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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Halbleitersensor, insbesondere
einen Halbleitersensor, bei dem ein Halbleitersensorelement in einer
Einheit enthalten ist, die durch Zusammenfügen eines ersten und eines
zweiten Gehäuses
hergestellt wird.
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Herkömmliche
Halbleitersensoren wie z. B. Halbleiter-Drucksensoren, werden in
JP 08054305 A ,
JP 09178591 A vorgeschlagen.
Diese Art Halbleiter-Drucksensoren umfassen ein Element-Seitengehäuse, auf
dem ein Halbleitersensorelement und eine Leiterplatte befestigt
sind, und ein Anschlussgehäuse,
in das Leitungen zur Aufnahme von Signalen eingefügt sind
und das mit dem Element-Seitengehäuse zusammengefügt ist,
so daß das
Halbleitersensorelement und die Leiterplatte in einer Einheit vorliegen,
die aus dem Element-Seitengehäuse
und dem Anschlussgehäuse
besteht.
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Bei
den herkömmlichen
Halbleitersensoren ist es, wenn die Leitungen des Anschlussgehäuses mit
dem Halbleitersensorelement und der Leiterplatte elektrisch verbunden
werden, nötig,
die Leitungen an Anschlussteile zu schweißen oder zu löten, die
zusätzlich
zu dem Element-Seitengehäuse
vorgesehen sind. Dies bedeutet, daß sich die Anzahl der die Anschlussteile
bildenden Elemente erhöht
und der Aufbau kompliziert wird. Außerdem erhöht sich, da die beiden Gehäuse mittels
Bonden oder durch Gesenkschmieden zusammengefügt werden, die Anzahl der Arbeitsgänge, bzw.
fallen höhere
Ausstattungskosten an, was zu einem Anstieg der Gesamtkosten führt.
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Die
Sensoren gemäß
US 5621197 und
US 4870863 weisen jeweils ein Sensorgehäuse mit
je zwei lösbar
zusammengefügten
Gehäusen
auf, mit denen elektrische Kontakte auf einfache Weise verbunden
sind oder getrennt werden können.
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Die
vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, weitere Halbleitersensoren
zu schaffen, die einen einfachen Aufbau haben und geringe Kosten
erfordern, indem sie Halbleitersensoren schafft, bei denen ein Halbleitersensorelement
in einer Einheit enthalten ist, die durch Zusammenfügen eines
ersten und eines zweiten Gehäuses
hergestellt wird.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Halbleitersensor vorgesehen mit: einem ersten
aus Kunststoff bestehenden Gehäuse,
in dessen Öffnungsbereich
ein Halbleitersensorelement eingebracht ist, einer flachen Leitung,
die in das erste Gehäuse
einstückig
eingebettet ist, daß ein
Teil der flachen Leitung freiliegt, wobei die Leitung mit dem Halbleitersensorelement
elektrisch verbunden ist, und einem zweiten Gehäuse, das mit dem ersten Gehäuse lösbar zusammengefügt ist und
das Halbleiterelement überdeckt,
wobei das zweite Gehäuse
ein Umschließungsteil
zum Umschließen
des freiliegenden Teils der Leitung aufweist. Ein Anschlussteil
zum Verbinden des freiliegenden Teils mit einem äußeren Anschluss besteht aus
dem freiliegenden Teil und dem Umschließungsteil.
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Nach
der vorliegenden Erfindung kann die Verbindungsfunktion mit einfachem
Aufbau und ohne zusätzliche
Verbindungselemente verwirklicht werden, da die flache Leitung mit
dem Umschließungsteil den
Anschlussbereich bildet, der mit dem externen Anschluss verbunden
wird. Außerdem
ist es, da die Leitung vorab in das Sensorgehäuse eingefügt wird, nicht erforderlich,
die Leitung zusätzlich
zu schweißen
oder zu löten.
Es kann daher ein Halbleitersensor geschaffen werden, der einen
einfachen Aufbau aufweist und geringe Kosten erfordert.
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Weitere
Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung ergeben sich
aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, den Ansprüchen und
der Zeichnung. In den wurden gleiche oder entsprechende Teile mit
gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigt:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleitersensors,
z. B. Halbleiter-Drucksensors, bevor
die beiden Gehäuse
zusammengefügt
wurden;
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2 eine
Draufsicht auf ein Sensorgehäuse
des Halbleiter-Drucksensors;
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3 eine
Schnittansicht des Sensorgehäuses
entlang einer Linie III-III
in 2;
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4 eine
Draufsicht auf ein Anschlussgehäuse
des Halbleiter-Drucksensors;
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5 eine
Schnittansicht des Anschlussgehäuses
entlang einer Linie V-V in 4;
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6 eine
perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform des Halbleiter-Drucksensors
nachdem die beiden Gehäuse
zusammengefügt
wurden;
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7A, 7B,
und 7C Schaubilder, die die Schritte des Zusammenfügens der
beiden Gehäuse
zeigen; und
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8A, 8B und 8C schematische Schaubilder,
die das Herstellungsverfahren des Sensorgehäuses zeigen.
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Im
folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung anhand der Figuren beschrieben.
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Bei
dieser Ausführungsform
wird die vorliegende Erfindung bei einem Halbleiter-Drucksensor angewandt.
Diese Art von Halbleiter-Drucksensor ist beispielsweise anwendbar
bei einem Wasserstandssensor, der bei Warmwasser (oder Wasser) vorgesehen
wird, das aus einem Warmwasserspeiser in ein Bad fließt, um den
Wasserstand im Bad durch Druckermittlung im Durchfluss zu ermitteln.
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1 bis 6 zeigen
den detaillierten Aufbau des Halbleiter-Drucksensors 100 (nachfolgend als "Sensor 100" bezeichnet). Der
Sensor 100 besteht aus einem Halbleiter-Sensorelement 10,
einem Sensorgehäuse
(erstes Gehäuse) 20 aus
Kunststoff; mehreren Leitungen 30, die so in das Sensorgehäuse 20 eingefügt sind,
daß sie
teilweise aus dem Sensorgehäuse 20 herausragen,
wobei die Leitungen 30 mit dem Sensorelement 10 elektrisch
verbunden sind, und einem Anschlussgehäuse (zweites Gehäuse) 40,
das mit dem Sensorgehäuse
zum Abdecken des Sensorelements 10 zusammengefügt wird.
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Das
Sensorgehäuse 20 besteht
aus einem Kunststoffmaterial wie z. B. PPS (Polyphenylensulfid) oder
PBT (Polybutylenterephthalat). Wie in 2 und 3 gezeigt,
weist das Sensorgehäuse 20 auf einer
Seite einen Öffnungsbereich 20a auf,
an dem das Sensorelement 10 angebracht ist, und eine Druckeinlassöffnung 21,
die sich von der Unterseite des Öffnungsbereichs 20a auf
eine gegenüberliegende
Seite des Sensorelements 10 erstreckt. Die Spitze der Druckeinlassöffnung 21 kann
z. B. über
einen O-Ring an einer bestimmten Stelle des Durchflusses des Warmwasserspeisers
angebracht werden. Eine Einlassöffnung 22 zum
Einlassen des Drucks aus dem Durchfluss ist in der Druckeinlassöffnung 21 vorgesehen.
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Ein
Vertiefungsbereich 23, der gegenüber einem ebenen Bereich tiefer
liegt, ist am Boden des Öffnungsbereichs 20a des
Sensorgehäuses 20 ausgebildet.
Das Sensorelement 10 ist im Vertiefungsbereich 23 über einen
Sitz 11 z. B. aus Glas befestigt. Das Sensorelement 10 weist
eine Struktur auf, bei der mehrere Diffusionswiderstände auf
einer Membran aus einem Halbleitermaterial, das piezoresistive Wirkung
aufweist (wie z. B. monokristallines Silizium), ausgebildet sind,
und bei dem diese Diffusionswiderstände zur Bildung einer Brückenschaltung
verbunden sind, so daß Widerstandsänderungen
der Diffusionswiderstände
in Reaktion auf Verformung der Membran der Brückenschaltung als elektrische Signale
entnommen werden.
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Das
Sensorelement 10 ist mit dem Sitz 11 z. B. mittels
Glasverbindung verbunden. Der Sitz 11 weist ein Loch auf, über das
er mit der Einlassöffnung 22 in
Verbindung steht. Der Druck aus dem Durchfluss wird von der Einlassöffnung 22 auf
die Membran des Sensorelements 10 durch das Loch des Sitzes 11 übertragen.
Ein Dichtmittel 24, wie z. B. Siliziumgel oder Kunststoffkleber,
wird in den Vertiefungsbereich 23 gefüllt, um die Luftundurchlässigkeit
zwischen dem Loch im Sitz 11 und der Einlassöffnung 22 zu
erhöhen.
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Jede
der Leitungen 30 hat flache Bandform und ist in das Sensorgehäuse 20 so
eingefügt,
daß sie
einstückig
mit dem Sensorgehäuse 20 gebildet ist.
Die Leitungen 30 können
aus herkömmlichem Leitungsmaterial
wie z. B. Phosphorbronze mit Elektro-Vernickelung bestehen. Im vorliegenden
Fall sind drei freiliegende Teile 31 der Leitungen 30,
die, wie in 2 gezeigt ist, zu einem großen Teil
aus einer Außenwand
des Sensorgehäuses 20 vorstehen,
so gebildet, daß die
elektrischen Signale des Sensorelements 10 extern abgegeben
werden.
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Wie
in 1 bis 3 gezeigt, sind Halbleiterelemente,
z. B. ein Transistorelement 12 und ein MOS-Transistor 13 mit
dem Öffnungsbereich 20a des
Sensorgehäuses 20 mittels
Klebers verbunden. Das Transistorelement 12 wirkt als Verstärker, der das
Ausgangssignal des Sensorelements 10 verstärkt, und
der MOS-Transistor 13 wirkt als Justierschaltung zum Justieren
der Signale des Sensorelements oder des bipolaren Transistorelements.
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Wie
in 2 und 3 gezeigt, sind das Sensorelement 10,
das bipolare Transistorelement 12, das MOS-Transistorelement 13 und
die Leitungen 30 elektrisch miteinander über mehrere
Drähte 14 (in
fettgedruckten Linien gezeigt) verbunden, die aus Drahtverbindungen
mit Gold, Aluminium oder dergleichen bestehen. Die elektrischen
Signale des Sensorelements 10 werden von jedem Element 12 und 13,
den Leitungen 30 und den freiliegenden Teilen 31 der
Leitungen über
die Drähte 14 extern
abgegeben.
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Im
vorliegenden Fall sind, wie in 3 gezeigt,
die Leitungen 30 entlang des ebenen Bereichs der Unterseite
des Öffnungsbereichs 20a angeordnet.
Jede Leitung 30 hat eine flache Form, so daß ein flacher
Teil in derselben Ebene mit einer Fläche liegt, mit der die Drähte 14 verbunden
sind (die Fläche,
die mit dem Sensorelement 10 elektrisch verbunden ist). Dies
ist deshalb so, weil, wie später
beschrieben werden wird, auf diese Weise eine Leitungsstruktur erzielt
werden kann, die zur Bildung herkömmlicher Wicklungen geeignet
ist. In 1 der vorliegenden Erfindung
wurden die abgestuften Seitenteile im Öffnungsbereich 20a,
die Leitungen 30 und die Drähte 14, die jeweils
im Öffnungsbereich 20a des
Sensorgehäuses 20 ausgebildet
sind, weggelassen.
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Das
Anschlussgehäuse 40,
das das Sensorelement 10 nach dem Zusammenfügen mit
dem Sensorgehäuse 20 überdeckt,
wird, wie das Sensorgehäuse 20,
aus einem Kunststoffmaterial wie z. B. PPS (Polyphenylensulfid)
oder PBT (Polybutylenterephthalat) mittels eines Spritzverfahrens
hergestellt. Das Anschlussgehäuse 40 weist
einen Flanschbereich 44 auf. Der Flanschbereich 44 ist
mit einer Abdeckung 41 zum Abdecken des Öffnungsbereichs 20a des
Sensorgehäuses 20 versehen,
mit einem Umschließungsteil 42,
das aus der Abdeckung 41 herauskragt, um die freiliegenden
Teile 31 der Leitungen 30 zu umschließen, und
einem Befestigungsloch 43 zum Befestigen des Sensors 100 an
einer geeigneten Stelle des Durchflusses des Warmwasserspeisers.
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Der
Umschließungsteil 42 besteht
aus einem im wesentlichen vierseitigen Hohlkörper und umschließt die freiliegenden
Teile 31 der Leitungen 30, wobei der Abstand zwischen
den freiliegenden Teilen 31 und der Innenwand des Hohlkörpers vorgegeben ist.
Das Anschlussgehäuse 40 weist
zwischen dem Umschließungsteil 42 und
der Abdeckung 41 eine Wand 45 auf. Die Wand 45 ist
mit einem Hohlraum 46 versehen, in den der freiliegende
Teil 31 der Leitung 30 eingebracht und gehalten
wird. Wie in 6 gezeigt, bilden der Umschließungsteil 42 und
der freiliegende Teil 31 der Leitung 30 den Anschlussbereich 50,
der mit einem externen Anschluss verbunden werden kann. Der Anschlussbereich 50 kann
mit dem herkömmlichen
Anschlussteil mittels Einpassung verbunden werden.
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Das
Anschlussgehäuse 40 und
das Sensorgehäuse 20 werden
durch Einfügen
und Anpassen eines an dem einen Gehäuse vorhandenen Vorsprungs
in/an eine(r) an dem anderen Gehäuse
vorhandenen Ausnehmung zusammengefügt. Das heißt, das Anschlussgehäuse 40 und
das Sensorgehäuse 20 werden
mittels eines sogenannten Einrastverschlusses zusammengefügt. Bei
dieser Ausführungsform
ist eine Nase 25 als Vorsprung an jeder der beiden Außenwände des
Sensorgehäuses 20 vorgesehen.
Ein Loch 47 ist als entsprechende Ausnehmung an den beiden
Außenwänden des
Anschlussgehäuses 40 angebracht.
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Die
Nase 25 hat eine sich verjüngende Form, so daß sich der
Vorsprung, wie in 1 gezeigt, allmählich in
X-Richtung vergrößert, d.
h. in der Richtung, in der das Sensorgehäuse 20 in das Anschlussgehäuse 40 eingeschoben
wird. Mit anderen Worten ist die Nase 25 auf der Seite,
mit der sie in das Sensorgehäuse 20 eingeschoben
wird, abgeschrägt. Des
weiteren ist an der Außenwand
des Anschlussgehäuses 40 ein
Schlitz durch teilweises Einschneiden in Einführrichtung vorgesehen, so daß sich ein biegsamer
plattenförmiger
Bereich 48 ergibt, der elastisch in senkrechter Richtung
zur Außenwand verformt
werden kann. Das Loch 47 ist an dem biegsamen Bereich 48 in
Form eines Durchgangslochs angebracht, das die gesamte Stärke durchdringt.
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In 7A bis 7C der
vorliegenden Erfindung wird das Verfahren des Zusammenfügens der beiden
Gehäuse 20 und 40 mittels
des Lochs 47 und des biegsamen Bereichs 48 gezeigt.
Die gestrichelte Linie in 7A bis 7C dient
nur der Verdeutlichung und gibt keine Teilbereiche an.
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Vor
dem Zusammenfügen
wird jedes Element im Sensorgehäuse 20 befestigt
und die Verdrahtung erfolgt im Sensorgehäuse 20. Nachfolgend wird
das Sensorgehäuse 20 in
Einschubrichtung in das Anschlussgehäuse 40 eingeschoben,
wobei der freiliegende Teil 31 der Leitung 30 in
den Hohlraum 46 des Anschlussgehäuses 40 eingeschoben
wird (vgl. 1 und 7A).
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Dann
berührt
die Nase 25 die Spitze des biegsamen Bereichs 48,
und der biegsame Bereich 48 wird durch die abgeschrägte Fläche der
Nase 25 elastisch nach außen gebogen (7B).
Wird das Sensorgehäuse 20 weiter eingeschoben,
greift die Nase 25 in das Loch 47 ein und der
biegsame Bereich 48 nimmt aufgrund seines Federungsvermögens wieder
die Ausgangsstellung ein (7C). Auf diese
Weise wird die Nase 25 mit dem Loch 47 verbunden,
so daß beide
Gehäuse
wie in 6 gezeigt miteinander verbunden sind.
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Im
folgenden wird ein Herstellungsverfahren für das Sensorgehäuse 20 beschrieben.
Wie oben bereits beschrieben, haben die Leitungen 30 eine
flache Form, die für
die Bildung der bekannten Wicklungen geeignet ist. Das Sensorgehäuse 20 wird
mittels Wicklungen hergestellt. In 8A bis 8C werden
die Herstellungsschritte schematisch gezeigt.
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Zunächst wird
ein bandförmiger
Leitungsrahmen K1 hergestellt. Werden mehrere Leitungen 30, die
für einen
Sensor 100 verwendet werden, als eine Einheit definiert,
so werden mehrere Einheiten in diesem Leitungsrahmen K1 linear gebildet
(8A).
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Dieser
Leitungsrahmen K1 wird über
eine Spule gerollt und befindet sich so in einem gewickelten Zustand
(8B). Da die Leitung 30 eine flache Form
hat, kann der Leitungsrahmen K1 selbst zu einer flachen Bandform
geformt werden, und daher kann der Leitungsrahmen K1 zu dem gewickelten
Zustand gerollt werden. Im gewickelten Zustand wird der Leitungsrahmen
K1 auf eine drehbare Welle aufgebracht (nicht gezeigt). Der Leitungsrahmen
K1 kann mit Orientierungszeichen versehen werden, um den Leitungsrahmen
K1 in Einheits-Intervallen zu bewegen.
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Wie
in 8C gezeigt, wird eine Einheit des Leitungsrahmens
K1 dann durch Drehen der Welle für
eine Einheit in ein Umformgesenk K2 eingebracht, und der eingeführte Leitungsrahmen
K1 wird in dem Umformgesenk K2 ausgerichtet. Das Umformgesenk K2
ist in einer Spritzgussmaschine zum Spritzgießen des Sensorgehäuses 20 vorgesehen.
Dann wird in das Umformgesenk K2 ein Kunststoffmaterial eingespritzt,
so daß das
Sensorgehäuse 20,
in dem sich die Leitungen 30 befinden, aus Kunststoffmaterial
gebildet wird. Nachdem ein Sensorgehäuse 20 geformt wurde,
werden überflüssige Teile
des Leitungsrahmens K1, die aus dem Plastikmaterial überstehen, mittels
eines Scherwerkzeugs K3 weggeschnitten. Dann ist das Sensorgehäuse fertig.
Diese Schritte werden für
jede Leitungseinheit 30 wiederholt, wodurch mehrere Sensorgehäuse 20 auf
einfache Weise in Masse produziert werden können.
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Wie
oben beschrieben, wird das Sensorelement 10 auf dem Sitz 11 befestigt
und die beiden Transistorelemente 12 und 13 werden
an dem fertiggestellten Sensorgehäuse 20 befestigt.
Dann erfolgt die Verdrahtung gemäß 2 und 3.
Der Sensor 100 ist fertiggestellt, wenn das Sensorgehäuse 20 mit
dem Anschlussgehäuse 40 zusammengefügt ist.
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Der
Sensor 100 arbeitet als ein relativer Drucksensor und funktioniert
auf folgende Weise. Druck des warmen Wassers (Wassers) im wird im Durchfluss
des Warmwasserspeisers der Rückseite der
Membran des Sensors 100 über das Durchgangsloch des
Sitzes 11 über
die Einlassöffnung 22 zugeführt.
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Im übrigen wird,
wenn z. B. ein Loch (nicht gezeigt), das mit der Umgebungsluft in
Verbindung steht, in einem geeigneten Bereich des Anschlussgehäuses vorgesehen
oder ein Spalt zwischen den beiden Gehäusen 20 und 40 verwendet
wird, die Oberfläche
der Membran des Sensorelements 10 durch die Verbindung
mit der Umgebungsluft auf Atmosphärendruck (Bezugsdruck) gehalten.
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Verformt
sich die Membran in Folge einer Druckdifferenz zwischen den beiden
Seiten der Membran, wird in Reaktion auf diese Verformung ein elektrisches
Signal erzeugt. Dieses Signal wird an einen externen Anschluss weitergegeben,
der mit dem Anschlussbereich 50 über den Draht 14,
die beiden Transistorelemente 12 und 13, die Leitung 30 und den
freiliegenden Teil 31 der Leitung 30 verbunden ist.
Der Druck im Durchfluss wird als relativer Druck ermittelt, wenn
das Signal in einem externen Schaltkreis verarbeitet wird, und der
Wasserstand oder dergleichen kann auf der Grundlage des ermittelten Drucks
ermittelt werden.
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Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
kann die Anschlussfunktion des Sensors 100 mit einem einfachen
Aufbau ohne zusätzliche
Anschlusselemente verwirklicht werden, da die Leitungen 30 mit dem
Umschließungsteil 42 den
Anschlussbereich 50, der mit den externen Anschlüssen verbunden
werden soll, bilden. Außerdem
ist es, da die flachen Leitungen 30 vorab in das Sensorgehäuse 20 eingefügt werden,
nicht erforderlich, die Leitungen 30 zusätzlich zu
schweißen
oder zu löten.
Daher kann mit dieser Ausführungsform
ein Halbleitersensor mit einfachem Aufbau bei niedrigen Kosten geschaffen
werden.
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Außerdem können, da
die Gehäuse 20 und 40 mittels
einer Einrastverbindung zusammengefügt werden, die Herstellungskosten
gegenüber herkömmlichen
Verfahren reduziert werden, bei denen zahlreiche Verfahrensschritte
und hohe Ausrüstungsinvestitionen
erforderlich sind, wie z. B. beim herkömmlichen Bonden oder Gesenkschmieden.
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Da
sich die flache Leitung 30 in einer Ebene mit der Ebene
befindet, die mit dem Sensorelement 10 elektrisch verbunden
ist, ist eine Leitungsform vorgesehen, die zur Bildung von Wicklungen
und daher zur Massenproduktion geeignet ist, im Gegensatz zu herkömmlichen
Leitungen, die eine komplizierte Biegestruktur aufweisen, und daher
können
die Leitungen kostengünstig
eingefügt
werden.
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Die
Leitung 30 weist eine flache Form auf, die zur Bildung
von Wicklungen geeignet ist. Die Leitung 30 muss jedoch
mit der Fläche,
die mit dem Sensorelement elektrisch verbunden wird, nicht unbedingt
exakt in einer Ebene liegen. Die Leitung 30 kann gegenüber einer
flachen Form leicht gewunden sein, solange sie als Leitungsrahmen
spiralförmig aufgerollt
werden kann. Die vorliegende Erfindung kann des weiteren für Temperatursensoren
oder Beschleunigungssensoren eingesetzt werden, die Halbleitersensorelemente
als Halbleitersensoren verwenden.