DE102007057903A1

DE102007057903A1 - Sensormodul und Verfahren zur Herstellung des Sensormoduls

Info

Publication number: DE102007057903A1
Application number: DE102007057903A
Authority: DE
Inventors: Willibald Reitmeier; Andreas Dr. Wildgen
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2007-11-29
Filing date: 2007-11-29
Publication date: 2009-06-04
Anticipated expiration: 2027-11-30
Also published as: WO2009068491A1; DE102007057903B4

Abstract

Ein Sensormodul weist einen auf einem Leitergitter (2) aufgebrachten Sensorchip (3) auf, der über eine Sensorfläche (18) verfügt. Von der Sensorfläche (18) führt ein Kanal (17) zu einem Kontaktende (5), durch den ein das Sensormodul umgebendes Medium zu der Sensorfläche (18) des Sensorchips (3) gelangen kann. Bei dem Sensorchip (3) handelt es sich vorzugsweise um einen Differenzdrucksensor, der den Differenzdruck an der Sensorfläche (18) und eine gegenüberliegende Sensorfläche erfasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensormodul mit einem Sensorchip, der mit einer Kunststoffabdeckung abgedeckt ist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung des Sensormoduls.
Ein derartiges Sensormodul ist aus der US 2007/0139044 A1 bekannt. Bei dem bekannten Sensormodul ist der Sensorchip auf einem Leitergitter aufgebracht und mit einer ersten Kunststoffhülle aus einem Duroplast umgeben. Die innere Kunststoffhülle ist weiterhin von einer äußeren Kunststoffhülle umgeben, die sich bis zu einem Kontaktende der vom Leitergitter gebildeten Leiterbahnen erstreckt. An den Kontaktenden der Leiterbahn ist die äußere Kunststoffhülle als Steckerfassung ausbildet. Das bekannte Sensormodul dient insbesondere der Erfassung der Drehgeschwindigkeit eines Turboladers.
Ferner ist aus der US 2004/0118227 A1 ein Sensormodul bekannt, bei dem ein Sensorchip auf einem Leitergitter fixiert ist. Der Sensorchip und das Leitergitter sind von einer Kunststoffhülle umgeben. Die Leiterbahnen des Leitergitters sind ferner mit Kontaktstiften verbunden. Der Übergangsbereich zwischen dem Leitergitter und den Kontaktstiften ist von einer weiteren Kunststoffhülle abgedeckt, die sich bis zu Kontaktenden der Kontaktstifte erstreckt und dort eine Steckerfassung bildet.
Als Sensorchip sind insbesondere temperaturempfindliche Sensorchips, auf Magnetfelder empfindliche Sensorchips, Winkelgeschwindigkeitssensoren oder Beschleunigungssensoren vorgesehen.
Ein Nachteil der bekannten Sensormodule ist, dass die Kunststoffhülle das Messsignal verfälschen kann. Beispielsweise kann die zusätzliche Masse der Kunststoffhülle die Antwortzeit des Sensormoduls vergrößern. Ferner können Eichungen notwendig sein, um den Einfluss der Kunststoffhülle zu korrigieren.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein hinsichtlich der Messeigenschaften verbessertes Sensormodul zu schaffen. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung des Sensormoduls anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch das Sensormodul und das Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. In davon abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.
Das Sensormodul verfügt über einen Kanal, der von einer Sensorfläche des Sensorchips zu einer Außenseite des Sensormoduls führt. Unter Kanal soll dabei eine Freisparung verstanden werden, deren Querschnittsabmessungen klein im Vergleich zu der von der Sensorfläche des Sensorchips bis zur Außenseite gemessenen Länge des Kanals ist. Durch einen derartigen Kanal steht die Sensorfläche des Sensorchips mit der Umgebung des Sensormoduls in Kontakt. Insbesondere Druckänderungen in dem umgebenden Medium können mit dem Sensormodul unmittelbar erfasst werden, ohne dass der Einfluss der Kunststoffhülle auf das Messergebnis durch Eichungen bestimmt werden muss.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Sensormodul mit Leiterbahnen versehen und der Kanal entlang einer Leiterbahn bis zu einer Kontaktstelle der Leiterbahn geführt. Dabei besteht die Möglichkeit, den Kanal durch eine geeignete Querschnittsprofilierung der Leiterbahn auszubilden.
Insbesondere ist es möglich, den Kanal durch eine Prägung einer Leiterbahn herzustellen, wenn die Leiterbahnen von einem Leitergitter gebildet sind. In diesem Fall kann beispielsweise der Kanal durch Ausbilden einer Nut in einer Leiterbahn des Leitergitters hergestellt werden. Unter Leitergitter soll in diesem Zusammenhang eine selbsttragende Einheit von Leiterbahnen verstanden werden, wobei die Leiterbahnen nach Abschluss der Fertigung nicht notwendigerweise untereinander verbunden sein müssen. Bei dem Leitergitter kann es sich beispielsweise um ein so genanntes Stanzgitter (= lead frame) handeln. Durch die Verwendung eines derartigen Leitergitters kann die Festigkeit des Sensormoduls zusätzlich erhöht werden. Außerdem wird die Fertigung erleichtert, da ein stabiler Träger zur Verfügung steht.
Die in einer Leiterbahn des Leitergitters ausgebildete Nut ist vorzugsweise mithilfe einer Folie abgedeckt, um zu verhindern, dass während der Herstellung der Kunststoffabdeckung Kunststoff in den Kanalbereich gelangt und den Kanalbereich blockiert.
Ferner kann der Kanal auch von einer Kanüle gebildet sein, die beispielsweise in eine in einer Leiterbahn des Leitergitters ausgebildete Nut eingelegt ist. Durch eine derartige Kanüle kann ein durchgängiger Kanal von der Sensorfläche des Sensorchips bis zur Außenseite des Sensormoduls ausgebildet werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Sensormodul mit einer weiteren Freisparung versehen, die von der Außenseite des Sensormoduls bis zu einer weiteren Sensorfläche des Sensorchips reicht. Falls es sich bei dem Sensorchip um einen Differenzdrucksensor handelt, kann in diesem Fall der Differenzdruck zwischen dem Druck des Mediums an der weiteren Sensorfläche und der am Kanal anliegenden Sensorfläche bestimmt werden.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung erläutert werden. Es zeigen:
1 eine perspektivische Außenansicht eines Sensormoduls;
2 eine perspektivische Ansicht eines Leitergitters des Sensormoduls aus 1 mit darauf aufgebrachten Bauelementen;
3 eine perspektivische Ansicht der Rückseite des Leitergitters aus 2;
4 eine perspektivische Ansicht einer Leiterplatte eines abgewandelten Sensormoduls mit darauf aufgebrachtem Sensorchip;
5 eine vergrößerte Querschnittsansicht einer abgewandten Leiterplatte;
6 eine vergrößerte Querschnittsansicht einer weiteren Leiterplatte und
7 eine perspektivische Ansicht eines weiteren abgewandelten Sensormoduls.
1 zeigt eine perspektivische Außenansicht eines Sensormoduls 1, bei dem ein Leitergitter 2 mit einem Sensorchip 3 versehen ist. Das Leitergitter 2 und der Sensorchip 3 sind von einer Kunststoffhülle 4 umgeben, die sich bis zu Kontaktenden 5 des Leitergitters 2 erstreckt. Ferner ist die Kunststoffhülle 4 mit einer Freisparung 6 versehen, die von einer Außenseite 7 des Sensormoduls 1 bis zu einer Sensorfläche 8 des Sensorchips 3 reicht.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht des Leitergitters 2, das eine innere Leiterbahn 9 aufweist, die für die Belegung mit Masse vorgesehen ist. Neben der Leiterbahn 9 sind weitere Leiterbahnen 10 und 11 vorgesehen, über die Messsignale laufen oder die Versorgungsspannung zum Sensorchip 3 geführt wird. Der Sensorchip 3 ist auf einen gabelförmigen Halteabschnitt 12 der Leiterbahn 9 aufgebracht und mithilfe von Bonddrähten 13 mit den Leiterbahnen 9 bis 11 verbunden. In 2 ist auch die durch die Freisparung 6 in der Kunststoffhülle 4 freigelegte Sensorfläche 8 erkennbar.
Die für die Belegung mit Masse vorgesehene Leiterbahn 9 verfügt auch über seitliche Ansätze 14, deren Enden aus der Kunststoffhülle 4 herausgeführt sind. Dadurch kann die Außenseite 7 des Sensormoduls 1 wenigstens punktweise auf Masse gelegt werden und eine elektrostatische Aufladung des umgebenden Mediums gegenüber dem Sensorchip 3 unterbunden werden.
Neben dem Sensorchip 3 können auch weitere Bauelemente auf das Leitergitter 2 aufgebracht und von der Kunststoffhülle 4 eingehüllt werden. In 2 sind beispielsweise Kondensatoren 15 und 16 dargestellt, die eine Verbindung zwischen der inneren Leiterbahn 9 und den äußeren Leiterbahnen 10 und 11 herstellen.
3 zeigt eine perspektivische Ansicht der Rückseite des in 2 dargestellten Leitergitters 2. Anhand 3 ist erkennbar, dass auf der Rückseite der inneren Leiterbahn 9 ein Kanal 17 ausgebildet ist, der von dem Kontaktende 5 der Leiterbahn 9 zu dem gabelförmigen Halteabschnitt 12 der Leiterbahn 9 führt. Durch den Kanal 17 kann ein das Sensormodul 1 umgebendes Medium zu einer weiteren Sensorfläche 18 geführt werden, die auf einer Auflagefläche 19 des Sensorchips 3 ausgebildet ist. Dementsprechend handelt es sich bei dem Sensorchip 3 vorzugsweise um einen Differenzdrucksensor, der den Differenzdruck zwischen der Sensorfläche 8 und der weiteren Sensorfläche 18 erfasst.
Zur Herstellung des Sensormoduls 1 wird auf der Rückseite des Leitergitters 2 zunächst eine Nut 20 ausgebildet, durch die der Kanal 17 verlaufen soll. Die Nut 20 kann beispielsweise hergestellt werden, indem die Nut 20 entlang der Leiterbahn 9 in das Leitergitter 2 eingeprägt wird. Anschließend wird auf die Vorderseite des Leitergitters 4 der Sensorchip 3 aufgebracht und mithilfe der Bonddrähte 13 mit dem Leitergitter 4 verbunden. Auch die übrigen Bauelemente, wie beispielsweise die Kondensatoren 15 und 16, werden in diesem Arbeitsschritt auf das Leitergitter 2 aufgebracht. Daraufhin wird das Leitergitter 2 in ein Formwerkzeug eingebracht und mit der Kunststoffhülle 4 umhüllt. Die Freisparung 6 wird dabei von einem geeigneten Kern freigehalten. Um den Kanal 17 auf der Rückseite des Leitergitters 2 auszubilden, wird vor dem Einlegen des Leitergitters 2 in das Formwerkzeug in die Nut 20 eine Kanüle 21 eingebracht, die sich vom Kontaktende 5 bis zum Halteabschnitt 12 erstreckt. Anschließend wird die Nut 20 und der Halteabschnitt 12 mit einer Klebefolie abgedeckt, so dass die Kanüle 21 in der Nut 20 gesichert ist und die Sensorfläche 18 während des Formgebungsprozesses freigehalten wird.
Die Kunststoffhülle 4 wird vorzugsweise in einem Spritzpressvorgang ausgebildet, bei dem das für die Kunststoffhülle 4 verwendete Material in einem Vorzylinder in einen fließfähigen Zustand gebracht und anschließend in das Formwerkzeug gepresst wird. Der Einlauf der Formmasse in das Formwerkzeug erfolgt vorzugsweise mit einem Druck unterhalb von 10 Bar. Nach dem Verfüllen des Formwerkzeugs kann ein Nachpressvorgang durchgeführt werden, bei dem die Formmasse unter einem Druck zwischen 50 und 100 Bar gesetzt wird, um verbleibende Luft aus dem Formwerkzeug herauszudrücken.
Für die Kunststoffhülle 4 sind vorzugsweise Kunststoffe auf der Basis eines Epoxidharzes vorgesehen, da die Parameter wie Glastemperatur T_G, Elastizitätsmodul und Wärmeausdehnungsko effizienten durch die Zusammensetzung variiert oder über die Vergussparameter eingestellt werden können.
Das Sensormodul 1 kann auf verschiedene Art und Weise abgewandelt werden. Beispielsweise ist es möglich, das Leitergitter 2 soweit an die Sensorfläche 18 heranzuführen, dass keine separate Kanüle zur Ausbildung des Kanals 17 erforderlich ist. In diesem Fall kann die Abdeckung der Rückseite des Leitergitters 2 ausreichen, um einen durchgehenden Kanal 17, der sich von der Eintrittsöffnung 19 der Leiterbahn 9 bis zur Sensorfläche 18 erstreckt, bereitzustellen.
Anstelle des Leitergitters 2 können auch andere Schaltungsträger verwendet werden. In 4 ist beispielsweise eine Leiterplatte 22 dargestellt, die ebenfalls für das Sensormodul 1 verwendet werden kann. Beispielsweise ist auf die Vorderseite der Leiterplatte 22 der Sensorchip 3 aufgebracht und mithilfe von in 4 nicht dargestellten Bonddrähten mit ebenfalls nicht dargestellten Leiterbahnen auf der Vorderseite der Leiterplatte 22 verbunden. Unterhalb des Sensorchips 3 ist eine Aussparung 23 vorgesehen, die sich über die Sensorfläche 18 des Sensorchips 3 erstreckt. Ferner ist auf der Rückseite der Leiterplatte 22 eine Nut 24 ausgebildet, die dazu verwendet werden kann, einen vom Kontaktende 5 der Leiterplatte 22 zu der Aussparung 23 führenden Kanal auszubilden. Dieser Kanal kann ausgebildet werden, indem die Nut 24 während des Formgebungsprozesses für die Kunststoffhülle 4 mit einer Folie abgedeckt wird oder indem gemäß 5 eine Kanüle 25 in die Nut 24 eingelegt wird.
Daneben ist es aber auch möglich, auf die Nut 24 zu verzichten und den Kanal gemäß 6 mit einer auf der planen Rückseite der Leiterplatte aufgebrachte Kanüle 26 zu bewerkstelligen.
Ferner ist es möglich, auf die Freisparung 6 zu verzichten und die Sensorfläche 8 beispielsweise mithilfe einer auf der Vorderseite des Leitergitters 4 auf dem Ansatz 14 nach außen geführte Kanüle 27 mit der Umgebung zu verbinden.
Der Kanal kann ferner auch ausgebildet werden, indem zwei Leitergitter aufeinander gelegt werden, wobei der Kanal in einem der der beiden Leitergitter oder in beiden Leitergittern ausgebildet ist. Schließlich kann der Kanal auch hergestellt werden, indem im Formwerkzeug ein nadelförmiger Schieber vorgesehen wird, der vor oder nach dem Einfüllen der Kunststoffmasse in Kontakt mit einer Sensorfläche gebracht wird und der vor dem endgültigen Aushärten der Kunststoffmasse zurückgezogen wird, um ein Einkleben des Schiebers zu verhindern.
In 7 ist schließlich eine Sensorfassung 28 dargestellt, in die das in 1 dargestellte Sensormodul 1 eingebracht werden kann. Insbesondere weist die Sensorfassung 28 eine Ausnehmung auf, in die das Sensormodul 1 im Schiebesitz eingebracht werden kann. Die Sensorfassung 28 weist vorzugsweise eine Außensechskant-Mutter 29 sowie einen Gewindeabschnitt 30 auf, so dass die Sensorfassung 28 in die Wand eines Behälters oder einer Leitung eingeschraubt werden kann. Da der Kanal 17 bis zum Kontaktende 5 des Leitergitters 2 geführt ist, kann der Sensorchip 3 den Differenzdruck zwischen dem im Inneren des Behälters oder der Leitung herrschenden Innendruck und dem außerhalb des Behälters oder der Leitung herrschenden Außendruck bestimmen.
Daneben ist es möglich, einen Kanal auch so zu führen, dass der Innendruck an verschiedenen Stellen gemessen wird, um beispielsweise die Strömungsgeschwindigkeit eines Gases zu bestimmen. Insofern bestehen hinsichtlich des Verlaufs und des Querschnitts des Kanals keine Einschränkungen.
Falls erforderlich, kann das Ende des Kanals auch durch eine in die Kunststoffhülle eingebettete Membran vor Verunreinigungen geschützt werden. Die Membran kann beispielsweise eine aus Polytetrafluorethylen bestehende wasserundurchlässige, aber dampfdiffusionsoffene Membran sein, die zur Verbindung mit der Kunststoffhülle im Randbereich perforiert ist. Beispielsweise kann die Membran in das Formwerkzeug eingelegt, dort fixiert und anschließend in die Kunststoffhülle eingespritzt werden.
Schließlich können anstelle eines Differenzdrucksensors auch Gaskonzentrationssensoren verwendet werden, die über einen Kanal 17 mit dem Medium verbunden sind.
Abschließend sei darauf hingewiesen, dass Merkmale und Eigenschaften, die im Zusammenhang mit einem bestimmten Ausführungsbeispiel beschrieben worden sind, auch mit einem anderen Ausführungsbeispiel kombiniert werden können, außer wenn dies aus Gründen der Kompatibilität ausgeschlossen ist.
Schließlich wird noch darauf hingewiesen, dass in den Ansprüchen und in der Beschreibung der Singular den Plural einschließt, außer wenn sich aus dem Zusammenhang etwas anderes ergibt. Insbesondere wenn der unbestimmte Artikel verwendet wird, ist sowohl der Singular als auch der Plural gemeint.

1: Sensormodul
2: Leitergitter
3: Sensorchip
4: Kunststoffhülle
5: Kontaktende
6: Freisparung
7: Außenseite
8: Sensorfläche
9: Leiterbahn
10: Leiterbahn
11: Leiterbahn
12: Halteabschnitt
13: Bonddraht
14: Ansatz
15: Kondensator
16: Kondensator
17: Kanal
18: Sensorfläche
19: Auflagefläche
20: Nut
21: Kanüle
22: Leiterplatte
23: Aussparung
24: Nut
25: Kanüle
26: Kanüle
27: Kanüle
28: Sensorfassung
29: Außensechskant-Mutter
30: Gewindeabschnitt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 2007/0139044 A1 [0003]
- US 2004/0118227 A1 [0004]

Claims

Sensormodul mit einem Sensorchip (3), der mit einer Kunststoffabdeckung (4) abgedeckt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormodul mit einem von einer Sensorfläche (18) des Sensorchips (3) zu einer Außenseite (7) des Sensormoduls führenden Kanal (17) versehen ist.
Sensormodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormodul von der Außenseite (7) zum Sensorchip (3) führende Leiterbahnen (9, 10, 11) aufweist.
Sensormodul nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (17) entlang einer der Leiterbahnen (9, 10, 11) ausgebildet sind.
Sensormodul nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen (9, 10, 11) Teil eines Leitergitters (2) sind.
Sensormodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (7) in einer in der Leiterbahn (9, 10, 11) ausgebildeten Nut (20) verläuft.
Sensormodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (20) mithilfe einer Folie abgedeckt ist.
Sensormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (17) von einer Kanüle (21, 25-27) gebildet ist.
Sensormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor chip (3) auf einer der Sensorfläche (18) gegenüberliegenden Seite eine weitere Sensorfläche (8) aufweist, die durch eine in die Kunststoffhülle (4) eingebrachte Freisparung (6) freigelegt ist.
Sensormodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorchip (3) ein Differenzdrucksensor ist.
Verfahren zur Herstellung eines Sensormoduls (1), bei dem ein Sensorchip (3) mit einer Kunststoffabdeckung (4) abgedeckt wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Sensormodul (1) ein von einer Sensorfläche (18) des Sensorchips (3) zu einer Außenseite (7) des Sensormoduls (1) führender Kanal ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (17) in einem Leiterbahnträger (2, 22) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (17) entlang einer von dem Sensorchip (3) zu einer Außenseite (7) des Sensormoduls (1) führenden Leiterbahn (9, 10, 11) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung des Kanals (17) eine Nut (20) in eine Leiterbahn (9, 10, 11) eines Leitergitters (2) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (20) in das Leitergitter (2) eingeprägt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbil dung des Kanals (17) eine Nut (24) in eine Leiterplatte (22) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (17) mithilfe einer von der Sensorfläche (18) bis zur Außenseite (7) der Kunststoffabdeckung (4) führende Kanüle (21, 25–27) bewerkstelligt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (20, 24) vor Beginn eines Formgebungsprozesses für die Kunststoffabdeckung (4) mithilfe einer Folie abgedeckt wird.