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Stand der
Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zum Erfassen eines Drucks
bzw. einer Kraft mit mindestens einem aus einem Halbleitersubstrat
hergestellten, gegen Verbiegung empfindlichen Sensorelement, das
weitestgehend in ein Gehäuse
gemoldet ist.
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Derartige
Sensorvorrichtungen werden für verschiedenste
Anwendungen im Bereich der Consumer-Elektronik eingesetzt, beispielsweise
bei berührungsempfindlichen
Bildschirmen von PDAs und Smartphones oder bei Laptops, die mit
einer berührungsempfindlichen
Fläche
als Mausersatz ausgestattet sind.
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Es
ist bekannt, die Oberfläche
einer solchen berührungsempfindlichen
Fläche
als starre Platte auszuführen,
die an mehreren Punkten auf kraftempfindlichen Elementen gelagert
ist. Mit Hilfe des Hebelgesetzes kann aus dem Verhältnis der
an den einzelnen Messpunkten erfassten Kräfte auf die Position der Krafteinwirkung,
also die Position eines Stifts bzw. Fingers, geschlossen werden.
Dazu müssen
die Kräfte
aber mit einer Genauigkeit von ca. 1% bestimmt werden können. Die
Anpresskraft ergibt sich aus der Summe der erfassten Kräfte und
kann ggf. als Strichstärke
wiedergegeben werden.
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Die
Kraft-/Drucksensoren, die hier zur Messwerterfassung eingesetzt
werden, müssen
außerdem
sehr robust sein, da bei den typischen Anwendungen der hier in Rede
stehenden berührungsempfindlichen
Flächen,
den sogenannten Touchpads, Kräfte
von bis ca. 5 N auftreten. Darüber
hinaus sollten die hier verwendeten Kraft-/Drucksensoren bis ca.
50 N überlastsicher
gegen Bruch oder ähnliches sein.
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In
der deutschen Patentanmeldung 10 2005 03 69 55 wird eine Sensorvorrichtung
der eingangs genannten Art beschrieben, die sowohl die voranstehend
genannten Anforderungen an die Messgenauigkeit erfüllt als
auch hinreichend robust ist. Diese bekannte Sensorvorrichtung umfasst
einen Drucksensorchip, der mit Verfahren der Oberflächenmikromechanik
aus einem Halbleitersubstrat hergestellt ist und weitestgehend in
ein Gehäuse
gemoldet ist. Die mikromechanische Struktur des Drucksensorchips umfasst
eine Membran, die eine Kaverne überspannt und
abschließt.
Das oberhalb der Membran ausgebildete Gehäuseoberteil der bekannten Sensorvorrichtung
soll wenigstens in gewissen Grenzen beweglich sein und einen Kraftnebenschluss
zur Membran aufweisen, so dass eine auf das Gehäuseoberteil wirkende Kraft
zumindest teilweise auf die Membran übertragen wird.
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Bei
dem hier verwendeten Drucksensorchip handelt es sich um ein relativ
aufwändig
herzustellendes mikromechanisches Bauelement. Auch die fertigungstechnischen
Anforderungen an das Gehäuse des
Drucksensorchips, insbesondere an das Gehäuseoberteil, sind relativ hoch,
so dass die bekannte Sensorvorrichtung insgesamt im Hinblick auf
die stetig fallenden Preise für
Produkte aus dem Bereich der Consumer-Elektronik relativ teuer ist.
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Vorteile der Erfindung
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Mit
der vorliegenden Erfindung wird eine besonders kostengünstige Weiterbildung
der bekannten Sensorvorrichtung vorgeschlagen, die sich durch einen
sehr einfachen, robusten und einfach zu applizierenden Aufbau auszeichnet
und gleichzeitig eine Messwerterfassung mit der für Anwendungen
in der Consumer-Elektronik erforderlichen Genauigkeit ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird dies
dadurch erreicht, dass das Gehäuse
mindestens eine Sollbiegestelle aufweist, auf die der zu erfassende
Druck bzw. die zu erfassende Kraft einwirkt. Das Sensorelement ist
im Bereich dieser Sollbiegestelle angeordnet, so dass es zusammen
mit dem Gehäuse
verbogen wird und im Falle einer Verbiegung ein Ausgangssignal entsprechend
der die Verbiegung verursachenden Kraft liefert.
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Zunächst ist
erkannt worden, dass die zu erfassenden Kräfte in der Regel eine Verbiegung
des Gehäuses
der bekannten Sensorvorrichtung verursachen. Erfindungsgemäß ist dann
erkannt worden, dass sich der Aufbau der bekannten Sensorvorrichtung
stark vereinfachen lässt,
wenn man diese Verbiegung des Gehäuses mittelbar oder unmittelbar
erfasst. In diesem Fall kann nämlich
der Drucksensorchip mit seiner relativ komplizierten mikromechanischen
Struktur durch ein sehr einfaches gegen Verbiegungen empfindliches
Sensorelement, wie z.B. einen oder auch mehrere Dehnmessstreifen,
ersetzt werden. Ergänzend
dazu wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
das Gehäuse
mit mindestens einer Sollbiegestelle auszustatten. Diese Maßnahme unterstützt die
Messgenauigkeit bzw. Messempfindlichkeit der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung,
da das Gehäuse
bei einer Krafteinwirkung im Bereich der Sollbiegestelle eine signifikante,
definierte Verbiegung erfährt.
Da das Sensorelement mit dem Gehäuse
verbogen wird, liefert es ein entsprechend differenziertes Ausgangssignal.
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Grundsätzlich gibt
es verschiedene Möglichkeiten
für die
Realisierung der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung,
insbesondere des Sensorelements sowie des Gehäuses.
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Als
Sensorelement kommt prinzipiell jedes Sensorelement in Frage, das
gegen Verbiegung empfindlich ist – also auch ein Drucksensorchip.
Für eine
besonders einfache und kostengünstige
Variante wird die Verwendung von Siliziumstreifen mit piezoempfindlichen
Widerständen
als Sensorelement vorgeschlagen.
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Im
Hinblick auf eine einfache und kostengünstige Fertigung erweist es
sich als vorteilhaft, das Gehäuse
aus einem Duroplasten, insbesondere aus einem Epoxid, herzustellen.
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Ist
die Richtung der zu erfassenden Kräfte vorgegeben, wie beispielsweise
im Falle einer berührungsempfindlichen
Fläche,
wo jeweils nur die senkrecht zu dieser Fläche wirkende Kraftkomponente ausgewertet
wird, so kann die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung
zum Anschluss an eine Auswerteeinheit einfach auf einer Leiterplatte
montiert werden. In der Regel wird die Leiterplatte dann senkrecht
zur Kraftrichtung orientiert, so dass sie die zu erfassenden Kräfte zumindest
teilweise aufnehmen kann. In diesem Fall wird das Gehäuse der
erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung
bevorzugt so auf der Leiterplatte montiert, dass es in mindestens
einem Bereich außerhalb
der Sollbiegestelle unterstützt
wird und über
die Sollbiegestelle gegen die Leiterplatte verbiegbar ist. Dabei
sollten die mechanischen und elektrischen Verbindungen zwischen
der Sensorvorrichtung und der Leiterplatte möglichst wenig beansprucht werden.
Das kann einfach durch Unterstützung
des Gehäuses
in mindestens zwei Bereichen erreicht werden, wenn diese Bereiche
so gewählt sind,
dass eine Krafteinwirkung an der Sollbiegestelle kein Drehmoment
am montierten Gehäuse
bewirkt.
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Zeichnung
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Wie
bereits voranstehend erörtert,
gibt es verschiedene Möglichkeiten,
die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und
weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die dem Patentanspruch
1 nachgeordneten Patentansprüche und
andererseits auf die nachfolgende Beschreibung von zwei Ausführungsbeispielen
der Erfindung anhand der Zeichnungen verwiesen.
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1a zeigt
einen Schnitt durch eine erste erfindungsgemäße Sensorvorrichtung 10 und
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1b zeigt
eine Draufsicht auf diese erste Sensorvorrichtung 10.
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2a zeigt
einen Schnitt durch eine zweite erfindungsgemäße Sensorvorrichtung 20 und
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2b zeigt
eine Draufsicht auf diese zweite Sensorvorrichtung 20.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Die
in den 1a und b dargestellte Sensorvorrichtung 10 dient
zum Erfassen eines Drucks bzw. einer Kraft, die im wesentlichen
senkrecht von oben auf das Gehäuse 1 einwirkt, was
durch den Pfeil 2 in 1a angedeutet
wird. Die Sensorvorrichtung 10 umfasst ein gegen Verbiegung
empfindliches Sensorelement 3, das aus einem Halbleitersubstrat
hergestellt ist. Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel handelt es sich
bei dem Sensorelement 3 um einen einfachen Siliziumstreifen
mit piezoempfindlichen Widerständen.
Der Siliziumstreifen und mit ihm die piezoempfindlichen Widerstände sind
so angeordnet, dass sich ihr Widerstandswert bei einer Verbiegung in
Richtung der Kraft 2 ändert.
Das Sensorelement 3 ist in das Gehäuse 1 gemoldet. Als
Moldmasse eignet sich beispielsweise ein Duroplast oder ein Epoxid.
Je nach Anwendung können
aber auch andere Materialien als Moldmasse verwendet werden.
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Erfindungsgemäß weist
das Gehäuse 1 eine Sollbiegestelle 4 auf.
Das Gehäuse 1 ist
im Bereich der Sollbiegestelle 4 gezielt geschwächt, beispielsweise
indem die Wandung dünner
ausgeführt
ist oder mit einer Kerbe versehen wurde. In jedem Fall muss die
Sollbiegestelle 4 so angeordnet und ausgerichtet werden,
dass sie die zu erfassende Kraft aufnehmen kann.
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Das
Sensorelement 3 erstreckt sich bis über den Bereich der Sollbiegestelle 4 und
wird dementsprechend zusammen mit dem Gehäuse 1 verbogen, wenn
eine Kraft, wie mit dem Pfeil 2 angedeutet, auf die Sensorvorrichtung 10 einwirkt.
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Schließlich umfasst
das hier dargestellte Sensorelement 10 noch einen ASIC 5,
der über Bonddrähte 6 mit
dem Sensorelement 3 verbunden ist und gemeinsam mit diesem
auf einem Leadframe 7 angeordnet ist. Der ASIC 5 ist
ebenfalls in das Gehäuse 1 gemoldet
aber so positioniert, dass eine Verformung aufgrund einer auf das
Gehäuse 1 wirkenden
Kraft weitestgehend vermieden wird. Insbesondere wenn die Sensorvorrichtung 10 auf
einer Leiterplatte montiert ist, kann eine derartige Verformung ausgeschlossen
werden, da das Gehäuse 1 dann
im Bereich des ASIC 5 auf der Leiterplatte aufsitzt, so dass
die in diesem Bereich auf die Sensorvorrichtung 10 wirkende
Kraft von der Leiterplatte aufgenommen wird. Die Sensorvorrichtung 10 umfasst
Beinchen 8, über
die sowohl die mechanische Montage auf einer Leiterplatte erfolgt
als auch elektrische Verbindungen hergestellt werden.
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Im
Gegensatz zur linken Seite des Gehäuses 1, wo der ASIC 5 placiert
ist, wird das rechte Ende des Gehäuses 1, wo sich die
Sollbiegestelle 4 befindet, nicht unterstützt, so
dass dieses Ende bei entsprechender Krafteinwirkung gegen die Leiterplatte gebogen
wird. An diesem rechten Gehäuseende
ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel
auch ein nasenartiger Vorsprung 9 als bevorzugter Angriffspunkt für die zu
erfassende Kraft ausgebildet.
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Mit
der in den 1a und b dargestellten Variante
einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 10 wird
eine sogenannte Zweipunkt-Biegung realisiert. Dementsprechend müssen sowohl
die mechanische als auch die elektrische Verbindung zwischen Sensorvorrichtung 10 und
Leiterplatte bei dieser Ausführungsform
ein Drehmoment gegenhalten, das durch eine Krafteinwirkung gemäß Pfeil 2 hervorgerufen
wird.
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Die 2a und
b zeigen eine Sensorvorrichtung 20, bei der dieses Problem
nicht auftritt, weil hier eine sogenannte Dreipunkt-Biegung realisiert
ist.
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Dazu
sind am Gehäuse 21 zwei
Sollbiegestellen 24 ausgebildet. Das Sensorelement 23 erstreckt
sich über
beide Sollbiegestellen 24. Es ist – wie auch im Fall der Sensorvorrichtung 10 – zusammen
mit einem ASIC 25 auf einem Leadframe 26 angeordnet
und in das Gehäuse 21 gemoldet.
Der ASIC 25 befindet sich in der linken Gehäusehälfte, die
in montiertem Zustand direkt auf einer Leiterplatte aufsitzt. Die
rechte Gehäusehälfte ist
lediglich endseitig auf der Leiterplatte festgelegt. Aufgrund der
speziellen Gehäuseform
der Sensorvorrichtung 20 verbleibt auch im montierten Zustand
ein Zwischenraum zwischen der Leiterplatte und dem mittleren Bereich 30 der
rechten Gehäusehälfte, in
dem die beiden Sollbiegestellen 24 angeordnet sind. Ein
nasenartiger Vorsprung 29, der mittig zwischen den beiden
Sollbiegestellen 24 am Gehäuse 21 ausgebildet
ist, stellt hier den bevorzugten Kraftangriffspunkt für die Messwerterfassung
dar. Bei einer entsprechenden Krafteinwirkung aus Richtung des Pfeils 22 werden
der mittlere Bereich 30 des Gehäuses 21 und damit
auch das Sensorelement 23 in Richtung der Leiterplatte verbogen.
Da das Gehäuse 21 aber
zu beiden Seiten des Bereichs 30 auf der Leiterplatte aufsitzt,
wird die einwirkende Kraft gleichmäßig von der Leiterplatte aufgenommen,
so dass keine der Verbindungsstellen zwischen Sensorvorrichtung 20 und
Leiterplatte ein Drehmoment erfährt.
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An
dieser Stelle sei ausdrücklich
darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung auch Varianten
umfasst, mit denen beispielsweise eine Vierpunkt-Biegung realisiert
wird. Selbstverständlich
können
alle Varianten einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung mit oder
ohne spezielle Ausformung eines Angriffspunkts für die zu erfassenden Kräfte ausgeführt werden.
Außerdem
kommen für
die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung
neben der hier dargestellten SOIC-Gehäuseform
mit Beinchen auch andere Gehäuseformen,
wie beispielsweise QFN-Gehäuse,
in Frage.