DE102010038801B4 - Vorrichtung zur Erfassung einer Eigenschaft eines strömenden fluiden Mediums - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung (110) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines strömenden fluiden Mediums, umfassend mindestens ein Sensorelement (148) und mindestens eine mit dem Sensorelement (148) mittels mindestens einer elektrischen Verbindung (152) verbundene Ansteuer- und Auswerteschaltung (138), wobei die elektrische Verbindung (152) durch mindestens ein Abdeckmaterial (156) zumindest teilweise umschlossen ist, wobei zwischen der Ansteuer- und Auswerteschaltung (138) und dem Sensorelement (148) weiterhin mindestens ein von dem Abdeckmaterial (156) zumindest teilweise umschlossenes Verdrängungselement (160) zur Volumenreduktion des Abdeckmaterials (156) angeordnet ist, wobei das Sensorelement (148) und die Ansteuer- und Auswerteschaltung (138) auf mindestens einem Trägerelement (136) angeordnet sind, wobei die elektrische Verbindung (152) mindestens eine Drahtverbindung (154) umfasst, wobei das Verdrängungselement (160) auf der dem Trägerelement (136) zuweisenden Seite der Drahtverbindung (154) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdrängungselement (160) ein Vorsprung (166) des Trägerelements (136) unterhalb der Drahtverbindung (154) ist.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von bekannten Vorrichtungen zur Bestimmung wenigstens einer Eigenschaft eines strömenden fluiden Mediums. Bei dem fluiden Medium kann es sich grundsätzlich um Gase und/oder Flüssigkeiten handeln, insbesondere um Luft, beispielsweise Ansaugluft in einem Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs. Auch andere Einsatzgebiete sind jedoch denkbar. Bei der mindestens einen zu bestimmenden Eigenschaft kann es sich grundsätzlich um einen beliebigen physikalischen und/oder chemischen Parameter des fluiden Mediums handeln. Insbesondere kann es sich bei der Eigenschaft um eine Strömungseigenschaft handeln, beispielsweise eine Strömungsgeschwindigkeit und/oder einen Massenstrom und/oder einen Volumenstrom. Die Erfindung wird im Folgenden, ohne Beschränkung weiterer möglicher Ausgestaltungen, insbesondere beschrieben unter Bezugnahme auf eine Luftmassenmessung, beispielsweise im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine. Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Luftmassenmesser bekannt. Insbesondere kann es sich hierbei um so genannte Heißfilmluftmassenmesser handeln, welche in der Regel als Steckfühler ausgestaltet sind und welche mindestens einen Kanal umfassen, durch welchen ein Teil des strömenden fluiden Mediums geleitet wird. Beispielsweise kann der Steckfühler in ein Strömungsrohr eingebracht werden, und ein Teil des strömenden fluiden Mediums wird durch einen Kanal des Steckfühlers geleitet. In dem Kanal ist üblicherweise ein Sensorelement, beispielsweise ein Heißfilmluftmassenmesserchip, angeordnet, welcher mindestens ein Heizelement und mindestens zwei stromaufwärts und stromabwärts des Heizelements angeordnete Temperaturfühler umfasst. Aus einer Asymmetrie der Temperaturverteilung kann auf einen Massenstrom des fluiden Mediums, beispielsweise der Ansaugluft, geschlossen werden.
  • Bei Vorrichtungen der genannten Art wird in vielen Fällen eine Ansteuer- und Auswerteschaltung mit dem Sensorelement durch eine Drahtverbindung verbunden, beispielsweise in Form eines Dünndrahtbondings. Um diese Drahtverbindung zu schützen, ist es bekannt, auf den Verbindungsbereich ein passivierendes Abdeckmaterial aufzubringen. So beschreiben beispielsweise DE 10 2008 042 152 A1 und DE 10 2008 042 155 A1 eine Sensoranordnung, bei welcher die Verbindung zwischen der Ansteuer- und Auswerteschaltung und dem Sensorchip durch einen so genannten Glob Top geschützt ist. Dieser Glob Top kann beispielsweise einen Tropfen eines passivierendes Gels und/oder eines aushärtbaren Kunststoffs umfassen. Aus DE 44 05 710 A1 ist zur Passivierung von Bauelementen die Verwendung von Gelen bekannt. Dabei werden Fließsperren eingesetzt, um die laterale Ausbreitung der Gele zu verhindern. Die Fließsperren sind dabei als Rahmen eines thixotropen Gels ausgestaltet. Eine technische Herausforderung bei der Abdeckung von elektrischen Verbindungen, beispielsweise Bonddrahtverbindungen, besteht jedoch darin, dass derartige Abdeckungen in der Regel einen vergleichsweise hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Werden die Drahtverbindungen in derartige Abdeckungen eingebettet, so führt die Gesamtausdehnung der Abdeckung, beispielsweise des Glob Tops, bei einer Temperaturbelastung zu einer erheblichen mechanischen Belastung der Bondstellen der Verbindung. Wünschenswert wäre daher eine Passivierung der elektrischen Verbindung, welche einerseits die guten passivierenden Eigenschaften üblicher Glob Tops aufweist, bei welcher jedoch thermomechanische Belastungen der Verbindung reduziert sind.
  • Aus der DE 103 27 252 A1 ist eine Vorrichtung zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines strömenden fluiden Mediums bekannt, die ein Sensorelement und mindestens eine mit dem Sensorelement mittels mindestens einer elektrischen Verbindung verbundene Ansteuer- und Auswerteschaltung aufweist. Die elektrische Verbindung ist durch mindestens ein Abdeckmaterial zumindest teilweise umschlossen, wobei zwischen der Ansteuer- und Auswerteschaltung und dem Sensorelement weiterhin mindestens ein von dem Abdeckmaterial zumindest teilweise umschlossenes Verdrängungselement angeordnet ist.
  • Weiterhin ist aus der DE 10 2007 041 229 A1 eine Schaltungsanordnung bekannt, die ein Substrat mit einem Anschlussbereich, ein Halbleiterbauelement mit einem Kontaktanschluss, einen Bonddraht, der den Anschlussbereich mit dem Kontaktanschluss verbindet, und ein Glaslot-Vergussmaterial aufweist, wobei das Glaslot-Vergussmaterial an dem Halbleiterbauelement mit dem Bonddraht angeordnet ist, so dass zumindest der Bonddraht hermetisch umgeben ist.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es wird daher eine Vorrichtung zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines strömenden fluiden Mediums vorgeschlagen, welche die Nachteile bekannter Vorrichtungen vermeidet und insbesondere eine thermomechanisch stabilere Verbindung und Passivierung bereitstellen kann. Die Vorrichtung geht grundsätzlich aus von den oben beschriebenen Vorrichtungen, so dass es sich beispielsweise bei den fluiden Medien um Gase und/oder Flüssigkeiten, insbesondere um Luft, beispielsweise um Ansaugluftmassen einer Brennkraftmaschine, handeln kann. Bei den qualitativ oder quantitativ erfassbaren Eigenschaften des strömenden fluiden Mediums kann es sich insbesondere um Strömungseigenschaften handeln, beispielsweise Geschwindigkeiten, Volumenströme und/oder Massenströme. Insbesondere kann die Vorrichtung somit als Luftmassenmesser ausgestaltet sein, vorzugsweise für den Einsatz im Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich.
  • Die Vorrichtung umfasst mindestens ein Sensorelement und mindestens eine mit dem Sensorelement mittels mindestens einer elektrischen Verbindung verbundene Ansteuer- und Auswerteschaltung. Unter einem Sensorelement ist dabei ein Element zu verstehen, welches eingerichtet ist, um die mindestens eine nachzuweisende Eigenschaft qualitativ und/oder quantitativ zu erfassen und beispielsweise in geeignete Messsignale, insbesondere elektrische und/oder optische Signale, umzuwandeln. Insbesondere kann dieses Sensorelement mindestens einen mit dem strömenden fluiden Medium in Kontakt bringbaren Sensorchip umfassen. Beispielsweise kann das Sensorelement mindestens einen Sensorchip mit einer Messoberfläche umfassen, wobei auf der Messoberfläche beispielsweise mindestens ein Heizelement, beispielsweise ein Heizwiderstand, und mindestens zwei Temperaturfühler, beispielsweise zwei Temperaturmesswiderstände, angeordnet sein können. Wie oben dargestellt, kann beispielsweise aus einer Asymmetrie der Temperaturverteilung bzw. der Messsignale der Temperaturfühler auf einen Massenstrom und/oder Volumenstrom und/oder auf eine Geschwindigkeit des fluiden Mediums geschlossen werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Sensorelement jedoch auch andere Arten von Sensorelementen umfassen, beispielsweise Temperaturfühler und/oder Druckfühler und/oder andere Arten von Sensorelementen, welche grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt sein können. Das Sensorelement kann insbesondere derart in der Vorrichtung aufgenommen sein, dass dieses direkt oder indirekt in Kontakt mit dem strömenden fluiden Medium steht. Beispielsweise kann das mindestens eine Sensorelement unmittelbar in einem Strömungsrohr aufgenommen sein, durch welches das fluide Medium strömt. Alternativ kann die Vorrichtung jedoch auch beispielsweise ganz oder teilweise als Steckfühler ausgestaltet sein, welcher ein Gehäuse aufweist, das in das strömende fluide Medium einbringbar ist, beispielsweise permanent oder austauschbar. So kann beispielsweise die Vorrichtung ein Strömungsrohr umfassen und/oder mit einem Strömungsrohr zusammenwirken, in welches der Steckfühler hineinragen kann, so dass der Steckfühler in den Strömungsquerschnitt des Strömungsrohrs hineinragt. In dem Steckfühler kann beispielsweise, wie bei bekannten Heißfilmluftmassenmessern, mindestens ein Kanal aufgenommen sein, durch welchen ein Teil des fluiden Mediums strömen kann. Beispielsweise kann der Steckfühler eine Einlassöffnung umfassen, durch welche ein Teil des fluiden Mediums in den Kanal hineingeleitet wird, und mindestens eine Auslassöffnung, durch welche ein Ausströmen aus dem Kanal möglich ist. Der Kanal kann insbesondere verzweigt ausgestaltet sein und beispielsweise einen Hauptkanal umfassen, durch welchen ein Hauptteil des fluiden Mediums strömt, sowie mindestens einen Bypasskanal, durch welchen ein aus dem Hauptkanal abgezweigter Volumenanteil des fluiden Mediums strömt. Das Sensorelement kann insbesondere in dem Bypasskanal angeordnet sein, beispielsweise indem eine Messoberfläche des Sensorelements, beispielsweise des Sensorchips, von dem fluiden Medium überströmt wird. Diesbezüglich kann grundsätzlich auf den oben genannten Stand der Technik verwiesen werden.
  • Unter eine Ansteuer- und Auswerteschaltung ist dabei grundsätzlich eine beliebige elektrische oder elektronische Schaltung zu verstehen, welche eingerichtet ist, um das Sensorelement für eine Messung anzusteuern und/oder mindestens ein Messsignal des Sensorelements aufzunehmen. Beispielsweise kann es sich hierbei um eine Schaltung handeln, welche das Sensorelement mit mindestens einer Spannung und/oder mindestens einem Strom versorgt, welche für die Messung benötigt werden können. Alternativ oder zusätzlich kann die Ansteuer- und Auswerteschaltung jedoch auch mindestens einen Messsignalaufnehmer umfassen, mittels dessen mindestens ein Messsignal des Sensorelements erfasst werden kann. Darüber hinaus kann die Ansteuer- und Auswerteschaltung Elemente umfassen, welche beispielsweise einer Signalverarbeitung oder Signalvorverarbeitung dienen, so dass beispielsweise bereits in der Ansteuer- und Auswerteschaltung eine zumindest teilweise Verarbeitung der Messsignale, beispielsweise eine Digitalisierung der Messsignale, erfolgen kann. Die Ansteuer- und Auswerteschaltung kann dementsprechend ein oder mehrere elektronische Bauelemente umfassen, beispielsweise mindestens einen Verstärker, mindestens einen Analog-Digital-Wandler, mindestens ein Speicherelement, mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung oder Kombinationen der genannten und/oder anderer Elemente. Die Ansteuer- und Auswerteschaltung kann, wie auch das Sensorelement, beispielsweise in einem Steckfühler aufgenommen sein, beispielsweise in einem Elektronikraum eines Steckfühlers, welcher vorzugsweise von dem oben beschriebenen Kanal räumlich getrennt ist.
  • Bei der elektrischen Verbindung zwischen dem Sensorelement, beispielsweise dem Sensorchip, und der Ansteuer- und Auswerteschaltung kann es sich grundsätzlich um eine beliebige Verbindung handeln, welche eingerichtet ist, um elektrische Signale, insbesondere Spannungen und/oder Ströme, und/oder Versorgungsspannungen bzw. Versorgungsströme zu transportieren. Insbesondere kann die elektrische Verbindung, wie unten noch näher ausgeführt wird, mindestens eine Drahtverbindung umfassen, mittels derer beispielsweise mindestens ein Anschlusskontakt, beispielsweise mindestens ein Anschlusspad, der Ansteuer- und Auswerteschaltung mit mindestens einem Anschlusskontakt, beispielsweise mindestens einem Anschlusspad, des Sensorelements verbunden werden kann. Derartige Bondingtechniken sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt. Beispielsweise können Dünndraht-Bondingtechniken eingesetzt werden oder auch andere Bondingtechniken.
  • Bei der vorgeschlagenen Vorrichtung ist die elektrische Verbindung durch mindestens ein Abdeckmaterial zumindest teilweise umschlossen. Unter einem Abdeckmaterial ist dabei ein Material zu verstehen, welches abschirmende, insbesondere passivierende, Eigenschaften aufweist, Insbesondere kann eine Abschirmung gegenüber aggressiven Medien erfolgen, beispielsweise eine Abschirmung gegenüber Feuchtigkeit, Ölen, Säuren oder ähnlichen aggressiven Medien, welche die Qualität der elektrischen Verbindung und/oder deren Langzeitstabilität beeinträchtigen könnten. Beispielsweise kann das Abdeckmaterial derart ausgestaltet sein, dass ein Zutritt von Wasser zu der elektrischen Verbindung durch das Abdeckmaterial deutlich verlangsamt wird im Vergleich zu einem Fall ohne Abdeckmaterial, beispielsweise um mindestens einen Faktor 100, insbesondere um mindestens einen Faktor 1000. Beispielsweise kann durch das Abdeckmaterial eine Korrosion der Verbindung und/oder von Teilen der Verbindung um mindestens einen Faktor 100, insbesondere um mindestens einen Faktor 1000, verlangsamt werden. Das Abdeckmaterial kann insbesondere als amorphe Masse ausgestaltet sein, mittels derer die Verbindung ganz oder teilweise umschlossen werden kann. Insbesondere kann das Abdeckmaterial als Verguss ausgestaltet sein, beispielsweise als Tropfen, welcher die Verbindung ganz oder teilweise umschließt. Das Abdeckmaterial kann insbesondere ein verformbares Material umfassen, beispielsweise ein Gel und/oder eine Paste. Diese Verformbarkeit kann in zumindest einem Zustand des Abdeckmaterials vorliegen, beispielsweise während des Aufbringens des Abdeckmaterials. Anschließend kann optional das Abdeckmaterial ausgehärtet werden, beispielsweise durch einen thermischen und/oder einen chemischen und/oder einen physikalischen Aushärtungsprozess, welcher auch beispielsweise durch einfaches Aushärten an Luft gegeben sein kann. Insbesondere kann das Abdeckmaterial mindestens ein Kunststoffmaterial umfassen, beispielsweise ein Epoxidmaterial, welches aushärtbar sein kann. Auch andere Materialien sind jedoch grundsätzlich einsetzbar, beispielsweise Silikonmaterialien oder ähnliche Materialien. Insbesondere kann das Abdeckmaterial übliche Glob Top-Materialien aufweisen, wie sie in der Elektronikindustrie eingesetzt werden.
  • Um die oben beschriebene erfindungsgemäße Problematik zu lösen, wird weiterhin vorgeschlagen, zwischen der Ansteuer- und Auswerteschaltung und dem Sensorelement weiterhin mindestens ein von dem Abdeckmaterial zumindest teilweise umschlossenes Verdrängungselement zur Volumenreduktion des Abdeckmaterials anzuordnen. Unter einem Verdrängungselement ist dabei ein Element zu verstehen, welches ein Verdrängungsvolumen aufweist, das von dem Abdeckmaterial zumindest teilweise umschlossen wird, so dass insgesamt im Vergleich zu einem Fall ohne ein derartiges Verdrängungselement das Gesamtvolumen des Abdeckmaterials reduziert wird, beispielsweise auf einen Faktor von 0,9 oder weniger, insbesondere 0,7 oder weniger oder sogar 0,5 oder weniger. Erfindungsgemäß ist das Verdrängungselement als ein Vorsprung des Trägerelements unterhalb der Drahtverbindung aufgebildet. Das Verdrängungselement kann dabei als separates Element ausgestaltet sein und kann insbesondere nicht-einstückig mit dem Sensorelement und nicht-einstückig mit der Ansteuer- und Auswerteschaltung ausgestaltet werden.
  • Das Sensorelement und die Ansteuer- und Auswerteschaltung sind auf mindestens einem Trägerelement angeordnet. Dies bedeutet, dass die Ansteuer- und Auswerteschaltung und das Sensorelement vollständig oder teilweise in ein Trägerelement integriert sein können, beispielsweise in eine oder mehrere Vertiefungen und/oder auf eine oder mehrere Oberflächen des Trägerelements. Beispielsweise kann das Sensorelement einen Sensorchip umfassen, welcher in eine Aufnahme des Trägerelements eingelassen ist, beispielsweise in eine Vertiefung in einem Sensorträger des Trägerelements, welcher in das strömende fluide Medium hineinragt, beispielsweise in einen Kanal eines Steckfühlers. Die Ansteuer- und Auswerteschaltung kann beispielsweise einen Schaltungsträger umfassen, welcher auf eine Aufnahme des Trägerelements aufgesetzt sein kann. Alternativ oder zusätzlich kann der Schaltungsträger jedoch auch ganz oder teilweise bauteilidentisch mit dem Trägerelement ausgestaltet sein. Das Trägerelement kann insbesondere einen Kunststoffträger umfassen, beispielsweise ein Kunststoffformteil, welches einen Teil aufweist, der in einem Elektronikraum eines Steckfühlers aufgenommen ist, und einen Sensorträgerteil, welcher in einen Kanal eines Steckfühlers hineinragt. Die elektrische Verbindung zwischen der Ansteuer- und Auswerteschaltung und dem Sensorelement umfasst mindestens eine Drahtverbindung, insbesondere ein Dünndrahtbonding. So kann beispielsweise diese Drahtverbindung, wie oben ausgeführt, zwischen einem oder mehreren Anschlusspads auf einem Schaltungsträger der Ansteuer- und Auswerteschaltung und einem oder mehreren Anschlusspads auf einem Sensorchip des Sensorelements verlaufen. Das Verdrängungselement ist auf der dem Trägerelement zuweisenden Seite der Drahtverbindung angeordnet. Das Verdrängungselement umfasst mindestens einen Vorsprung des Trägerelements unterhalb der Drahtverbindung. Beispielsweise kann das Trägerelement als im Wesentlichen flächiges Trägerelement ausgestaltet sein, wobei das Sensorelement und die Ansteuer- und Auswerteschaltung vorzugsweise auf derselben Seite des flächigen Trägerelements aufgebracht sind. Der Vorsprung kann beispielsweise in einem Zwischenraum zwischen der Ansteuer- und Auswerteschaltung und dem Sensorelement angeordnet sein und kann beispielsweise aus einer ansonsten vorzugsweise im Wesentlichen ebenen Oberfläche des flächigen Trägerelements vorstehen. Beispielsweise kann der Vorsprung um 0,1 bis 2 mm, insbesondere um 0,3 bis 1 mm und besonders bevorzugt 0,5 bis 0,8 mm, aus der Oberfläche des Trägerelements vorstehen. Der Vorsprung, wobei auch mehrere Vorsprünge vorgesehen sein können, kann eckig oder auch rund ausgestaltet sein, beispielsweise tropfenförmig und/oder mit einem runden oder im Wesentlichen gaussförmigen Querschnittsprofil. Auch andere Ausgestaltungen sind grundsätzlich möglich.
  • Das Sensorelement kann insbesondere mindestens einen in einer Aufnahme des Trägerelements eingebrachten Sensorchip umfassen. Wie oben dargestellt, kann das Trägerelement beispielsweise mindestens einen Sensorträger umfassen, beispielsweise einen Sensorträger aus einem Kunststoffmaterial, welcher beispielsweise in einen Kanal eines Steckfühlers hineinragen kann. Die Ansteuer- und Auswerteschaltung kann insbesondere mindestens einen Schaltungsträger umfassen, beispielsweise eine Leiterplatte, welche getrennt von dem Trägerelement ausgebildet sein kann und auf das Trägerelement aufgebracht sein kann, welche jedoch auch ganz oder teilweise in das Trägerelement integriert sein kann. Zwischen dem Schaltungsträger und der Aufnahme kann, wie oben beschrieben, mindestens ein Zwischenraum des Trägerelements vorgesehen sein. Dieser Zwischenraum kann beispielsweise durch eine Drahtverbindung, beispielsweise ein Dünndrahtbonding, überbrückt werden. Das Verdrängungselement kann insbesondere in diesem Zwischenraum angeordnet sein. Das Verdrängungselement kann, unabhängig von der Wahl der Ausgestaltung dieses Verdrängungselements, insbesondere eine gekrümmte Oberfläche aufweisen, wobei die gekrümmte Oberfläche vorzugsweise der Drahtverbindung zuweist. Insbesondere kann das Verdrängungselement eine einem Verlauf der Drahtverbindung im Wesentlichen folgende Oberfläche aufweisen, so dass zwischen der Oberfläche des Verdrängungselements und der Drahtverbindung über die Erstreckung der Drahtverbindung hinweg vorzugsweise ein im Wesentlichen konstanter Abstand entsteht. Beispielsweise kann die Krümmung der Oberfläche des Verdrängungselements derart ausgestaltet sein, dass der Abstand zwischen der Oberfläche und der Drahtverbindung über den Verlauf der Drahtverbindung hinweg um nicht mehr als 50 %, vorzugsweise um nicht mehr als 30 %, variiert. Das Verdrängungselement kann insbesondere derart ausgestaltet sein, dass ein Volumen des Abdeckmaterials zwischen der Drahtverbindung und dem Trägerelement reduziert wird. Beispielsweise kann das Volumen des Abdeckmaterials zwischen der Drahtverbindung und dem Trägerelement höchstens einem Volumen des Abdeckmaterials auf einer von dem Trägerelement weg weisenden Seite der Drahtverbindung entsprechen. Das Verdrängungselement stellt somit ein Verdrängungsvolumen bereit, welches das Volumen des Abdeckmaterials zwischen der Drahtverbindung und dem Trägerelement signifikant reduziert, so dass eine thermische Ausdehnung und thermomechanische Einflüsse einer derartigen Ausdehnung des Abdeckmaterials zwischen der Drahtverbindung und dem Trägerelement deutlich reduziert werden.
  • Die oben beschriebene Vorrichtung in einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausgestaltungen kann auf verschiedene Weisen noch vorteilhaft weitergebildet werden. Insbesondere kann eine Fließstoppbarriere integriert werden, welche eine räumliche Ausdehnung des Abdeckmaterials beim Aufbringen des Abdeckmaterials und/oder beim Aushärten des Abdeckmaterials begrenzt. So können beispielsweise das Sensorelement und die Ansteuer- und Auswerteschaltung auf mindestens einem Trägerelement angeordnet sein, was auch eine Integration eines oder mehrerer dieser Elemente in das Trägerelement implizieren kann. Die Vorrichtung kann dann vorzugsweise weiterhin mindestens eine Fließstoppbarriere umfassen, welche eingerichtet ist, um eine räumliche Ausbreitung des Abdeckmaterials in mindestens einer Dimension zu begrenzen. Diese Fließstoppbarriere kann beispielsweise mindestens einen Vorsprung des Trägerelements umfassen, insbesondere mindestens einen langgestreckten Vorsprung. Beispielsweise kann ein Vorsprung mit einer Höhe von mindestens 0,3 mm, beispielsweise mit einer Höhe von 0,5 bis 2 mm, vorgesehen sein, welcher einen Bereich des Abdeckmaterials begrenzt, beispielsweise einen Glob Top-Bereich. Unter einem langgestreckten Vorsprung kann dabei beispielsweise eine Barriere verstanden werden, welche einen Vorsprung mit einer Breite und einer Länge aufweist, wobei die Länge die Breite um mindestens einen Faktor 2, vorzugsweise um mindestens einen Faktor 5 und besonders bevorzugt mindestens einen Faktor 10 übersteigt. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich.
  • Alternativ oder zusätzlich zu einer Ausgestaltung, bei welcher die Fließstoppbarriere ganz oder teilweise Bestandteil des Trägerelements ist, kann die Fließstoppbarriere auch als unabhängiges Barrierenelement ausgestaltet sein. So kann beispielsweise die Fließstoppbarriere mindestens ein auf das Trägerelement aufgebrachtes Barrierenelement umfassen, insbesondere mindestens einen Fließstopprahmen. Beispielsweise kann ein Fließstopprahmen als separates Spritzgussbauteil und/oder auf andere Weise gestaltetes Kunststoffbauteil und/oder auch als Bauteil aus einem anderen Material, beispielsweise einem metallischen Material und/oder keramischen Material, hergestellt sein, welches vor oder nach dem Aufbringen des Abdeckmaterials auf das Trägerelement aufgebracht wird, vorzugsweise vor einem Aushärten des Abdeckmaterials. Verschiedene Ausgestaltungen sind möglich und werden unten exemplarisch noch näher beschrieben.
  • Mittels der vorgeschlagenen Vorrichtung lassen sich die oben beschriebenen Nachteile bekannter Vorrichtungen vermeiden. Insbesondere lässt sich eine Vorrichtung herstellen, welche eine hohe thermomechanische Stabilität aufweist. Gleichzeitig weist die Vorrichtung jedoch eine hohe Langzeitstabilität auf, da die elektrische Verbindung zwischen dem Sensorelement und der Ansteuer- und Auswerteelektronik durch das Abdeckmaterial gegen aggressive Medien geschützt ist. Gleichzeitig kann das Abdeckmaterial jedoch vorzugsweise durch die Fließstoppbarriere räumlich begrenzt werden, so dass beispielsweise eine Kontamination eines Messbereichs, beispielsweise einer Messoberfläche, des Sensorelements und/oder anderer empfindlicher Bereiche der Vorrichtung durch das Abdeckmaterial, beispielsweise während oder vor einem Aushärtevorgang desselben, wirkungsvoll verhindert werden kann.
  • Figurenliste
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • 1 ein Ausführungsbeispiel einer herkömmlichen Vorrichtung zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines strömenden fluiden Mediums in einer perspektivischen Explosionsdarstellung;
    • 2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erfassung einer Eigenschaft eines strömenden fluiden Mediums;
    • 3 eine Detaildarstellung eines Elektronikmoduls der Vorrichtung gemäß 2;
    • 4 eine Schnittdarstellung durch das Elektronikmodul gemäß 3; und
    • 5 und 6 verschiedene Ansichten eines alternativen Ausführungsbeispiels eines Elektronikmoduls mit einer Fließstoppbarriere.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In 1 ist ein Beispiel einer Vorrichtung 110 zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines strömenden fluiden Mediums in einer perspektivischen Explosionsdarstellung gezeigt, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die Vorrichtung 110 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Heißfilmluftmassenmesser 112 ausgestaltet, welcher einen Steckfühler 114 umfasst, der beispielsweise in ein Strömungsrohr eines Ansaugtrakts einer Brennkraftmaschine eingesteckt werden kann. Der Steckfühler 114 weist ein Steckfühlergehäuse 116 auf, mit einem Elektronikraum 118 und einem Messkanalraum 120, welche durch einen Elektronikraumdeckel 122 bzw. einen Messkanalraumdeckel 124 verschließbar sind. In dem Messkanalraum 122 ist eine Kanalstruktur 126 vorgesehen, mit einem Hauptkanal 128 und einem Bypasskanal 130. Durch eine Einlassöffnung 132 kann fluides Medium, in diesem Fall Luft, in die Kanalstruktur 126 einströmen und diese durchströmen.
  • Weiterhin umfasst die Vorrichtung 110 ein Elektronikmodul 134 mit einem Trägerelement 136, welches beispielsweise als Formteil in Form eines Bodenblechs aus Metall ausgestaltet sein kann. Auf dem Trägerelement 136 ist eine Ansteuer- und Auswerteschaltung 138 vorgesehen, welche beispielsweise eine Leiterplatte 140 oder eine andere Art von Schaltungsträger und darauf aufgebrachte oder mit dieser verbundene Elektronikkomponenten 142 umfassen kann. Weiterhin umfasst das Trägerelement 136 einen Sensorträger 144. Während der übrige Teil des Trägerelements 136 vollständig oder teilweise in dem Elektronikraum 118 angeordnet ist, ragt der Sensorträger 144 in dem dargestellten Beispiel in die Kanalstruktur 126 hinein, beispielsweise in den Bypasskanal 130. Bei üblichen Vorrichtungen 110 der gezeigten Art kann der Sensorträger 144 beispielsweise als Spritzgussbauteil ausgestaltet sein, welches an ein Bodenblech des Trägerelements 136 angespritzt ist. In dem Sensorträger 144 ist in einer Vertiefung 146 ein Sensorelement 148 in Form eines Sensorchips 150 eingebracht. Hierbei handelt es sich in dem dargestellten Ausführungsbeispiel um einen Heißfilmluftmassenmesser-Sensorchip, welcher beispielsweise als Silicium-Chip mit einer Messoberfläche mit mindestens einem Heizelement und mindestens zwei Temperaturfühlern ausgestaltet sein kann. Bezüglich der Wirkungsweise dieses Sensorchips 150 kann beispielsweise auf den oben beschriebenen Stand der Technik verwiesen werden. Bei herkömmlichen Vorrichtungen 110 der dargestellten Art werden das Sensorelement 148 und die Ansteuer- und Auswerteschaltung 138 mit einer in 1 nur teilweise erkennbaren elektrischen Verbindung 152 verbunden. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Drahtverbindung 154 handeln, beispielsweise ein DünndrahtBonding. Bei der Herstellung der Vorrichtung 110 gemäß dem Stand der Technik in 1 wird üblicherweise der Sensorchip 150 in den Sensorträger 144 eingeklebt. Der Sensorträger 144 bildet zusammen mit dem Bodenblech des Trägerelements 136 eine Einheit. Zusätzlich zu dem Sensorelement 148 wird noch die Ansteuer- und Auswerteschaltung 138 auf ihrer Leiterplatte 140 auf das Bodenblech aufgeklebt. Das Sensorelement 148 und die Ansteuer- und Auswerteschaltung 138 werden typischerweise durch Bondverbindungen miteinander elektrisch verbunden. Das so entstandene Elektronikmodul 134 wird üblicherweise in das Steckfühlergehäuse 116 eingeklebt, und der gesamte Steckfühler 114 wird mit den Deckeln 122, 144 verschlossen.
  • Bei neueren Vorrichtungen 110 der bekannten Art hat es sich dabei, wie beispielsweise aus DE 10 2008 042 152 A1 oder DE 10 2008 042 155 A1 bekannt, als vorteilhaft erwiesen, die elektrische Verbindung 152 ganz oder teilweise mit einem Abdeckmaterial zu umhüllen, beispielsweise einem so genannten Glob Top. Dies ist in einer erfindungsgemäßen Abwandlung der Vorrichtung 110 gezeigt, welche in einer perspektivischen Explosionsdarstellung in 2 gezeigt ist. Die Vorrichtung 110 gemäß 2 entspricht zunächst in weiten Teilen der Vorrichtung gemäß 1, so dass bezüglich der dargestellten Elemente weitgehend auf die Beschreibung der 1 verwiesen werden kann. Allerdings kann vorzugsweise, wie in 2 gezeigt, das Trägerelement 136 bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung gemäß 2 einstückig ausgebildet sein, so dass der Sensorträger 144 und der restliche Teil des Trägerelements 136 beispielsweise durch eine ansonsten vorzugsweise in ihren Abmessungen dem Trägerelement 136 gemäß 1 entsprechende Kunststoffaufnahme ersetzt werden können. Diese Kunststoffaufnahme kann beispielsweise in einem einzigen Spritzgussvorgang hergestellt werden. Auf das Trägerelement 136 wird wiederum auch in dem dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß 2 die Ansteuer- und Auswerteschaltung 138 aufgebracht, beispielsweise indem die Leiterplatte 140 dieser Ansteuer- und Auswerteschaltung 138 auf das Trägerelement 136 aufgeklebt wird. In die Vertiefung 146 des Sensorträgers 144 des Trägerelements 136 kann wiederum der Sensorchip 150 eingebracht und beispielsweise eingeklebt werden. Wiederum kann eine elektrische Verbindung 152 in Form einer Drahtverbindung 154, beispielsweise einer Bondverbindung, zwischen dem Sensorchip 150 und der Ansteuer- und Auswerteschaltung 138 hergestellt werden. Diese elektrische Verbindung 152 ist jedoch in dem in 2 dargestellten Beispiel durch ein Abdeckmaterial 156 vorzugsweise vollständig umhüllt. Dies ist in einer perspektivischen Detaildarstellung des Elektronikmoduls 134 in 3 deutlicher erkennbar. Das Abdeckmaterial 156 kann beispielsweise als Glob Top 158 ausgestaltet sein, also als tropfenförmiges Material, welches beispielsweise in einem flüssigen und/oder verformbaren Zustand auf das Elektronikmodul 134 aufgebracht wird, um anschließend auszuhärten. Die Aushärtung kann beispielsweise thermisch, chemisch, photochemisch oder auch durch einfaches Abwarten eines Vernetzungsprozesses erfolgen. Auch andere Aushärtungsvorgänge sind möglich, beispielsweise indem Mehrkomponenten-Materialien als Abdeckmaterialien 156 verwendet werden. Glob Top-Materialien sind beispielsweise kommerziell erhältliche Materialien, beispielsweise Kunststoffmaterialien wie insbesondere Epoxidharze. Die Aufbringung kann beispielsweise mittels eines einfachen Dispensers erfolgen. Wie oben dargestellt, ergibt sich dabei jedoch das Problem, dass in der Bondverbindung zwischen dem Sensorelement 148 und der Ansteuer- und Auswerteschaltung 138, welche als einstufige oder auch mehrstufige elektrische Verbindung ausgestaltet sein kann, bei einer Temperaturbelastung thermomechanische Spannungen auftreten können.
  • Dementsprechend wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, in die Vorrichtung 110 mindestens ein Verdrängungselement 160 einzubringen, welches ein Verdrängungsvolumen aufweist und welches von dem Abdeckmaterial 156 zumindest teilweise umschlossen wird. Dies ist in einer Schnittdarstellung in 4 gezeigt, welche einen Schnitt durch die Ansicht gemäß 3 zeigt. Hierbei ist zu erkennen, dass die Drahtverbindung 154 von dem Abdeckmaterial 156 des Glob Tops 158 umschlossen ist. Gleichzeitig ist jedoch zwischen dem Trägerelement 136, in einem Zwischenraum 162 zwischen der Ansteuer- und Auswerteschaltung 138 bzw. deren Leiterplatte 140, und dem Sensorelement 148 auf einer Oberfläche des Trägerelements 136 das Verdrängungselement 160 aufgebracht. Das Verdrängungselement 160 weist ein Verdrängungsvolumen auf, welches die Lebensdauer der durch den Glob Top 158 umschlossenen Drahtverbindung unter Temperaturbelastung deutlich erhöht. Das Verdrängungsvolumen des Verdrängungselements 160 reduziert das Volumen des Glob Tops 158 unterhalb der Drahtverbindung 154, wodurch sich die Gesamtausdehnung des Abdeckmaterials 156 zwischen der Drahtverbindung 154 und dem Trägerelement 136 reduziert. Damit erniedrigt sich die thermomechanische Belastung der Drahtverbindung 154, die vom Abdeckmaterial 156 umschlossen ist.
  • DasVerdrängungselement 160 ist ganz oder teilweise in das Trägerelement 136, beispielsweise in eine Kunststoffaufnahme, integriert als Vorsprung 166. Das Verdrängungselement 160 kann insbesondere, wie in 4 dargestellt, eine gekrümmte Oberfläche 168 aufweisen, welche beispielsweise dem Verlauf der Drahtverbindung 154 im Wesentlichen folgen kann.
  • Um Form und Lage des Glob Tops 158, insbesondere in Form eines Glob Top-Vergusses, sicherzustellen, können bei dem in den 2 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 110, jedoch auch bei anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen, eine oder mehrere Fließstoppbarrieren 170 vorgesehen sein. In 3 ist beispielsweise erkennbar, dass eine Fließstoppbarriere 170 in Form eines Vorsprungs 172, beispielsweise eines langgestreckten Vorsprungs 172, in das Trägerelement 136 selbst integriert sein kann, beispielsweise ebenfalls vollständig oder teilweise in den Zwischenraum 162. Alternativ oder zusätzlich zu einer Integration einer Fließstoppbarriere 170 in das Trägerelement 136 sind jedoch auch separate Ausgestaltungen einer derartigen Fließstoppbarriere 170 denkbar. So kann die Fließstoppbarriere 170 beispielsweise ein oder mehrere auf das Trägerelement aufgebrachte Barrierenelemente 174 umfassen. Dies ist in den 5 und 6 dargestellt. Dabei zeigt 5 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß den 2 bis 4, und 6 zeigt eine perspektivische Darstellung des in 5 gezeigten Ausschnitts. Wie hierbei erkennbar ist, ist das Barrierenelement 174 in diesem Ausführungsbeispiel als bestückbares Rähmchen 176 ausgestaltet, welches auf das Trägerelement 136 aufgesetzt werden kann. Das Rähmchen 176 kann in diesem oder in anderen Ausführungsbeispielen optional mindestens eine Öffnung 178 aufweisen, durch welche das Abdeckmaterial 156 ins Innere des Rähmchens 176 eingebracht werden kann. Auch andere Ausgestaltungen sind grundsätzlich möglich. Das Barrierenelement 174 mit seinen Begrenzungen verhindert ein Verfließen des Abdeckmaterials 156 auf benachbarte Bereiche, beispielsweise auf das Sensorelement 148, und fixiert Form und Lage des Glob Tops 158.

Claims (8)

  1. Vorrichtung (110) zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines strömenden fluiden Mediums, umfassend mindestens ein Sensorelement (148) und mindestens eine mit dem Sensorelement (148) mittels mindestens einer elektrischen Verbindung (152) verbundene Ansteuer- und Auswerteschaltung (138), wobei die elektrische Verbindung (152) durch mindestens ein Abdeckmaterial (156) zumindest teilweise umschlossen ist, wobei zwischen der Ansteuer- und Auswerteschaltung (138) und dem Sensorelement (148) weiterhin mindestens ein von dem Abdeckmaterial (156) zumindest teilweise umschlossenes Verdrängungselement (160) zur Volumenreduktion des Abdeckmaterials (156) angeordnet ist, wobei das Sensorelement (148) und die Ansteuer- und Auswerteschaltung (138) auf mindestens einem Trägerelement (136) angeordnet sind, wobei die elektrische Verbindung (152) mindestens eine Drahtverbindung (154) umfasst, wobei das Verdrängungselement (160) auf der dem Trägerelement (136) zuweisenden Seite der Drahtverbindung (154) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdrängungselement (160) ein Vorsprung (166) des Trägerelements (136) unterhalb der Drahtverbindung (154) ist.
  2. Vorrichtung (110) nach Anspruch 1, wobei das Sensorelement (148) einen in eine Aufnahme (146) des Trägerelements (136) eingebrachten Sensorchip (150) umfasst, wobei die Ansteuer- und Auswerteschaltung (138) mindestens einen Schaltungsträger (140) umfasst, wobei zwischen dem Schaltungsträger (140) und der Aufnahme (146) ein Zwischenraum (162) des Trägerelements (136) vorgesehen ist, wobei das Verdrängungselement (160) in dem Zwischenraum (162) angeordnet ist.
  3. Vorrichtung (110) nach einem der zwei vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verdrängungselement (160) eine der Drahtverbindung (154) zuweisende gekrümmte Oberfläche (168) aufweist.
  4. Vorrichtung (110) nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verdrängungselement (160) eine einem Verlauf der Drahtverbindung (154) im Wesentlichen folgende Oberfläche (168) aufweist, so dass zwischen der Oberfläche (168) und der Drahtverbindung (154) über die Erstreckung der Drahtverbindung (154) hinweg ein im Wesentlichen konstanter Abstand entsteht.
  5. Vorrichtung (110) nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verdrängungselement (160) derart ausgestaltet ist, dass ein Volumen des Abdeckmaterials (156) zwischen der Drahtverbindung (154) und dem Trägerelement (136) höchstens einem Volumen des Abdeckmaterials (156) auf einer von dem Trägerelement (136) wegweisenden Seite der Drahtverbindung (154) entspricht.
  6. Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (110) weiterhin mindestens eine Fließstoppbarriere (170) umfasst, wobei die Fließstoppbarriere (170) eingerichtet ist, um eine räumliche Ausbreitung des Abdeckmaterials (156) zu begrenzen.
  7. Vorrichtung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Fließstoppbarriere (170) mindestens einen Vorsprung (172) des Trägerelements (136) umfasst, insbesondere einen langgestreckten Vorsprung (172).
  8. Vorrichtung (110) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fließstoppbarriere (170) mindestens ein auf das Trägerelement (136) aufgebrachtes Barrierenelement (174) umfasst, insbesondere einen Fließstopprahmen (176).
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