DE102005053877B4

DE102005053877B4 - Drucksensor-Bauelement

Info

Publication number: DE102005053877B4
Application number: DE200510053877
Authority: DE
Inventors: Hartmut Bloch; Jens Dr. Ing. Krause
Original assignee: HARTING MITRONICS AG; AKTIV-SENSOR GmbH; Aktiv Sensor GmbH
Current assignee: Harting AG; TDK Electronics AG
Priority date: 2005-11-09
Filing date: 2005-11-09
Publication date: 2010-01-21
Anticipated expiration: 2025-11-10
Also published as: DE102005053877A1

Abstract

Drucksensor-Bauelement mit folgenden Merkmalen:
– einem wannenförmigen Gehäuseteil (1) als spritzgegossenes Kunststoffteil mit sowohl Leiterbahnen (3) als MID-Gehäuseteil (MID = molded interconnect device) als auch im Innern wenigstens einer Trägerfläche,
– einem mit Leiterbahnen (3) verbundenen Drucksensorelement (2) auf der Trägerfläche,
– einer Öffnung (5) für das Drucksensorelement (2) in der ein Bestandteil des Gehäuseteils (1) darstellenden Trägerfläche, wobei sich die Öffnung (5) im Bodenbereich des Gehäuseteils (1) befindet,
– einem Körper im Gehäuseteil (1), wobei die Wandung des Gehäuseteils (1) den Körper überragt, und
– entweder auf der Randfläche der Wandung des Gehäuseteils (1) oder einen Wandbereich umfassende und damit auf einem Außenwandbereich des Gehäuseteils (1) endenden Leiterbahnen (3) als gleichzeitige Anschlusskontakte (7).

Description

Die Erfindung betrifft Drucksensor-Bauelemente.
Durch die Druckschriften DE 38 40 941 A1 (Druckwandler) und DE 102 16 020 A1 (Drucksensor und Gehäuse für Drucksensor) sind Gehäuse mit Drucksensoren und sowohl Druckanschlüssen als auch elektrischen Anschlüssen bekannt. Die elektrische Kontaktierung erfolgt drahtgebunden an entsprechend ausgebildete Kontaktklemmen. Der Sensor befindet sich in einem abgeschlossenen Gehäuse mit einem Anschluss für das Medium, dessen Druck erfasst werden soll. Diese Lösungen sind nur für eine Absolutdruckmessung geeignet.
Die Druckschrift DE 43 15 962 C2 (Kapsel für einen Drucksensor und Verfahren zur Einkapselung desselben) beinhaltet eine Kapsel für einen Drucksensor zum Schutz vor einem korrosiven Druckmedium. Dazu befindet sich der Drucksensor unter wenigstens einer Schutzmembran. Zwischen Schutzmembran und Drucksensor befindet sich ein Druckmittlermedium. Das zu messende Medium greift direkt an die Schutzmembran an. Die elektrische Kontaktierung erfolgt mit eingelagerten und nach außen führenden elektrischen Leitern. Für eine Montage auf einem Träger sind diese Kapseln nicht vorgesehen.
Die Lösungen in den Druckschriften DE 196 26 084 C2 (Drucksensorvorrichtung für eine Montage auf der Bestückungsoberfläche einer Leiterplatte) und DE 197 24 026 A1 (Drucksensor-Bauelement und Verfahren zur Herstellung) sind für eine Montage und Kontaktierung auf einer Leiterplatte als Träger geeignet. Die Kontaktierung erfolgt über den Chipträger, wobei Endenbereiche des verwendeten Leadframes nach außen geführt sind und dort frei zugänglich enden. Der Sensor zur Druckmessung befindet sich im Inneren der jeweiligen Vorrichtung, wobei das zu messende Medium an einen Bereich der Vorrichtung angreift. Das Medium wirkt auf ein Gel zwischen Abdeckung und Drucksensor oder auf der Abdeckung des Drucksensors selbst. Dabei ist das Gel oder die Abdeckung ein Druckmittler zwischen Medium und Drucksensor. Diese Lösungen sind nur für eine Absolutdruckmessung geeignet.
Durch die Druckschriften JP 11211599 A und JP 10048082 A sind Drucksensoren bekannt. Das Drucksensorelement befindet sich bei diesen Lösungen auf der Ebene des oberen Abschlusses des Gehäuseteils. Die Anschlüsse des Drucksensorelementes sind höher oder in gleicher Höhe als die Ebene des oberen Randes des Gehäuseteils. Darüber hinaus befinden sich die Kontaktstellen auf diesem Rand. Zur Kontaktierung sind weitere Strukturen notwendig.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfach zu realisierendes, ökonomisch günstig herzustellendes, kompaktes und leicht handzuhabendes Bauelement als Drucksensor zu schaffen.
Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Die Drucksensor-Bauelemente zeichnen sich insbesondere durch eine einfache und kompakte Realisierung bei universeller Einsatzmöglichkeit aus.
Ein wannenförmiges Gehäuseteil als Träger von Leiterbahnen und des Drucksensorelementes ist vorteilhafterweise ein MID-Gehäuseteil (MID = molded interconnect device), so dass dieses Gehäuseteil selbst ein Schaltungsträger ist. Das Gehäuseteil besitzt wenigstens eine Trägerfläche für das wenigstens eine Drucksensorelement. Vorteilhafterweise ist die Trägerfläche gleichzeitig ein Bestandteil des Gehäuseteils.
Mit einer derartigen Realisierung mit einem Drucksensorelement kann das Drucksensor-Bauelement vorteilhafterweise leicht zur Absolutdruckmessung im Druck zu messenden Medium eingesetzt werden.
Die Verwendung eines MID-Gehäuses führt zu einem kompakten Drucksensor-Bauelement, das nur wenige Bestandteile aufweist. Das Gehäuseteil führt zu einer leichten Handhabbarkeit und Anschlussmöglichkeit des Drucksensorelementes. Dazu enden vorteilhafterweise Leiterbahnen auf der Randfläche der Wandung des ersten Gehäuseteils. Endenbereiche sind vorteilhafterweise gleichzeitig die elektrischen Kontakte des Drucksensor-Bauelementes nach außen. Diese Endenbereiche und gegebenenfalls weitere vorhandene Endenbereiche von Leiter bahnen können leicht zur elektrischen Kontaktierung und/oder mechanischen Befestigung des Drucksensor-Bauelements zum Beispiel auf Bauelementeträgern genutzt werden, so dass das Drucksensor-Bauelement maschinell auf Bauelementeträger platziert und mit diesem kontaktiert werden kann.
Die Trägerfläche besitzt weiterhin eine Öffnung für das Drucksensorelement, wobei sich die Öffnung im Bodenbereich des des Gehäuseteils befindet. Mit einer derartigen Realisierung kann das Drucksensor-Bauelement leicht zur Differenz- und/oder Relativdruckmessung im Druck zu messenden Medium eingesetzt werden. Bei der ersten Variante liegt das zu messende Medium über die Öffnung an dem Drucksensorelement an. Bei der Differenzdruckmessung greift das erste Medium über die Öffnung auf einer Seite des Drucksensorelementes an. Das Drucksensor-Bauelement befindet sich im zweiten Medium, so dass dieses Medium durch das offene Gehäuseteil an der anderen Seite des Drucksensorelementes anliegt. Im Drucksensor-Bauelement befindet sich vorteilhafterweise ein Körper zum Schutz des Drucksensorelementes, wobei die Wandung des Gehäuseteils den Körper überragt.
Das Gehäuseteil als MID-Gehäuse zeichnet sich weiterhin dadurch aus, dass es als Kunststoffspritzteil leicht und ökonomisch auch in großen Stückzahlen als Massenprodukt herstellbar ist. Dieser Spritzgusskörper wird mit einer strukturierten Metallisierung mit Leiterbahnen versehen, so dass das Gehäuseteil selbst ein Schaltungsträger ist. Dazu wird der Spritzgusskörper mit einer bekannten Metallabscheidung beschichtet, wobei unterschiedliche Eigenschaften der verwendeten Kunststoffe eine selektive Metallisierung bewirken und das strukturierte Leiterbild entsteht. Damit kann das Drucksensor-Bauelement/Drucksensor-Bauteil leicht auch als Massenprodukt hergestellt und bereitgestellt werden.
Durch den einfachen Aufbau eignet sich der derartige Aufbau sowohl für eine manuelle Kleinserienfertigung als auch für eine maschinelle Großserienfertigung. Im letzteren Fall kann auch eine Fertigungsstraße mit Bestückungsplätzen und Montageplätzen eingesetzt werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 8 angegeben.
Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 enden Leiterbahnen auf der Randfläche der Wandung des Gehäuseteils oder umfassen einen Wandbereich des Gehäuseteils. Das Drucksensor-Bauelement lässt sich damit leicht befestigen und/oder elektrisch kontaktieren.
Die Leiterbahnen enden nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 auf kammartigen Erhöhungen der Wandung des Gehäuseteils, so dass eine leichte maschinelle elektrische Kontaktierung in Form von Lotverbindungen des Drucksensor-Bauelements möglich ist. Die Erhöhungen führen vorteilhafterweise dazu, dass benachbarte Leiterbahnen bei dieser Kontaktierung nicht miteinander verbunden werden. Damit können die bekannten und technologisch ausgereiften Verfahren der SMT-Techniken (SMT = surface mounted technology) zur Montage, Befestigung und Kontaktierung des Drucksensor-Bauelementes zur Anwendung kommen.
Vorteilhafterweise besteht der Körper zum Schutz des Drucksensorelementes nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 aus einem elastischen Material.
Ein Anschlussfitting für die Öffnung nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 gewährleistet eine leichte Handhabbarkeit des Drucksensor-Bauelements hinsichtlich des Anschlusses des Mediums. Eine Schlauchleitung kann leicht aufgeschoben werden, wobei auch wenigstens eine Befestigungsschelle für die Schlauchleitung angewandt werden kann. Der Anschlussfitting gewährleistet einen festen und sicheren Halt der Schlauchleitung.
Wenigstens ein Eckbereich von Wandungen des ersten Gehäuseteils des Drucksensor-Bauelementes weist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 eine Erhöhung auf. Diese Erhöhung befindet sich auf aneinandergrenzenden Wandungen und stellt vorteilhafterweise eine Montagehilfe und/oder eine mechanische Befestigungsmöglichkeit für das Drucksensor-Bauelement dar.
Vorteilhafterweise ist diese Erhöhung ein Zapfen, ein Haken oder ein Teil mit einem Klemmmechanismus.
Das Drucksensorelement ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 ein Chip mit einem abgedünnten und wenigstens ein elektrisches bei Dehnung seinen elektrischen Widerstandswert ändernden Element aufweisender Bereich als Membran auf einem Sockel und/oder Podest, wobei der Sockel und/oder das Podest eine durchgehende Öffnung besitzt. Diese Öffnung und die Öffnung im Gehäuseteil bewirken, dass das Medium an die Membran des Drucksensorelementes gelangen kann. Die Verwendung eines Sockels und/oder Podestes erleichtert die Handhabbarkeit des Drucksensorelementes. Weiterhin können auch unterschiedliche Querschnitte der Membran und der Öffnungen leicht realisiert werden. Der Querschnitt und die Dicke der Membran beeinflusst die Empfindlichkeit des Drucksensorelementes. Das Drucksensorelement ist vorteilhafterweise ein Halbleiter-Messelement als integraler Bestandteil des Drucksensorelementes. Mit diesen Merkmalen ist das Drucksensor-Bauelement vorteilhafterweise für eine Differenz- und/oder Relativdruckmessung geeignet.
Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 ist wenigstens der Bereich der Membran auf der dem anliegenden und zu messenden Medium gegenüberliegenden Seite mit einem haubenartigen Körper abgedeckt und der durch die Membran und dem Körper begrenzte Hohlraum weist ein Referenzvolumen auf. Eine derartige Realisierung eignet sich nur für eine Absolutdruckmessung. Vorteilhafterweise befindet sich ein Vakuum in diesem Hohlraum. Der haubenartige Körper schützt gleichzeitig wenigstens den druckempfindlichen Bereich des Drucksensorelementes gegenüber einem anliegenden Medium im Drucksensor-Bauelement. Dadurch ist insbesondere die Membran des Drucksensorelementes vom im Drucksensor-Bauelement sich befindenden Medium getrennt. Das Drucksensor-Bauelement zur Messung des Absolutdruckes kann besonders vorteilhaft zur Druckmessung unter schwierigen Medienbedingungen eingesetzt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
1 ein Drucksensor-Bauelement in einer Draufsicht,
2 das Drucksensor-Bauelement in einer Vorderansicht
3 ein Drucksensorelement für eine Differenz- und/oder Relativdruckmessung,
4 ein Drucksensorelement für eine Absolutdruckmessung,
5 ein Drucksensor-Bauelement in einer Draufsicht und
6 ein Drucksensorelement für eine Absolutdruckmessung.
Ein Drucksensor-Bauelement eines ersten Ausführungsbeispiels besteht im wesentlichen aus einem wannenförmigen Gehäuseteil 1 mit Leiterbahnen 3 und einem Drucksensorelement 2.
Die 1 zeigt das Drucksensor-Bauelement in einer Draufsicht.
Das wannenförmige Gehäuseteil 1 ist ein spritzgegossenes Kunststoffteil mit sowohl auf-/eingebrachten Leiterbahnen 3 als auch einer Trägerfläche als MID-Gehäuseteil (MID = molded interconnect device). Auf der Trägerfläche befindet sich das mit Leiterbahnen 3 verbundene Drucksensorelement 2. Diese Trägerfläche ist Bestandteil des Bodenbereichs des Gehäuseteils 1 und weist eine Öffnung 5 für das Drucksensorelement 2 auf, so dass das Medium über die Öffnung 5 im Bodenbereich des Gehäuseteils 1 zum Drucksensorelement 2 gelangen kann (Darstellung in der 3). Die Öffnung 5 ist mit einem Anschlussfitting 8 versehen, der gleichzeitig ein Bestandteil des Gehäuseteils 1 ist (Darstellung in der 2). Das Drucksensorelement 2 ist ein Chip aus Silizium mit einem abgedünnten Bereich als Membran 4. Die Membran 4 ist mit wenigstens einem Element als Halbleiterelement in Form eines Halbleiterwiderstandes versehen, wobei bei Dehnung eine verhältnisgleiche elektrische Widerstandsänderung erfolgt. Das Element ist Bestandteil einer bekannten Messbrücke, wobei eine elektrische Widerstandsänderung zum Beispiel eine verhältnisgleiche elektrische Spannungsänderung hervorruft. Dazu ist das Element mit Kontakten des Chip als Drucksensorelement 2 elektrisch leitend verbunden. Der Chip als Drucksensorelement 2 befindet sich auf einem Sockel und/oder einem Podest, dessen Querschnitt gleich, kleiner oder größer als der des Chip als Drucksensorelement 2 ist. Der Sockel und/oder das Podest besitzt eine durchgehende Öffnung, wobei diese Öffnung und die Öffnung 5 des Gehäuseteils 1 einen Hohlraum umschließen. Die Querschnitte des abgedünnten Bereiches als Membran 4 ist größer (Darstellung in der 4), gleich oder kleiner als die der Öffnungen im Gehäuseteil 1 und entweder des Sockels und/oder Podestes.
Die Kontakte des Chip als Drucksensorelement 2 sind über gebondete Drahtbrücken 6 mit nach außen führende Leiterbahnen 3 als Anschlusskontakte 7 des Drucksensor-Bauelements verbunden. Dazu enden Leiterbahnen 3 auf der Randfläche der Wandung des Gehäuseteils 1. Diese enden auf kammartigen Erhöhungen der Wandung des Gehäuseteils 1. In einer Ausführungsform können diese auch als solche Erhöhungen selbst ausgebildet sein. Damit ist eine elektrische Kontaktierung des Drucksensor-Bauelements auf einer Leiterplatte mit Leiterbahnen leicht möglich. Diese Kontaktierungen und weitere können auch gleichzeitig die Befestigung des Drucksensor-Bauelements sein.
Damit ist ein Drucksensorelement zur Differenz- und/oder Relativdruckmessung realisiert (Darstellung in der 1).
Für den Schutz des Drucksensorelementes 2 und der Drahtbrücken 6 kann sich ein Körper oder ein Medium im Gehäuseteil 1 befinden, so dass wenigstens eines dieser Bestandteile des Drucksensor-Bauelementes eingebettet ist.
In einer Ausführungsform des Ausführungsbeispiels kann wenigstens der Bereich der Membran 4 auf der dem anliegenden und zu messenden Medium gegenüberliegenden Seite mit einem haubenartigen Körper 9 vorzugsweise als Glaskörper abgedeckt sein. Der durch die Membran 4 und diesem Körper 9 begrenzte Hohlraum weist ein Referenzvolumen insbesondere mit einem Referenzvakuum auf (Darstellung in der 4). Damit ist ein Drucksensor-Bauelement zur Absolutdruckmessung realisiert.
Ein Drucksensor-Bauelement eines zweiten Ausführungsbeispiels besteht im wesentlichen aus einem wannenförmigen Gehäuseteil 1 mit Leiterbahnen 3 und einem Drucksensorelement 2. Das wannenförmige Gehäuseteil 1 ist ein spritzgegossenes Kunststoffteil mit sowohl auf-/eingebrachten Leiterbahnen 3 als auch einer Trägerfläche als MID-Gehäuseteil (MID = molded interconnect device). Auf der Trägerfläche befindet sich das mit Leiterbahnen 3 verbundene Drucksensorelement 2. Diese Trägerfläche ist Bestandteil des Bodenbereichs des Gehäuseteils 1 (Darstellung in den 5 und 6).
Das Drucksensorelement 2 ist ein Chip aus Silizium mit einem abgedünnten Bereich als Membran 4 (Darstellung in der 6). Die Membran 4 ist mit wenigstens einem Element als Halbleiterelement in Form eines Halbleiterwiderstandes versehen, wobei bei Dehnung eine verhältnisgleiche elektrische Widerstandsänderung erfolgt. Das Element ist Bestandteil einer bekannten Messbrücke, wobei eine elektrische Widerstandsänderung zum Beispiel eine verhältnisgleiche elektrische Spannungsänderung hervorruft. Dazu ist das Element mit Kontakten des Chip als Drucksensorelement 2 elektrisch leitend verbunden. Der Chip als Drucksensorelement 2 befindet sich auf einem Sockel und/oder einem Podest, dessen Querschnitt gleich, kleiner oder größer als der des Chip als Drucksensorelement 2 ist. Die Kontakte des Chip als Drucksensorelement 2 sind über gebondete Drahtbrücken 6 mit nach außen führende Leiterbahnen 3 als Anschlusskontakte 7 des Drucksensor-Bauelements verbunden. Dazu enden Leiterbahnen 3 auf der Randfläche der Wandung des Gehäuseteils 1. Diese enden auf kammartigen Erhöhungen der Wandung des Gehäuseteils 1. In einer Ausführungsform können diese auch als solche Erhöhungen selbst ausgebildet sein. Damit ist eine elektrische Kontaktierung des Drucksensor-Bauelements auf einer Leiterplatte mit Leiterbahnen leicht möglich. Diese Kontaktierungen und weitere können auch gleichzeitig die Befestigung des Drucksensor-Bauelements sein.
Damit ist ein Drucksensor-Bauelement zur Absolutdruckmessung realisiert.
In Ausführungsformen der Ausführungsbeispiele kann wenigstens ein Eckbereich von Wandungen des Gehäuseteils 1 des Drucksensor-Bauteils eine Erhöhung aufweisen. Diese Erhöhung befindet sich auf aneinandergrenzenden Wandungen und stellt vorteilhafterweise eine Montagehilfe und/oder eine mechanische Befestigungsmöglichkeit für das Drucksensor-Bauteil dar. Vorteilhafterweise ist diese Erhöhung ein Zapfen, ein Haken oder ein Teil mit einem Klemmmechanismus. Diese Erhöhung kann damit leicht in eine Öffnung eines Trägers für das Drucksensor-Bauteil eingeführt und befestigt werden. Dazu ist die Erhöhung zum Beispiel ein konischer Zapfen mit wenigstens einer umlaufenden Vertiefung und/oder Erhöhung, so dass in Verbindung mit der Öffnung und des Trägers des Drucksensor-Bauteils ein Schnappmechanismus realisiert ist.
In weiteren Ausführungsformen der Ausführungsbeispiele kann das Gehäuseteil mit einem plattenförmigen Körper zum Verschluss versehen sein.

Claims

Drucksensor-Bauelement mit folgenden Merkmalen: – einem wannenförmigen Gehäuseteil (1) als spritzgegossenes Kunststoffteil mit sowohl Leiterbahnen (3) als MID-Gehäuseteil (MID = molded interconnect device) als auch im Innern wenigstens einer Trägerfläche, – einem mit Leiterbahnen (3) verbundenen Drucksensorelement (2) auf der Trägerfläche, – einer Öffnung (5) für das Drucksensorelement (2) in der ein Bestandteil des Gehäuseteils (1) darstellenden Trägerfläche, wobei sich die Öffnung (5) im Bodenbereich des Gehäuseteils (1) befindet, – einem Körper im Gehäuseteil (1), wobei die Wandung des Gehäuseteils (1) den Körper überragt, und – entweder auf der Randfläche der Wandung des Gehäuseteils (1) oder einen Wandbereich umfassende und damit auf einem Außenwandbereich des Gehäuseteils (1) endenden Leiterbahnen (3) als gleichzeitige Anschlusskontakte (7).
Drucksensor-Bauelement nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Leiterbahnen (3) als Anschlusskontakte (7) und/oder Befestigungen entweder auf der Randfläche der Wandung des Gehäuseteils (1) enden oder einen Wandbereich umfassen.
Drucksensor-Bauelement nach wenigstens einem der Patentansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Leiterbahnen (3) auf kammartigen Erhöhungen der Wandung des Gehäuseteils (1) als Anschlusskontakte (7) und/oder Befestigungen enden.
Drucksensor-Bauelement nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper aus einem elastischen Material besteht.
Drucksensor-Bauelement nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseteil (1) einen Anschlussfitting (8) für die Öffnung (5) besitzt.
Drucksensor-Bauelement nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Eckbereich von Wandungen des ersten Gehäuseteils (1) eine Erhöhung aufweist, wobei die Erhöhung ein Zapfen, ein Haken oder ein Teil mit einem Klemmmechanismus ist.
Drucksensor-Bauelement nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Drucksensorelement (2) ein Chip mit einem abgedünnten Bereich als Membran (4) auf einem Sockel und/oder Podest ist, dass die Membran (4) wenigstens ein bei Dehnung seinen elektrischen Widerstandswert änderndes Element aufweist, dass das Element mit Kontakten des Chip als Drucksensorelement (2) elektrisch leitend verbunden ist und dass der Sockel und/oder das Podest eine durchgehende Öffnung besitzt, so dass ein Drucksensor-Bauelement für Differenz- und/oder Relativdruckmessung vorhanden ist.
Drucksensor-Bauelement nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens der Bereich der Membran (4) auf der dem anliegenden und zu messenden Medium gegenüberliegenden Seite mit einem haubenartigen Körper (9) abgedeckt ist und dass der durch die Membran (4) und dem haubenartigen Körper (9) begrenzte Hohlraum ein Referenzvolumen aufweist, so dass ein Drucksensor-Bauelement für Absolutdruckmessung mit wenigstens einer gegenüber dem anliegenden Medium im Drucksensor-Bauelement geschützten Membran vorhanden ist.