DE102013206689A1 - Sensor und Verfahren zum Herstellen eines Sensors - Google Patents

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Ricardo Ehrenpfordt
Mathias Bruendel
Frederik ANTE
Johannes Kenntner
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor (100) mit einem elektronischen Bauelement oder Sensorelement (102), einer elektrischen Schaltung (104) einer Fotovoltaikzelle (106) und einem Gehäuse (108). Das Sensorelement (102) ist dazu ausgebildet ein Sensorsignal unter Verwendung von elektrischer Energie bereitzustellen, wobei das Sensorsignal zumindest eine von dem Sensorelement (102) erfasste Messgröße repräsentiert. Die elektrische Schaltung (104) ist dazu ausgebildet, das Sensorsignal zu einem Datensignal unter Verwendung von elektrischer Energie zu verarbeiten. Die Fotovoltaikzelle (106) ist dazu ausgebildet, die elektrische Energie für das Sensorelement (102) und die elektrische Schaltung (104) bereitzustellen. In dem Gehäuse (108) sind das Sensorelement (102), die elektrische Schaltung (104) und die Fotovoltaikzelle (106) angeordnet. Das Gehäuse (108) weist eine Aussparung (110) auf, in der die Fotovoltaikzelle (106) angeordnet ist. Ein, die Aussparung (110) umschließender Rand (112) des Gehäuses (108) steht über die Fotovoltaikzelle (106) über.

Description

  • Stand der Technik
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Sensor sowie auf ein Verfahren zum Herstellen eines Sensors.
  • Ein Bauelement kann energieautark betrieben werden, wenn eine Energiequelle oder eine Einrichtung zum Gewinnen von Energie in das Bauelement integriert wird.
  • Die US 2011/0169554A1 beschreibt ein integriertes solarbetriebenes Bauteil.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung ein Sensor sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Sensors gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
  • Um eine Fotovoltaikzelle in einem Gehäuse zu platzieren, kann die Fotovoltaikzelle von einer Oberfläche des Gehäuses zurückversetzt, in einer Vertiefung angeordnet werden. Durch die zurückversetzte Anordnung ist sie Fotovoltaikzelle vor Beschädigungen besser geschützt, als wenn die Fotovoltaikzelle bündig zu der Oberfläche angeordnet wäre. Insbesondere seitliche Kanten der Fotovoltaikzelle, an denen ein empfindliches Halbleitermaterial freiliegen kann, sind in der Vertiefung vor Beschädigungen, wie beispielsweise Korrosion oder Bruch gut geschützt.
  • Es wird ein Sensor mit folgenden Merkmalen vorgestellt:
    einem elektronischen Bauelement oder Sensorelement zum Bereitstellen eines Sensorsignals unter Verwendung von elektrischer Energie, wobei das Sensorsignal zumindest eine von dem Sensorelement erfasste Messgröße repräsentiert;
    einer elektrischen Schaltung zum Verarbeiten des Sensorsignals zu einem Datensignal unter Verwendung von elektrischer Energie;
    einer Fotovoltaikzelle zum Bereitstellen der elektrischen Energie für das Sensorelement und die elektrische Schaltung, wobei die; und
    einem Gehäuse von dem das Sensorelement, die elektrische Schaltung und die Fotovoltaikzelle aufgenommen sind, wobei das Gehäuse eine Aussparung aufweist, in der die Fotovoltaikzelle angeordnet ist, wobei ein die Aussparung umschließender Rand des Gehäuses über die Fotovoltaikzelle übersteht.
  • Ein elektronisches Bauelement kann insbesondere ein ASIC sein, welches bspw. direkt eine Temperatur misst. Ein Sensorelement kann ein mikroelektromechanisches (MEMS) Sensorelement sein. Das Sensorelement kann dazu ausgebildet sein, zumindest eine Messgröße zu erfassen. Die Messgröße kann eine physikalische Größe sein. Die Messgröße kann eine chemische Größe sein. Ein Sensorsignal kann ein elektrisches Signal sein. Insbesondere kann das Sensorsignal ein analoges Signal sein. Eine elektrische Schaltung kann eine integrierte Schaltung sein. Ein Datensignal kann insbesondere ein digitales Signal sein. Die elektrische Schaltung kann dazu ausgebildet sein, das Datensignal über ein Kommunikationsprotokoll an einen Empfänger zu übermitteln. Eine Fotovoltaikzelle kann eine Rückenkontakt-Solarzelle sein. Dann können elektrische Kontakte der Fotovoltaikzelle von einer lichtunempfindlichen Seite der Fotovoltaikzelle kontaktiert sein. Die Fotovoltaikzelle kann auch eine Solarzelle mit vorderseitigem Kontakt und rückseitigem Kontakt sein. Dann kann der vorderseitige Kontakt auf der lichtempfindlichen Seite der Solarzelle kontaktiert werden. Ein Gehäuse kann eine Schutzhülle sein. Das Gehäuse kann fluiddicht ausgeführt sein. Das Gehäuse kann aus einem oder mehreren unterschiedlichen Materialien aufgebaut sein. Der Rand des Gehäuses kann umlaufend geschlossen um die Aussparung ausgeführt sein. Der Rand kann über die der lichtempfindliche Oberfläche der Fotovoltaikzelle überstehen. Ein sich zwischen der Oberfläche der Fotovoltaikzelle und einer äußeren Oberfläche des Rands befindlicher Raum, also ein an die lichtempfindliche Oberfläche der Fotovoltaikzelle angrenzender und nicht von der Fotovoltaikzelle ausgefüllter Bereich der Aussparung kann materialfrei sein, also beispielsweise mit Umgebungsluft gefüllt sein, oder mit einem Schutzmedium aufgefüllt sein. Die Aussparung kann als ein Sackloch in einem das Gehäuse bildenden Material ausgeführt sein. Eine Tiefe der Aussparung, das heißt ein Abstand zwischen einem Boden der Aussparung und einer an eine Seitenwand angrenzende Kante des Rands des Gehäuses, kann größer sein, als eine Dicke der Fotovoltaikzelle. Der Rand des Gehäuses kann aus aus einem Leiterplattenmaterial oder aus einer Vergussmasse ausgebildet sein. Auf diese Weise kann der Rand aus einem harten Material ausgebildet sein, das die Fotovoltaikzelle vor äußeren Einflüssen abschirmen kann.
  • Ein Übergangsbereich zwischen der Fotovoltaikzelle und dem Gehäuse kann mit einem Schutzmedium versiegelt sein. Der Übergangsbereich kann an einer Kante, die die lichtempfindliche Seite der Fotovoltaikzelle mit der lichtunempfindlichen Seite der Fotovoltaikzelle verbindet, angeordnet sein. Ein Schutzmedium kann eine Substanz sein, die in den Übergangsbereich eingebracht wird und in dem Übergangsbereich aushärtet. Das Schutzmedium kann auch dauerflexibel sein, um beispielsweise thermische Spannungen auszugleichen. Das Schutzmedium kann transparent sein. Dann kann das Schutzmedium auch vollflächig über der lichtempfindliche Seite Fotovoltaikzelle angeordnet sein. Ein Schutzmedium kann beispielsweise ein Schutzgel, Schutzlack oder eine Schmelze sein.
  • Das Sensorelement und alternativ oder ergänzend die elektrische Schaltung können an einer lichtunempfindlichen Seite der Fotovoltaikzelle angeordnet sein. Das Sensorelement und/oder die elektrische Schaltung kann in separaten Halbleiterchips angeordnet sein. Die Halbleiterchips können auf der Rückseite der Fotovoltaikzelle platziert werden, bevor das Gehäuse ausgebildet wird. Zwischen der Fotovoltaikzelle und dem Sensorelement und/oder der elektrischen Schaltung kann eine Leiterplatte mit Leiterbahnen angeordnet sein.
  • Das Gehäuse kann zumindest teilweise von einer Vergussmasse gebildet werden. Das Sensorelement und alternativ oder ergänzend die elektrische Schaltung können in der Vergussmasse vergossen sein. Eine Vergussmasse kann beispielsweise ein Kunststoff sein, der das Sensorelement und alternativ oder ergänzend die elektrische Schaltung vollkommen umschließt und vor äußeren Einflüssen schützt. Die Vergussmasse kann in einer Negativform zu dem Gehäuse geformt werden. Die Vergussmasse kann thermoplastisch sein.
  • In dem Rand des Gehäuses können elektrische Leiterbahnen angeordnet sein. Die Fotovoltaikzelle kann durch die Leiterbahnen in dem Rand elektrisch kontaktiert sein. Der Rand kann einen Überstand über die lichtempfindliche Seite der Fotovoltaikzelle aufweisen. Ein Teil der lichtempfindlichen Seite der Fotovoltaikzelle kann somit von dem Rand bedeckt sein. In diesem Fall kann zumindest ein elektrischer Anschluss der Fotovoltaikzelle auf der lichtempfindlichen Seite kontaktiert sein.
  • Die Fotovoltaikzelle kann vom Rand derart umschlossen (eingebettet) sein, dass zumindest ein allseitiger Kontakt zu den Oberflächen der Fotovoltaikzelle zumindest in Teilbereichen der Oberflächen besteht. Eine Kante der Fotovoltaikzelle kann in dem Rand eingebettet sein. Die Kante kann vollständig umschlossen sein. Dadurch kann die Fotovoltaikzelle besonders gut durch das Gehäuse geschützt sein. Die Fotovoltaikzelle kann eingegossen oder umspritzt werden, um die Kante in den Rand einzubetten. Eine Leiterplatte kann aus mehreren Lagen aufgebaut werden, wobei zumindest eine Lage einen Ausschnitt aufweist, der groß genug für die Fotovoltaikzelle ist. Eine Deckellage kann einen kleineren Ausschnitt aufweisen, sodass die Deckellage die Fotovoltaikzelle an der Kante überragt. Ebenso kann die Fotovoltaikzelle über dem Ausschnitt in der Deckellage platziert werden und mit der elektrischen Schaltung und dem Sensorelement von der lichtunempfindlichen Seite vergossen werden.
  • Das Gehäuse kann elektrische Anschlüsse auf dem Rand und alternativ oder ergänzend auf einer, der Aussparung gegenüberliegenden Rückseite aufweisen. Anschlüsse können als eine Schnittstelle der elektrischen Schaltung ausgeführt sein. Die elektrischen Anschlüsse können über Durchkontaktierungen, sogenannte Vias in dem Gehäuse ausgeführt sein. Die Anschlüsse können auf beiden Seiten des Gehäuses gleich ausgeführt sein. Dann kann auf die Anschlüsse unabhängig von einer Einbaulage zugegriffen werden. Beispielsweise kann durch die Anschlüsse eine Funktion des Sensors überprüft werden.
  • Die elektrische Schaltung kann eine Antenne zum drahtlosen Übertragen des Datensignals aufweisen. Durch eine drahtlose Datenübertragung kann der Sensor an einer beliebigen Stelle innerhalb einer Reichweite eines Empfängers platziert werden. Dadurch können Kabel entfallen.
  • Der Sensor kann einen Energiespeicher für die elektrische Energie aufweisen, wobei der Energiespeicher von dem Gehäuse umschlossen ist. Ein Energiespeicher kann beispielsweise ein Akkumulator oder ein Kondensator sein. In dem Energiespeicher kann Energie von der Fotovoltaikzelle gespeichert werden, wenn ein Energieüberschuss vorliegt. Wenn ein Energiemangel vorliegt, kann der Sensor unter Verwendung der Energie in dem Energiespeicher betrieben werden. Beispielsweise kann der Sensor dann auch bei Dunkelheit Daten erfassen.
  • Ferner wird ein Verfahren zum Herstellen eines Sensors vorgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
    Bereitstellen eines Sensorelements, einer elektrischen Schaltung und einer Fotovoltaikzelle, wobei die Fotovoltaikzelle mit der elektrischen Schaltung verbunden ist und die elektrische Schaltung mit dem Sensorelement verbunden ist; und
    Anordnen des Sensorelements, der elektrischen Schaltung und der Fotovoltaikzelle in einem Gehäuse, wobei die Fotovoltaikzelle in einer Aussparung des Gehäuses angeordnet wird, wobei ein die Aussparung umschließender Rand des Gehäuses über die Fotovoltaikzelle übersteht.
  • Im Schritt des Bereitstellens kann eine Mehrzahl von Anordnungen aus einem Sensorelement, einer elektrischen Schaltung und einer Fotovoltaikzelle bereitgestellt werden und im Schritt des Anordnens kann die Mehrzahl von Anordnungen in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet werden. Das Verfahren kann einen Schritt des Trennens aufweisen, in dem das Gehäuse in eine Mehrzahl von Teilgehäusen getrennt wird, wobei ein Teilgehäuse je eine Anordnung aufweist. Durch eine Herstellung von mehreren Sensoren gleichzeitig können Fertigungskosten und Zeit gespart werden.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 2 eine Darstellung eines Sensors mit versiegelten Fotovoltaikzellenseitenkanten gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 3 eine Darstellung eines Sensors mit in eine Leiterplatte eingebetteten Fotovoltaikzellenseitenkanten gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 4 eine Darstellung eines Sensors mit in eine Leiterplatte eingebetteten Fotovoltaikzellenseitenkanten und einem Deckel gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 5 eine Darstellung eines Sensors mit einem Gehäuse aus Gussmasse und Leiterplattenmaterial gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 6 eine Darstellung eines Sensors mit einem Gehäuse aus Gussmasse gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
  • 8 eine Darstellung mehrerer zusammen eingebetteter Sensoren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Sensors 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Sensor 100 weist ein Sensorelement 102, eine elektrische Schaltung 104, eine Fotovoltaikzelle 106 und ein Gehäuse 108 auf. Das Sensorelement 102 ist dazu ausgebildet, ein Sensorsignal unter Verwendung von elektrischer Energie bereitzustellen. Das Sensorsignal repräsentiert zumindest eine von dem Sensorelement 102 erfasste Messgröße. Die elektrische Schaltung 104 ist mit dem Sensorelement 102 verbunden und dazu ausgebildet, das Sensorsignal zu einem Datensignal unter Verwendung von elektrischer Energie zu verarbeiten. Die Fotovoltaikzelle 106 ist dazu ausgebildet, die elektrische Energie für das Sensorelement 102 und die elektrische Schaltung 104 bereitzustellen und ist mit der elektrischen Schaltung 104 verbunden. In dem Gehäuse 108 sind das Sensorelement 102, die elektrische Schaltung 104 und die Fotovoltaikzelle 106 angeordnet. Das Gehäuse 108 weist eine Aussparung 110 auf, in der die Fotovoltaikzelle 106 angeordnet ist. Ein Rand 112 des Gehäuses 108, der die Aussparung 110 umschließt, steht über die Fotovoltaikzelle 106 über, sodass eine lichtempfindliche Oberfläche der Fotovoltaikzelle 106 hinter einer Oberfläche des Gehäuses 108 zurücksteht. Gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die lichtempfindliche Oberfläche der Fotovoltaikzelle 106 nicht durch das Gehäuse 108 oder eine andere Deckschicht oder Schutzschicht abgedeckt. Es befindet sich somit ein Freiraum zwischen den über die lichtempfindliche Oberfläche der Fotovoltaikzelle 106 überstehenden Randbereichen der Aussparung 110. Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel kann die lichtempfindliche Oberfläche der Fotovoltaikzelle 106 von einer Deckschicht abgedeckt sein. Beispielsweise kann die Aussparung 110 mit einem transparenten Material aufgefüllt sein, das bündig mit einer äußeren Oberfläche des Rands 112, in 1 der nach unten zeigenden Oberfläche des Rands 112, abschließen kann.
  • In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Bauform zur Integration und zum Schutz einer oder mehrerer Fotovoltaikzellen 106 in Sensorsystemen und Sensoren 100 gezeigt.
  • Ein solcher Sensor 100 kann beispielsweise im Zusammenhang mit dem „Internet der Dinge“ (Internet of Things, IoT) eingesetzt werden, das als eine der wichtigsten zukünftigen Entwicklung in der Informationstechnologie bezeichnet wird. Durch das Internet der Dinge haben nicht nur Menschen Zugang zum Internet und sind über dieses vernetzt, sondern auch Geräte sind über das Internet miteinander vernetzt. Zu den bereits technisch realisierten Beispielen zählen Waschmaschinen mit Internetzugang, die bei niedrigen Strompreisen automatisch den Waschvorgang starten. Ein anderes Beispiel wäre ein vernetzter Kühlschrank, der entnommene Lebensmittel automatisch nachbestellt. Ein anderer Bereich des Internets der Dinge zielt in Richtung Produktions- und Hausautomatisierung mit autonomen Sensoren 100, die Ihre Energie entweder aus Batterien und/oder mit Energieharvestern wie Fotovoltaikzellen 106, thermoelektrischen Generatoren oder aus Vibrationen gewinnen. Für solche Sensoren 100, beispielsweise Temperatursensoren können Sensorelemente 102 aus dem Bereich Consumer Electronics, wie Sensoren 102 für Smartphones, beispielsweise Gyroskope, Beschleunigungssensoren, Drucksensoren oder Mikrofone verwendet werden. Durch die kostengünstig verfügbaren Sensorelemente 102 können Sensoren 100 zu niedrigen Gesamtkosten hergestellt werden. Beispielsweise kann so ein Sensor 100 zur Detektion der Fensterposition am Fensterrahmen oder ein Feuchtesensor zur Schimmeldetektion hinter einem Schrank auf der Tapete kostengünstig hergestellt werden. Sensormodule 100 für das Internet der Dinge 3(Baugrößenordnung wenige cm ) können nicht nur mindestens einen Sensor 102 zur Detektion einer physikalischen/chemischen Größe enthalten, sondern können auch auf kleinem Bauraum einen Prozessor 104, ein Funkmodul, einen Energiespeicher und einen Energie-Harvester 106 integrieren.
  • In dem hier vorgestellten Ansatz wird eine Fotovoltaikzelle 106 in ein kleinbauendes autonomes Sensorsystem 100 mit einer Grundfläche von maximal einigen Quadratzentimetern integriert, beispielsweise mit einer Grundfläche von weniger als 10, 5 oder 3 Quadratzentimetern, sodass die Kanten der Fotovoltaikzelle 106 geschützt sind und mindestens teilweise ein vertikaler umlaufender Überstand 112 des Gehäuses 108 über die aktive Fläche der Solarzelle 106 hinaus diese vor mechanischen Einflüssen bewahrt.
  • Durch die Integration der Fotovoltaikzelle 106 in das Sensormodul 100 sind die seitlichen Ränder vor externen Einflüssen geschützt und gleichzeitig wird die aktive Fläche der Fotovoltaikzelle 106 durch einen mindestens teilweise vertikalen umlaufenden Überstand 112 des Gehäuses vor mechanischen Beanspruchungen bewahrt.
  • 2 zeigt eine Darstellung eines Sensors 100 mit versiegelten Fotovoltaikzellenseitenkanten gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Sensor 100 kann dem in 1 gezeigten Sensor entsprechen. Zusätzlich zu 1 weist das Gehäuse 108 hier einen ersten Gehäuseteil 200 aus einem Leiterplattenmaterial 202 und einen zweiten Gehäuseteil 204 aus einer Vergussmasse (Moldmasse) 206 auf. Die Aussparung 110 mit der Fotovoltaikzelle 106 ist in dem ersten Gehäuseteil 200 angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Aussparung 110 spanabhebend hergestellt worden. Die Fotovoltaikzelle 106 ist als Rückenkontaktzelle ausgeführt und unter Verwendung von leitfähigem Kleber auf Kontaktpads 208 in der Aussparung 110 aufgeklebt. Die Fotovoltaikzelle 106 kann auch unter Verwendung von Lot auf die Kontaktpads 208 gelötet sein. Rund um die Fotovoltaikzelle 106 erstreckt sich ein Spalt 210 zwischen dem Rand 112 und der Fotovoltaikzelle 106. Um die empfindlichen Fotovoltaikzellenseitenkanten zu schützen, ist der Spalt 210 mit einem Schutzgel 212 versiegelt. Durch das Schutzgel 212 können die Fotovoltaikzellenseitenkanten geschützt werden. Optional kann die ganze verbleibende Aussparung 110 mit dem Schutzgel 212 versiegelt werden. Dann kann auch die lichtempfindliche Oberfläche der Fotovoltaikzelle 106 geschützt werden.
  • In dem ersten Gehäuseteil 200 sind Leiterbahnen 214 integriert. Unter anderem weist der erste Gehäuseteil 200 elektrische Durchkontaktierungen (Vias) 216 auf. Die elektrischen Durchkontaktierungen 216 können sich vollständig durch das erste Gehäuseteil 200 erstrecken. Beispielsweise kann sich eine elektrische Durchkontaktierung 216 von der äußeren Oberfläche des Rands 212 bis zu einem an das zweite Gehäuseteil 204 angrenzende Oberfläche des ersten Gehäuseteils 200 erstrecken. Weitere Durchkontaktierungen 213 können sich von der an das zweite Gehäuseteil 204 angrenzende Oberfläche des ersten Gehäuseteils 200 bis zu den Kontaktpads 208 der Fotovoltaikzelle 106 erstrecken. Eine Leiterbahn 214 kann sich parallel zu einer Grenzfläche zwischen dem ersten Gehäuseteil 200 und dem zweiten Gehäuseteil 204 in einem die lichtunempfindliche Seite 105 der Fotovoltaikzelle 106 überspannenden Abschnitt des ersten Gehäuseteils 200 erstrecken. Eine solche Leiterbahn 214 kann mit an der Grenzfläche zwischen dem ersten Gehäuseteil 200 und dem zweiten Gehäuseteil 204 liegenden Kontakten zum Kontaktieren des Sensorelements 102 und der elektrischen Schaltung 104 elektrisch verbunden sein.
  • Die Leiterbahnen 214 sind zum Teil in das Leiterplattenmaterial 202 eingebettet. Auf einer, der Aussparung 110 gegenüberliegenden Rückseite des ersten Gehäuseteils 200 sind das Sensorelement 102 und die elektrische Schaltung 104 angeordnet. Das Sensorelement 102 und die elektrische Schaltung 104 sind als integrierte Bauteile (ASICS, MEMS) basierend auf einem Halbleitermaterial ausgeführt und über Kontaktdrähte (Drahtbonds) 218 mit den Leiterbahnen 214 des ersten Gehäuseteils 200 verbunden.
  • Das zweite Gehäuseteil 204 ist als schützende Hülle um das Sensorelement 102 und die elektrische Schaltung 104 ausgebildet. Das Sensorelement 102 und die elektrische Schaltung 104 sind in das zweite Gehäuseteil 204 eingebettet. Der Rand 112 ist durch die Aussparung 110 auf einer Seite und Seitenflächen des Gehäuses 108 auf der anderen Seite definiert. Der Rand 112 ist bündig zu den Seitenflächen. In dem Rand 112 sind ebenfalls Durchkontaktierungen 216 angeordnet, die bis auf eine Oberfläche des Gehäuses 108 reichen.
  • 3 zeigt eine Darstellung eines Sensors 100 mit in eine Leiterplatte 202 eingebetteten Fotovoltaikzellenseitenkanten gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Sensor 100 entspricht dem Sensor in 3. Im Gegensatz zu 3 besteht hier kein Spalt zwischen dem Rand 112 und der Fotovoltaikzelle 106. Hier ist die seitliche Kante der Fotovoltaikzelle 106 in das Leiterplattenmaterial 202 des ersten Gehäuseteils 200 eingebettet. Der Rand 112 umschließt die Kante vollständig und erstreckt sich in einem Randbereich der Fotovoltaikzelle 106 auf der lichtempfindlichen Seite 105 der Fotovoltaikzelle 106. Der seitliche Schutz der Solarzelle 106 verhindert Einflüsse, wie Feuchte oder mechanische Beschädigung, auf die Kanten der Fotovoltaikzelle 106, an denen sich der empfindliche Halbleiterbereich befindet. Dadurch kann beispielsweise verhindert werden, dass durch Feuchte der empfindliche p-n-Halbleiterübergang kurzgeschlossen wird.
  • In 3 ist die Fotovoltaikzelle 106 in der Leiterplatte 202 mittels Embedding integriert. Mit anderen Worten zeigt 3 eine weitere Variante des hier vorgestellten Ansatzes. Die Fotovoltaikzelle 106 wird mittels der Embedding-Technologie direkt in die Leiterplatte 202 integriert. In diesem Fall werden der seitliche Schutz und der Überstand 112 mit Leiterplattenmaterialien 202 realisiert. Die Embedding-Technologie kann auch für eine elektrische Kontaktierung der Chips 102, 104 in der Leiterplatte 202 verwendet werden. Für die Integration von Fotovoltaikzelle 106 in die Leiterplatte 202 ergibt sich somit nicht nur ein guter Kantenschutz, sondern es ist so auch möglich, Fotovoltaikzellen 106 mit Kontakten 208 auf beiden Seiten, d. h. auf der Unterseite und der Oberseite, elektrisch zu kontaktieren. Wie bei der zuvor beschriebenen Variante kann auch hier ein Gel 212 zum Schutz in die Kavität 110 verfüllt werden. Ein seitlicher Abstand der Fotovoltaikzelle 106 von der Leiterplatte 202 wie in 2 tritt hier nicht auf.
  • Der Überstand 112 des Gehäuses 108 über die Grundfläche der Fotovoltaikzelle 106 hinaus bietet mehrere Vorteile. Die aktive Fotovoltaikzelle-Zellenfläche ist vor mechanischen Einflüssen durch das Auflegen auf Oberflächen geschützt. Der seitliche Überstand 112 bildet mit der Fotovoltaikzelle-Zellenfläche eine Kavität 110, in welche ein zusätzliches, beispielsweise transparentes, Schutzmedium 212, wie Gel, Lack oder Schmelze, für die aktive Fläche der Fotovoltaikzelle 106 leicht abgeschieden werden kann. Wird der seitliche Überstand 112 durch eine Leiterplatte 202 realisiert, so können gleichzeitig elektrische Kontakte 216 nach außen geführt werden.
  • Der vertikale Überstand 112 kann die aktive Fläche der Fotovoltaikzelle 106 an den Seiten auch zu einem gewissen Grad umfassen bzw. abdecken. Wird in diesem Fall ein Leiterplattenmaterial 202 verwendet (Embedding der PV-Zelle 106 in eine Leiterplatte 202), so ist es möglich, eine Fotovoltaikzelle 106 sowohl auf der Vorder- als auch auf der Rückseite mit Standard-Leiterplattentechnologie zu kontaktieren, wie in 3 dargestellt ist. Dies ist vorteilhaft, da Fotovoltaikzellen 106 mit jeweils einem Kontakt auf der Vorder- bzw. Rückseite weit verbreitet und kostengünstig sind.
  • In 3 ist die Fotovoltaikzelle 106 somit in eine einschichtige oder mehrschichtige Leiterplatte 202 integriert. Hier ist die Fotovoltaikzelle 106 beispielsweise in ein sich in der Leiterplatte 202 befindliches Sackloch 110 eingeklebt. Der Spalt 210 resultiert hier aus einem notwendigen Abstand wegen einer Prozesstoleranz und wird nach dem Einkleben ggf. mit Schutzgel 212 verfüllt.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt 3 eine Variante der Bauform eines autonomen Sensorsystems 100. Hier wird in die Leiterplatte 202 eine Vertiefung gefräst oder gebohrt, in welche anschließend die Fotovoltaikzelle 106 mittels Kleber, beispielsweise Leitkleber für die Kontakte 208, eingebracht wird. Wegen der Prozesstoleranzen ist ein seitlicher Abstand 210 zur Leiterplatte 202 vorgesehen, welcher anschließend beispielsweise mit einem Schutzgel 212 versiegelt werden kann. Diese Variante ermöglicht eine leichte Kontaktierung der Fotovoltaikzelle 106, welche die beiden Kontakte 208 auf der Rückseite, der nicht einer Lichtquelle zugewandten Seite 105 der Fotovoltaikzelle 106, hat. Von Vorteil ist auch, dass mittels Standardtechnologien der Leiterplattenhersteller elektrische Kontakte 216 durch die Leiterplatte 202 geführt werden können. Somit können beide Seiten der Leiterplatte 202 miteinander verbunden werden, wodurch eine einfache Kontaktierung des Systems 100 von außen möglich ist.
  • 4 zeigt eine Darstellung eines Sensors 100 mit in eine Leiterplatte 202 eingebetteten Fotovoltaikzellenseitenkanten und einem Deckel 400 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Sensor 100 entspricht dem Sensor in 3. Im Gegensatz zu 3 ist der zweite Gehäuseteil 204 hier als Deckel 400 aus Metall oder Kunststoff ausgeführt. Der Deckel 400 repräsentiert einen alternativen Schutz für das Sensorelement 102 und die elektrische Schaltung 104. Der Deckel 400 kann anstelle der Moldmasse verwendet werden. Der Deckel 400 kann auf den umlaufenden äußeren Rand der Leiterplatte 202 aufsetzen, sodass ein Rand des Deckels 400 bündig mit einem Rand der Leiterplatte 202 abschließt. Der Deckel 400 umschließt die auf der Leiterplatte 202 angeordneten Elemente 102, 104. Die Elemente 102, 104 sind über Bonddrähte mit Kontakten der Leiterplatte 202 verbunden.
  • 5 zeigt eine Darstellung eines Sensors 100 mit einem Gehäuse 108 aus Gussmasse 206 und Leiterplattenmaterial 202 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Sensor 100 entspricht dem Sensor in 3. Im Gegensatz zu 3 liegt das Leiterplattenmaterial 202 auf der Kante der Fotovoltaikzelle 106 nur an der Vorderseite 105, der lichtempfindlichen Seite 105 der Fotovoltaikzelle 106 auf. Die Seitenfläche und Rückseite der Fotovoltaikzelle 106 ist in Gussmasse 206 eingebettet. Der erste Gehäuseteil 200 aus dem Leiterplattenmaterial 202 besteht hier aus einem um die Fotovoltaikzelle 106 umlaufenden Ring, der den Rand 112 und zumindest einen Teil der Aussparung 110 ausbildet. Ein weiterer Teil der Aussparung 110, der gemäß diesem Ausführungsbeispiel vollständig von der Fotovoltaikzelle 106 ausgefüllt ist, wird durch die Gussmasse 206 gebildet. Auf dem von dem Gehäuseteil 200 gebildeten Ring ist die Fotovoltaikzelle 106 so ausgerichtet, dass sie der von dem Ring gebildete Teil der Aussparung 110 von der lichtempfindlichen Seite der Fotovoltaikzelle 106 vollständig verschlossen wird. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel überlappen die lichtempfindliche Seite der Fotovoltaikzelle 106 und der von dem Gehäuseteil 200 gebildete Ring, sodass ein umlaufender Randbereich der lichtempfindlichen Seite der Fotovoltaikzelle 106 von dem Gehäuseteil 200 getragen wird. Bevor die Gussmasse 206 aufgetragen worden ist, wurde die Fotovoltaikzelle 106 mit Durchkontaktierungen 116 in dem ersten Gehäuseteil 200 verbunden. Weiterhin ist auf der Rückseite der Fotovoltaikzelle 106 eine weitere Leiterplatte 500 mit Strukturen zur Umverdrahtung angeordnet, auf der das Sensorelement 102 und die elektrische Schaltung 104 verdrahtet sind. Über die weitere Leiterplatte 500 ist die Fotovoltaikzelle 106 mit der elektrischen Schaltung 104 verbunden. Das Sensorelement 102 und die elektrische Schaltung 104 sind mit der weiteren Leiterplatte 500 in der Vergussmasse 206 eingebettet.
  • Mit anderen Worten zeigt 5 eine Hybrid-Lösung aus Leiterplatte 202 und Moldmasse 206. Die ASICS/MEMS-Sensoren 102, 104 sind mit den Leiterbahnen 500 und den Drahtbonds 218 und der Rückseite der PV-Zelle 106 in Moldmasse 206 eingebettet. Elektrische Vias 216 durchdringen den Rand 112 der Leiterplatte 200. Optional kann die Aussparung 110 mit Schutzgel gefüllt werden. Die Schutzfunktion kann teilweise durch Leiterplattenmaterial 202 und teilweise durch Moldmasse 206 sichergestellt werden. In dieser Variante wird die Umverdrahtung 500 auf der Solarzelle 106 durchgeführt, die Leiterplatte 200 bzw. der Leiterplattenrahmen 112 dient lediglich zum Herausführen der elektrischen Kontakte 216 für Funktionalitäts-Tests. Die Solarzelle 106 wird hier seitlich von Moldmasse 206 umschlossen, der Überstand 112 ist durch Leiterplattenmaterial 202 gegeben. Schutzmaterial 212 kann auch hier optional in die Kavität 110 eingebracht werden.
  • 6 zeigt eine Darstellung eines Sensors 100 mit einem Gehäuse 108 aus Gussmasse 206 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Sensor 100 entspricht dem Sensor in 5. Im Gegensatz zu 5 ist das Gehäuse 108 hier einteilig und vollkommen aus Gussmasse 206. Die Fotovoltaikzelle 106 ist an der Rückseite und an der Kante in der Gussmasse 206 eingebettet. Wie in 5 sind das Sensorelement 102 und die elektrische Schaltung 104 auf den Strukturen zur Umverdrahtung 500 mit Leiterbahnen 214 angeordnet, die auf der Rückseite der Fotovoltaikzelle 106 befestigt und verdrahtet ist. U-förmige eingegossene Durchkontaktierungen 600 verbinden eine Vorderseite 105 des Sensors 100 mit einer Rückseite des Sensors 100 und der Fotovoltaikzelle 106. Die Durchkontaktierungen 600 verlaufen durch den Rand 112, hinter den Seitenflächen des Sensors 100 bis zu vergrößerten Kontaktflächen 602 auf der Rückseite des Sensors 100. Mit anderen Worten zeigt 6 eine Fotovoltaikzelle 106 von Moldmasse 206 umhüllt. Hier wird der Schutz durch Moldmasse 206 und nicht durch eine Leiterplatte sichergestellt. Die Umverdrahtung 500 der Sensoren 102 kann direkt auf der Solarzelle 106 vorgenommen werden. Technologisch kann diese Variante beispielsweise durch Filmmolden realisiert werden, bei dem von oben und unten gleichzeitig gemoldet wird. Auf der Unterseite kann ein Werkzeug vorgesehen werden, welches die Fotovoltaikzelle 106, wie angedeutet, freistellt. Elektrische Kontakte 602 können beispielsweise mittels Mold-Vias 600 nach außen geführt werden. Ein prozessbedingter seitlicher Abstand der Fotovoltaikzelle 106 von der Moldmasse 206 wie in 2 tritt hier nicht auf.
  • 7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 700 zum Herstellen eines Sensors 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 700 weist einen Schritt 702 des Bereitstellens und einen Schritt 704 des Anordnens auf. Im Schritt 702 des Bereitstellens werden ein Sensorelement, eine elektrische Schaltung und eine Fotovoltaikzelle bereitgestellt, wobei die Fotovoltaikzelle mit der elektrischen Schaltung verbunden ist und die elektrische Schaltung mit dem Sensorelement verbunden ist. Im Schritt 704 des Anordnens werden das Sensorelement, die elektrische Schaltung und die Fotovoltaikzelle in einem Gehäuse angeordnet, wobei die Fotovoltaikzelle in einer Aussparung des Gehäuses angeordnet wird, und ein, die Aussparung umschließender Rand des Gehäuses über die Fotovoltaikzelle übersteht.
  • 8 zeigt eine Darstellung mehrerer zusammen eingebetteter Sensoren 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Sensoren 100 können einem der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele entsprechen. Die Sensoren 100 sind in einem Raster angeordnet. Hier sind beispielsweise neun gleichartige Sensoren in drei Reihen a drei Spalten angeordnet. Jeder Sensor 100 weist wie der in 1 dargestellte Sensor ein Sensorelement 102, eine elektrische Schaltung 104, eine Fotovoltaikzelle 106 und ein Gehäuse 108 auf. Das Gehäuse 108 ist hier näherungsweise quadratisch ausgeführt. Die ebenfalls näherungsweise quadratische Fotovoltaikzelle 106 ist jeweils mittig in dem Gehäuse 108 angeordnet, sodass rundherum der Rand 112 über die Fotovoltaikzelle 106 übersteht, um diese zu schützen. Das Sensorelement 102 und die elektrische Schaltung 104 sind nebeneinander in dem Gehäuse 108 angeordnet. Das Sensorelement 102 und die elektrische Schaltung 104 sind miteinander verdrahtet und in einer anderen Ebene über der Fotovoltaikzelle 106 angeordnet. Das Gehäuse 108 umschließt die Fotovoltaikzelle 106 zumindest mit dem Rand 112 und umschließt das Sensorelement 102 und die elektrische Schaltung 104 vollständig. Das Gehäuse 108 kann als einstückiges Gesamtgehäuse für alle Sensoren 100 zusammen in einem Mehrfachwerkzeug ausgebildet werden. Ebenso können die Gehäuse 108 einzeln ausgebildet werden. Bei einem Mehrfachwerkzeug können die Fotovoltaikzelle 106, das Sensorelement 102 und die elektrische Schaltung 104 unter Verwendung einer Folie 800 angeordnet werden. Die Folie 800 kann außerhalb des Mehrfachwerkzeugs bestückt werden und anschließend mit allen Bauelementen in das Mehrfachwerkzeug zum Umspritzen mit Vergussmasse 206 eingelegt werden.
  • Mit anderen Worten zeigt 8 eine Array-Anordnung von Fotvoltaikzellen 106 auf einem temporären Träger 800. Die Moldbereiche von der Oberseite 802 und von der Unterseite 804 sind ebenfalls dargestellt. Der temporäre Träger kann z. B. eine Folie 800 sein. Eine Fotvoltaikzelle 106 kann jeweils mit den MEMS/ASIC 102, 104 und Drahtbonds 218 auf der Folie 800 angeordnet werden. Zwischen den Sensoren 100 verlaufen Sägestraßen 806, entlang derer die Sensoren 100 vereinzelt werden. Um die Moldmasse 206 zu formen, kann das Werkzeug Konturen von oben 802 und von unten 804 in den Sensoren 100 abbilden. Der seitliche Moldschutz kann realisiert werden, indem die Fotvoltaikzellen 106 vor dem Molden auf einem temporären Träger 800 (z. B. Klebefolie) in einem Array angeordnet werden, wie in 8 dargestellt. Anschließend wird dieses Array übermoldet und durch die anschließende Vereinzelung entlang der Sägestraßen 806 (Sägen) die einzelnen Sensorelemente 100 letztlich prozessiert.
  • Der hier vorgestellte Ansatz kann für (teil-)autonome Sensoren 100 aus dem Bereich "Internet der Dinge mit Fokus auf Kostensenkung bzw. große Stückzahl verendet werden.
  • Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2011/0169554 A1 [0003]

Claims (11)

  1. Sensor (100) mit folgenden Merkmalen: Einem elektronischen Bauelement oder Sensorelement (102) zum Bereitstellen eines Sensorsignals unter Verwendung von elektrischer Energie, wobei das Sensorsignal zumindest eine von dem Sensorelement (102) erfasste Messgröße repräsentiert; einer elektrischen Schaltung (104) zum Verarbeiten des Sensorsignals zu einem Datensignal unter Verwendung von elektrischer Energie; einer Fotovoltaikzelle (106) zum Bereitstellen der elektrischen Energie für das Sensorelement (102) und die elektrische Schaltung (104); und einem Gehäuse (108), von dem das Sensorelement (102), die elektrische Schaltung (104) und die Fotovoltaikzelle (106) aufgenommen sind, wobei das Gehäuse (108) eine Aussparung (110) aufweist, in der die Fotovoltaikzelle (106) angeordnet ist, wobei ein die Aussparung (110) umschließender Rand (112) des Gehäuses (108) über die Fotovoltaikzelle (106) übersteht.
  2. Sensor (100) gemäß Anspruch 1, bei dem der Rand (112) des Gehäuses aus einem Leiterplattenmaterial (202) oder aus einer Vergussmasse (206) ausgebildet ist.
  3. Sensor (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem ein Übergangsbereich (210) zwischen der Fotovoltaikzelle (106) und dem Gehäuse (108), insbesondere im Bereich der solaraktiven Oberfläche der Fotovoltaikzelle mit einem für die Solarestrahlung zumindest teilweise transparenten Schutzmedium (212) versiegelt ist.
  4. Sensor (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das Sensorelement (102) und/oder die elektrische Schaltung (104) an einer lichtunempfindlichen Seite 105 der Fotovoltaikzelle (106) angeordnet ist.
  5. Sensor (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das Gehäuse (108) zumindest teilweise von einer Vergussmasse (206) gebildet wird und das Sensorelement (102) und/oder die elektrische Schaltung (104) in der Vergussmasse (206) zumindest teilweise vergossen ist.
  6. Sensor (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem in dem Rand (112) des Gehäuses (108) elektrische Leiterbahnen angeordnet sind und die Fotovoltaikzelle (106) durch die Leiterbahnen (214, 216), insbesondere mittels Durchkontakten (213) zumindest einseitig in dem Rand (112) elektrisch kontaktiert ist.
  7. Sensor (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Fotovoltaikzelle (106) vom Rand (112) derart umschlossen (eingebettet) ist, dass zumindest ein allseitiger Kontakt zu den Oberflächen der Fotovoltaikzelle zumindest in Teilbereichen der Oberflächen besteht.
  8. Sensor (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die solaraktive Seite der Fotovoltaikzelle (106) zumindest teilweise vom Rand (112) überdeckt ist.
  9. Sensor (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das Gehäuse (108) elektrische Anschlüsse (602) auf dem Rand (112) und/oder auf einer, der Aussparung (110) gegenüberliegenden Rückseite des Gehäuses (108) aufweist.
  10. Verfahren (700) zum Herstellen eines Sensors (100), wobei das Verfahren (700) die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen (702) eines Sensorelements (102), einer elektrischen Schaltung (104) und einer Fotovoltaikzelle (106), wobei die Fotovoltaikzelle (106) mit der elektrischen Schaltung (104) verbunden ist und die elektrische Schaltung (104) mit dem Sensorelement (102) verbunden ist; und Anordnen (704) des Sensorelements (102), der elektrischen Schaltung (104) und der Fotovoltaikzelle (106) in einem Gehäuse (108), wobei die Fotovoltaikzelle (106) in einer Aussparung (110) des Gehäuses (108) angeordnet wird, wobei ein die Aussparung (110) umschließender Rand (112) des Gehäuses (108) über die Fotovoltaikzelle (106) übersteht.
  11. Verfahren (700) gemäß Anspruch 9, bei dem im Schritt (702) des Bereitstellens eine Mehrzahl von Anordnungen aus einem Sensorelement (102), einer elektrischen Schaltung (104) und einer Fotovoltaikzelle (106) bereitgestellt werden und im Schritt (704) des Anordnens die Mehrzahl von Anordnungen in einem gemeinsamen Gehäuse (108) angeordnet werden, wobei das Verfahren (700) einen Schritt des Trennens aufweist, in dem das Gehäuse (108) in eine Mehrzahl von Teilgehäusen (108) getrennt wird, wobei ein Teilgehäuse (108) je eine Anordnung aufweist.
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