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Die
Erfindung betrifft ein Gassensormodul, das insbesondere in der Klimaanlage
eines Kraftfahrzeuges einsetzbar ist. Derartige Gassensormodule dienen
insbesondere zum Nachweis von CO2 oder anderen
Gasen, um zum einen eine mögliche
Leckage von als Kühlmittel
verwendetem Kohlendioxid nachzuweisen und zum anderen die Qualität der Raumluft
zu überprüfen bzw.
durch Steuerung der Umlaufklappe in Abhängigkeit des CO2-Gehalts der Luft
zu regeln.
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Viele
zur Zeit bekannte Gesamtkonzepte von Gassensoren, insbesondere CO2-Sensoren,
beruhen auf dem Prinzip, dass ein optischer Detektor, eine IR-Strahlenquelle,
ein ASIC und diverse passive Bauelemente auf einer Leiterplatte
verlötet
sind. In der Regel befinden sich diese Bauteile bzw. – elemente
gesamt oder auch nur zum einem Teil unmittelbar im Raum der zu messenden
Gaskonzentration und sind somit den herrschenden Umgebungsbedingungen
ausgesetzt.
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Als
Detektoren werden insbesondere Thermopile-Sensoren verwendet, welche
in der Regel in metallischen Gehäusen
z. B. der TO-Bauform verbaut sind. Diese werden in Durchstecktechnik
auf einer Leiterplatte montiert und durch Schwalllöten gelötet. Weiterhin
gibt es Detektoren auf der Basis von Premold-Gehäusen aus Kunststoff, welche üblicherweise
durch Reflowlöten
auf Leiterplatten gelötet werden.
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Bei
preiswerten IR-Stahlenquellen handelt es sich üblicherweise um bedrahtete
Miniaturlämpchen,
welche als Bauelement mit Kunststoffsockel in Standard-Montage-Technik
(SMT) oder als bedrahtete Glasküvetten
auf einer Leiterplatte in o.g. Verfahren verlötet werden.
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Die
anwendungsspezifischen Schaltungen (ASIC) sind meist in standardisierten
Kunststoffgehäusen
verpackt. Entwickelt diese Schaltung z. B. zum Treiben der Glühlampe eine
große
Verlustleistung, müssen
Gehäuse
mit integrierter Wärmesenke verwendet
werden. Diese Gehäuseform
ist in der Herstellung aufwendig und macht diese Gehäuse sehr
teuer.
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Um
einen Gassensor in einer Kfz-Klimaanlage zu platzieren, muss dieser
den extremen Umweltanforderungen in Kraftzeugen, z. B. hohe Temperaturunterschiede,
hohe Fechte, starke Vibration, etc., standhalten können. Dies
ist bei Systemen, bei denen zumindest ein Teil der Leiterplatte
mit ihren Bauteilen und -elementen dem zu messenden Medium (Gas)
ausgesetzt ist, sehr schwierig, da eine Belackung der Leiterplatte
oder einer gesamten Passivierung bei optischen Systemen in der Regel
nicht oder nur mit sehr großem
Aufwand und hohen Kosten möglich
ist.
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Weiterhin
können
bei Fahrzeugen auftretende Medien, z. B. Feuchte, Diesel- oder Benzindämpfe, Reinigungsmittel,
etc., zur Korrosion von offenliegenden elektrischen Kontakten, z.
B. Einpresskontakten, Lötstellen,
Leiterplattenmetallisierungen führen.
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Das
erfindungsgemäße Gassensormodul und
das Verfahren zu seiner Herstellung weisen demgegenüber einige
Vorteile auf.
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Das
erfindungsgemäße Gassensormodul weist
ein Sensorgehäuse
aus einem Gehäuseträger mit
einer Kavität
und metallischen Einlegeteilen sowie einem beidseitig bestückten Substrat
auf, das in die Kavität
eingesetzt und gleichzeitig z. B. über kalte Kontaktiertechnik,
d.h. ohne Heißlöten, kontaktiert wird.
Das Substrat ist hierbei auf seiner von dem Sensorgehäuse weg
zeigenden Oberseite mittels Chip-on-Board (COB)-Technologie bestückt, in
der Chips – unter
anderem die mikrostrukturierte Gassensoranordnung und z. B. der
ASIC, Mikrocontroller und gegebenenfalls ein EEPROM und andere Steuerchips – direkt
aufgeklebt und über
Drahtbonds kontaktiert werden. In die Gehäusekavität kann nunmehr ein Passivierungsmittel
eingefüllt
werden, das die Unterseite des Substrates mit den dort montierten Bauelementen
vollständig
bedeckt und auch die Oberseite des Substrates bedeckt, jedoch zumindest die
Oberflächen
der für
die spektroskopische Gasmessung verwendeten Bauelemente frei lässt. Zur genauen
Festlegung der Füllhöhe und um
ein Überkriechen
der Gehäusekavität sicher
zu verhindern, kann im Gehäuseträger am Rand
der Kavität
eine umlaufende, redundante Gelstoppkante ausgebildet sein. Somit
sind den Umwelteinflüssen
direkt z. B. nur noch der Lampenkörper selbst und die im optischen
Detektor befindlichen Oberflächen
der verwendeten Filterchips ausgesetzt.
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Vorteilhafterweise
kann das Substrat – z.
B. eine Leiterplatte – mittels
ihrer Einspresshülsen
auf Einpresspins des Gehäuseträgers aus
Kunststoff eingepresst werden. Durch diese Einpresstechnik wird die
Leiterplatte mechanisch befestigt und gleichzeitig elektrisch mit
metallischen Einlegeteilen kontaktiert, die in das Kunststoffmaterial
des Gehäuseträgers eingespritzt
sind. In der Leiterplatte sind hierzu Hülsen, d.h. metallische bzw.
metallisierte Bohrungen zur Aufnahme der Einpresspins vorgesehen;
diese Art der Verbindung ist sehr preisgünstig, sehr zuverlässig und
benötigt
keine thermischen Prozesse. Mögliche
Kleinstspäne,
welche beim Einpressen entstehen können, werden durch das umgebende
Passivierungsmaterial fixiert und können somit keine elektrischen
Kurzschlüsse
oder anderweitige elektrische Effekte auslösen.
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Die
Glühlampe
als SMD und die restlichen passiven Bauelemente werden vorab mittels SMT-Verfahren
auf die Unterseite der Leiterplatte gelötet. Dieser Aufbau gewährleistet
auch die optimalen Trennung von COB-Prozessen (Oberseite) zu den SMT-Prozessen
auf der Unterseite. Die thermische Anbindung des einer stärkeren Wärmeentwicklung unterworfenen
ASICs erfolgt vorzugsweise über
thermische VIAs in der Leiterplatte und thermisch leitfähigen Klebstoff
(oder einer Wärmeleitpaste)
sowie einen im Gehäusekunststoff
eingelassenen Kühlkörper.
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Zusätzlich sind
im Gehäuseträger je nach Ausbauvariante
des Sensorsystems ein schneller Temperatursensor und/oder ein kapazitiv
messender Feuchtesensor integriert, vorzugsweise außerhalb der
Kavität
mit dem Passivierungsmittel. Dabei kann ein bedrahteter Temperatursensor über die Schneid-Klemm-Technik
montiert werden, der z. B. kapazitiv messende Feuchtesensor wird
mittels Leitkleber auf dafür
vorgesehene metallische Einlegeteile des Kunststoffträgers kontaktiert.
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Nach
der Aushärtung
des Passivierungsmaterials wird zunächst auf vorgesehenen Blendenauflagen
eine als Apertur dienende Blende geklebt oder mit dem Gehäusekunststoff
heißverstemmt
und anschließend
ein Kunststoffreflektor mit reflektierender Innenbeschichtung auf
dem Träger
derart befestigt, dass die von der Miniaturlampe ausgesandte Strahlung
auf die entsprechenden Blendenöffnungen
fokussiert wird. Indem die Befestigung des Reflektors mittels Laserdurchstrahlschweißen (LDS)
erfolgt, kann der Prozess sehr schnell durchgeführt werden und den Reflektor
mit dem Gehäuseträger sicher
abdichten. Das LDS gewährt
eine hohe Zuverlässigkeit, erzeugt
dichte Verbindungen und ist sehr preiswert, da keine Klebstoffe
oder ähnliche
Zusatzstoffe benötigt.
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Beim
Anbringen, z. B. Kleben der Blende ist eine elektrisch aktive Justage
der Blende zum Chip möglich
(„active
alignment"), d.h.
unter Verwendung von z. B. senkrecht einfallender IR-Strahlung kann die
Blende aktiv so lange verschoben werden, bis die Blendenöffnung ideal
zum Thermopile-Chip
ausgerichtet ist und ein maximales Signal erzielt wird.
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Auch
die exakte Ausrichtung des Reflektors zur Miniaturlampe, den Blendenöffnungen
und dem Detektor kann aktiv, d.h. bei funktionalem System erfolgen
(„active
alignment"). Hiermit
können
größere Fertigungstoleranzen
des Reflektors korrigiert werden. Hierzu wird nach der Passivierung
der Leiterplatte und der Montage der Blende zumindest der ASIC mit
Miniaturlampe und Thermopile-Sensor in Betrieb genommen, und nachfolgend
der Reflektor durch ein Werkzeug im Bereich der Montierbarkeit, d.h.
im Rahmen der zugelassenen Toleranzen, so weit verschoben und korrigiert,
bis die am Detektor ankommende Strahlungsleistung und somit das Mess-Signal
maximal ist. Danach wird die mechanische Verbindung zum Kunststoffträger mittels
LDS schnell und sicher hergestellt.
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Der
Reflektor ist im Inneren reflektierend beschichtet, z. B. mit Al
oder Au, aber nicht im Schweißbereich.
Er besitzt seitliche Öffnungen,
auf denen z. B. poröse
Membrane zum Gasaustausch montiert, z. B. geklebt oder ultraschallgeschweißt sind.
Die reflektierende Innenbeschichtung schützt zusätzlich vor dem Einfluss von
möglicher
Fremdstrahlung.
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Da
das zur Messung benötigte
Gasvolumen innerhalb des Reflektors sehr definiert und klein ist, werden Änderungen
in der Gaskonzentration sehr schnell detektiert. Das Ansprechverhalten
des Sensors ist somit sehr hoch. Es sind aufgrund der Gelpassivierung
der Leiterplatte auch keine Totvolumina vorhanden, welche sich mit
Gas füllen
könnten
und das Ansprechverhalten des Sensors negativ beeinflussen könnten.
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Da
die statische Diffusion einer Gaskonzentration durch poröse Membranen
sehr langsam ist, wird der Sensor vorteilhafterweise direkt in einem Strömungskanal
einer Klimaanlage integriert. Dadurch wird die Gasdiffusion stark
beschleunigt. In Ergänzung
zur Messung des Gasanteils einer Strömung können über zusätzlich integrierte Sensoren auch
die relative Luftfeuchte und die Temperatur der Strömung sehr
schnell ermittelt werden. Somit kann das erfindungsgemäße Sensormodul
alleine die Steuerung der Klimaanlage regeln, da die drei wichtigsten
Messgrößen Temperatur,
relative Feuchte und CO2-Gehalt der Luft in dem Sensormodul gemessen
werden können.
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Es
wird erfindungsgemäß ein Medien-
und feuchteresistenter Gassensor für die Anwendung in automobilen
Klimaanlagen geschaffen, bei dem vorzugsweise alle Chips „bare die" in COB-Technologie und
alle anderen Bauelemente in SMT-Technologie bestückt werden, wobei COB-Prozess
und SMT-Prozess lokal getrennt auf unterschiedlichen Seiten einer
gemeinsamen Leiterplatte stattfinden. Es ergeben sich insbesondere
weitere folgende Vorteile:
Es wird ein hoher Schutz vor störenden Umwelteinflüssen durch
die Passivierung nahezu aller Bauelemente, mit Ausnahme des Glaskörpers der
Glühlampe
und der Filterchipoberflächen
erreicht und eine kleinstmögliche
Leiterplattengröße sowie
Systembaugröße durch
Wegfall der Chipgehäuse
erzielt. Das Ansprechverhalten ist durch einen definierten kleinen
Messraum ohne „Totvolumen" und durch Direktbeströmung mit
dem zu messenden Gas innerhalb eines Kanals sehr schnell. Die „bare die" Montage in COB-Technologie aller
Chips ermöglicht
eine ausgesprochen miniaturisierte Bauform der Leiterplatte und
damit des Gesamtsystems, wobei durch die miniaturisierte Ausführungsform
sich die Ansprechzeiten verbessern, d.h. der Sensor wird sehr schnell.
Durch die miniaturisierten Ausführungsform können auch
Herstell- und Fertigungskosten gespart werden.
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Die
Toleranzen zwischen SMT-Lampe und Thermopile-Chip sind geringer,
als wenn der Thermopile-Chip als Detektor in einem Gehäuse gelötet wird.
Da keine einzelnen Gehäuse
für die
Chips notwendig sind, können
Herstell- und Materialkosten (Gehäusekosten) gespart werden.
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Der
ASIC weist aufgrund der Lampensteuerung eine starke Wärmeentwicklung
auf; es wird jedoch eine sehr gute thermische Anbindung des ASICs
durch die COB-Technologie an die Leiterplatte und eine gute Wärmeabfuhr über thermische
VIAs und den thermisch angekoppelten Kühlkörper mit Zugang zur Strömung erreicht.
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Extrem
kurze Signalpfade zwischen dem Thermopile-Chip und dem ASIC aufgrund
der nahen Lage zueinander und die minimale Anzahl von Kontaktpunkten
(z. B. nur zwei Bondkontakte) reduzieren den Einfluss von elektrischen
Störsignalen
auf die relativ geringen Thermospannungen. Grundsätzlich ist auch
eine Chip zu Chip Kontaktierung mit Bonddrähten möglich.
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Die
Bestückung
mehrerer Thermopile-Sensoren ermöglicht
die simultane Detektion bzw. Messung verschiedener Gaskonzentrationen.
Bei Anbringung einer relativ großen metallischen Blende ist
ein guter EMV-Schutz des Gesamtsystems durch elektrische Ankopplung
der Blende an die Masse möglich. Dazu
werden mittlere metallische Einlegteile verwendet, welche mittels
Leitklebstoff die Blende kontaktieren.
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Die
EPT (kalte Kontaktierung) der Leiterplatte hat eine hohe Zuverlässigkeit
und geringe Kosten. Ein mögliche
Spannbildung bei der EPT wird durch das Passivierungsmaterial fixiert.
Somit kann ein „Wandern" von Flittern und
Spänen
sicher verhindert werden.
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Es
werden vorzugsweise nur sehr kurze und einfach gestaltete Einlegeteile
in das Kunststoffmaterial des Gehäuseträgers eingespritzt. Somit ist
eine einfache Herstellbarkeit gewährleistet. Bei Verwendung von
hydrolysestabilisierten Kunststoffen für den Gehäuseträger des Sensorgehäuses wird
die Automotive-Tauglichkeit erhöht.
Außerhalb
eines Strömungskanals
benötigt
der Sensor fast keinen Bauraum.
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Da
erfindungsgemäß keine Überbelastung des
Passivierungsgels nach dem Verguss durch hohe Temperaturen aus Lötprozessen
erfolgen kann, tritt eine geringere Delaminationsneigung und Blasenbildung
im Passivierungsgel auf.
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Indem
geeignete, wenig kostenaufwändige Zusatzfunktionen
am Träger
integriert werden, z. B. schnelle Temperatursensoren und/oder Feuchtesen soren,
können
Multifunktionssensoren zur Klimasteuerung kostengünstig hergestellt
werden.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen
an einigen Ausführungsformen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 bis 17 ein
Gassensormodul gemäß einer
ersten Ausführungsform
mit einem zweikanaligen Thermopile-Chip:
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1 ein
Gassensormodul im Querschnitt bzw. teilweiser Durchsicht;
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2 eine
Detaildarstellung der auf der Leiterplatte montierten spektroskopischen
Sensorchipanordnung aus 1;
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3 eine
Seitenansicht des Sensormoduls aus 1, 2;
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4 bis 8 die
Montage des Sensormoduls:
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4 eine
Durchsicht von oben auf das Sensorgehäuse mit Metall-Einlegeteilen;
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5 eine
Draufsicht auf das Sensorgehäuse
mit eingepresster, COB-bestückter
Leiterplatte;
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6 eine
der 5 entsprechende Draufsicht nach Passivieren der
Leiterplatte;
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7 eine
der 5 entsprechende Draufsicht nach der Montage der
Blende;
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8 eine
Draufsicht des fertiggestellten Sensormoduls nach Montage des Reflektors,
wobei dessen Grundfläche
schraffiert dargestellt ist;
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9a, b eine Draufsicht (a) und eine Seitenansicht
(b) auf die linke, sensitive Seite des fertiggestellten Sensormoduls;
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10 eine
Unteransicht des Sensormoduls;
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11 eine
Ansicht des Sensormoduls von der Steckerseite her mit beispielhafter
Darstellung von vier Pins;
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12 eine
der 11 entsprechende Ansicht des Sensormoduls von
der sensitiven Seite im Querschnitt durch den Bereich des kapazitiv
messenden Feuchtesensorchips;
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13 eine
weitere Ansicht des Sensormoduls von der sensitiven Seite im Querschnitt
durch den Bereich der Sensormitte, etwa im Bereich des Mikrocontrollers;
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14 eine
weitere Ansicht des Sensors von der sensitiven Seite im Querschnitt
durch den Bereich der zweikanaligen spektroskopischen Sensorchipanordnung;
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15 eine
weitere Ansicht des Sensors von der sensitiven Seite im Querschnitt
durch den Bereich des ASICs und des darunter befindlichen Kühlkörpers;
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16 eine
Einbauanordnung des Sensormoduls in einem Strömungskanal einer Klimaanlage in
Draufsicht;
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17 die
Einbauanordnung des Sensormoduls aus 16 im
Querschnitt;
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18, 19 ein
Sensormodul gemäß einer
weiteren Ausführungsform
mit zwei gegenläufig angeordneten
zweikanaligen Thermopile-Chips:
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18 eine
Draufsicht auf das Gehäuse
mit eingepresster Leiterplatte, die auf ihrer Oberseite mit zwei
Thermopile-Chips COB-bestückt
ist;
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19 die
Draufsicht auf das Sensormodul aus 18 nach
der Passivierung und der Montage einer Vier-Loch-Blende;
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20, 21 eine
weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Sensormoduls
mit einem zweikanaligen Thermopile-Chips, mit Ankopplung der Blende an
die Masse als EMV-Schutz:
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20 Durchsicht
von oben auf das Sensorgehäuse
mit Metall-Einlegeteilen,
wobei die elektrischen Kontaktflächen
der Blende zur Leiterplatte hin mit Einpresspins versehen sind;
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21 eine
Draufsicht auf das Sensormodul aus 20 nach
der Passivierung und der Montage der großen, an die Masse ankoppelbaren
Blende.
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Ein
Sensormodul 1 weist gemäß z. B. 1, 3,4 und 5 ein
Sensorgehäuse 2 auf, das
einen Gehäuseträger 4 aus
Kunststoff mit eingegossenen metallischen Bauteile aufweist. Der
Gehäuseträger 4 weist
an der vorderen, in 3, 4 linken
Seite einen flachen, im Wesentlichen rechtwinkligen Bereich 4a zur
Aufnahme einer Leiterplatte 5 mit einer Sensoranordnung
und zum Einsatz in einen Klimakanal bzw. Luftschacht, rechts anschließend hiervon
eine umlaufende Dichtringaufnahme 4b zur Aufnahme eines
Dichtringes bzw. O-Ringes, hiervon rechts anschließend einen
Flanschbereich 4c bzw. Laschenbereich mit Befestigungslöchern 6, und
rechts hieran anschließend
eine Steckerbuchse 8 mit Widerhaken 9 auf. In
dem vorderen, flachen Bereich 4a ist eine Kavität 10 zur
Aufnahme der beidseitig bestückten
Leiterplatte 5 ausgebildet, wobei die Kavität 10 von
einer oder zwei umlaufenden Gelstoppkanten 11 begrenzt
ist. Innerhalb der Gelstoppkanten 11 und in der Kavität 10 sind
Leiterplatten-Auflagen 12 als flache Schulterbereiche des
Gehäuseträgers 4 ausgebildet,
die eine Aufnahme der beidseitig bestückten Leiterplatte 5 in
der Kavität 10 ermöglichen,
wie weiter unten beschrieben wird. Außerhalb der Kavität 10 sind
Blendenauflagen 14 als flache Bereiche des Gehäuseträgers 4 ausgebildet.
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In
dem Gehäuseträger 4 sind
metallische Einlegeteile 16 eingegossen, die sich in Längsrichtung
von der Steckerbuchse 8 zu der hinteren, in 4 rechten
Leiterplatten-Auflage 12 erstrecken und dort als Einpress-Pins 16a vertikal
hervorstehen zur Aufnahme der Leiterplatte 5 und entsprechend
in der Steckerbuchse 8 seitlich hervorstehende Steckerpins 16b bilden.
Weiterhin ist in dem Gehäuseträger 4 ein
Kühlkörper 20 eingegossen,
der sich gemäß 1, 4 vertikal
durch den Gehäuseträger 4 erstreckt,
mit seiner Oberseite in der Kavität 10 freiliegt zur
Aufnahme der Leiterplatte 5 und an seiner Unterseite als
Kühlstern
mit großer
Oberfläche
aus dem Gehäuseträger 4 nach
unten herausragt. Weiterhin sind weitere metallischen Einlegeteile 22, 23, 24 in
den Gehäuseträger 4 eingegossen,
die an einem Ende in den Leiterplattenauflagen 12 als Einpress-Pins 22a, 23a, 24a für die Leiterplatte 5 und
an ihrem anderen Ende 23b, 24b als Schneidklemmen dienen.
Weitere metallische Einlegeteile 25 enden mit einem Ende
als Einpress-Pins 25a in einer Leiterplatteauflage und
mit ihrem anderen Ende in einer Kavität 28 für einen
Feuchtesensor, wie nachfolgend beschrieben wird.
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Die
Leiterplatte 5 wird auf ihrer Oberseite 5a mittels
Chip-On-Board (COB)-Technologie und auf ihrer Unterseite 5b mittels
Standardmontagetechnik (SMT) bestückt. Auf der Oberseite 5a ist
gemäß der Detailansicht
der 2 eine zweikanalige, durch OMM (Oberflächenmikromechanik)
mikrostrukturierte, spektroskopische Sensorchipanordnung 32 befestigt,
die als Chip-Stapel mit einem Thermopile-Chip 33, einem
Kappenchip 34 und zwei Filterchips 35, nämlich 35a und 35b,
ausgebildet ist. Hierbei sind auf der Oberseite des Thermopile-Chips 33 unterhalb
der beiden Filterchips 35a, b jeweils eine Messstruktur
ausgebildet, die eine Membran 36 oberhalb einer Kavität 37 aufweist.
Auf der Membran 36 sind mindestens zwei kontaktierte Leiterbahnen 38 aus
elektrisch leitfähigen
Materialien mit unterschiedlichem Seebeck-Koeffizienten, z. B. polykristallinem
Silizium und Aluminium, aufgetragen, die sich von der Mitte der
Membran 36 bis in das Bulkmaterial des Thermopile-Chips 33 erstrecken.
Auf den Leiterbahnen 38 ist eine Absorberschicht 39,
z. B. ein Metalloxid, aufgetragen, das Infrarot-Strahlung absorbiert.
Oberhalb der Absorberschicht 39 ist auf der Unterseite
des Kappen-Chips 34 eine
weitere Kavität 40 ausgebildet;
in den Kavitäten 37, 40 ist
ein Vakuum ausgebildet, so dass die Leiterbahnen 38 und
die Absorberschicht 39 auf der dünnen Membran 36 thermisch
isoliert sind. Der Kappenchip 34 ist auf dem Thermopile-Chip 33 über eine
vakuumdichte Sealglas-Verbindung 42 befestigt,
so dass die Kavität 40 nach
außen
vakuumdicht verschlossen ist. Auf der Oberseite des Filterchips 34 sind
die optischen Filterchips 35 über optisch transparenten Klebstoff 44 befestigt.
Der Thermopile-Sensor 32 ist als solches bekannt; von oben
auftreffende Infrarot- Strahlung
wird in den optischen Filterchips 35 in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen
gefiltert, wobei die durchgelassenen IR-Wellenlängenbereiche durch die Schicht aus
optisch transparentem Klebstoff 44 in den für IR-Strahlung
weitestgehend transparenten Kappenchip 34, durch die Kavität 40 und
auf die Absorberschicht 39 gelangen, die sich entsprechend
der auftreffenden IR-Strahlung erwärmt, so dass die kontaktierten
Leiterbahnen 38 sich ebenfalls erwärmen und aufgrund ihrer unterschiedlichen
Seebeck-Koeffizienten
eine Mess-Spannung, die sogenannte Thermospannung, ausbilden.
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Der
Thermopile-Chip 33 ist mittels einer Chipklebstoff-Schicht 46 direkt
auf die Oberseite 5a der Leiterplatte geklebt. Die Leiterbahnen 38 sind über Drahtbonds 48 mit
entsprechenden Leiterbahnen auf der Oberseite 5a der Leiterplatte 5 kontaktiert.
Neben dem Thermopile-Chip 33 sind auf der Oberseite 5a der
Leiterplatte 5 noch weitere Chips, nämlich ein Mikrocontroller-Chip 50,
ein EEPROM, 52, ein ASIC 54 und ein LIN- Steuerchip 54 einen fahrzeuginternen
seriellen LIN-Bus in COB-Technologie montiert, d. h. über Chipklebstoff-Schichten 46 direkt
auf die Oberseite 5a geklebt und über Drahtbonds 48,
z. B. aus Al, mit der Leiterplatte 5 kontaktiert.
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Da
der ASIC 54 eine hohe Wärmeentwicklung
aufweist, wird der durch den Kühlkörper 20 gekühlt. Hierzu
sind durch die Leiterplatte 5 thermische VIA 55 geführt, die
den auf der Oberseite 5a der Leiterplatte 5 befestigten
ASIC 54 thermisch an den an der Unterseite 5b der
Leiterplatte 5 befestigten Kühlkörper 20 mittels thermisch
leitender Kontaktmaterialien ankoppeln.
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Auf
der Unterseite 5b der Leiterplatte 5 sind in Standardmontage-Technik verschiedene
passive Bauelemente 57, 58, 59 angebracht,
indem sie jeweils in ihren metallischen Kontaktflächen 60 aufgenommen
sind, die wiederum mittels Lot 62 – oder einem entsprechenden
Klebstoff – an
der Unterseite 5b befestigt und entsprechend kontaktiert
sind.
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Die
COB-montierten Chips 33, 50, 52, 54, 56 können grundsätzlich auch
mittels der Drahtbonds 48 direkt miteinander, d. h. über Chip-to-Chip-Verbindungen, kontaktiert
werden.
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Weiterhin
ist als IR-Strahlungsquelle eine Miniaturlampe 64 in einen
Lampensockel 66 aus z. B. einem Kunststoff- oder Keramikmaterial
gesetzt und von unten durch eine Öffnung 68 in der Leiterplatte 5 gesetzt,
so dass die Miniaturlampe 64 mit einem oberen Teil des
Lampensockels 66 aus der Oberseite 5a herausragt.
Die Lampenanschlüsse 70 werden
wiederum an der Unterseite 5b der Leiterplatte 5 über Lot 62 kontaktiert.
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Die
bestückte
Leiterplatte 5 weist Einpress-Löcher 72 auf, mit der
sie in die nach oben vorstehenden Einpress-Pins 16a , 23a, 24a und 25a der metallischen
Einlegeteile 16, 22, 23, 24 und 25 eingepresst
wird, wodurch eine kalte Kontaktiertechnik zur Aufnahme der Leiterplatte 5 und
ihrer Kontaktierung mit der Steckerbuchse 8 sowie weiteren
im Sensorgehäuse 2 vorgesehenen
Bauelementen erreicht wird. Bei der gezeigten Ausbildung des Sensormoduls 1 als
Multifunktions-Sensormodul 1 ist zusätzlich ein kapazitiver Feuchtesensor 80 in
der Kavität 28 des
Gehäuseträgers 4 eingesetzt,
der über
die metallischen Einlegeteile 25 mit der Leiterplatte 4 kontaktiert
ist; weiterhin ist als Temperatur-Sensor ein bedrahteter Thermistor 82 in
Schneid-Klemm-Technik zwischen
die Schneidklemmen 23b der metallischen Einlegeteile 23, 24 eingesetzt
und somit mit der Leiterplatte 4 kontaktiert. Der Thermistor 82 wird
hierbei unterhalb des Sensorgehäuses 2 von
unten eingesetzt. Beide zusätzlichen
Sensoren 80, 82 werden somit über die Leiterplatte 4 ausgelesen,
wobei der ASIC 54 insbesondere der Signalauswertung der Messsignale
sowie der Steuerung der Miniaturlampe dient.
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Nach
Einsetzen der Leiterplatte 4 wird ihre Unterseite 5b mitsamt
der passiven Bauelemente 57, 58, 59 und
Lot-Verbindungen 62 sowie ihre Oberseite 5a mitsamt
der Drahtbonds 48 passiviert, indem in die Kavität 10 des
Gehäuseträgers 4 ein
Passivierungsgel 84, z. B. ein Silikongel, 84,
eingefüllt wird, das
den Zwischenraum zwischen dem Gehäuseträger 4 und der Leiterplatte 5 und
somit die in SMT bestückte
Unterseite 5b der Leiterplatte 5 vollständig bedeckt
und auf der COB-bestückten
Oberseite 5a der Leiterplatte 5 bis zu der Gelstoppkante 11 reicht. Die
Gelstoppkante 11 verhindert ein Überkriechen des Passivierungsgels 84 über den
Gehäuseträger 4.
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1, 2 und 6 zeigen
das so ausgebildete Sensormodul 1 nach dem Passivieren.
Das Passivierungsgel 84 bedeckt einen der Teil der COB-Chips, insbesondere
das EEPROM 52, den ASIC 54 und den Mikrocontroller 50.
Die Sensorchipanordnung 32 wird hierbei nur bis zu den
Seitenflächen
der optischen Filterchips 35a, b bedeckt, so dass deren
Oberseite frei von dem Passivierungsmaterial 84 ist. Gemäß 1, 6 ragt
auch die Miniaturlampe 64 aus dem Passivierungsgel 84;
die weiteren Bauelemente der Leiterplatte sind bedeckt. Das nachfolgend
erstarrende Passivierungsgel 84 beeinflusst somit die optische
Messung nicht. Es hilft vielmehr, Streulicht von den Seitenflächen des
optischen Filterchips 35 fernzuhalten und einen direkten
Eintritt in den Kappenchip 34 oder den Thermopile-Chip 32 zu
verhindern. Hierzu ist das Passivierungsgel 84 für IR-Strahlung
undurchlässig.
Der kapazitive Feuchtesensorchip 80 und der an der Unterseite
vorgesehene Thermistor 82 sind außerhalb der Kavität 10 vorgesehen
und somit nicht vom Passivierungsgel 84 bedeckt.
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Gemäß 7 wird
nachfolgend eine optische Blende 86, z. B. aus Metall,
auf die Blendenauflagen 14 des Gehäuseträgers 4 gesetzt und
in Klebeverbindungen 88 heißverklebt oder z. B. auch durch Umlegen
eines entsprechenden, nach oben vorstehenden Gehäuserandes heißverstemmt.
Wie der Detailvergrößerung der 2 zu
entnehmen ist, sind zwei Blendenöffnungen 90a,
b direkt oberhalb der optischen Filterchips 35a, b positioniert,
so dass lediglich vertikal einfallende Infrarot-Strahlung auf die optischen
Filterchips 35a, b gelangt.
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Gemäß 8 wird
nachfolgend ein Reflektor 92 aus Kunststoff auf das Sensorgehäuse 2 gesetzt. Der
Reflektor 92 weist – wie
z. B. der Schnittdarstellung der 1 zu entnehmen
ist – einen
mittleren gewölbten
Bereich 92a mit einer reflektierenden Innenbeschichtung 94 und
eine den mittleren Bereich 92a umgebene, in 8 schraffierte
Reflektorauflagefläche 92b auf,
die zur Befestigung an dem Gehäuseträger 4 dient
und entsprechend ohne Innenbeschichtung ausgebildet ist. In Seitenbereichen
des mittleren Reflektorbereichs 92a sind zum Luftaustausch
poröse
Membranen 96, vorzugsweise einander gegenüberliegend,
eingesetzt. Weiterhin sind in der Reflektorauflagefläche 92b oberhalb
des kapazitiven Feuchtesensors 80 Gasduchlassöffnungen 98 ausgebildet,
um einen Zugang des Gases in die Kaverne 28 zu dem kapazitiven
Feuchtesensor 80 zu ermöglichen.
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Der
Reflektor 92 wird mit seiner Reflektorauflagefläche 92b auf
die Oberseite des Gehäuseträgers 4 gesetzt,
der aus einem für
Infrarot-Strahlung einer vorgegebenen Frequenz transparenten Kunststoffmaterial
gefertigt ist, woraufhin die Refektorauflagefläche 92b mit dem Gehäuseträger 4 durch
Laserdurchstrahlschweißen
(LDS) in einer LDS-Schweißverbindung 99 verschweißt wird.
Hierdurch wird eine vollständige
Abdichtung des Innenraums des mittleren Reflektorbereichs 92a nach
außen
gewährleistet.
Die reflektierende Innenbeschichtung 94 dient der Fokussierung
der von der Miniaturlampe 64 ausgesandten IR-Strahlung
auf die Filterchips 35a, b. Grundsätzlich können auch andere oder weitere
Reflektoreinrichtungen an der Innenseite des mittleren Reflektorbereichs 92a vorgesehen
sein, z. B. für
eine aktive Ausrichtung der Reflektoren, wodurch die Ausbildung
jedoch aufwendiger wird.
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Gemäß der Draufsicht
der 8, 9a kann der mittlere
Reflektorbereich 92a in einen oberhalb der Miniaturlampe 64 angeordneten
konvexen Bereich 92c, einen nach rechts – d.h. zu
den Filterchips 35a, b hin – mittleren rechtwinkligen,
geradlinigen Bereich 92d, der z. B. als rechtswinkliger
Schnitt in der Schnittansicht der 13 zu
erkennen ist, und zwei jeweils konvex gewölbte, in Querrichtung aneinander stoßende, rechts
an den geradlinigen Bereich 92d folgende Bereiche 92e, 92f unterteilt
sein, die in der Schnittansicht der 14 zu
erkennen sind und eine Fokussierung auf jeden der beiden Filterchips 35a,
b ermöglichen.
Durch diese Formgebung wird eine gute und effektive Fokussierung
auf beide Filterchips 35a, b des gezeigten zweikanaligen
Thermopile-Sensors 32 erreicht; grundsätzlich sind auch andere fokussierende
Formgebungen des mittleren Reflektorbereichs möglich.
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16, 17 zeigen
den Einbau des Sensormoduls 1 in einen Strömungskanal 105 einer
Klimaanlage eines Fahrzeuges. In die Dichtringaufnahme 4b des
Gehäuseträgers 4 wird
ein O-Ring 108 als Dichtring eingelegt, und das ganze Gassensormodul 1 seitlich
in eine Öffnung 105a des
Strömungskanals 105 eingesetzt,
so dass der O-Ring 108 abdichtet. Durch die Befestigungslöcher 6 des
Flanschbereiches 4c des Gehäuseträgers 4 werden Befestigungsschrauben 106 geführt und
in entsprechenden Gewinden 107 des Strömungskanals 105 eingeschraubt,
so dass das Gassensormodul 1 an dem Strömungskanal 105 befestigt
ist und mit seinem vorderen Teil in dessen Innenraum 109 ragt
und in der durch Pfeile angezeigte jeweilige Luftströmung den CO2-Gehalt
bzw. Gehalt an weiteren Gasen, die Temperatur und die Feuchtigkeit
ermitteln kann. Die Steckerbuchse 8 ragt nach außen aus
dem Strömungskanal 105 zur
Kontaktierung hervor.
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18, 19 zeigen
eine weitere Ausführungsform
eines Gassensormoduls 110 mit einer Sensorchipanordnung 132 mit
zwei gegenläufig
angeordneten zweikanaligen Thermopile-Chips 133a, b, die – entsprechend
der ersten Ausführungsform – in COB-Technologie
direkt auf der Oberseite 5a der Leiterplatte 5 aufgesetzt
und kontaktiert sind. Der erste zweikanalige Thermopile-Chip 133a dient
der Messung einer Referenzstrahlung und eines ersten Gases, z. B.
CO2. Der zweite zweikanalige Thermopile-Chip 133b dient
der Messung eines zweiten und dritten Gases. Die Formgebung des
Reflektors 92, insbesondere des mittleren, gewölbten Reflektorbereichs 92a kann
entsprechend angepasst werden, um eine genaue Fokussierung von der
einen Miniaturlampe 64 auf beide Thermopile-Chips 133a,
b, zu erreichen. Der weitere Aufbau des Gassensormoduls 110 entspricht
demjenigen der ersten Ausführungsform.
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In 19 ist
die Anbausituation nach Montage der metallischen optischen Blende 186 gezeigt, die – anders
als die optische Blende 86 der ersten Ausführungsform – vier Blendenöffnungen 190a,
b, c, d oberhalb der vier Filterchips aufweist
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Die 20, 21 zeigen
eine dritte Ausführungsform,
die gegenüber
der ersten Ausführungsform
die Verwendung einer größeren optischen Blende 286 vorsieht.
Hierzu sind zusätzlich
zu der – bereits
bei den beiden ersten Ausführungsformen vorgesehenen – Blendenauflagen 14 in
Längsrichtung
vor und hinter der Kavität 10 Blendenauflagen 293, 294 vorgesehen.
Die optische Blende 286 erstreckt sich somit in Längsrichtung
vollständig über die
Kavität 10,
wobei seitliche Bereiche der Kavität 10 gemäß 21 auch
nicht abgedeckt sein können. Die
metallische optische Blende 286 ist in den Blendenauflagen 293, 294 durch
zusätzliche
Klebeverbindungen 295 befestigt. Die Klebeverbindung mittels elektrisch
leitfähigen
Klebstoff zu den metallischen Auflageflächen 14, welche in
den Kunststoffträger 4 eingespritzt
sind und über
die Einpresstechnik mit der Leiterplatte elektrisch verbunden sind,
ermöglicht
somit eine Kontaktierung der metallischen Blende 286, wodurch
ein EMV-Schutz von der Oberseite für die darunter angeordnete
Elektronik und Sensorik erreicht wird. Hierbei können die erste, zweite und
dritte Ausführungsform
entsprechende kombiniert werden, so dass in der Blende 286 vier
Blendenöffnungen 190a bis
d anstelle der gezeigten Blendenöffnungen 290a,
b ausgebildet sind. Es können
die gleichen Reflektoren wie bei den ersten beiden Ausführungsformen
verwendet werden, da der Strahlengang zwischen der Miniaturlampe 64 und
den Filterchips von der darunter liegenden metallischen Blende 286 nicht beeinflusst
ist.
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Grundsätzlich können bei
allen Ausführungsformen
statt Filterchips auch in den Blendenöffnungen angebrachte Strahlungsfilter
verwendet werden.