-
Die
Erfindung betrifft einen keramischen Drucksensor mit einem Grundkörper, mindestens
einer mit dem Grundkörper
unter Bildung einer Messkammer druckdicht verbundenen Messmembran,
einem elektromechanischen Wandler, der dazu dient, eine druckabhängige Verformung
der Messmembran in ein elektrisches Primärsignal umzuwandeln, und einer
auf dem Grundkörper
aufgebrachten Vorortelektronik, die anhand des Primärsignals
ein Messsignal generiert und einer weiteren Verarbeitung, Auswertung
und/oder Anzeige zur Verfügung
stellt.
-
Drucksensoren
im hier verwendeten Sinn umfassen Absolutdrucksensoren, die den
absoluten Druck eines Messmediums gegen Vakuum messen, Relativdrucksensoren,
die die Differenz zwischen dem Druck in einem Messmedium und dem
aktuellen Atmosphärendruck
messen, sowie Differenzdrucksensoren, die eine Druckdifferenz zwischen
einem ersten und einem zweiten Mediendruck erfassen.
-
Sie
finden heute weit gefächerte
Anwendung in nahezu allen Bereichen der industriellen Messtechnik.
-
Derartige
Drucksensoren werden regelmäßig in Druckmessgeräten eingesetzt,
in denen der Drucksensor in ein entsprechendes Sensorgehäuse eingesetzt
wird, dass dann am Einsatzort des Druckmessgeräts montiert wird. Druckmessgeräte weisen üblicher
Weise eine Messgerätelektronik
auf, über die
die Vorortelektronik gespeist wird und die deren Messsignale aufnimmt
und einer weiteren Verarbeitung, Auswertung und/oder Anzeige unterzieht.
-
Entsprechende
Druckmessgeräte
werden von der Anmelderin z. B. unter der Bezeichnung Cerabar hergestellt
und in Verkehr gebracht.
-
Die
Drucksensoren weisen bevorzugt keramische Grundkörper und Membranen auf, da
Keramik für
die Anwendung in der Druckmesstechnik besonders vorteilhafte thermische,
chemische und mechanische Eigenschaften aufweist, die unter anderem
eine hohe Langzeitstabilität
der erzielbaren Messergebnisse und einen innerhalb weiter Temperaturbereiche
verhältnismäßig spannungsfreien
Einbau des Sensors in entsprechende in der Regel metallische Sensorgehäuse und/oder
Prozessanschlüsse erlauben.
-
Es
sind Drucksensoren dieser Art bekannt, bei denen die Vorortelektronik
unmittelbar auf dem Grundkörper
aufgebracht, z. B. aufgeklebt, wird, und elektrisch über angelötete oder
gebondete Anschlussdrähte
an den Wandler und an die Messgerätelektronik angeschlossen wird.
-
Dabei
besteht jedoch das Problem, dass durch das Aufbringen der Vorortelektronik
auf den Grundkörper
eine mechanische Kopplung zwischen diesen beiden Elementen besteht.
Jede auch noch so geringe Verformung des Grundkörpers wirkt unmittelbar auf
die Verbindung zwischen Grundkörper und
Vorortelektronik und über
diese mechanische Verbindung auch auf die Vorortelektronik ein.
Hierdurch wird die mechanische Verbindung zwischen Vorortelektronik
und Grundkörper
belastet und unter Umständen
mit der Zeit beschädigt.
Hinzu kommt, dass die Vorortelektronik und natürlich auch deren in der Regel
sehr dünnen
Anschlussdrähte
empfindlich gegenüber
mechanischen Belastungen sind, und durch die bestehende mechanische
Kopplung ebenfalls Schaden nehmen können. Ein weiteres Problem besteht
darin, dass elektrische Signale, die z. B. auf extrem dünnen Leiterzügen eines
Siliziumchips der Vorortelektronik übertragen werden, durch diese
mechanische Kopplung beeinflusst oder verfälscht werden können. Dies
kann beispielsweise zu signifikanten Fehlern in der Signalverarbeitung
führen.
-
Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Drucksensor der eingangs genannten
Art anzugeben, bei dem die Vorortelektronik mechanisch vom Grundkörper entkoppelt
ist.
-
Hierzu
besteht die Erfindung in einem Drucksensor mit
- – einem
keramischen Grundkörper,
- – einer
mit dem Grundkörper
unter Bildung einer Messkammer druckdicht verbundenen Messmembran,
- – einem
elektromechanischen Wandler,
- – der
dazu dient, eine druckabhängige
Verformung der Messmembran in ein elektrisches Primärsignal
umzuwandeln, und
- – der
mindestens einen auf eine Außenseite
des Grundkörpers
geführten
elektrischen Anschluss aufweist,
- – einem
vom Grundkörper
beabstandet angeordneten keramischen Träger auf dem eine Vorortelektronik
angeordnet ist,
- – auf
der Außenseite
des Grundkörpers
montierten Verbindungselementen,
- – auf
denen der Träger
mechanisch befestigt ist, und
- – über die
eine der Anzahl der Anschlüsse
des Wandlers entsprechende Anzahl elektrisch leitfähiger Verbindungen
verläuft,
- – die
vom jeweiligen Anschluss über
eines der Verbindungselemente zu einem dem jeweiligen Anschluss
zugeordneten auf dem Träger
befindlichen an die Vorortelektronik angeschlossenen Kontakt führt.
-
Gemäß einer
Ausgestaltung umfasst die Vorortelektronik einen ASIC, der auf dem
Träger
in einem Schutzgehäuse
angeordnet ist, Gemäß einer Weiterbildung
ist der Träger
beidseitig mit Komponenten der Vorortelektronik bestückt.
-
Gemäß einer
weiteren Weiterbildung ist ein zwischen dem Träger und dem Grundkörper bestehender
Hohlraum mit einem elektrisch isolierenden Wärme leitenden Material ausgefüllt.
-
Weiter
umfasst die Erfindung einen erfindungsgemäßen Drucksensor, bei dem
- – jedem
Anschluss des Wandlers eines der Verbindungselemente zugeordnet
ist,
- – das
entweder aus einem elektrisch leitfähigen Material, insb. aus Lot
oder aus Metall, besteht, oder das aus einem Isolator, insb. aus
Keramik oder aus Kunststoff, besteht, der mit einer leitfähigen Beschichtung
versehen ist,
- – das
mittels einer elektrisch leitfähigen
mechanischen Verbindung unmittelbar mit dem jeweiligen Anschluss
verbunden ist, und
- – das
mittels einer elektrisch leitfähigen
mechanischen Verbindung unmittelbar mit dem dem jeweiligen Anschluss
zugeordneten auf der dem Grundkörper
zugewandten Seite des Trägers
angeordneten Kontakt verbunden ist.
-
Weiter
umfasst die Erfindung einen erfindungsgemäßen Drucksensor, bei dem
- – jedem
Anschluss des Wandlers eines der Verbindungselemente zugeordnet
ist,
- – das
aus einem Isolator, insb. aus Keramik oder aus Kunststoff, besteht,
und
- – in
dessen Innerem eine von einer dem Grundkörper zugewandten Unterseite
des Verbindungselements zu einer dem Träger zugewandten Oberseite des
Verbindungselements führende elektrische
Leitung verläuft,
- – die
mittels einer elektrisch leitfähigen
mechanischen Verbindung unmittelbar mit dem jeweiligen Anschluss
verbunden ist, und
- – die
mittels einer elektrisch leitfähigen
mechanischen Verbindung unmittelbar mit dem dem jeweiligen Anschluss
zugeordneten auf der dem Grundkörper
zugewandten Seite des Trägers
angeordneten Kontakt verbunden ist.
-
Des
Weiteren umfasst die Erfindung einen erfindungsgemäßen Drucksensor,
bei dem mindestens zwei Anschlüssen
des Wandlers ein Verbindungselement zugeordnet ist,
- – das
aus einem Isolator, insb. aus Keramik oder aus Kunststoff, besteht,
- – auf
dem für
jeden Anschluss eine Leiterbahn aufgebracht ist,
- – die
jeweils eine auf einer dem Grundkörper zugewandten Unterseite
des Verbindungselements angeordnete Kontaktfläche umfasst, die über eine elektrisch
leitfähige
mechanische Verbindung mit einem der Anschlüsse des Wandlers verbunden ist,
- – die
jeweils eine auf einer dem Träger
zugewandten Oberseite des Verbindungselements angeordnete Kontaktfläche umfasst,
die über
eine elektrisch leitfähige
mechanische Verbindung mit dem dem jeweiligen Anschluss zugeordneten
an die Vorortelektronik angeschlossenen Kontakt verbunden ist, und
- – die
jeweils ein Leiterbahnsegment umfasst, dass die beiden Kontaktflächen der
jeweiligen Leiterbahn miteinander verbindet.
-
Gemäß einer
weiteren Weiterbildung umfasst die Erfindung einen Drucksensor,
bei dem jeder über
eines der Verbindungselemente an einen Anschluss des Wandlers angeschlossene
Kontakt über eine
durch den Träger
hindurch führende
elektrische Durchführung
an einen auf der vom Grundkörper
abgewandten Seite des Trägers
angeordneten Anschlusskontakt angeschlossen ist.
-
Gemäß einer
Weiterbildung der letztgenannten Weiterbildung sind die Anschlusskontakte
innerhalb des Schutzgehäuses
angeordnet, und dort an Anschlüsse
des ASIC's angeschlossen.
-
Gemäß einer
weiteren Weiterbildung weisen die Anschlüsse der Wandler auf der Außenseite
des Grundkörpers
angeordnete Kontaktflächen
auf, und die elektrisch leitfähigen
mechanischen Verbindungen umfassen Lötverbindungen oder Klebungen
mit einem elektrisch leitfähigen
Kleber, über
die die Verbindungselemente, über
die die jeweiligen elektrisch leitfähigen Verbindungen verlaufen,
auf den Anschlüssen
des Wandlers aufgelötet
bzw. aufgeklebt sind.
-
Gemäß einer
weiteren Weiterbildung sind auf der vom Grundkörper abgewandten Seite des Trägers elektrische
Anschlusselemente, insb. SMD-Stecker,
angeordnet, die jeweils über
auf den Träger
aufgebrachte und/oder durch den Träger hindurch verlaufende Leiterbahnen
an die auf dem Träger
befindlichen Anschlusskontakte der Vorortelektronik angeschlossen
sind.
-
Gemäß einer
weiteren Weiterbildung sind die Verbindungselemente SMD-Lötfähige Bauteile, die in einem
SMD-Lötverfahren
auf den Träger,
insb. auf die darauf aufgebrachten Kontakte bzw. auf darauf aufgebrachte
metallische Auflageflächen,
aufgelötet sind.
-
Des
Weiteren umfasst die Erfindung einen erfindungsgemäßen Drucksensor,
bei dem
- – der
Träger
aus zwei oder mehr Schichten aufgebaut ist,
- – zwischen
zwei benachbarten Schichten Leiterbahnen verlaufen,
- – in
den einzelnen Schichten Durchkontaktierungen vorgesehen sind, über die
die zwischen den Schichten verlaufenden Leiterbahnen miteinander
verbunden sind, und
- – Komponenten
der Vorortelektronik über
die Leiterbahnen, über
die Durchkontaktierungen und/oder über auf auf einer dem Grundkörper abgewandten
Oberseite des Trägers
und/oder auf einer dem Grundkörper
zugewandten Unterseite des Trägers
aufgebrachte Leiterbahnen miteinander verbunden sind.
-
Weiter
umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Drucksensors,
bei dem
- – der
ASIC auf den Träger
mechanisch befestigt wird, und
- – dessen
Anschlüsse
an auf dem Träger
befindliche Anschlusskontakte angeschlossen werden,
- – das
Schutzgehäuse über das
ASIC gestülpt
und auf dem Träger
befestigt wird,
- – die
SMD-Bauteile und die Verbindungselemente auf die Unterseite des
Trägers
mittels eines leitfähigen
Klebers aufgeklebt oder aufgelötet
werden, und
- – der
Träger
auf dem Grundkörper
befestigt wird, indem die Verbindungselemente auf den Grundkörper, insb.
auf die darauf angeordneten Anschlusse des Wandlers bzw. auf darauf
angeordnete metallische Auflageflächen, aufgelötet oder mittels
eines Leitklebers aufgeklebt werden.
-
Aufgrund
der punktuellen Befestigung des Trägers über die Verbindungselemente
ist der Träger mechanisch
entkoppelt vom Grundkörper.
Der Träger ist
damit auch bei großen
Temperaturschwankungen, z. B. über
einen Temperaturbereich von –20°C bis +150°C, in dem
Drucksensoren üblicher
Weise einsetzbar sind, spannungsfrei. Hierdurch sind die Vorortelektronik
und deren zum Teil sehr empfindlichen elektrischen Anschlüsse und
Verbindungen vor mechanischen Belastungen geschützt.
-
Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass der Träger aufgrund der Verbindungselemente
beidseitig mit Komponenten der Vorortelektronik bestückt werden
kann. Hierdurch kann die Baugröße des Trägers reduziert
werden.
-
Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass der erfindungsgemäße Drucksensor
auf sehr effiziente und kostengünstige
Weise gefertigt werden kann, da der Anschluss des Wandlers an die
Vorortelektronik unmittelbar über
die Verbindungselemente erfolgt. Des Weiteren können die Verbindungselemente
in einem SMD-Lötverfahren
zusammen mit den SMD-lötfähigen Komponenten
der Vorortelektronik in einem automatisierbaren Arbeitsgang auf
den Träger
aufgebracht werden.
-
Die
Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung,
in denen ein Ausführungsbeispiel
dargestellt ist, näher
erläutert.
-
Gleiche
Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
-
1 zeigt:
einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Drucksensor;
-
2 zeigt:
eine dem Grundkörper
zugewandte Unterseite des Trägers
von 1;
-
3a zeigt:
ein Verbindungselement aus einem rohrförmigen Isolator, dessen Innenraum
mit einer elektrischen Leitung gefüllt ist;
-
3b zeigt:
ein Verbindungselement aus einem rohrförmigen Isolator, dessen innere
Mantelfläche
mit einer elektrischen Leitung beschichtet ist;
-
3c zeigt:
ein Verbindungselement über das
zwei elektrisch leitfähige
Verbindungen verlaufen; und
-
4 zeigt:
eine Draufsicht von die vom Grundkörper abgewandte Oberseite des
Trägers
von 1.
-
1 zeigt
einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Drucksensor mit einem Sensorelement
mit einem im wesentlichen zylindrischen Grundkörper 1 und einer mit
dem Grundkörper 1 unter
Bildung einer Messkammer 3 druckdicht verbundenen kreisscheibenförmigen Messmembran 5.
Je nach Zielsetzung des Drucksensors herrscht in der Messkammer 3 ein
anderer Gegendruck zu einem auf die Außenseite der Messmembran 5 einwirkenden
Druck p. Bei einem Relativdrucksensor ist der Gegendruck der Atmosphärendruck
in der Umgebung des Sensors, der über eine hier nicht dargestellte
Referenzdruckzufuhr in die Messkammer 3 eingeleitet ist.
Bei einem Absolutdrucksensor ist die Messkammer 3 entsprechend
evakuiert.
-
Der
Grundkörper 1 besteht
aus Keramik, insb. aus Aluminium Oxid. Ebenso kann die Messmembran 5 aus
Keramik bestehen.
-
Die
Messmembran 5 ist druckempfindlich, d. h. ein auf sie einwirkender
Druck p bewirkt eine Auslenkung der Messmembran 5 aus deren
Ruhelage. Der Drucksensor weist einen elektromechanischen Wandler
auf, der dazu dient eine druckabhängige Verformung der Messmembran 5 in
ein elektrisches Primärsignal
umzuwandeln. Hierzu eignen sich beispielsweise kapazitive oder resistive
Wandler. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel eines kapazitiven Drucksensors
umfasst der Wandler eine auf einer der Messmembran 5 zugewandten
Seite des Grundkörpers 1 aufgebrachte
kreisscheibenförmige
Messelektrode 7, eine die Messelektrode 7 konzentrisch
umschließende
ringscheibenförmige
Referenzelektrode 9 und eine auf der Innenseite der Messmembran 5 angeordnete
Gegenelektrode 11. Die Messelektrode 7 und die
Gegenelektrode 11 bilden einen Kondensator, dessen Kapazität sich in
Abhängigkeit
von der druck-bedingten Auslenkung der Messmembran 5 ändert. Die
Referenzelektrode 9 und die Gegenelektrode 11 bilden
einen Referenzkondensator. Die Kapazität des Referenzkondensators
ist aufgrund der Position der Referenzelektrode 9 am äußeren Rand des
Sensorelements, in dem die Messmembran 5 praktisch keine
druckabhängige
Auslenkung erfährt konstant.
-
Der
Wandler weist mindestens einen auf eine Außenseite des Grundkörpers 1 geführten elektrischen
Anschluss 13, 15 auf. Die Außenseite ist hier die von der
Messmembran 5 abgewandten Seite des Grundkörpers 1.
Je nach Art des verwendeten Wandlers können natürlich auch mehr oder weniger
Anschlüsse
vorgesehen sein. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Anschlüsse 13, 15 auf
den Grundkörper 1 aufgebrachte
metallische Kontakte, die jeweils über eine elektrische durch
den Grundkörper 1 hindurch
geführte
Durchführung 17 elektrisch leitend
mit der Messelektrode 7 bzw. mit der Referenzelektrode 9 verbunden
sind. Die Durchführungen 17 sind
beispielsweise in den Grundkörper 1 durchdringende
Bohrungen eingesetzte Metallstifte, die die Messelektrode 7 bzw.
die Referenzelektrode 9 elektrisch leitend mit dem auf
dem Grundkörper 1 angeordneten
zugehörigen
Anschluss 13, 15 verbinden. Die Anschlüsse 13, 15 bestehen
beispielsweise aus scheibenförmigen
Metallplättchen,
die auf dem Grundkörper 1 aufgebracht
oder in eine Ausnehmung in dessen Oberfläche eingesetzt sind.
-
Auf
der Außenseite
des Grundkörpers 1 sind hier
säulenförmig dargestellte
Verbindungselemente 19, 21, 23 montiert,
auf denen ein scheibenförmiger keramischer
Träger 25 mechanisch
befestigt ist. Vorzugsweise sind die Verbindungselemente 19, 21, 23 als
SMD-lötfähige Bauteile
ausgebildet, die abhängig von
der Funktion des jeweiligen Verbindungselements 19, 21, 23 in
einem SMD-Lötverfahren,
z. B. in einem Reflowlötvorgang,
auf metallische auf die dem Grundkörper 1 zugewandten
Seite des Trägers 25 aufgebrachte
metallische Kontakte 31 oder auf metallische auf die dem
Grundkörper 1 zugewandten Seite
des Trägers 25 aufgebrachte
metallische Auflageflächen 45 aufgelötet sind.
Die Lötverbindungen zwischen
den Kontakten 31 und den zugeordneten Verbindungselementen 19, 21 bewirken
eine elektrisch leitfähige
mechanische Verbindung 33. Alternativ kann eine solche
Verbindung natürlich
durch eine Klebung mit einem elektrisch leitfähigen Kleber bewirkt werden.
Die Verbindungselemente 19, 21, 23 bilden
Abstandshalter, durch die der Träger 25 parallel
zum Grundkörper 1 von
diesem beabstandet angeordnet ist. Die Verbindungselemente 19, 21, 23 sind
derart räumlich über die
Grundfläche
des Trägers 25 verteilt
angeordnet, dass durch sie eine stabile möglichst spannungsfreie Befestigung
des Trägers 25 gegeben
ist. 2 zeigt eine Ansicht der dem Grundkörper 1 zugewandten
Seite des Trägers 25 in
der ein Beispiel für
die Anordnung der auf den Kontakten 31 bzw. auf den metallischen
Auflageflächen 45 montierten
Verbindungselemente 19, 21, 23 dargestellt
ist. Es sind vier Verbindungselemente 19, 21, 23 eingezeichnet.
Zwei der Verbindungselemente 19, 21 sind nah bei
einander auf der Mitte des linken Randes des Trägers 25 auf den Kontakten 31a, 31b angeordnet.
Die beiden anderen Verbindungselement 23 sind in den Ecken
des rechten Randes des Trägers 25 auf
den Auflageflächen 45 angeordnet,
so dass sie zusammen mit den beiden benachbarten Verbindungselementen 19, 21 ein 2 durch
eine gestrichelte Linie angezeigtes Dreieck aufspannen. Selbstverständlich können die
Verbindungselemente auch in anderer Weise unter dem Träger 25 verteilt angeordnet
sein. Die dreieckförmige
Anordnung bietet jedoch den Vorteil, dass bei dieser Anordnung eine
stabile mechanische Befestigung gegeben ist und gegebenenfalls durch
Fertigungstoleranzen bestehende geringfügige Höhenunterschiede der Verbindungselemente 19, 21, 23 ausgeglichen
werden.
-
Da
der Träger 25 ausschließlich auf
den Verbindungselementen 19, 21, 23 aufliegt
und nicht flächig
mit einem Untergrund verbunden ist, besteht trotz der mechanischen
Befestigung des Trägers 25 auf
dem Grundkörper 1 eine
mechanische Entkopplung zwischen Grundkörper 1 und Träger 25.
Verspannungen und/oder geringfügige
Verformungen des Grundkörpers 1,
wie sie z. B. durch Temperaturänderungen
oder durch den auf den Drucksensor einwirkenden Druck p verursacht
werden können, haben
damit praktisch keine Rückwirkung
auf den Träger 25 und
damit verbundene Komponenten.
-
Auf
dem keramischen Träger 25 ist
eine Vorortelektronik angeordnet. Die Vorortelektronik dient dazu
ein elektrisches Primärsignal
des Wandlers aufzunehmen, zu verstärken und anhand des Primärsignals
ein druckabhängiges
Messsignal zu generieren und einer weiteren Verarbeitung, Auswertung und/oder
Anzeige zur Verfügung
stellen. Neben der Ableitung des Primärsignal und der Verstärkung kann die
Vorortelektronik natürlich
auch eine Verarbeitung und/oder Aufbereitung des Messsignals ausführen. Die
Vorortelektronik kann digitale und/oder analoge Schaltungskomponenten
umfassen. Da der Träger 25 durch
die Verbindungselemente 19, 21, 23 vom Grundkörper 1 beabstandet
ist und die Verbindungselemente 19, 21, 23 nur
wenig Platz beanspruchen, kann der Träger 25, wie in 1 dargestellt,
beidseitig mit Komponenten der Vorortelektronik bestückt sein.
Kernstück
der Vorortelektronik ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ein anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis 27 (ASIC),
der auf einer vom Grundkörper 1 abgewandten
Oberseite des Trägers 25 angeordnet
ist. Dieser nachfolgend kurz mit ASIC 27 bezeichnete Schaltkreis
ist auf den Träger 25 aufgeklebt
oder aufgelötet.
Das ASIC 27 ist vorzugsweise in einem Schutzgehäuse 29 angeordnet, das
beispielsweise aus Keramik oder aus Metall besteht und auf den Träger 25 aufgelötet ist.
Weitere analoge und/oder digitale Komponenten der Vorortelektronik
können
zu beiden Seiten des Trägers 25 aufgebracht
werden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind exemplarisch
drei SMD Bauteile SMD1, SMD2, SMD3 dargestellt, die auf der dem Grundkörper 1 zugewandten
Unterseite des Trägers 25 angeordnet
sind. Ebenso können
auf der gegenüberliegenden
Oberseite des Trägers 25 weitere
Bauteile angeordnet sein.
-
Je
nach Ausgestaltung des Sensors dienen einige oder sogar alle Verbindungselemente
neben der mechanischen Befestigung des Trägers 25 auch zugleich
zum elektrischen Anschluss der Vorortelektronik an die Anschlüsse 13, 15 des
Wandlers. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel haben die Verbindungselemente 19 und 21 dieses
Doppelfunktion, während
die übrigen
Verbindungselemente 23 ausschließlich der mechanischen Befestigung
des Trägers 25 dienen.
-
Für den elektrischen
Anschluss des elektromechanischen Wandlers an die Vorortelektronik
ist eine der Anzahl der Anschlüsse 13, 15 des
Wandlers entsprechende Anzahl elektrisch leitfähiger Verbindungen vorgesehen,
die jeweils vom jeweiligen Anschluss 13, 15 über eines
der Verbindungselemente 19, 21 zu dem zugeordneten
Kontakt 31a, 31b auf der dem Grundkörper 1 zugewandten
Unterseite des Trägers 25 führen. Die
Kontakte 31a, 31b sind über auf, in und/oder durch
den Träger 25 hindurch
verlaufende elektrische Verbindungen elektrisch leitend an die auf
dem Träger 25 befindliche
Vorortelektronik angeschlossen ist.
-
Hierzu
kann, wie in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
gezeigt, jedem Anschluss 13, 15 jeweils ein Verbindungselement 19, 21 zugeordnet sein.
Das jeweilige Verbindungselement 19, 21 ist vorzugsweise
unmittelbar auf dem jeweiligen Anschluss 13, 15 plaziert.
-
Die
Verbindungselemente 19, 21 bestehen z. B. aus
einem elektrisch leitfähigen
Material, z. B. aus Lot, insb. in Form eines Lotformteils, oder
aus Metall. Alternativ können
sie auch aus einem Isolator, z. B. aus Keramik oder aus Kunststoff,
bestehen, der vollständig
mit einer leitfähigen
Beschichtung versehen ist.
-
Ebenso
ist es möglich
jedem Anschluss 13, 15 ein Verbindungselement 19a, 19b aus
einem Isolator, insb. aus Keramik oder aus Kunststoff, zuzuordnen,
in dessen Innerem eine von einer dem Grundkörper 1 zugewandten
Unterseite des Verbindungselements 19a, 19b zu
einer dem Träger 25 zugewandten
Oberseite des Verbindungselements 19a, 19b führende elektrische
Leitung 20a, 20b verläuft. 3a und 3b zeigen
zwei Ausführungsbeispiele
hierzu. In dem in 3a dargestellten Ausführungsbeispiel
wurde die elektrische Leitung 20a dadurch gebildet, dass
ein zylindrischer Innenraum eines rohrförmigen Isolators mit einem
Metall, z. B. einem Lot oder einem Metallstift, befüllt ist.
In dem in 3b dargestellten Ausführungsbeispiel
wurde die elektrische Leitung 20b dadurch gebildet, dass
eine zylindrische innere Mantelfläche des rohrförmigen Isolators,
z. B. mit einem Lot, metallisch beschichtet ist. Zusätzlich kann
auf der Oberseite und der Unterseite dieser Verbindungselemente 19a, 19b jeweils eine
an die Leitung 20a, 20b angeschlossene elektrische
Anschlussfläche 22 vorgesehen
werden, die den nachfolgend beschriebenen elektrischen Anschluss
und die mechanische Befestigung dieser Verbindungselemente 20a, 20b erleichtert.
Die innen liegenden Leitungen 20a, 20b bieten
den Vorteil, dass die über
diese Leitungen 20a, 20b verlaufenden elektrisch
leitfähigen
Verbindungen zu den Anschlüssen 13, 15 des
Wandlers vor äußeren Einflüssen, insb.
vor Feuchtigkeit, geschützt
sind.
-
Die
Verbindungselemente 19, 21 sind jeweils mittels
einer elektrisch leitfähigen
mechanischen Verbindung 35 mit dem zugeordneten Anschluss 13, 15 des Wandlers
verbunden. Dies geschieht vorzugsweise in einem einzigen Arbeitsgang,
in dem die Verbindungselemente 19, 21 auf die
auf der Außenseite des
Grundkörpers 1 angeordneten
Anschlüsse 13, 15 aufgelötet werden.
Alternativ können
sie auch mittels eines leitfähigen
Klebers aufgeklebt werden.
-
Die
elektrisch leitfähige
Verbindung, über
die der an die Referenzelektrode 9 angeschlossene Anschluss 13 der
Wandlers mit der Vorortelektronik verbunden ist verläuft vom
Anschluss 13 über
die elektrisch leitfähige
mechanische Verbindung 35, hier die Lötung oder die Klebung mit leitfähigem Kleber, über das
Verbindungselement 19 und über die elektrisch leitfähige mechanische
Verbindung 33 zum Kontakt 31a. Von dort führt sie über eine
durch den keramischen Träger 25 hindurch
führende
elektrische Durchführung 37 zu
einem auf die vom Grundkörper 1 abgewandte
Seite des Trägers 25 aufgebrachten Anschlusskontakt 39a,
der wiederum über
einen Bonddraht 41a an einen Anschluss 43a des
ASIC's 27 angeschlossen
ist.
-
Die
elektrisch leitfähige
Verbindung, über
die der an die Messelektrode 7 angeschlossene Anschluss 15 der
Wandlers mit der Vorortelektronik verbunden ist verläuft vom
Anschluss 15 über
die elektrisch leitfähige
mechanische Verbindung 35, hier die Lötung oder die Klebung mit leitfähigem Kleber, über das
Verbindungselement 21, und über die elektrisch leitfähige mechanische
Verbindung 33 zum Kontakt 31b. Von dort führt sie über eine
durch den keramischen Träger 25 hindurch
führende
elektrisch Durchführung 37 zu
einem auf die vom Grundkörper 1 abgewandte
Seite des Trägers 25 aufgebrachten
Anschlusskontakt 39b, der wiederum über einen weiteren Bonddraht 41b an
einen weiteren Anschluss 43b des ASIC's 27 angeschlossen ist.
-
Die
Verbindungselemente 23, die ausschließlich zur mechanischen Befestigung
des Trägers 25 eingesetzt
sind, sind vorzugsweise identisch zu den übrigen Verbindungselementen 19, 21 ausgebildet
und auf die gleiche Weise wie diese mit dem Träger 25 und dem Grundkörper 1 verbunden.
Diese Verbindungselemente 23 liegen vor und hinter der
in 1 dargestellten Schnittebene und sind in 1 zusammen
mit deren Befestigung deshalb nur gestrichelt dargestellt. Für deren
Befestigung auf dem Grundkörper 1 ist
auf dem Grundkörper 1 an
den entsprechenden Orten vorzugsweise eine metallische Auflagefläche 45 aufgebracht,
die vorzugsweise identisch zu den Anschlüssen 13, 15 ausgebildet
ist. D. h. auch hier werden metallische Plättchen auf den Grundkörper 1 aufgebracht
oder in entsprechende Ausnehmungen auf der dem Träger 25 zugewandten Seite
des Grundkörpers 1 eingelassen.
Ebenso sind an den entsprechenden Orten auf der dem Grundkörper 1 zugewandten
Unterseite des Trägers 25 metallische
Auflageflächen 45 aufgebracht,
die vorzugsweise identisch zu den Kontakten 31a, 31b ausgebildet
sind.
-
Alternativ
zu den für
den elektrischen Anschluss des Wandlers verwendeten Verbindungselementen 19, 21 können auch
Verbindungselemente 47 eingesetzt werden, die aus einem
Isolator, insb. aus Keramik oder aus Kunststoff, bestehen, auf denen
eine oder mehrere Leiterbahnen 49 aufgebracht sind. Ein
Beispiel hierzu ist in 3c dargestellt. Jede der Leiterbahnen 49 ist
in diesem Fall Bestandteil einer separaten elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen
einem Anschluss 13, 15 des Wandlers und der Vorortelektronik.
Jede Leiterbahn 49 umfasst eine auf der dem Träger 25 zugewandten
Oberseite des Verbindungselements 47 angeordnete Kontaktfläche 51 und
eine auf der dem Grundkörper 1 zugewandten
Unterseite des Verbindungselemente 47 angeordnete identisch
ausgebildete weitere Kontaktfläche 51.
Die beiden Kontaktflächen 51 einer
Leiterbahn 49 sind jeweils über ein sich die Bauhöhe des Verbindungselements 47 erstreckendes
Leiterbahnsegment 53 miteinander verbunden. Auf diese Weise ist
es möglich,
zwei oder mehr räumlich
benachbarte Anschlüsse 13, 15 des
Wandlers über
ein Verbindungselement 47 an die Vorortelektronik anzuschließen. Analog
zu den zuvor beschriebenen Verbindungselementen 19, 21 wird
hier eine elektrisch leitfähige
mechanische Verbindung 33, vorzugsweise eine Lötverbindung
zwischen den Kontaktflächen 31a, 31b und
den Kontaktflächen 51 auf
der Oberseite des Verbindungselements 47 und eine elektrisch leitfähige mechanische
Verbindung 35 zwischen dem jeweiligen Anschluss 13, 15 und
den Kontaktflächen 51 auf
der Unterseite des Verbindungselements 47 hergestellt.
-
In
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel verlaufen die
beiden elektrischen Verbindungen über die die Anschlüsse 13, 15 an
die Vorortelektronik angeschlossen sind, in gerader Linie auf dem kürzesten
Verbindungsweg vom jeweiligen Anschluss 13, 15 über die
Verbindungselemente 19, 21 zu den Kontakten 31a, 31b.
Letztere sind über
die Durchführungen 37 durch
den Träger 25 hindurch
mit den Anschlusskontakten 39a, 39b, die in unmittelbarer
Nähe des
ASIC's 27 unter
dem Schutzgehäuse 29 angeordnet
sind, verbunden. Durch diese geringe Distanz werden Leitungsverluste
gering gehalten. Die Anschlusskontakte 39a, 39b und
die empfindlichen Bondverbindungen sind durch das Schutzgehäuse 29 vor
Umgebungseinflüssen
geschützt.
-
Der
keramische Träger 25 ist
vorzugsweise, genau wie eine Multilayer-Leiterplatte, aus zwei oder mehr aufeinander
angeordneten Schichten aufgebaut. Zwischen zwei benachbarten Schichten
verlaufen, in 1 nur Ausschnittweise beispielhaft
dargestellte, Leiterbahnen 55, und in den einzelnen Schichten
sind, hier ebenfalls nur Ausschnittweise beispielhaft dargestellte,
Durchkontaktierungen 57 vorgesehen, über die die zwischen den Schichten verlaufenden
Leiterbahnen 55 miteinander verbunden sind. Zusätzlich sind
auf der Oberseite und/oder der Unterseite des Trägers 25 je nach Bedarf
die einzelnen Komponenten verbindende weitere Leiterbahnen 59, 63 vorgesehen. Über die
Leiterbahnen 55, 59, 63 in und auf dem
Träger 25 und
die Durchkontaktierungen 57 sind die einzelnen Komponenten
der Vorortelektronik miteinander verschaltet. Der Anschluss dieser
Schaltungsteile an den ASIC 27 kann dann beispielsweise
erfolgen, indem die entsprechenden Anschlüsse 43c des ASIC's 27 über Bonddrähte 41 mit
auf dem Träger 25 aufgebrachten
Anschlusskontakten 39c verbunden werden, an die die entsprechenden
Leiterbahnen 55 über
eine der Durchkontaktierungen 57 angeschlossen sind. Auch hier
sind die Anschlusskontakte 39c vorzugsweise innerhalb des
Schutzgehäuses 29 angeordnet,
das die Anschlusskontakte 39c und die Bondverbindungen
vor Umgebungseinflüssen
schützt.
-
Der
Drucksensor weist elektrische Anschlusselemente 61 auf, über die
der Drucksensor elektrisch an eine übergeordnete Einheit, wie z.
B. eine Messgerätelektronik
anschließbar
ist. Über
diese Anschlusselemente 61 wird der Drucksensor, d. h.
die Vorortelektronik und der Wandler, beispielsweise mit Energie
versorgt und es werden die von der Vorortelektronik abgeleiteten
Messsignale übertragen.
-
In
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Anschlusselemente 61 auf
der vom Grundkörper 1 abgewandten
Seite des Trägers 25 aufgebrachte
SMD-Stecker oder SMD-Steckerleisten, die über die auf der Oberseite des
Trägers 25 verlaufenden
in 1 und 4 dargestellte Leiterbahnen 63 an
die Vorortelektronik angeschlossen sind. Sie verlaufen von dem Anschlusselement 61 auf
der Oberseite des Trägers 25 bis
kurz vor das Schutzgehäuse 29 des
ASIC's 27.
Dort sind sie an ein Durchkontaktierungen 57 angeschlossen,
die sie mit einer in der nächsten
Schicht des Trägers 25 unter
der Wand des Schutzgehäuses 29 hindurch
führenden
Leiterbahn 55 verbinden. Letztere sind über weitere Durchkontaktierungen 57 an
innerhalb des Schutzgehäuses 29 befindliche
Anschlusskontakte 39d angeschlossen, der wiederum über Bonddrähte 41d an
die zugehörigen
Anschlüsse 43d des
ASIC's 27 angeschlossen
sind.
-
Alternativ
hierzu können
natürlich
Durchkontaktierungen im Schutzgehäuse 29 vorgesehen
werden, über
die die auf dem Träger 25 verlaufenden Leiterbahnen 63 z.
B. durch außerhalb
und innerhalb des Schutzgehäuses 29 auf
diese Durchkontaktierungen geführte
Bondverbindungen an den ASIC 27 angeschlossen werden.
-
Anstelle
von Steckern oder Steckerleisten können natürlich auch andere Formen von
Anschlusselementen, wie z. B. flexible Leiterplatten eingesetzt werden,
die an die Leiterbahnen 63 angeschlossen werden.
-
In
dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist
der ASIC 27 mechanisch auf dem Träger 25 befestigt,
und der elektrische Anschluss der Anschlüsse 43, hier 43a, 43b, 43c und 43d,
des ASIC 27 an die auf dem Träger 25 angeordneten
zughörigen
Anschlusskontakte 39, hier 39a, 39b, 39c und 39d,
erfolgt über
Bondverbindungen. Alternativ hierzu kann der ASIC 27 mittels
Flip-Chip Technik montiert und elektrisch angeschlossen werden.
Dazu wird der ASIC 27 umgedreht, so dass sich die Anschlüsse 43, hier 43a, 43b, 43c und 43d auf
dessen dem Träger 25 zugewandten
Seite befinden. Der ASIC 27 wird in diesem Fall über Lötverbindungen
zwischen dessen Anschlüssen 43,
hier 43a, 43b, 43c und 43d und
den deckungsgleich auf der dem ASIC 27 zugewandten Seite
des Trägers 25 angeordneten
zughörigen
Anschlusskontakten 39, hier 39a, 39b, 39c und 39d, elektrisch
angeschlossen und mechanisch befestigt.
-
Der
zwischen dem Träger 25 und
dem Grundkörper 1 bestehende
Hohlraum ist vorzugsweise mit einem elektrisch isolierenden Wärme leitenden
Material 65, einem so genannten Underfill ausgefüllt ist.
Derartige Materialien 65 sind in der Elektronik bekannt,
und werden beispielsweise in Form einer Vergussmasse vertrieben.
Sie bieten hier den Vorteil, dass sie den keramischen Träger 25 ungefähr auf der
gleichen Temperatur halten, die auch im Grundkörper 1 und in der
Membran 5 des Drucksensors herrschen. Dies ist insb. dann
von Vorteil, wenn das Sensorelement im Verbund mit dem Träger 25 kalibriert
wird und/oder eine Temperaturmessung zur Kompensation von von der
Temperatur abhängigen Messfehlern über einen
in der Vorortelektronik integrierten Temperaturfühler erfolgt.
-
Bei
der Herstellung des erfindungsgemäßen Drucksensors wird zunächst der
Träger 25 mit
allen erforderlichen Kontakten 31, Auflageflächen 45, Durchführungen 37,
Anschlusskontakten 39, Leiterbahnen 55, 59, 63 und
den Durchkontaktierungen 57 gefertigt. Danach wird der
ASIC 27 auf den Träger 25 geklebt
oder aufgelötet,
und es werden die Bondverbindungen zu den später innerhalb des Schutzgehäuses 29 befindlichen
Anschlusskontakten 39a, 39b, 39c, 39d hergestellt.
Alternativ kann der ASIC 27 natürlich auch unter Verwendung
der zuvor beschriebenen Flip-Chip Technik aufgebracht und angeschlossen
werden. Anschließend
wird das Schutzgehäuse 29 über das
ASIC 27 gestülpt
und auf dem Träger 25 befestigt.
Die Befestigung erfolgt beispielsweise mittels einer entsprechend
auf dem Träger 25 aufgebrachten
Lotpaste in einem Reflowlötverfahren.
-
Nachfolgend
werden die übrigen
Komponenten der Vortortelektronik, hier die SMD-Bauteile SMD1, SMD2,
SMD3, und die Verbindungselemente 19, 21, 23 auf
der Unterseite des Trägers 25 durch die
Herstellung der entsprechenden elektrisch leitfähigen mechanischen Verbindungen 33 aufgebracht. Dabei
werden die SMD-Bauteile SMD1, SMD2, SMD3 und die SMD-lötfähigen Verbindungselemente 19, 21, 23 in
einem vorzugsweise automatisierten Bestückungsvorgang auf auf die Kontakte 31a, 31 und
die Auflageflächen 45 aufgebrachte
Lotpaste aufgesetzt und z. B. in einem Reflowlötvorgang verlötet. Abschließend wird
der Träger 25 auf
dem Grundkörper 1 befestigt,
indem die Verbindungselemente 19, 21 auf die Anschlüsse 13, 15 des
Wandlers und die Verbindungselemente 23 auf die metallischen
Auflageflächen 45 z.
B. in einem Reflowlötverfahren
aufgelötet
oder mittels eines Leitklebers aufgeklebt werden.
-
Die
Anschlusselemente 61 können
entweder zusammen mit dem ASIC 27, zusammen mit dem Schutzgehäuse 29 oder
im Anschluss an die Befestigung des Trägers 25 auf dem Grundkörper 1 aufgeklebt
oder aufgelötet
werden.
-
Damit
ist ein äußerst effizientes
in weiten Teilen automatisierbares und damit zeit- und kosteneffizientes
Herstellungsverfahren gegeben.
-
Die
Erfindung ist in völlig
analoger Weise natürlich
auf für
Differenzdrucksensoren einsetzbar, die einen keramischen Grundkörper aufweisen,
auf dessen Außenseite
die Anschlüsse
der elektromechanischen Wandler des entsprechenden Differenzdrucksensorelements
angeordneten sind.
-
- 1
- Grundkörper
- 3
- Messkammer
- 5
- Messmembran
- 7
- Messelektrode
- 9
- Referenzelektrode
- 11
- Gegenelektrode
- 13
- Anschluss
des Wandlers
- 15
- Anschluss
des Wandlers
- 17
- Durchführung
- 19
- Verbindungselement
- 20
- elektrische
Leitung
- 21
- Verbindungselement
- 22
- Anschlussfläche
- 23
- Verbindungselement
- 25
- Träger
- 27
- ASIC
- 29
- Schutzgehäuse
- 31
- Lötfläche
- 33
- Lötverbindung
- 35
- elektrisch
leitfähige
mechanische Verbindung
- 37
- Durchführung
- 39
- Anschlusskontakt
- 41
- Bonddraht
- 43
- Anschluss
- 45
- metallische
Auflagefläche
- 47
- Verbindungselement
- 49
- Leiterbahn
- 51
- Kontaktfläche
- 53
- Leiterbahnsegment
- 55
- Leiterbahn
- 57
- Durchkontaktierung
- 59
- Leiterbahn
auf der Ober- und Unterseite des Trägers
- 61
- Anschlusselement
- 63
- Leiterbahn