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Die
Erfindung betrifft ein Sensormodul zum Einbau in ein Gehäuseteil
sowie eine Sensorbaugruppe, welche ein Sensormodul sowie ein Gehäuseteil
umfasst.
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Personenschutzsysteme,
wie z. B. Airbags, werden unter anderem auf Basis von Beschleunigungs-
bzw. Verzögerungs-Informationen eines
Beschleunigungssensors ausgelöst.
Aus Silizium gefertigte Beschleunigungssensoren sind üblicherweise von
einem Gehäuse
umgeben. Die resultierende Sensoreinheit ist dabei als SMD-Bauteil
(Surface Mounted Device) ausgebildet, damit diese auf einer, als
Träger
für eine
elektronische Schaltung dienende, Leiterplatte weiterverarbeitet
werden kann. Die, durch elektronische Bauelemente und Leiterbahnen gebildete,
elektronische Schaltung auf der Leiterplatte sowie die Ausgestaltung
des Beschleunigungssensors unterscheiden sich je nach Sensierungsrichtung,
da für
die Erfassung der Beschleunigung in x-, y- und z-Richtung unterschiedliche
Sensorzellen nötig
sind. Neben dieser Variante existiert darüber hinaus eine Vielzahl an
unterschiedlichen Gehäusen,
in welche die elektronische Schaltung zusammen mit dem Beschleunigungssensor
eingebracht ist. Dies erfordert einen hohen Handling-Aufwand.
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Aus
der
DE 196 10 799
C1 ist eine Zündeinrichtung
zum Auslösen
eines Rückhaltemittels
in einem Kraftfahrzeug bekannt, welche einen räumlichen Schaltungsträger aufweist.
Der Schaltungsträger
ist als dreidimensionaler Kunststoffkörper mit darauf aufgebrachten
Leiterbahnen ausgebildet. Der Schal tungsträger ist als Kunststoffkörper ausgebildet,
welcher aus zwei Kunststoffkomponenten hergestellt ist: Ein Isolierkörper aus
einer ersten Kunststoffkomponente bildet das Gerüst des Kunststoffkörpers. Um
diesen Isolierkörper
herum wird in einer weiteren Kunststoffkomponente ein Leiterbahnkörper gespritzt.
Die weitere Kunststoffkomponente, aus der der Leiterbahnkörper hergestellt
wird, weist im Gegensatz zur ersten Kunststoffkomponente die Eigenschaft
auf, dass ihre Oberfläche
metallisiert werden kann. Dabei werden insbesondere die Oberflächen des
Leiterbahnkörpers
zu Leiterbahnen metallisiert, die am Kunststoffkörper zugänglich sind. Anstelle des vorbeschriebenen
Zwei-Komponenten-Spritzgusses (MID, Molded Interconnected Device)
des Kunststoffkörpers
kann dieser auch aus einer einzigen Kunststoffkomponente gespritzt
werden. Auf diesen Kunststoffkörper
werden dann Leiterbahnen durch eine Laser-Direkt-Strukturierung
aufgebracht. Der so entstandene Kunststoffkörper als Schaltungsträger für die Zündschaltung
wird daraufhin mit elektronischen Bauelementen bestückt. Diese
Bauelemente können
als SMD-Bauelemente ausgebildet sein, so dass eine SMD-Bestückung des
Trägers durch
einen SMD-Standard-Bestückungsautomaten ermöglicht wird.
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Ein
weiteres Zündmodul
zum Auslösen
eines Insassenschutzmittels ist aus der
DE 100 24 664 C2 bekannt.
Das Zündmodul
umfasst einen dreidimensionalen Schaltungsträger aus einem Kunststoff sowie eine
durch Schaltungsbausteine und Leiterbahnen gebildete Zündschaltung
für ein
Zündelement.
Die Leiterbahnen sind zumindest teilweise durch eine auf die Oberfläche des
Schaltungskörpers
aufgebrachte Metallschicht gebildet. Der Schaltungsträger ist
ein durch Spritzgießen
hergestellter Formkörper.
Der Kunststoff des Schaltungsträgers
ist derart gewählt, dass
auf ihn unmittelbar Leiterbahnen in der MID-Technik aufgebracht
werden können.
Der Schaltungsträ ger
braucht nicht in einem einzigen Verfahrensschritt ausgeformt zu
werden, sondern kann im Zwei-Komponenten-Spritzverfahren mehrschichtig ausgebildet
sein, wobei die äußere Schicht
aus einem Kunststoff besteht, auf den Leiterbahnen aufbringbar sind.
Das Zündmodul
ist als ein Grundmodul ausgebildet, das von einem Gehäuseteil
aufgenommen wird. Beim Zusammenbau des Grundmoduls mit dem Gehäuseteil
erfolgt eine elektrische Kontaktierung des Grundmoduls mit, mit
dem Gehäuseteil
verbundenen, Kontaktstiften. Der Schaltungsträger kann kostengünstig als
Großserienteil
hergestellt werden. Er ist wegen seines geringen Platzbedarfs unabhängig von
den jeweiligen räumlichen
Verhältnissen
an einem jeweiligen Gerät
anbringbar.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, verbesserte Sensorbaugruppe
mit einem Beschleunigungssensor anzugeben, der einfach und kostengünstig herzustellen
ist.
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Diese
Aufgabe wird durch Sensormodul gemäß den Merkmalen des Patentanspruches
1 sowie durch eine Sensorbaugruppe gemäß den Merkmalen des Patentanspruches
13 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Ein
erfindungsgemäßes Sensormodul
zum Einbau in ein Gehäuseteil
umfasst: Einen dreidimensionalen Schaltungsträger aus Kunststoff mit einer Mehrzahl
an Seitenflächen;
eine durch elektronische Bauelemente und Leiterbahnen gebildete
elektronische Schaltung, wobei zumindest eines der Bauelemente ein
Beschleunigungssensor zum Erfassen einer Beschleunigung in einer
Hauptempfindlichkeitsachse ist; und eine Mehrzahl an Anschlusseinheiten, wobei
die Anschlusseinheiten an zumindest zwei der Seitenflächen des
Schaltungsträgers
vorgesehen sind und wobei das Sensormodul über eine der Anschlusseinheiten
mit einer komplementären
Anschlusseinheit des Gehäuseteils
elektrisch verbindbar ist. Abhängig
davon, mit welcher der Anschlusseinheiten das Sensormodul mit dem
Gehäuseteil elektrisch
verbunden wird, ist die Hauptempfindlichkeitsachse des Beschleunigungssensors
relativ zu dem Gehäuseteil
festlegbar.
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Eine
erfindungsgemäße Sensorbaugruppe umfasst
ein Sensormodul und ein Gehäuseteil,
wobei das Sensormodul aufweist: Einen dreidimensionalen Schaltungsträger aus
Kunststoff mit einer Mehrzahl an Seitenflächen; eine durch elektronische
Bauelemente und Leiterbahnen gebildete elektronische Schaltung,
wobei zumindest eines der Bauelemente ein Beschleunigungssensor
zum Erfassen einer Beschleunigung in einer Hauptempfindlichkeitsachse ist;
eine Mehrzahl an Anschlusseinheiten, wobei die Anschlusseinheiten
an zumindest zwei der Seitenflächen
des Schaltungsträgers
vorgesehen sind und wobei das Sensormodul über eine der Anschlusseinheiten
mit einer komplementären
Anschlusseinheit des Gehäuseteils
elektrisch verbunden ist. Abhängig davon,
mit welcher der Anschlusseinheiten das Sensormodul mit dem Gehäuseteil
elektrisch verbunden ist, ist die Hauptempfindlichkeitsachse des
Beschleunigungssensors relativ zu dem Gehäuseteil festlegbar.
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Um
die Fertigung zu vereinfachen und eine geringere Anzahl an Komponenten
vorhalten zu müssen,
schlägt
die Erfindung vor, die zur Beschleunigungsmessung notwendigen Bestandteile
in ein Sensormodul zu integrieren. Das Sensormodul kann, unabhängig davon,
ob eine Beschleunigung in x-, y- oder z-Richtung sensiert werden soll, immer
identisch aufgebaut werden. Dies resultiert daraus, dass das Sensormodul
eine Mehrzahl an Anschlusseinheiten aufweist, welche über mehrere
Seitenflächen
des Sensormoduls verteilt sind. Erst mit dem Ein bau des Sensormoduls
in ein separat davon gefertigtes, prinzipiell beliebig ausgebildetes,
Gehäuseteil
wird festgelegt, ob die Hauptempfindlichkeitsachse des Beschleunigungssensors
eine Beschleunigung in x-, y- oder z-Richtung, relativ zu dem Gehäuseteil,
erfasst.
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Neben
dem Vorteil, lediglich ein einziges, generisches Schaltungsteil,
das Sensormodul, vorhalten zu müssen,
weist eine erfindungsgemäße Sensorbaugruppe
weniger Einzelteile als herkömmliche Sensorbaugruppen
auf. Im Rahmen der Erfindung können
ein Schaltungsträger,
wie z. B. eine Leiterplatte, und die zur Befestigung des Schaltungsträgers notwendigen
Befestigungselemente in dem Gehäuse
entfallen. Dadurch ist auch der Aufbau des Gehäuseteils wesentlich vereinfacht.
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Eine
besonders einfache Fertigung ergibt sich dann, wenn die Leiterbahnen
zumindest teilweise auf der Oberfläche des Schaltungsträgers ausgebildet
sind. Werden die Leiterbahnen gemäß einer weiteren Ausführungsform
direkt auf den dreidimensionalen Schaltungsträger aufgebracht zur Bildung einer
Schaltungsträger-Komponente,
umfassend die Einheit aus Schaltungsträger und Leiterbahnen, so ergibt
sich ein besonders kompaktes und einfach herzustellendes Bauteil.
Die Fertigung kann in bekannter Weise als Molded Interconnected
Device erfolgen.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
weisen die Anschlusseinheiten jeweils eine gleiche Anzahl an Anschlusskontakten
auf. Hierdurch wird eine hohe Flexibilität beim Zusammenbau des Sensormoduls
mit dem Gehäuseteil
hinsichtlich der Orientierung des Sensormoduls in dem Gehäuseteil
ermöglicht.
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Die
Erfindung bringt den weiteren Vorteil mit sich, das der Beschleunigungssensor
ohne ein diesen umgebendes Gehäuse,
als so genannter Bare Die, direkt auf die Schaltungsträgerkomponente
aufgebracht ist. Der Entfall des den Beschleunigungssensor umgebenden
Gehäuses
vereinfacht einerseits die Anzahl der Herstellungsschritte und ermöglicht andererseits
die Ausbildung eines besonders kompakten Sensormoduls. Zumindest
manche der elektronischen Bauelemente sind gemäß einer weiteren Ausführungsform
von einem Vergussmaterial zu deren Schutz umgeben.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
sind in der Schaltungsträgerkomponente
Bestückungsflächen für die elektronischen
Bauelemente vorgesehen. Die Bestückungsflächen sind
gemäß einer
Variante durch eine Ausnehmung in dem Schaltungsträger gebildet.
Die Größe der Ausnehmung
ist dabei bevorzugt an die auf die Bestückungsfläche aufzubringenden elektronischen
Bauelemente angepasst. Dabei wird insbesondere auch bei einer eventuell vorgenommenen
Bonddraht-Verbindung der dabei benötigte Platz und die dabei benötigte Höhe berücksichtigt.
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Die
elektronischen Bauelemente können wahlweise
durch eine Lot- oder Klebeverbindung oder durch eine Bonddraht-Verbindung mit der Schaltungsträgerkomponente
elektrisch verbunden sein.
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Um
die Bestückung
der Schaltungsträgerkomponente
mit den elektronischen Bauelementen zu vereinfachen, ist gemäß einer
weiteren Ausführungsform
vorgesehen, dass die elektronischen Bauelemente auf einer (einzigen)
der Seitenflächen
des Schaltungsträgers
angeordnet sind. Hierdurch kann die Bestückung der elektronischen Bauelemente
unter Verwendung von SMD-Standard-Equipment
erfolgen.
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Der
dreidimensionale Schaltungsträger
weist im Wesentlichen die Form eines Quaders oder eines Würfels auf.
Hierdurch ergeben sich die Möglichkeit, das
Sensormodul derart in dem Gehäuseteil
anzuordnen, dass wahlweise eine Sensierung in x-, y- oder z-Richtung
ermöglicht
wird.
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Das
Sensormodul der erfindungsgemäßen Sensorbaugruppe
kann, wie oben beschrieben, ausgebildet sein. In einer weiteren
Ausführungsform
ist das Gehäuseteil
der Sensorbaugruppe mit einer Ausnehmung für das Sensormodul versehen,
die eine Größe aufweist,
die unabhängig
davon, mit welcher der Anschlusseinheiten das Sensormodul mit dem Gehäuseteil
verbunden ist, das Sensormodul vollständig aufnimmt. Mit anderen
Worten bedeutet dies, dass die Ausnehmung des Gehäuseteils
größer als die
Abmaße
des Sensormoduls ist, so dass dieses, unabhängig von dessen Orientierung,
in die Ausnehmung eingebracht und kontaktiert werden kann.
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Die
erfindungsgemäße Sensorbaugruppe findet
insbesondere in Personenschutzsystemen eines Kraftfahrzeuges Anwendung.
Genauer findet diese Anwendung zum Auslösen eines Airbags, insbesondere
eines Seiten-Airbags, in einem Kraftfahrzeug.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
Gesamtansicht eines erfindungsgemäßen Sensormoduls von verschiedenen
Seiten,
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2 eine
perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Sensormoduls aus 1 in
einer ersten Ansicht,
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3 eine
perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Sensormoduls aus 1 in
einer zweiten Ansicht,
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4 einen
Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Sensorbaugruppe,
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5a, 5b ein
zweites Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Sensorbaugruppe, jeweils
in einer geschnittenen Darstellung.
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1 zeigt
ein erfindungsgemäßes Sensormodul 2 in
verschiedenen Seitenansichten. Die 2 und 3 zeigen
das Sensormodul 2 jeweils in einer perspektivischen Ansicht
von verschiedenen Seiten her. Das Sensormodul 2 weist einen
im Wesentlichen quaderförmig
ausgebildeten Schaltungsträger 4 aus
einem Kunststoff auf. Der Kunststoff des Schaltungsträgers 4 ist
derart gewählt,
dass auf ihn unmittelbar (in den Figuren nicht dargestellte) Leiterbahnen
in der so genannten MID-Technik
(Molded Interconnected Device) aufgebracht werden können. Der
Kunststoff des Schaltungsträgers 4 besteht
aus einer isolierenden Kunststoffkomponente. Die Leiterbahnen können durch
das Aufbringen einer weiteren Kunststoffkomponente gebildet werden,
deren Oberfläche
metallisiert werden kann. Dieses Verfahren wird als Zwei-Komponenten-Spritzgussverfahren
bezeichnet.
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Die
Gesamtheit aus Schaltungsträger 4 und darauf
aufgebrachten Leiterbahnen wird im Rahmen der Erfindung auch als
Schaltungsträgerkomponente 18 bezeichnet.
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Diese
kann anstelle des Zwei-Komponenten-Spritzgussverfahrens auch aus
einer einzigen Kunststoffkomponente gespritzt werden. Auf diesen, aus
einem speziellen Kunststoffmaterial bestehenden Kunststoffkörper können dann
im Folgenden die Leiterbahnen durch eine so genannte Laser-Direktstrukturierung
aufgebracht werden. Die Leiterbahnen können auf der Oberfläche des
Schaltungsträgers beispielsweise
hergestellt werden, indem eine den späteren Leiterbahnen entsprechende
Strukturierung durch einen Laser vorgenommen wird. Durch einen nachfolgenden
Galvanikprozess werden diese durch den Laser aktivierten Bereiche
metallisiert. Alternativ könnte
die Oberfläche
zunächst
großflächig durch galvanische
Abscheidung oder durch Aufsputtern oder Aufdampfen mit einer Metallschicht
versehen werden, die dann durch eine Laserbelichtung, Abätzen nach
Abdecken mit Masken usw. derart entfernt wird, dass die erwünschten
Leiterbahnen zurückbleiben.
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Der
Schaltungsträger 4 weist
Seitenflächen 5, 6, 7, 8, 9 und 10 auf.
Auf der Seitenfläche 5 und z.B.
der, der Seitenfläche 5 gegenüberliegenden
Seitenfläche 10 sind
Bestückungsflächen 23, 24,
auf welche ein Beschleunigungssensor 19 zum Erfassen einer
Beschleunigung in einer Hauptempfindlichkeitsachse sowie elektronischen
Bauelemente 20, 21 aufgebracht sind. Das elektronische
Bauelement 20 ist als ASIC ausgebildet und zusammen mit
dem Beschleunigungssensor 19 in einer zweistufigen Ausnehmung 25, 26 angeordnet.
Der Beschleunigungssensor 19 sowie der ASIC 20 sind
dabei auf dem Boden der Ausnehmung 26 angeordnet. Die Oberseite des
ASIC 20 und des Beschleunigungssensors 19 schließen in etwa
in einer Ebene mit dem Boden der größeren Ausnehmung 25 ab.
Dieser, die Ausnehmung 26 umlaufende Boden bildet eine
Kontaktierfläche 27 zum
elektrischen Anschluss des ASIC 20 und des Beschleunigungssensors 19 über Bonddrähte 31.
Die Tiefe der Ausnehmung 25 ist dabei derart gewählt, dass
die Bonddrähte
nicht über
die durch die Seitenfläche 5 gebildete
Ebene hinausragen. Nach der Montage und der elektrischen Kontaktierung
des ASIC 20 und des Beschleunigungssensors 19 kann die
zweistufige Ausnehmung mit einer Vergussmasse (nicht dargestellt)
zum Schutz der Bauelemente aufgefüllt sein.
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Auf
der Seitenfläche 10 des
Schaltungsträgers 4 sind
weitere elektronische Bauelemente 21, z. B. passive Bauelemente,
aufgebracht. Die mittels der Leiterbahnen untereinander verbundenen
elektronischen Bauelemente 20, 21 und der Beschleunigungssensor 19 bilden
eine elektronische Schaltung des Sensormoduls 2. Die elektrische
Verbindung zwischen den auf der Seitenfläche 10 aufgebrachten elektronischen
Bauelementen 21 und dem ASIC 20 sowie dem Beschleunigungssensor 19 kann über auf der
Oberfläche
verlaufende Leiterbahnen des Schaltungsträgers 4 realisiert
sein. Denkbar ist auch, eine Kontaktierung im Inneren des Schaltungsträgers 4 vorzunehmen.
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Bei
den elektronischen Bauelementen 20, 21 handelt
es sich bevorzugt um SMD-Bauelemente, welche besonders gut automatisierbar
mit der Schaltungsträgerkomponente 18 verbindbar
sind. Denkbar ist auch, die elektronischen Bauelemente im Rahmen des
Fertigungsprozesses der Schaltungsträgerkomponente, z. B. als Polymer-Widerstand,
auszubilden. Hierbei wird das Bauelement direkt in eine Leiterbahn integriert.
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Das
in den 1 bis 3 gezeigte Sensormodul weist
zwei Anschlusseinheiten 12, 13 auf. Die Anschlusseinheit 12 umfasst
Anschlusskontakte 14, 15, welche sich von der
Seitenfläche 5 orthogonal
in das Innere des Schaltungsträgers 4 hinein
erstrecken. Weiterhin ist eine Anschlusseinheit 13 mit
Anschlusskontakten 16, 17 auf der Seitenfläche 9 orthogonal ausgebildet.
Die Anschlusskontakte 16, 17 erstrecken sich von
der Seitenfläche 9 ins
Innere des Schaltungsträgers 4.
Alternativ könnten
diese auch als Durchkontaktierungen ausgebildet sein. Wie aus dem
Schnitt längs
der Linie B-B (untere Figur in 1) gut zu
erkennen ist, verlaufen die Anschlusskontakte 14, 15 und 16, 17 orthogonal
zueinander.
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Sowohl
die Anschlusseinheit 12 als auch die Anschlusseinheit 13 sind
Teil der elektronischen Schaltung, wobei eine Kontaktierung des
Sensormoduls 2 wahlweise über eine der beiden Anschlusseinheiten 12, 13 erfolgt.
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Je
nachdem, mit welcher der Anschlusseinheiten das Sensormodul kontaktiert
wird, kommt der Beschleunigungssensor 19 in einer unterschiedlichen
Position, d.h. Ebene, zum Liegen. Mit welcher der Anschlusseinheiten 12, 13 das
Sensormodul kontaktiert werden soll, hängt davon ab, in welcher Richtung
die Hauptempfindlichkeitsachse des Beschleunigungssensors 19 für die Sensierung
orientiert sein soll.
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Die 4 und 5a, 5b zeigen
das in den 1 bis 3 beschriebene
Sensormodul 2, wie es jeweils in ein Gehäuseteil 3 eingebaut
ist. Das Gehäuseteil 3 weist
eine Ausnehmung 30 auf, in welche das Sensormodul 2 eingesetzt
ist. Unabhängig davon,
mit welcher der Anschlusseinheiten 12, 13 das
Sensormodul 2 mit, in die Ausnehmung 30 hineinragenden,
Enden von Kontaktpins 28 verbunden ist, ist das Sensormodul 2 vollständig in
der Ausnehmung 30 gelegen. Die Kontaktpins 28 erstrecken
sich mit ihren anderen Enden in einen Kontaktbecher 29, des
Gehäuseteils
welcher zur externen Kontaktierung der Sensorbaugruppe dient. Die
Verbindung von Sensormodul 2 und Kontaktpins 28 erfolgt
mittels der bekannten Einpresstechnik.
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Darüber hinaus
sind auch andere elektrische Anschlussmethoden denkbar.
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Während in
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 4 der
Beschleunigungssensor aufgrund der Kontaktierung über die
Anschlusseinheit 12 parallel zum Boden der Ausnehmung 30 zum
Liegen kommt, ist das Sensormodul 2 im Ausführungsbeispiel
gemäß 5 über
die Anschlusseinheit 13 kontaktiert, so dass der Beschleunigungssensor
um 90° gedreht, d.h.
senkrecht zum Boden und parallel zu den Wänden der Ausnehmung 30,
zum Liegen kommt.
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Darüber hinaus
unterscheiden sich die Gehäuseteile 3 in
ihrer baulichen Form, genauer in der Art, wie diese an einem Träger befestigt
werden können.
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Die
Herstellung der Schaltungsträgerkomponente 18 in
MID-Technik bietet
den Vorteil, dass der Beschleunigungssensor 19 als so genannter
Bare Die, das heißt
ohne ein diesen umgebendes Gehäuse,
direkt auf die Schaltungsträgerkomponente 18 aufgebracht
werden kann. Die Schritte des Ausbildens eines Gehäuses für den Beschleunigungssensor
können
damit entfallen. Darüber
hinaus wird der Vorteil erzielt, dass das Sensormodul baulich besonders
klein ausgestaltbar ist.
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Durch
das direkte Aufbringen des Beschleunigungssensors auf die Schaltungsträgerkomponente
ergibt sich eine besonders gute mechanische Kopplung zu dieser.
Hierdurch wird eine gute Signalübertragung
ermöglicht.
Diese wird weiterhin dadurch begünstigt,
dass das Sensormodul eine lediglich geringe Masse aufweist.
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Der
Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das Handling bei der Erstellung
einer Sensorbaugruppe zum Erfassen einer Beschleunigung in einer beliebigen
Richtung stark vereinfacht wird, da erst im Rahmen des Einbringens
des erfindungsgemäßen Sensormoduls
in ein Gehäuseteil,
welches spezifisch für
verschiedene Hersteller ausgebildet sein kann, die Sensierungsachse
festgelegt wird.