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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Drucksensor, der in einem Gehäuse enthalten
und durch ein Verkapselungselement verkapselt ist.
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Die
JP-A-11-304619 und die JP-A-2001-304999 offenbaren Beispiele eines
derartigen Drucksensors. Der Drucksensor besteht aus einem Harzgehäuse, einem
in dem Gehäuse
enthaltenen Messelement, Leiterelementen, die in das Gehäuse eingebettet
und elektrisch mit dem Messelement verbunden sind, und einem Element
zum Verkapseln von Grenzflächen
zwischen den Leiterelementen und dem Gehäuse. Das Messelement wird mit
einem Druck, wie beispielsweise einem Druck in einem Ansaugrohr
eines Kraftfahrzeugs, beaufschlagt und gibt elektrische Signale
entsprechend dem beaufschlagten Druck aus.
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Die
dieser Anmeldung beigefügte 8 zeigt einen relevanten
Abschnitt eines herkömmlichen
Drucksensors. Dabei ist ein Messelement 20 in einem Harzgehäuse 10 enthalten,
das ein darin eingebettetes Leiterelement 30 aufweist.
Das Messelement 20 besteht aus einem Glassockel 22 und
einem auf dem Glassockel 22 angebrachten Membran-Halbleitersensorchip.
Das Messelement 20 ist über
ein Klebemittel 23 mit dem Gehäuse 10 verbunden.
Das Messelement 20 ist über
einen Bonddraht 40 elektrisch mit dem als Anschluss dienenden
Leiterelement 30 verbunden. Die Grenzflächen zwischen dem Leiterelement 30 und
dem Gehäuse 10 sind
mit einem Verkapselungselement 50 verkapselt. Das aus einem
Material wie beispielsweise einem Fluorgummi hergestellte Verkapselungselement 50 ist
flüssig,
wenn es aufgetragen wird, und wird anschließend gehärtet. Das Verkapselungselement 50 verhindert,
dass Luftblasen durch bzw. über
die Grenzflächen
zwischen dem Gehäuse 10 und
dem Leiterelement 30 heraustreten, wenn der Drucksensor
einem Unterdruck ausgesetzt ist. Es ist ferner ein aus einem Material
wie beispielsweise Fluorgel hergestelltes schützendes Element 60 auf
dem Messelement 20 und dem Verkapselungselement 50 angeordnet,
um diese vor einer chemischen Erosion zu schützen.
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Das
Verkapselungselement 50 wird in einem flüssigen Zustand
auf die Position aufgetragen und anschließend gehärtet. In dem in der 8 gezeigten herkömmlichen
Drucksensor wird das Leiterelement 30 unterhalb der Oberfläche des
Messelements 20 positioniert bzw. angeordnet, um zu verhindern, dass
das Verkapselungselement 50 in Richtung des Messelements 20 fließt und an
dessen Oberfläche anhaftet.
Zu diesem Zweck muss das Leiterelement 30 an einem Bodenabschnitt
des Gehäuses 10 angeordnet
werden. Dementsprechend entsteht eine Stufe zwischen den Oberflächen des
Messelements 20 und des Leiterelements 30. Diese
Stufe wirkt sich auf das Verfahren zum Bilden des Bonddrahts 40 zwischen
dem Messelement 20 und dem Leiterelement 30 nachteilig
aus. Ferner erhöht
diese Stufe die Dicke (vertikale Abmessung des in der 8 gezeigten Drucksensors).
Es ist erforderlich, das Leiterelement 30 in dem Gehäuse 10 niedriger
als das Messelement 20 anzuordnen, um das Verkapselungselement 50 bei
Auftragung in Position zu halten. Folglich kann das Gehäuse 10 nicht
ohne diese Einschränkungen bzw.
frei entworfen werden.
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Die
vorliegende Erfindung ist angesichts des vorstehend erwähnten Problems
geschaffen worden, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen
verbesserten Drucksensor vorzusehen, bei dem das Leiterelement in
dem Harzgehäuse
frei positioniert werden kann.
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Der
Drucksensor erfasst einen Druck, wie beispielsweise einen Druck
in einem Ansaugrohr eines Kraftfahrzeugs. Der Drucksensor besteht
aus einem Harzgehäuse,
einem in dem Gehäuse
enthaltenen Messelement und Leiterelementen, die in das Harzgehäuse eingebettet
und um das Messelement herum angeordnet sind. Das Leiterelement
wird als Anschluss verwendet, mit dem das Messelement durch beispielsweise
Draht-Bonding elektrisch verbunden ist. Das Messelement kann einen
Membran-Halbleitersensorchip umfassen. Das Messelement wird mit
einem zu erfassenden Druck beaufschlagt und gibt elektrische Signale
entsprechend dem beaufschlagten Druck aus.
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Grenzflächen zwischen
dem Harzgehäuse und
den in das Gehäuse
eingebetteten Leiterelementen werden mit einem Verkapselungselement
verkapselt bzw. versiegelt, nachdem das Messelement durch Draht-Bonding
elektrisch mit dem Leiterelement verbunden worden ist. Das Verkapselungselement
weist einen flüssigen
Zustand auf, wenn es auf die Position aufgetragen wird. Anschließend wird
das Verkapselungselement getrocknet. Um zu verhindern, dass das
Verkapselungselement in Richtung des Messelements fließt und an
dessen Oberfläche anhaftet,
ist eine von dem Gehäuse
vorstehende Sperre zwischen dem Messelement und der Stelle, an der
das Verkapselungselement aufgetragen wird, gebildet.
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Das
in einem flüssigen
Zustand auf die Grenzflächen
zwischen dem Harzgehäuse
und dem Leiterelement aufgetragene Verkapselungselement wird dort
durch diese Sperre zurückgehalten.
Folglich ist es nicht erforderlich, die Oberfläche des Leiterelements niedriger
als die Oberfläche
des Messelements zu positionieren, wie es in der vorstehend erwähnten herkömmlichen
Sensorvorrichtung gemacht wird. In dem Harzgehäuse ist die Position des Leiterelements
relativ zu dem Messelement frei gewählt. Wenn die Oberflächen des
Messelements und des Leiterelements in gleicher Höhe bzw.
auf gleichem Niveau positioniert werden, kann eine Stufe zwischen
beiden Oberflächen
vermieden werden, und folglich kann der Drucksensor dünner gebildet
werden.
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In
dem Harzgehäuse
kann ein vertiefter Abschnitt neben der Sperre ausgebildet sein,
um das Verkapselungselement darin zurückzuhalten bzw. aufzunehmen.
Auf dem Leiterelement kann ein vorstehender Abschnitt gebildet sein,
der zu einem oberen Raum oberhalb des Verkapselungselements freigelegt
ist. Hierbei wird das Messelement durch Draht-Bonding elektrisch
mit dem vorstehenden Abschnitt verbunden. Der vorstehende Abschnitt
kann gebildet werden, indem ein Abschnitt des Leiterelements dicker
als weitere Abschnitte gebildet wird, oder indem ein Abschnitt des
Leiterelements gebogen wird.
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Weitere
Aufgaben und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung sind aus der
nachfolgenden detaillierten Beschreibung, die unter Bezugnahme auf
die beiliegende Zeichnung gemacht wurde, deutlicher ersichtlich.
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In
der Zeichnung zeigt:
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1 eine
Querschnittsansicht eines Drucksensors einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
Querschnittsansicht, die teilweise eine modifizierte Ausgestaltung
der in der 1 gezeigten ersten Ausführungsform
zeigt;
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3 eine
Querschnittsansicht, die teilweise einen Drucksensor einer zweiten
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt;
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4 eine
perspektivische Ansicht eines vertieften Abschnitts zum Zurückhalten
eines Verkapselungselements, wobei der vertiefte Abschnitt in der
in der 3 gezeigten zweiten Ausführungsform gebildet ist;
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5 eine
Querschnittsansicht, die teilweise einen Drucksensor einer dritten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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6 eine
Querschnittsansicht, die teilweise einen Drucksensor einer vierten
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt;
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7 eine
Querschnittsansicht, die teilweise eine modifizierte Ausgestaltung
der in der 6 gezeigten vierten Ausführungsform
zeigt;
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8 eine
Querschnittsansicht, die teilweise einen herkömmlichen Drucksensor zeigt;
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Nachstehend
wird unter Bezugnahme auf 1 eine erste
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beschrieben. Ein Drucksensor 100 wird
als Drucksensor zum Erfassen eines Drucks in einem Ansaugrohr eines
Kraftfahrzeugs verwendet. Da dieser Drucksensor 100 Benzin
oder anderen chemischen Substanzen ausgesetzt ist, muss er gut vor diesen
Substanzen geschützt
werden.
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Wie
in 1 gezeigt, ist ein Messelement 20 in
einem Harzgehäuse 10 enthalten
und über
Bonddrähte 40 elektrisch
mit in das Gehäuse 10 eingebetteten
Leiterelementen 30 verbunden. Das Messelement 20 ist
mit einem schützenden
Element 60 bedeckt, das einen oberen Raum in dem Gehäuse 10 ausfüllt. Das
Gehäuse 10 wird
gebildet, indem ein Harzmaterial, wie beispielsweise Polyphenylensulfid (PPS),
Polybutylenterephthalat (PBT), Epoxydharz oder dergleichen, formgepresst
(Molding-Verfahren) wird. An einem oberen Abschnitt des Gehäuses 10 ist eine Öffnung 11 gebildet.
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Die
Leiterelemente 30, die als mit dem Messelement 20 zu
verbindende Anschlüsse
dienen, sind in das Harzgehäuse 10 eingebettet.
Das Leiterelement 30 besteht aus einem leitfähigen Material,
wie beispielsweise Kupfer. Ein Abschnitt des Leiterelements 30 ist,
wie in 1 gezeigt, zu dem oberen Raum des Gehäuses 10 freigelegt.
Der freigelegte Abschnitt ist mit Gold überzogen, so dass er als Bondinsel
zum Bilden einer elektrischen Verbindung zwischen dem Messelement 20 und
dem Leiterelement 30 dient. Das Leiterelement 30 ist
ebenso elektrisch mit einer externen Schaltung (nicht gezeigt) verbunden.
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Das
Messelement 20 besteht aus einem Glassockel 22 und
einem auf dem Glassockel 22 befestigten Membran-Halbleitersensorchip 21.
Der Sensorchip 21 kann eine bekannte piezoelektrische Elemente
ausweisende dünne
Membran 21a umfassen. Die dünne Membran 21a verformt
sich, wenn sie mit einem Druck beaufschlagt wird, und der Sensorchip 21 erzeugt
ein elektrisches Signal entsprechend dem Druck. Das aus dem Sensorchip 21 und
dem Glassockel 22 bestehende Messelement 20 ist
mit einem Klebemittel 23, wie beispielsweise einem Silikongummi,
auf das Gehäuse 10 geklebt.
Das Messelement 20 ist über
Bonddrähte 40,
die aus einem Material, wie beispielsweise Gold oder Aluminium bestehen,
elektrisch mit den Leiterelementen 30 verbunden.
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Die
in das Gehäuse 10 eingebetteten
Leiterelemente 30 sind, wie in 1 gezeigt,
um das Messelement 20 herum angeordnet. In dieser Ausführungsform
sind die obere Oberfläche
des Leiterelements 30 und die obere Oberfläche des
Messelements 20 in einer im wesentlichen gleichen Höhe angeordnet.
Die in dem in der 8 gezeigten herkömmlichen
Drucksensor gebildete Stufe zwischen beiden Oberflächen wird
vermieden. Durch eine Vermeidung der Stufe kann der Drucksensor
dünner
als der herkömmliche
Drucksensor gebildet werden. Die Grenzschichten zwischen den Leiterelementen 30 und
dem Harzgehäuse 10 sind
durch das aus einem isolierenden Material bestehende Verkapselungselement 50 versiegelt
bzw. verkapselt. Ferner ist der obere Raum des Gehäuses 10 mit
einem aus einem isolierenden Material bestehenden schützenden
Element 60 gefüllt,
um das Messelement 20, die Bonddrähte 40 und das Verkapselungselement 50 zu
bedecken. Folglich sind die Abschnitte, die Komponenten elektrisch
verbinden, mit dem Verkapselungselement 50 und dem schützenden
Element 60 bedeckt und vor einer Erosion von Außerhalb
geschützt.
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Wie
in 1 gezeigt, ist das Verkapselungselement 50 derart
angeordnet, dass es sowohl den Verbindungsabschnitt zwischen dem
Bonddraht 40 und dem Leiterelement 30 als auch
die Grenzflächen zwischen
dem Gehäuse 10 und
dem Leiterelement 30 bedeckt, während es einen oberen Abschnitt
des Bonddrahts 40 von dem Verkapselungselement 50 freigelegt
lässt.
Das Verkapselungselement 50 und das schützende Element 60 können aus
den Materialien bestehen, die in den vorstehend erwähnten Dokumenten
(JP-A-11-304619
und JP-A-2001-304999) offenbart sind.
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Das
Verkapselungselement 50 besteht aus einem Material mit
einem hohen E-Modul, um eine Erzeugung von Luftblasen an den Grenzflächen zwischen
dem Leiterelement 30 und dem Gehäuse 10 zu verhindern.
Das aus einem Material wie beispielsweise einem Fluorgummi bestehende
Verkapselungselement 50 ist weich bzw. in einem flüssigen Zustand,
wenn es auf die Position aufgetragen (pastiert) wird, und wird anschließend gehärtet. Das
schützenden Element 60 besteht
aus einem Material mit einem geringen E-Modul, so dass es das Messelement 20 und
die Bonddrähte 40 nicht
beansprucht bzw. belastet. Das schützende Element 60 kann
aus einem Material wie beispielsweise einem Fluor-Gel oder einem
Fluor-Silikon-Gel bestehen. Sowohl das Verkapselungselement 50 als
auch das schützenden
Element 60 bestehen aus einem Material, das gegenüber chemischen
Substanzen eine sehr hohe Beständigkeit
aufweist. Wie in 1 gezeigt, sind von der Bodenoberfläche des
Gehäuses 10 vorstehende Sperren 12 einstückig mit
dem Gehäuse 10 gebildet. Die
Sperre 12 verhindert, dass das Verkapselungselement 50 in
Richtung der Oberfläche
des Messelements 20 fließt und daran anhaftet.
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Der
vorstehend beschriebene Drucksensor 100 wird gemäß nachstehender
Beschreibung hergestellt. Das Harzgehäuse 10, in welches
die Leiterelemente 30 eingebettet sind, wird durch Formpressen
(Molding-Verfahren) gebildet. Das Messelement 20 wird durch
Verkleben mit dem Klebemittel 23 an dem Gehäuse 10 befestigt.
Anschließend
werden das Messelement 20 und die Leiterelemente 30 durch
Draht-Bonding elektrisch verbunden. Anschließend wird das Verkapselungselement 50 auf
die Stelle aufgetragen und das schützende Element 60 dem oberen
Raum des Gehäuses 10 zugeführt. Anschließend werden
das Verkapselungselement 50 und das schützende Element 60 gehärtet. Folglich
ist der Drucksensor 100 fertiggestellt. Der Drucksensor 100 wird
an dem Ansaugrohr eines Motors befestigt, so dass die Öffnung 11 des
Gehäuses 10 mit
der Ansaugleitung in Verbindung steht, um den Druck in dem Ansaugrohr
zu erfassen.
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In
dem vorstehend beschriebenen Drucksensor 100 werden die
von dem Boden des Gehäuses 10 vorstehenden
Sperren 12 gebildet. Folglich kann effektiv verhindert
werden, dass das Verkapselungselement 50 zu der Oberfläche des
Messelements 20 fließt
und daran anhaftet. Die vertikale Position (Anordnung in Höhenrichtung)
des Leiterelements 30 kann gleich der Oberfläche des
Messelements sein. Es ist nicht erforderlich, die Leiterelemente 30 an
dem niedrigeren Abschnitt des Gehäuses 10 zu positionieren,
wie es in dem herkömmlichen
Drucksensor gemacht wird. Indem das Messelement 20 und
die Leiterelemente 30 bei gleichem vertikalen Niveau bzw.
auf einer Höhe
positioniert werden, kann die Stufe zwischen den Oberflächen beider
Elemente, wie sie in dem herkömmlichen Drucksensor
gebildet worden ist, vermieden werden. Folglich kann das Draht-Bonding-Verfahren
leicht durchgeführt
und das Höhenmaß bzw. die
Dicke des Drucksensors 100 verkleinert werden.
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Eine
modifizierte Ausgestaltung der in der 1 gezeigten
ersten Ausführungsform
ist in 2 gezeigt. In dieser modifizierten Ausgestaltung
ist das Leiterelement 30 höher als das Messelement 20 angeordnet.
Dabei wird durch den Sperre 12 verhindert, dass das in
einem flüssigen
Zustand aufgetragene Verkapselungselement 50 herausfließt, obwohl
das flüssige
Verkapselungselement 50 höher als das Messelement 20 angeordnet
ist.
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Eine
zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist in 3 gezeigt.
In dieser Ausführungsform
ist ein vertiefter Abschnitt 13 zusätzlich neben der Sperre 12 gebildet,
so dass das Verkapselungselement 50 in dem vertieften Abschnitt 13 zurückgehalten
wird. 4 zeigt den vertieften Abschnitt 13 in
einer perspektivischen Ansicht. wie in 4 zu sehen,
ist der vertiefte Abschnitt 13 in Form einer Nut gebildet,
die das Leiterelement 30 umgibt. Es wird somit durch den
vertieften Abschnitt 13 und die Sperre 12 noch
effektiver verhindert, dass das Verkapselungselement 50 herausfließt. In dieser Ausführungsform
ist der den Bonddraht 40 mit dem Leiter element 30 verbindende
Abschnitt nicht mit dem Verkapselungselement 50 bedeckt.
Dieser Abschnitt ist einzig mit dem schützenden Element 60 bedeckt.
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Eine
dritte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist in 5 gezeigt.
In dieser Ausführungsform
ist ein von dem Verkapselungselement 50 hervorstehender
vorstehender Abschnitt 31 auf dem Leiterelement 30 gebildet.
Der vorstehender Abschnitt 31 kann in dem Bildungsprozess
des Leiterelements 30 gebildet werden, und zwar durch ein Pressverfahren
oder eine partielle Beschichtung einer Platte. Der Bonddraht 40 ist
mit dem der von dem Verkapselungselement 50 hervorstehenden
vorstehenden Abschnitt 31 verbunden. Der Verbindungsabschnitt
ist nicht mit dem Verkapselungselement 50, sondern mit
dem schützenden
Element 60 bedeckt.
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Eine
vierte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist in 6 gezeigt.
In dieser Ausführungsform
ist ein vorstehender Abschnitt 32 durch Biegen des Leiterelements 30 zu
einer U-Form gebildet. Der vorstehender Abschnitt 32 kann
leicht durch ein Pressverfahren in dem Bildungsprozess des Leiterelements 30 gebildet
werden. 7 zeigt eine modifizierte Ausgestaltung
der vierten Ausführungsform. In
dieser modifizierten Ausgestaltung ist ein abgewinkelter Abschnitt 32' in dem Pressverfahren
zum Bilden des Leiterelements 30 durch Biegen der Spitze des
Leiterelements 30 gebildet. In der vierten Ausführungsform
ist der den Bonddraht 40 und das Leiterelement 30 verbindende
Abschnitt nicht mit dem Verkapselungselement 50, sondern
mit dem schützenden
Element 60 bedeckt.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen
beschränkt,
sondern kann in verschiedenartigen Weisen modifiziert werden. Es
kann beispielsweise das Gehäuse 10 aus
einem Material beste hen, dass sich von Harz unterscheidet. Das Leiterelement 30 ist nicht
auf den mit dem Messelement 20 zu verbindenden Anschluss
beschränkt.
Das Messelement 20 ist nicht auf den Membran-Halbleiterchip
beschränkt. Das
Messelement 20 kann kapazitiven oder piezoelektrischen
Typs sein. Das den oberen Abschnitt des Gehäuses 10 ausfüllende schützende Element 60 kann
bei einer bestimmten Anwendung ausgelassen werden. Das Messelement 20 und
das Leiterelement 30 können
durch andere Verfahren als Draht-Bonding
elektrisch verbunden werden. Sie können durch Löten oder
durch leitfähiges
Klebemittel verbunden werden. Das vertikale Niveau des Leiterelements 30 relativ
zu dem Messelement 20 kann frei gewählt werden, so lange durch
die Sperre 12 und/oder den vertieften Abschnitt 13 verhindert
wird, dass das Verkapselungselement 50 herausfließt. Der
erfindungsgemäße Drucksensor
ist als Sensor für
Bereiche anwendbar, die sich von dem des Ansaugrohr-Drucksensors unterscheiden.
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Obgleich
die vorliegende Erfindung bezüglich
der bevorzugten Ausführungsformen
offenbart worden ist, um ein besseres Verständnis von diesen zu ermöglichen,
sollte wahrgenommen werden, dass die Erfindung auf verschiedene
Weisen verwirklicht werden kann, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen.
Deshalb sollte die Erfindung derart verstanden werden, dass sie
alle möglichen
Ausführungsformen
und Ausgestaltungen zu den gezeigten Ausführungsformen beinhaltet, die
realisiert werden können,
ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen, wie er in den beigefügten Ansprüchen dargelegt ist.
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Vorstehend
wurde ein in einem Gehäuse
enthaltener Drucksensor offenbart.
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Es
wird ein Drucksensor 100, 200, 300, 400 geschaffen,
der beispielsweise einen Druck in einem Ansaugrohr eines Verbrennungsmotors
erfasst. Dieser Drucksensor besteht aus einem Harzgehäuse 10, einem
in dem Gehäuse
enthaltenen Messelement 20 und in das Harzgehäuse eingebetteten
Leiterelementen 30. Die Leiterelemente 30 sind
um das Messelement 20 herum angeordnet, und das Messelement 20 ist
durch Draht-Bonding elektrisch mit den Leiterelementen 30 verbunden.
Grenzflächen
zwischen dem Harzgehäuse 10 und
den Leiterelementen 30 sind mit einem Verkapselungselement 50 versiegelt, das
in einem flüssigen
Zustand auf die Position aufgetragen und anschließend getrocknet
wird. Um zu verhindern, dass das flüssige Verkapselungselement 50 von
der aufgetragenen Position weg in Richtung des Messelements 20 fließt, ist
eine Sperre 12 zwischen dem Messelement 20 und
der Position gebildet, an der das Verkapselungselement 50 aufgetragen
wird. Neben der Sperre 12 kann zusätzlich ein vertiefter Abschnitt 13 gebildet
werden, um das Verkapselungselement 50 in diesem zurückzuhalten.