaust gas pressure as part of a catalyst or soot filter monitoring in diesel vehicles, etc. can be measured.
Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 bis 4 schematische Vertikalschnitte durch unterschiedliche Drucksensor-Anordnungen zur Getriebeöldruckmessung .Various embodiments of the invention are explained in more detail in the following description with reference to the accompanying drawings. Show it: 1 to 4 are schematic vertical sections through different pressure sensor arrangements for measuring transmission oil pressure.
Als Beispiel für die Anwendung der erfindungsgemäßen Drucksensor-Anordnung soll im folgenden auf Getriebesteuergeräte Bezug genommen werden, zu deren Betrieb der Getriebeöldruck gemessen werden muß.As an example of the application of the pressure sensor arrangement according to the invention, reference is made below to gearbox control units, for the operation of which the gearbox oil pressure must be measured.
So ist bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform die Drucksensor-Anordnung 1 zur Druckerfassung in einem Druckbereich 2 eines Kraftfahrzeuggetriebes direkt auf die Hydraulikeinheit 3 des Getriebes gesetzt. Hierzu weist die Drucksensor-Anord- nung 1 einen als funktionelles Ganzes mit 4 bezeichneten Träger auf, der als mechanische Trennwand zwischen dem Druckbereich 2 und dem eine nicht näher dargestellte elektronische Schaltung aufweisenden Elektronikraum 5 dient. Der Träger 4 ist dabei aus einer Bodenplatte 6 und einem durch eine Ver- klebung 7 darauf fixierten Substrat 8 gebildet. Letzteres kann ein Keramik-, LTCC-, Flex-Substrat o. ä. sein. Auf dem Substrat 8 kann eine Steuerschaltung für eine integrierte Getriebesteuerung mit gehäuselosen aktiven Bauelementen und passiven Bauelementen realisiert sein.In the embodiment shown in FIG. 1, the pressure sensor arrangement 1 for pressure detection in a pressure area 2 of a motor vehicle transmission is placed directly on the hydraulic unit 3 of the transmission. For this purpose, the pressure sensor arrangement 1 has a support, designated as a functional unit, which serves as a mechanical partition between the pressure area 2 and the electronics chamber 5, which has an electronic circuit (not shown). The carrier 4 is formed from a base plate 6 and a substrate 8 fixed thereon by an adhesive 7. The latter can be a ceramic, LTCC, flex substrate or the like. A control circuit for an integrated transmission control with housing-free active components and passive components can be implemented on the substrate 8.
Zur Erfassung des Druckes im Druckbereich 2 ist ein Drucksensor-Element 9 vorgesehen, das im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 auf der oberen Montagefläche 17 des Substrats 8 über einem Durchbruch 10 fixiert ist, der die Bodenplatte 6 und das Substrat 8 durchsetzt. Im Bereich der Hydraulikeinheit 3 ist eine entsprechende Druckerfassungsöffnung 11 vorgesehen, so daß der im Druckbereich 2 herrschende Druck über die Druckerfassungsöffnung 11 und den Durchbruch 10 zum physikalischen Druckdetektor 12 des Sensor-Elementes 9 gelangt. Auf dem Sensor-Element 9 ist eine elektronische Beschaltung vorgesehen, die beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 eine Auswerte- und Abgleichschaltung umfaßt. Zwischen der Bodenplatte 6 und der Hydraulikeinheit 3 ist eine O-Ring-Dichtung 13 zwischengelegt, so daß eine druckdichte Verbindung zwischen Durchbruch 10 und Druckbereich 2 gegeben ist.To detect the pressure in the pressure area 2, a pressure sensor element 9 is provided, which in the exemplary embodiment according to FIG. 1 is fixed on the upper mounting surface 17 of the substrate 8 via an opening 10 which penetrates the base plate 6 and the substrate 8. A corresponding pressure detection opening 11 is provided in the area of the hydraulic unit 3, so that the pressure prevailing in the pressure area 2 reaches the physical pressure detector 12 of the sensor element 9 via the pressure detection opening 11 and the opening 10. An electronic circuit is provided on the sensor element 9, which in the exemplary embodiment according to FIG. 1 comprises an evaluation and adjustment circuit. Between the bottom plate 6 and the hydraulic unit 3, an O-ring seal 13 is interposed, so that a pressure-tight connection between the opening 10 and the pressure area 2 is given.
Das Drucksenor-Element 9 ist von gehäuseloser Bauart und über sogenannte Flip-Chip-Kontakte 14 an seiner Unterseite mit entsprechenden Leiterbahnen auf dem Substrat 8 elektrisch verbunden. Diese Flip-Chip-Kontakte 14 sind in eine Unter- füll-Dichtung 15 eingebettet, die den Spalt zwischen der Un- terseite des Drucksensor-Elementes 9 und dem Durchbruch 10 hermetisch abdichtet. Durch diese Unterfülldichtung 15 werden zusammen mit der Chip-Passivierung die im unteren Bereich des Drucksensor-Elementes 9 angeordneten Schaltungsteile des Chips geschützt. Ferner gewährleistet die Unterfülldichtung 15 auch die mechanische Festigkeit des Drucksensor-Elementes 9 in überwiegender Weise.The pressure sensor element 9 is of a housing-less design and is electrically connected to corresponding conductor tracks on the substrate 8 via so-called flip-chip contacts 14 on its underside. These flip-chip contacts 14 are embedded in an underfill seal 15, which hermetically seals the gap between the underside of the pressure sensor element 9 and the opening 10. This underfill seal 15, together with the chip passivation, protects the circuit parts of the chip arranged in the lower region of the pressure sensor element 9. Furthermore, the underfill seal 15 also largely ensures the mechanical strength of the pressure sensor element 9.
Wie ferner aus Fig. 1 hervorgeht, ist der Elektronikraum 5 durch einen dicht auf dem Träger 4 bzw. die Bodenplatte 6 sitzenden Gehäusedeckel 16 abgeschlossen.As can further be seen from FIG. 1, the electronics room 5 is closed off by a housing cover 16 seated tightly on the carrier 4 or the base plate 6.
Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich lediglich durch die Bauart des Drucksensor-Elementes 9' , was noch näher erläutert wird. Ansonsten mit dem Ausführungsbei- spiel gemäß Fig. 1 übereinstimmenden Bauteile sind mit identischen Bezugszeichen versehen und bedürfen keiner nochmaligen Erläuterung.The embodiment shown in FIG. 2 differs only in the design of the pressure sensor element 9 ', which will be explained in more detail. Components that otherwise correspond to the exemplary embodiment according to FIG. 1 are provided with identical reference numerals and do not require any further explanation.
Während bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 das Druck- sensor-Element 9 in der sogenannten „Surface-Micromachining- Technologie" als kapazitiv arbeitender Druckaufnehmer ausgebildet ist, ist das Drucksensor-Element 9' in der Ausführungsform gemäß Fig. 2 zwar ebenfalls als gehäuseloses „Bare- Die-Element" , jedoch in „Bulk-Silicium-Technologie" reali- siert. Hierbei arbeitet der physikalische Druckdetektor 12' piezoresistiv und ist als Druckaufnahmeschicht auf der Chip- Oberseite des Drucksensor-Elementes 9' realisiert. Letzteres weist als elektronische Beschaltung eine Wheatstonesche Brük- ke auf. Diese dient zum Abgleich des Druckdetektors 12'. Im übrigen kann das Drucksensor-Element 9' auch in BSOI- Silizium-Technologie in kapazitiver oder piezorestiver Aus- führung realisiert werden.While the pressure sensor element 9 in the so-called “surface micromachining technology” is designed as a capacitively operating pressure sensor in the embodiment according to FIG. 1, the pressure sensor element 9 ′ in the embodiment according to FIG. 2 is also designed as a housing-less one "Bare die element", however, implemented in "bulk silicon technology". Here, the physical pressure detector 12 'works piezoresistively and is implemented as a pressure receiving layer on the top of the chip of the pressure sensor element 9'. The latter has a Wheatstone bridge as an electronic circuit. This is used to adjust the pressure detector 12 '. Otherwise, the pressure sensor element 9 'can also be implemented using BSOI silicon technology in a capacitive or piezorestive design.
Das Drucksensor-Element 9' ist ferner auf dem Substrat 8 durch eine vollflächige Verlötung 26 auf der obenliegenden Montagefläche 17 befestigt, so daß der Druckbereich 2 wieder- um hermetisch vom Elektronikraum 5 durch das Drucksensor- Element 9' getrennt ist. Die sich auf der Oberseite des Drucksensor-Elementes 9' befindliche Meßwert-Auswerteschaltung ist damit vom Druckbereich genauso geschützt wie die auf dem Substrat 8 realisierte elektronische Getriebesteuerung. Die Auswerteschaltung ist dabei über schematisch angedeutete Bonddrähte 18 mit der elektronischen Getriebesteuerung verbunden. Auch eine Kontaktierung durch sogenanntes „Thermokom- pressionsbonden" ist möglich.The pressure sensor element 9 'is also fastened to the substrate 8 by a full-surface soldering 26 on the top mounting surface 17, so that the pressure area 2 is again hermetically separated from the electronics space 5 by the pressure sensor element 9'. The measured value evaluation circuit located on the upper side of the pressure sensor element 9 'is thus protected from the pressure area as well as the electronic transmission control implemented on the substrate 8. The evaluation circuit is connected to the electronic transmission control via schematically indicated bonding wires 18. Contacting by so-called “thermocompression bonding” is also possible.
Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform einer Drucksensor-Anordnung ist das chipförmige Drucksensor-Element 9' ' im Durchbruch 10' des als Bodenplatte 6 aus Aluminium ausgeführten Trägers 4 angeordnet und an der nach unten weisenden Montagefläche 19 der sogenannten Verdrahtungsebene 20 der Schal- tung zur Getriebesteuerung angeordnet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist diese „Verdrahtungsebene 20" durch eine Kapton-E-Folie mit darauf befindlicher Leiterbahnstruktur gebildet. Der Träger kann wiederum auch beispielsweise als Keramik, insbesondere LTCC-Keramik, als übliche Leiterplatte oder als Gußgehäuse ausgeführt sein. Die Montage erfolgt hierbei in Flip-Chip-Technologie oder einem nicht näher dargestellten Direktkontaktierverfahren auf die Unterseite der Verdrahtungsebene 20, wodurch die darauf befindliche Schaltung vom ölbeaufschlagten Druckbereich 2 isoliert bleibt. Von unten ist eine zusätzlich aufgetragene Isolationsschicht 21 - beispielsweise in Form einer gesputterten Kupferschicht - vorgesehen, die den physikalischen Druckdetektor 12'' frei läßt. Dadurch werden Elektronikraum 5 und Druckbereich 2 wiederum hermetisch voneinander getrennt. Die Isolationsschicht 21 kann, wenn erforderlich, galvanisch verstärkt werden und im übrigen bei Auswahl geeigneter Materialien - wie bei- spielsweise des vorgenannten Kupfers - zusätzlich die Funktion einer optimierten Wärmeableitung erfüllen. Ferner trägt sie zur mechanischen Stabilisierung der druckdichten Trennung mit Hilfe des Drucksensor-Elementes 9'' bei. Schließlich bleibt zu erwähnen, daß die elektronische Getriebesteuerung auf der Verdrahtungsebene 20 teilweise durch darauf sitzende SMD-Bauelemente 22 realisiert ist. Anstatt oder zusätzlich zu den SMD-Bauelementen 22 können auch gehäuselose IC's, Sensoren usw. als Bauelemente auf der Verdrahtungsebene 20 aufgebracht sein.In the embodiment of a pressure sensor arrangement shown in FIG. 3, the chip-shaped pressure sensor element 9 ″ is arranged in the opening 10 ′ of the carrier 4 embodied as an aluminum base plate 6 and on the downward-facing mounting surface 19 of the so-called wiring level 20 of the switching arranged for transmission control. In the exemplary embodiment shown, this “wiring level 20” is formed by a Kapton E film with a conductor track structure located thereon. The carrier can in turn also be designed, for example, as a ceramic, in particular LTCC ceramic, as a conventional printed circuit board or as a cast housing Flip-chip technology or a direct contacting method (not shown in detail) on the underside of the wiring level 20, as a result of which the circuit thereon remains insulated from the oil-loaded pressure area 2. From the bottom, an additionally applied insulation layer 21 - for example in the form of a sputtered copper layer - is provided, which physical pressure detector 12 '' free leaves. As a result, electronics chamber 5 and pressure area 2 are in turn hermetically separated from one another. The insulation layer 21 can, if necessary, be galvanically reinforced and, moreover, when selecting suitable materials - such as the aforementioned copper - can additionally perform the function of an optimized heat dissipation. Furthermore, it contributes to the mechanical stabilization of the pressure-tight separation with the help of the pressure sensor element 9 ″. Finally, it should be mentioned that the electronic transmission control on the wiring level 20 is partially implemented by SMD components 22 located thereon. Instead of or in addition to the SMD components 22, housing-free ICs, sensors etc. can also be applied as components on the wiring level 20.
Fig. 4 zeigt wiederum die Anwendung einer erfindungsgemäßen Drucksensor-Anordnung für die Getriebeöldruckmessung. Dabei ist der Träger 4 hier durch eine Bodenplatte 6 mit darauf geklebtem Substrat 8 realisiert. Der Durchbruch 10 ist dabei zum Substrat hin zu einer Aufnahmeöffnung 23 stufig erweitert, in der das chipförmige Drucksensor-Element 9''' untergebracht ist. Dieses ist über Flip-Chip-Kontakte 14' an der unteren Montagefläche 19 befestigt und kontaktiert. Die Flip- Chip-Kontakte 14' sind in eine Unterfülldichtung 15' einge- bettet, so daß der Druckbereich 2 wiederum hermetisch gegenüber dem Elektronikraum 5 abgedichtet ist. Physikalischer Druckdetektor 12''' und Auswerteschaltung befinden sich auf der Oberseite des chipförmigen Drucksensor-Elementes 9' ' ' . Die Auswerteschaltung ist dabei wiederum durch die Chip- Passivierung und die Unterfülldichtung 15' geschützt. Durch diese Bauart ist auch die mechanische Festigkeit des Drucksensor-Elementes 9''' in erster Linie gewährleistet.FIG. 4 again shows the use of a pressure sensor arrangement according to the invention for the transmission oil pressure measurement. The carrier 4 is realized here by a base plate 6 with a substrate 8 glued thereon. The opening 10 is widened in stages towards the substrate to a receiving opening 23 in which the chip-shaped pressure sensor element 9 '' 'is accommodated. This is attached and contacted via flip chip contacts 14 'on the lower mounting surface 19. The flip-chip contacts 14 'are embedded in an underfill seal 15', so that the pressure area 2 is in turn hermetically sealed from the electronics compartment 5. Physical pressure detector 12 '' 'and evaluation circuit are located on the top of the chip-shaped pressure sensor element 9' ''. The evaluation circuit is in turn protected by the chip passivation and the underfill seal 15 '. The mechanical strength of the pressure sensor element 9 '' 'is primarily guaranteed by this design.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ist noch die Besonderheit gegeben, daß das Substrat 8 eine Öffnung 24 oberhalb des physikalischen Druckdetektors 12''' des Drucksensor-Elementes 9''' aufweist. Dadurch wirkt der Elektronikraum 5 als Gegendruckbereich zum Druckbereich 2.In the exemplary embodiment according to FIG. 4 there is also the special feature that the substrate 8 has an opening 24 above the physical pressure detector 12 ″ ″ of the pressure sensor element 9 '''. As a result, the electronics room 5 acts as a counter pressure area to the pressure area 2.
Schließlich ist seitlich außerhalb der Aufnahmeöffnung 23 noch eine Überlaufrille 25 für Klebestoffe in der Bodenplatte 6 vorgesehen. Dadurch ist es möglich, unterschiedliche Klebstoffe (z. B. ATF-beständige Kleber und flexible Kleber) zur Herstellung der Verklebung 7 auftragen zu können.Finally, an overflow groove 25 for adhesives in the base plate 6 is provided laterally outside the receiving opening 23. This makes it possible to be able to apply different adhesives (for example ATF-resistant adhesives and flexible adhesives) for producing the adhesive 7.
Allen Ausführungsformen ist gemeinsam, daß die Druckbeaufschlagung P über den Durchbruch 10 auf das Drucksensor- Element 9, 9', 9'', 9''' wirkt, das wiederum selbst zusammen mit dem Substrat für eine hermetische Abdichtung des Druckbereichs 2 gegenüber dem Elektronikraum 5 sorgt. All embodiments have in common that the pressurization P acts through the opening 10 on the pressure sensor element 9, 9 ', 9' ', 9' '', which in turn together with the substrate for hermetically sealing the pressure area 2 from the electronics room 5 cares.

Claims

Patentansprüche claims
1. Drucksensor-Anordnung zur Druckerfassung in einem Druckbereich, insbesondere in einem ölbeaufschlagten Druckbe- reich eines Kraftfahrzeuggetriebes, mit1. Pressure sensor arrangement for pressure detection in a pressure area, in particular in an oil-loaded pressure area of a motor vehicle transmission, with
- einem chipförmigen Drucksensor-Element (9, 9', 9'',a chip-shaped pressure sensor element (9, 9 ', 9' ',
9' ' ' ) , bestehend aus einem physikalischen Druckdetektor (12, 12', 12'', 12''') und einer integriert damit ausgeführten elektronischen Beschaltung, - einem Träger (4), auf dem das Drucksensor-Element (9, 9', 9' ' , 9' ' ' ) mechanisch befestigt und elektrisch kontaktiert ist, und9 '' '), consisting of a physical pressure detector (12, 12', 12 '', 12 '' ') and an electronic circuit integrated with it, - a carrier (4) on which the pressure sensor element (9, 9 ', 9' ', 9' '') is mechanically fastened and electrically contacted, and
- einer elektronischen Schaltung (22) auf dem Träger (4) mindestens zur Weiterverarbeitung der vom Drucksensor- Element (9, 9', 9'', 9''') gelieferten Meßsignale, dadurch gekennzeichnet, daß- An electronic circuit (22) on the carrier (4) at least for further processing of the measurement signals supplied by the pressure sensor element (9, 9 ', 9' ', 9' ''), characterized in that
- der Träger (4) als mechanische Trennwand zwischen dem Druckbereich (2) und dem die elektronische Schaltung (22) aufweisenden Elektronikraum (5) ausgebildet ist, und - das Drucksensor-Element (9, 9', 9'', 9''') im Bereich eines Durchbruchs (10) im Träger (4) unter hermetischer Abdichtung des Durchbruchs (10) derart angeordnet ist, daß der Druckdetektor (12, 12', 12'', 12''') vom zu erfassenden Druck (P) im Druckbereich (2) beaufschlagbar ist.- The carrier (4) is designed as a mechanical partition between the pressure area (2) and the electronic space (5) having the electronic circuit (22), and - The pressure sensor element (9, 9 ', 9' ', 9' ' ') is arranged in the area of an opening (10) in the carrier (4) with hermetic sealing of the opening (10) such that the pressure detector (12, 12', 12 '', 12 '' ') from the pressure to be detected (P ) can be acted upon in the pressure area (2).
2. Drucksensor-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (4) aus einer Bodenplatte (6) und einem darauf fixierten Substrat (8) besteht.2. Pressure sensor arrangement according to claim 1, characterized in that the carrier (4) consists of a base plate (6) and a substrate (8) fixed thereon.
3. Drucksensor-Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronikraum durch einen auf dem Träger (4) sitzenden Gehäusedeckel (16) abgeschlossen ist.3. Pressure sensor arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the electronics compartment is closed by a housing cover (16) seated on the carrier (4).
4. Drucksensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Drucksensor- Element (9, 9') auf der dem Elektronikraum (5) zugewandten Montagefläche (17) des Trägers (4) über dem Durchbruch (10) angeordnet ist.4. Pressure sensor arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the pressure sensor element (9, 9 ') on the electronics room (5) facing Mounting surface (17) of the carrier (4) is arranged above the opening (10).
5. Drucksensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Drucksensor- Element (9'', 9''') auf der dem Elektronikraum (5) abgewandten Montagefläche (19) des Trägers (4) im Durchbruch (1) angeordnet ist.5. Pressure sensor arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the pressure sensor element (9 '', 9 '' ') on the electronics space (5) facing away from the mounting surface (19) of the carrier (4) in the breakthrough (1) is arranged.
6. Drucksensor-Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Drucksensor-Element (9, 9', 9'', 9'") an der Montagefläche (17, 19) des Trägers (4) durch eine hermetisch abschließende Unterfüll-Dichtung (15, 15') oder Verlötung (26) befestigt ist.6. Pressure sensor arrangement according to claim 4 or 5, characterized in that the pressure sensor element (9, 9 ', 9' ', 9' ") on the mounting surface (17, 19) of the carrier (4) by a hermetic seal Underfill seal (15, 15 ') or soldering (26) is attached.
7. Drucksensor-Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Unterfüll-Dichtung (15, 15') elektrische Anschlußkontakte (14, 14') für die elektronische Beschaltung des Drucksensor-Elementes (9, 9''') einge- bettet sind.7. Pressure sensor arrangement according to claim 6, characterized in that in the underfill seal (15, 15 ') electrical connection contacts (14, 14') for the electronic wiring of the pressure sensor element (9, 9 '' ') are bedded.
8. Drucksensor-Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß bei einer Montage des Drucksensor- Elementes (9') durch Verlötung (26) die elektronische Be- Schaltung des Drucksensor-Elementes (9') durch Bonden (18) mit der druckabgewandten Seite des Drucksensor-Elements (9') erfolgt.8. Pressure sensor arrangement according to claim 6, characterized in that when mounting the pressure sensor element (9 ') by soldering (26) the electronic circuitry of the pressure sensor element (9') by bonding (18) with the pressure-facing Side of the pressure sensor element (9 ').
9. Drucksensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Träger (4) und Drucksensor-Element (9'') außerhalb des physikalischen Druckdetektors (12'') auf der dem Druckbereich (2) zugewandten Oberfläche mit einer hermetisch abdichtenden Isolierlage9. Pressure sensor arrangement according to one of claims 1 to 8, characterized in that the carrier (4) and pressure sensor element (9 '') outside the physical pressure detector (12 '') on the pressure area (2) facing surface with a hermetically sealing insulation layer
(21) belegt sind.(21) are documented.
10. Drucksensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (4) unter Zwischenlage einer O-Ring-Dichtung (13) mit einem druckführenden Gehäuse (3) derart druckdicht verbunden ist, daß sein Durchbruch (10) mit einer Druckerfassungsöffnung (11) im Gehäuse (3) kommuniziert. 10. Pressure sensor arrangement according to one of claims 1 to 9, characterized in that the carrier (4) under The intermediate layer of an O-ring seal (13) is connected to a pressure-carrying housing (3) in such a pressure-tight manner that its opening (10) communicates with a pressure detection opening (11) in the housing (3).
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