DE10146156A1 - Modulare Sensoranordnung und Verfahren zur Herstellung derselben - Google Patents

Abstract

Eine modulare Sensoranordnung umfaßt eine Unteranordnung (10), die einen Halter (11) aufweist. Der Halter (11) bildet einen Leiterplattenhohlraum (16) und einen Sensorhohlraum (19). Verbinderanschlüsse (20) erstrecken sich aus dem Innenraum des Halters (11) nach außen. Eine Leiterplatte (24) ist im Leiterplattenhohlraum (16) angeordnet, und ein Sensor (27) ist im Sensorhohlraum (19) angeordnet. Die Leiterplatte (24) ist elektrisch mit dem Sensor (27) und den Anschlüssen (20) verbunden. Der Halter (11) besitzt eine offene Oberseite (12) und eine geschlossene Unterseite (14), die derart bemessen und geformt ist, daß sie in die offene Oberseite (12) eines zweiten identischen Halters (11) paßt. Ein Deckel (22), der derart bemessen und geformt ist, daß er in die offene Oberseite (12) des Halters (11) paßt, ist eingerastet, über eine Preßpassung eingesetzt, oder auf eine andere Weise in dieser eingebaut, und ein Sensorgehäuse (32) ist um die Unteranordnung (10) herum geformt, um den Aufbau des Sensors (34) abzuschließen. Vor dem Formen des Gehäuses (32) um die Unteranordnung (10) herum, kann die Unteranordnung (10) getestet werden, um sicherzustellen, daß die richtig arbeitet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Sensoranordnungen.

Ein typisches Fahrzeug umfaßt zahlreiche Sensoren, die dazu verwendet werden, viele physikalische Parameter zu überwachen, die notwendig sind, um die richtige Arbeitsweise des Fahrzeugs und seiner Untersysteme si­ cherzustellen. Beispielsweise werden Kurbel- und Nockensensoren dazu verwendet, die Winkelbewegung der Kurbel- und Nockenwellen des Motors zu erfassen, um sicherzustellen, daß der Motor richtig läuft, d. h., daß das Zündsystem zeitlich richtig abgestimmt ist.

Typischerweise umfassen Kurbel- und Nockensensoren eines Fahrzeugs ein oder mehrere Meßelemente, eine Schnittstellenschaltung und Verbin­ deranschlüsse, die in einem Gehäuse mit einer festgelegten Geometrie eingeschlossen sind. Das Gehäuse muß die Meßelemente und die Schal­ tung vor der rauhen Umgebung schützen, in der diese Sensoren üblicher­ weise angeordnet sind. Um eine Beschädigung wegen einer Fluideinwir­ kung und mechanischer Vibration zu verhindern, muß das Gehäuse eine hermetische Abdichtung und eine starre mechanische Unterstützung für die eingeschlossenen Bauteile bereitstellen.

Bei der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, daß Leiterplatten leicht beschädigt werden können, wenn sie ungeschützt als Einsatz in einem Formungsprozeß verwendet werden. Deshalb umfaßt das üblichste Ver­ fahren zum Herstellen dieser Sensorarten, daß ein äußerer Mantel bereit­ gestellt wird, der die inneren Bauteile enthält. Der Raum innerhalb des Mantels um die inneren Bauteile herum kann mit Luft, Epoxy oder Sili­ konkautschuk gefüllt sein.

Ein einfaches Füllen des Mantelinnenraums mit Luft kann zu einem Ein­ dringen eines Fluids aufgrund eines "thermischen Pumpens" und schließ­ lich zu einem Ausfall des Sensors führen. Thermisches Pumpen ist ein Ef­ fekt, der durch Temperaturschwankungen hervorgerufen wird. Wenn die Luft im Innenraum des Sensors erwärmt wird, wird sie unter Druck ge­ setzt, und wenn es irgendwelche Kanäle zur Außenseite des Mantels gibt, entweicht die Luft aus dem Mantelinnenraum. Anschließend, wenn der Sensor abkühlt, steht die Luft im Mantelinnenraum unter einem partiellen Unterdruck und zieht Luft und irgendwelche Verunreinigungen, z. B. Fluid, das sich auf der Oberfläche des Sensors befinden kann, hinein. Mit der Zeit wird diese zyklische Wirkung viele Male wiederholt und kann zu einer bedeutenden Menge an Verunreinigungen, z. B. Fluid, führen, die in das Innere des Sensormantels hineingezogen werden.

Um thermisches Pumpen zu verhindern, kann der Innenraum des Sensors mit Epoxy oder Silikonkautschuk gefüllt werden. Bei der vorliegenden Erfindung wurde jedoch erkannt, daß das Epoxy oder der Silikonkau­ tschuk an der Oberfläche der Leiterplatte und der elektronischen Bauteile auf der Platte anhaften kann. Bei thermischen Schwankungen kann der Unterschied der Wärmeausdehnungskoeffizienten (TCE) zwischen dem Epoxy oder Silikonkautschuk und den Leiterplattenmaterialien zu einer mit Spannungen in Beziehung stehenden Beschädigung der Leiterplatte führen.

Bei der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, daß ein weiterer Nachteil der beiden obigen Verfahren die große Schwierigkeit oder gar Unmöglich­ keit ist, die angeschlossenen Sensorbauteile vor dem abschließenden Ver­ packen zu testen. Diese Unfähigkeit, die Sensorbauteile effektiv zu testen, bevor der Sensormantel verschlossen und abgedichtet wird, kann zu einer unnötigen Zeit- und Ressourcenvergeudung führen, wenn fertiggestellte Sensoren nach dem abschließenden Zusammenbau getestet und als feh­ lerhaft befunden werden.

Bei der vorliegenden Erfindung wurden diese Nachteile des Standes der Technik erkannt, und es wurden die unten offenbarten Lösungen für ei­ nen oder mehrere der Mängel des Standes der Technik geschaffen.

Eine Sensoranordnung umfaßt ein Sensorgehäuse, das um mindestens eine Sensorunteranordnung herum geformt ist. Die Sensorunteranord­ nung umfaßt einen Halter, der einen Sensorhohlraum und einen Leiter­ plattenhohlraum bildet. Mindestens ein Anschluß erstreckt sich von dem Halter nach außen. Außerdem ist ein Sensor im Sensorhohlraum ange­ ordnet, und eine Leiterplatte ist im Leiterplattenhohlraum angeordnet. Die Leiterplatte ist elektrisch mit dem Sensor und dem Anschluß verbunden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt der Halter eine offene Oberseite und eine geschlossene Unterseite, und die Sensoranordnung um­ faßt einen Deckel, der derart bemessen und geformt ist, daß er in die offe­ ne Oberseite paßt. Es ist vorzugsweise eine Beschichtung über der Leiter­ platte angeordnet. Außerdem kann die Sensoranordnung eine Metallhaut um den Halter herum umfassen. Wie es bei der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform vorgesehen ist, stellt die Metallhaut eine Abschirmung gegenüber elektromagnetischer Interferenz bereit. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Unteranordnung eine erste Unteranordnung, und die Sensoranordnung kann ferner eine zweite, auf die erste gestapelte Un­ teranordnung umfassen.

Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Ver­ fahren zum Herstellen einer Sensoranordnung, daß mindestens eine Sen­ sorunteranordnung vorgesehen wird, die einen Halter mit mindestens ei­ nem sich von diesem nach außen erstreckenden Anschluß aufweist. Ein Sensor und eine Leiterplatte werden in den Halter eingebaut und sie wer­ den miteinander verbunden. Danach wird der Halter verschlossen, und ein Gehäuse wird um die Unteranordnung herum geformt.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Mehrfach-Sensor mindestens eine erste Sensorunteranordnung, die eine offene Oberseite aufweist, und mindestens eine zweite Sensorunteranord­ nung, die eine geschlossene Unterseite aufweist. Bei diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die geschlossene Unterseite der zweiten Unter­ anordnung derart bemessen und geformt, daß sie in die offene Oberseite der ersten Unteranordnung paßt, so daß die zweite Unteranordnung oben auf die erste Unteranordnung gestapelt werden kann, um die offene Ober­ seite abzudichten. Außerdem ist ein Sensorgehäuse um die erste Unteran­ ordnung und die zweite Unteranordnung herum geformt.

Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben, in diesen zeigt:

Fig. 1 eine Ansicht von oben des Halters mit abgenommenem De­ ckel,

Fig. 2 eine vergrößerte Querschnittsansicht des Halters, wie entlang der Linie 2-2 in Fig. 1 zu sehen, wobei der Deckel in einer räumlich entfernten Beziehung zu dem Halter dargestellt ist,

Fig. 3 eine Ansicht von oben des Halters mit in diesem angeordneten inneren Sensorbauteilen,

Fig. 4 eine Querschnittsansicht des Halters entlang der Linie 4-4 in Fig. 3,

Fig. 5 eine Querschnittsansicht einer fertiggestellten modularen Sensoranordnung,

Fig. 6 eine Querschnittsansicht eines ersten Halters, der auf einen zweiten Halter gestapelt ist, und

Fig. 7 eine Querschnittsansicht einer Doppel-Sensoranordnung.

In den Fig. 1 und 2 ist eine Sensorunteranordnung gezeigt und allgemein mit 10 bezeichnet. Die Fig. 1 und 2 zeigen einen vorzugsweise aus Kunst­ stoff bestehenden, hohlen, im allgemeinen kastenförmigen Halter 11, der eine offene Oberseite 12 und eine geschlossene Unterseite 14 umfaßt. Au­ ßerdem sind in dem Halter 11 ein parallelepipedisch geformter Leiterplat­ tenhohlraum 16, ein parallelepipedisch geformter Magnethohlraum 18 und ein parallelepipedisch geformter Sensorhohlraum 19 ausgebildet. Die Fig. 1 und 2 zeigen auch mindestens einen, vorzugsweise drei, Anschlüsse 20, die sich aus dem Innenraum des Halters 11 nach außen erstrecken. Der Magnethohlraum 18 ist vom Leiterplattenhohlraum 16 durch einen erhöhten Steg 21 getrennt. Andererseits grenzt der Magnethohlraum 18 an den Sensorhohlraum 19 an, wobei eine kleine Stufe 18a zwischen die­ sen gebildet ist. Ein Deckel 22 kann die offene Oberseite 12 wie gezeigt bedecken.

In den Fig. 3 und 4 ist der Halter 11 mit in diesem angeordneten inneren Bauteilen zu sehen. Im besonderen zeigen die Fig. 3 und 4 eine Leiterplat­ te 24, die im Leiterplattenhohlraum 16 angeordnet ist, und einen Magne­ ten 26, der im Magnethohlraum 18 angeordnet ist. Ein Sensor 27, z. B., ein MR-Sensor (Magenetoresistenz-Sensor) oder ein Hall-Effekt-Sensor, ist im Sensorhohlraum 19 in Kontakt mit dem Magneten 26 angeordnet. Es ist nun festzustellen, daß die Abmessungen und Konturen der Hohlräume 16, 18, 19 durch die Form derart festgelegt sind, daß diese zu denen der jeweiligen Bauteile passen, so daß die Leiterplatte 24, der Magnet 26 und der Sensor 27 eng in ihren jeweiligen Hohlräumen sitzen. Der Magnet 26 und der Sensor 27 können separate Bauteile sein, oder sie können zu­ sammen verpackt sein.

Sobald die Leiterplatte 24 und der Sensor 27 richtig in dem Halter 11 pla­ ziert sind, wird die Leiterplatte 24 mit den Anschlüssen 20 durch mehrere Drahtverbindungen 28 verbunden. Außerdem wird die Leiterplatte 24 mit dem Sensor 27 durch mehrere Drahtverbindungen 28 verbunden. Es ist festzustellen, daß die Drahtverbindungen 28 nur ein Verfahren sind, durch das die Leiterplatte 24 mit den Anschlüssen 20 und dem Sensor 27 verbunden werden kann. Alternativ können die inneren Bauteile, d. h., die Anschlüsse 20, die Leiterplatte 24 und der Sensor 27 unter Verwendung eines Lötverfahrens oder eines ähnlichen, in der Technik allgemein be­ kannten Verfahrens verbunden werden.

Es ist einzusehen, daß die oben beschriebene Kombination von Teilen eine Unteranordnung bereitstellt, die leicht vor dem Verschließen des Halters 11 und dem Formen des Sensorgehäuses mit der Unteranordnung 10 wie unten beschrieben getestet werden kann.

Fig. 4 zeigt, daß eine weiche, anschmiegsame Beschichtung 30 in dem Halter 11 angeordnet werden kann, nachdem die inneren Bauteile wie oben beschrieben angeschlossen und getestet worden sind. Die Beschich­ tung 30 stellt eine Schicht bereit, die hilft, die Leiterplatte 24 vor Beschä­ digung zu schützen.

Nach Fig. 5 wird, nachdem die Beschichtung 30 in dem Halter 11 ange­ ordnet worden ist, der Deckel 22 über eine Preßpassung eingesetzt, einge­ schnappt, an seiner Stelle verklebt oder auf andere Weise fest in der offe­ nen Oberseite 12 des Halters 11 eingebaut. Dementsprechend ist der Hal­ ter 11 abgedichtet und in ein festes Sensorkernelement umgewandelt, und das herum ein modulares Sensorgehäuse 32 sicher geformt werden kann, so daß sich eine allgemein mit 34 bezeichnete, fertiggestellte Sensoran­ ordnung ergibt, die eine vorbestimmte äußere Geometrie von beinahe jeder Form aufweisen kann. Es ist ferner festzustellen, daß das oben erwähnte "thermische Pumpen" reduziert ist, da die Wahrscheinlichkeit niedrig ist, daß sich ein Meiner Kanal, der sich in dem Halter 11 bilden könnte, mit einem anderen Kanal durch das Gehäuse 32 hindurch verbindet. Mit dem durch den Halter 11 geschützten Arbeitsbauteilen kann das Gehäuse 32 mit relativ hohen Spritzdrücken geformt werden, wodurch die Wahr­ scheinlichkeit verringert wird, daß sich kleine Luftkanäle in dem Gehäuse 32 bilden.

Fig. 6 zeigt eine allgemein mit 40 bezeichnete Doppel-Sensorunteranord­ nung, die eine erste Sensorunteranordnung 42 umfaßt, auf der eine zweite Sensorunteranordnung 44 gestapelt ist. Jede Sensorunteranordnung 42, 44 ist im wesentlichen identisch wie die in den Fig. 1 bis 4 gezeigte Unter­ anordnung 10. Erfindungsgemäß paßt die Unterseite 46 der zweiten Sen­ sorunteranordnung 44 eng in die offene Oberseite 48 der ersten Sensor­ unteranordnung 42, um die erste Sensorunteranordnung 42 zu verschlie­ ßen und abzudichten. Wie es in Fig. 6 zu sehen ist, ist ein Deckel 50 in der offenen Oberseite 52 der zweiten Sensorunteranordnung 44 angeord­ net, um die zweite Sensorunteranordnung 44 zu verschließen und abzu­ dichten. Danach kann eine Metallhaut 54 um die Doppel-Sensorunter­ anordnung 40 herum angeordnet werden, indem z. B. ein Elektroplattier­ verfahren oder irgendein anderes ähnliches, allgemein in der Technik be­ kanntes Verfahren verwendet wird. Es ist festzustellen, daß die Metallhaut 54 elektrisch mit dem Masseanschluß verbunden und von den anderen Anschlüssen isoliert ist. Es ist auch festzustellen, daß die Metallhaut 54 als eine elektromagnetische Abschirmung dient, die einen verbesserten Schutz vor elektromagnetischer Interferenz (EMI) bereitstellt. Alternativ kann die Oberfläche des Innenraums jeder Sensorunteranordnung 42, 44 wie oben beschrieben metallisiert werden, um den EMI-Schutz bereitzu­ stellen.

Nach Fig. 7 wird ein Doppel-Sensorgehäuse 56 um die Doppel-Sensorun­ teranordnung 40 herum geformt, um eine Doppel-Sensoranordnung, die allgemein mit 58 bezeichnet ist, z. B. eine Doppel-MR-Sensoranordnung, zu schaffen. Es ist zu verstehen, daß die Metallhaut 54 abhängig von der Anwendung, in der der Doppel-Sensor 58 verwendet wird, von dem Dop­ pel-Sensor 58 weggelassen werden kann. Zusätzlich ist festzustellen, daß abhängig von der Anwendung viele Sensorunteranordnungen übereinan­ der gestapelt werden können, bevor ein Sensorgehäuse um diese herum geformt wird.

Es ist festzustellen, daß mit der oben beschriebenen konstruktiven Aus­ gestaltung die Sensoranordnung und das Verfahren zum Herstellen der­ selben einen Sensor bereitstellen, der nicht den Risiken ausgesetzt ist, die zu thermischem Pumpen gehören. Außerdem kann der oben offenbarte Sensor recht einfach vor dem abschließenden Verpacken des Sensors, d. h. vor dem Formen des Gehäuses um die Unteranordnung herum, getestet werden. Zusätzlich vereinfacht die modulare Natur der oben offenbarten Sensorunteranordnung die Herstellung von Mehrfach-Sensoranordnungen stark, wenn diese für eine besondere Anwendung erforderlich sind.

Es ist auch festzustellen, daß ein im Singular genanntes Element nicht "nur ein einziges" bedeuten soll, es sei denn es ist explizit so festgestellt, sondern vielmehr "eines oder mehrere".

Zusammengefaßt umfaßt eine modulare Sensoranordnung eine Unteran­ ordnung 10, die einen Halter 11 aufweist. Der Halter 11 bildet einen Lei­ terplattenhohlraum 16 und einen Sensorhohlraum 19. Verbinderan­ schlüsse 20 erstrecken sich aus dem Innenraum des Halters 11 nach au­ ßen. Eine Leiterplatte 24 ist im Leiterplattenhohlraum 16 angeordnet, und ein Sensor 27 ist im Sensorhohlraum 19 angeordnet. Die Leiterplatte 24 ist elektrisch mit dem Sensor 27 und den Anschlüssen 20 verbunden. Der Halter 11 besitzt eine offene Oberseite 12 und eine geschlossene Untersei­ te 14, die derart bemessen und geformt ist, daß sie in die offene Oberseite 12 eines zweiten identischen Halters 11 paßt. Ein Deckel 22, der derart bemessen und geformt ist, daß er in die offene Oberseite 12 des Halters 11 paßt, ist eingerastet, über eine Preßpassung eingesetzt, oder auf eine an­ dere Weise in dieser eingebaut, und ein Sensorgehäuse 32 ist um die Un­ teranordnung 10 herum geformt, um den Aufbau des Sensors 34 abzu­ schließen. Vor dem Formen des Gehäuses 32 um die Unteranordnung 10 herum, kann die Unteranordnung 10 getestet werden, um sicherzustellen, daß sie richtig arbeitet.

Claims (13)

1. Sensoranordnung, umfassend:
ein Sensorgehäuse (32, 56), das um mindestens eine Sensor­ unteranordnung (10, 42, 44) herum geformt ist, wobei die Sensor­ unteranordnung umfaßt:
einen Halter (11), der einen Sensorhohlraum (19) und einen Leiterplattenhohlraum (16) aufweist,
mindestens einen Anschluß (20), der sich aus dem Halter (11) nach außen erstreckt,
mindestens einen Sensor (27), der im Sensorhohlraum (19) angeordnet ist, und
mindestens eine Leiterplatte (24), die im Leiterplattenhohl­ raum (16) angeordnet ist, wobei die Leiterplatte (24) elektrisch mit dem Sensor (27) und dem Anschluß (20) verbunden ist.

2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter (11) eine offene Oberseite (12) und eine geschlossene Un­ terseite (14) umfaßt, und daß die Sensoranordnung ferner einen De­ ckel (22) umfaßt, der derart bemessen und geformt ist, daß er in die offene Oberseite (12) paßt.

3. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese eine Beschichtung (30) umfaßt, die über der Leiterplatte (24) angeordnet ist.

4. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese eine Metallhaut (54) um den Halter (11) herum umfaßt, um ei­ ne Abschirmung gegenüber elektromagnetischer Interferenz bereit­ zustellen.

5. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unteranordnung (10) eine erste Unteranordnung ist, und daß die Sensoranordnung ferner eine zweite, auf die erste gestapelte Un­ teranordnung umfaßt.

6. Verfahren zum Herstellen einer Sensoranordnung mit den Schritten, daß:
mindestens eine Sensorunteranordnung (10, 42, 44) bereitge­ stellt wird, die einen Halter (11) mit mindestens einem Anschluß (20) aufweist, der sich von diesem nach außen erstreckt,
ein Sensor (27) und eine Leiterplatte (24) in den Halter (11) eingebaut werden,
die Leiterplatte (24) mit dem Anschluß (20) und dem Sensor (27) verbunden wird,
der Halter verschlossen wird (11), und
ein Gehäuse (32, 56) um die Unteranordnung (10, 42, 44) herum geformt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Unteranordnung (10, 42, 44) getestet wird, bevor das Gehäuse (32, 56) um die Unteranordnung (10, 42, 44) herum geformt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Beschichtung (30) über der Leiterplatte (24) angeordnet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Metallhaut (54) um den Halter (11) herum angeordnet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorunteranordnung (10, 42, 44) eine erste Unteranordnung ist, und daß das Verfahren ferner umfaßt, daß die zweite Unteran­ ordnung auf die erste gestapelt wird.

11. Mehrfach-Sensoranordnung, umfassend:
mindestens eine erste Sensorunteranordnung (42), die eine of­ fene Oberseite (48) aufweist,
mindestens eine zweite Sensorunteranordnung (44), die eine geschlossene Unterseite (46) aufweist, wobei die geschlossene Un­ terseite (46) der zweiten Unteranordnung (44) derart bemessen und geformt ist, daß sie in die offene Oberseite (48) der ersten Unteran­ ordnung (42) paßt, so daß die zweite Unteranordnung (44) oben auf die erste Unteranordnung (42) stapelbar ist, und
ein Sensorgehäuse (56), das um die erste Unteranordnung (42) und die zweite Unteranordnung (44) herum geformt ist.

12. Mehrfach-Sensoranordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Unteranordnung (44) eine offene Oberseite (52) aufweist, und daß die Sensoranordnung ferner einen Deckel (50) umfaßt, der in der offenen Oberseite (52) der zweiten Unteranordnung (44) ange­ ordnet ist.

13. Mehrfach-Sensoranordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Haut (54) um die erste Unteranordnung (42) und die zweite Un­ teranordnung (44) herum angeordnet ist.