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Die Erfindung betrifft eine Sensordomvorrichtung für ein Kraftfahrzeug. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Sensordomvorrichtung.
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In Kraftfahrzeugen werden Steuergeräte mit beispielsweise einer elektronischen Steuerschaltung und zugehörige elektronische Komponenten, wie Sensoren, für unterschiedliche Aufgaben eingesetzt. Beispielsweise werden Sensoren in einem Getriebe eingesetzt, um Drehzahlen von Wellen und Positionen von Gangstellern zu ermitteln. Typischerweise werden derartige Sensoren getrennt von dem Steuergerät direkt in der Nähe der zu sensierenden Teile positioniert und elektrisch mit dem Steuergerät verbunden. Diese Sensoren weisen typischerweise einen lang gestreckten Sensordomkörper auf und werden als Sensordome oder Sensordomvorrichtungen bezeichnet. Im Betrieb sind die Sensoren widrigen Umgebungsbedingungen ausgesetzt. Typischerweise liegen hohe Temperaturen von beispielsweise bis zu 150° und/oder hohe Drücke vor. Zusätzlich sind die Sensoren regelmäßig heißen und/oder aggressiven Ölen ausgesetzt.
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Eine Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es, eine Sensordomvorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer solchen zu beschreiben, welche dazu geeignet sind, eine Zuverlässigkeit von Sensoren in Kraftfahrzeugen zu erhöhen.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Sensordomvorrichtung für ein Kraftfahrzeug beschrieben, welche einen langgestreckten Sensordomkörper mit einer elektrischen Zuleitung aufweist. Die elektrische Zuleitung verläuft innerhalb des Sensordomkörpers. Die Sensordomvorrichtung weist weiter eine Leiterplatte auf, welche an einem Ende des Sensordomkörpers angeordnet ist. Auf der Leiterplatte ist ein Sensorelement angeordnet und mit der elektrischen Zuleitung elektrisch gekoppelt zum elektrischen Koppeln des Sensorelements mit einer elektrischen Komponente außerhalb der Sensordomvorrichtung. Weiter weist die Sensordomvorrichtung einen im Wesentlichen gasundurchlässigen Deckel auf, welcher stoffschlüssig mit der Leiterplatte derart verbunden ist, dass dieser mit der Leiterplatte einen abgeschlossenen Hohlraum bildet, in welchem sich das Sensorelement befindet.
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Das Sensorelement ist beispielsweise ein Hall-Sensor und kann weitere elektronische Komponenten wie Kondensatoren, Spulen oder dergleichen umfassen, die auf der Leiterplatte angeordnet sind und miteinander in elektrischer Wirkverbindung stehen. Beispielsweise können die elektronischen Komponenten über Leiterbahnen der Leiterplatte und/oder mittels gebondeter Golddrähte miteinander elektrisch gekoppelt sein. Weiter kann das Sensorelement einen Mikroprozessor umfassen.
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Der Deckel, welcher gas- und auch fluidundurchlässig ist, schützt das Sensorelement vor Ölen, insbesondere aggressiven Ölen, sowie schadhaften Gasen und Chemikalien. Auch die weiteren elektronischen Komponenten sowie die entsprechenden Leiterbahnen werden von dem Deckel geschützt. Hierzu ist Deckel stoffschlüssig mit der Leiterplatte so verbunden, dass mit der Leiterplatte ein abgeschlossener Hohlraum um das Sensorelement gebildet wird. Mit anderen Worten ist um das Sensorelement und/oder die weiteren elektronischen Komponenten sowie die entsprechenden Leiterbahnen eine geschlossene, umlaufende stoffschlüssige Verbindungsnaht ausgebildet. Im Gegensatz zu lediglich formschlüssig verbundenen Deckeln können im Wesentlichen keine Fluide und/oder Gase in den Hohlraum eintreten. Somit ist das Sensorelement versiegelt und gegen die Umwelt abgedichtet. Zusätzlich kann auf gummiartige Dichtungen verzichtet werden, welche insbesondere bei formschlüssigen Deckeln verwendet werden. Diese Dichtungen würden keine vollständige Gasdichtigkeit garantieren, da die Gase durch derartige Dichtungen in erheblichem Maße diffundieren können. Insgesamt wird somit mittels des beschriebenen, stoffschlüssig mit der Leiterplatte verbundenen Deckels eine Lebensdauer und Genauigkeit des Sensorelements verbessert. Weiter kann die beschriebene Sensordomvorrichtung kann als vorgefertigtes Modul ausgeführt werden.
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Beispielsweise umfassen die Chemikalien beziehungsweise Gase Schwefelverbindungen, wodurch Sulfide entstehen können. Sulfide sind zumindest teilweise stromleitend und würden sich an einem ungeschützten Sensorelement, den weiteren elektronischen Komponenten, den Leiterbahnen der Leiterplatte und/oder den Golddrähten ablagern. Dabei kann es zu chemischen Reaktionen mit den Sulfiden kommen. Beispielsweise oxidieren die Leiterbahnen der Leiterplatte, insbesondere Silberleiterbahnen, mit den Schwefelverbindungen. Dabei können sich Leitungswiderstände und/oder Funktionen der elektronischen Komponenten verändern und beispielsweise das Schaltverhalten eines Getriebes negativ beeinflussen. Weiterhin können derartige Gase Signalveränderungen beim Messen mittels des Sensorelements bewirken, sodass es beispielsweise zu fehlerhaften Messungen kommt.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Deckel und der Leiterplatte mittels Schweißen hergestellt.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Deckel und der Leiterplatte mittels Löten hergestellt, wobei eine Metalllage der Leiterplatte mittels eines Lots mit dem Deckel verlötet ist. Unter der Metalllage werden beispielsweise ein oder mehrere Leiterbahnen der Leiterplatte verstanden, welche mit Hilfe des Lots mit dem Deckel verlötet werden. Die Metalllage ist beispielsweise eine Kupferlage. Das Lot umfasst metallische Lotstoffe, wie beispielsweise Zinn.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Löten ein Laserlöten. Mittels des Laserlötens ist es möglich, die zum Löten notwendige Wärme lokal und somit punktuell in die entsprechenden, zu verlötenden Bereiche einzubringen. Durch das lokale Einbringen von Wärme wird im Gegensatz zum Löten innerhalb von Lötöfen oder Heißtunneln vermieden, dass die gesamte Sensordomvorrichtung stark erhitzt wird. Durch ein Erwärmen der gesamten Sensordomvorrichtung könnten sich andere mit der Leiterplatte verbundene Bauteile, wie beispielsweise Kondensatoren, von der Leiterplatte lösen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die Metalllage derart versiegelt, dass ein direkter Kontakt der Metalllage mit einer Umgebung des Deckels außerhalb des Hohlraums unterbunden ist. Durch das Versiegeln wird verhindert, dass die bereits erwähnten Gase oder Öle durch chemisches Zersetzen der Metalllage in den Hohlraum und somit in Kontakt zu dem Sensorelement geraten. Beispielsweise können sich die Gase durch die Metalllage „fressen“. Dies könnte zusätzlich dazu führen, dass der Deckel nicht mehr ausreichend stoffschlüssig mit der Leiterplatte verbunden ist und sich von dieser löst. Im Betrieb eines Kraftfahrzeuges ist die Sensordomvorrichtung hohen Temperaturen ausgesetzt, wodurch es zu einem Druckanstieg in dem Hohlraum kommt. Dadurch wirken große Kräfte auf die Leiterplatte und den Deckel ein, denen der Deckel standhalten muss. Mittels der Versiegelung wird sichergestellt, dass sich der Deckel nicht aufgrund der Zersetzung der Metalllage unter den vorherrschenden Drücken und Kräften von der Leiterplatte löst.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist der Deckel einen Metallwerkstoff oder einen Kunststoffwerkstoff auf. Bei dem Metallwerkstoff kann es sich beispielsweise um ein lötbares Metall handeln. Der Metallwerkstoff ermöglicht eine stabile Ausgestaltung des Deckels und garantiert eine hohe Fluid- und Gasundurchlässigkeit. Bei Verwenden eines Kunststoffwerkstoffs kann ein besonders leichter und elastischer Deckel ermöglicht werden. Dadurch können beispielsweise die oben erwähnten Druckanstiege innerhalb des Hohlraums durch elastisches Nachgeben des Deckels ausgeglichen werden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist der Deckel an einer der Leiterplatte zugewandten Seite mit einem schweißbaren oder lötbaren Material beschichtet. Beispielsweise bei Verwendung eines Kunststoffwerkstoffes für den Deckel kann dieser zur stoffschlüssigen Verbindung mit der Leiterplatte eine lötbare beziehungsweise schweißbare Beschichtung aufweisen, sodass die stoffschlüssige Verbindung herstellbar ist.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist der Deckel eine gasundurchlässige Beschichtung auf. Die gasundurchlässige Beschichtung ist beispielsweise auf einer von dem Hohlraum abgewandten Außenseite des Deckels aufgebracht und begünstigt, dass im Wesentlichen keine Gase und/oder Fluide in den abgeschlossenen Hohlraum eintreten können.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Sensordomvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben. Das Verfahren umfasst:
- – Bereitstellen des Sensorkörpers mit der Leiterplatte, auf welcher der Sensor angeordnet ist;
- – Bereitstellen des gasundurchlässigen Deckels; und
- – stoffschlüssiges Verbinden des Deckels mit der Leiterplatte derart, dass dieser mit der Leiterplatte den abgeschlossenen Hohlraum bildet, in welchem sich das Sensorelement befindet.
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Das Verfahren ermöglicht im Wesentlichen die vorgenannten Vorteile.
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Weitere Ausgestaltungen und Vorteile sind in den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden, ausführlichen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels beschrieben.
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Das Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren detailliert beschrieben.
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In den Figuren zeigen:
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1 eine schematische Schnittansicht einer Sensordomvorrichtung,
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2 eine schematische Schnittansicht eines Ausschnitts der Sensordomvorrichtung und
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3 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung der Sensordomvorrichtung.
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1 und 2 zeigen schematische Schnittansichten einer Sensordomvorrichtung 1. 2 zeigt dabei eine vergrößerte Schnittansicht eines Endes der in 1 dargestellten Sensordomvorrichtung 1.
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Die Sensordomvorrichtung 1 umfasst einen lang gestreckten Sensordomkörper 2. Der Sensordomkörper 2 ist aus Kunststoff hergestellt. Innerhalb des Sensordomkörpers 2 verläuft eine elektrische Zuleitung 3. Die elektrische Zuleitung 3 ist als Stanzgitter ausgebildet, welches von dem Kunststoff des Sensordomkörpers 2 umgeben ist. Alternativ ist die Zuleitung 3 als Folienleiter ausgebildet. Andere Ausgestaltungen der elektrischen Zuleitung 3 sind denkbar.
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Wie insbesondere in 2 detailliert dargestellt, ist an einem Ende des Sensordomkörpers 2 eine Leiterplatte 4 festgelegt. Auf der Leiterplatte 2 ist ein Sensorelement 5 angeordnet, welches mit der elektrischen Zuleitung 3 elektrisch gekoppelt ist. Über die elektrische Zuleitung 3 ist das Sensorelement 5 mit einer elektrischen Komponente außerhalb der Sensordomvorrichtung 1 elektrisch gekoppelt, beispielsweise mit einem Steuergerät oder einer Kontrolleinheit eines Kraftfahrzeugs. Das Sensorelement 5 umfasst beispielsweise einen Messgrößenaufnehmer zum Sensieren von Messwerten sowie weitere elektrische Komponenten wie beispielsweise Kondensatoren und/oder Spulen oder dergleichen. Im Ausführungsbeispiel ist das Sensorelement 5 ein Hall-Sensor zum Messen von Magnetfeldänderungen. Beispielsweise wird mittels des Hall-Sensors eine Drehzahl einer Welle gemessen. Alternativ ist das Sensorelement 5 ein SMD-Sensor (kurz für englisch: „surface mounted device“, deutsch: oberflächenmontiertes Bauelement) oder eine andere Sensorart.
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Zum Schutz des Sensorelements 5 ist ein gasundurchlässiger, Deckel 6 mit der Leiterplatte verlötet. Der Deckel 6 weist einen Metallwerkstoff auf, welcher lötbar ist. Somit ist der Deckel 6 stoffschlüssig mit der Leiterplatte 4 verbunden, wobei dieser mit der Leiterplatte einen abgeschlossenen Hohlraum 7 begrenzt. Somit ist eine zusammenhängende stoffschlüssige Verbindungsnaht zwischen dem Deckel 6 und der Leiterplatte 4 um das Sensorelement 5 ausgebildet. Der Hohlraum 7 ist somit vollständig versiegelt und gegenüber der Umgebung des Deckels 6 abgedichtet.
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Zum Herstellen der stoffschlüssigen Verbindung beziehungsweise der Lötverbindung wird eine Metalllage 8 der Leiterplatte 4 mit dem Deckel verlötet. Hierzu ist ein Lot, wie Zinn, auf die Metalllage 8 aufgebracht, welches zum Herstellen der Verbindung aufgeschmolzen wird. Die Metalllage 8 umfasst eine oder mehrere Leiterbahnen der Leiterplatte. Insbesondere besteht die Metalllage 8 aus einem Kupfermaterial. Das Lot ist für Hochtemperaturanwendungen geeignet, insbesondere für Temperaturen im Bereich von 200° Celsius.
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Der Deckel 6 ist vorgesehen, das Sensorelement 5 und zugehörige Leiterbahnen der Leiterplatte 4 vor Ölen, Gasen und dergleichen, wie eingangs beschrieben, zu schützen. Insbesondere verhindert der Deckel 6, dass schwefelartige Verbindungen in den Hohlraum 7 eintreten und in Kontakt mit dem Sensorelement 5, den weiteren elektronischen Komponenten und/oder den Leiterbahnen treten können. Dabei sind kein Formschluss des Deckels 6 und keine Dichtungen notwendig, welche keine vollständige Gasundurchlässigkeit sicherstellen würden.
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Anstelle eines Metallwerkstoffs kann der Deckel 6 auch einen Kunststoffwerkstoff aufweisen. Der Kunststoffwerkstoff ist an einer der Leiterplatte 4 zugewandten Seite mit einem lötbaren Material beschichtet, sodass dieser mit der Leiterplatte 4 verlötet werden kann. Ebenso kann der Deckel 6 einen nicht lötbaren Metallwerkstoff, beispielsweise Aluminium aufweisen, wobei der Deckel 6 dann an entsprechenden Stellen mit dem lötbaren Material beschichtet ist.
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Optional kann der Deckel 6 auch eine gasundurchlässige, zusätzliche Beschichtung aufweisen, welche bevorzugt an einer dem Hohlraum 7 abgewandten Außenseite des Deckels 6 aufgebracht ist. Diese Beschichtung trägt dazu bei, den Eintritt von Gasen oder Fluiden in den Hohlraum 7 zu verhindern. Insbesondere bei einem Kunststoffdeckel kann eine derartige zusätzliche Beschichtung besonders wirkungsvoll dazu beitragen, den Eintritt von Gasen und Fluiden zu verhindern.
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3 zeigt schematisch ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen der anhand von 1 und 2 beschriebenen Sensordomvorrichtung 1.
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In einem Schritt S1 wird der Sensordomkörper 2 mit der Leiterplatte 4 bereitgestellt, wobei das Sensorelement 5 auf der Leiterplatte 4 angeordnet ist.
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Weiter wird der gasundurchlässige Deckel 6 bereitgestellt in einem Schritt S2.
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In einem Schritt S3 wird der Deckel 6 mit der einer Metalllage 8 der Leiterplatte 2 verlötet, sodass sich der abgeschlossene Hohlraum 7 ausbildet, in welchem sich das Sensorelement 5 befindet.
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In Schritt S3 werden der bereitgestellte Deckel 6 und die bereitgestellte Leiterplatte 2 entsprechend angeordnet in einen Lötofen oder einen Heißlufttunnel geführt. Dabei wird Wärme in diese Sensordomvorrichtung 1 eingebracht, insbesondere in das Lot, sodass dieses zum Herstellen der stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Deckel 6 und der Leiterplatte 2 aufgeschmolzen wird.
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Alternativ kann anstelle des Lötens in dem Lötofen oder in dem Heißlufttunnel auch ein Laserlöten vorgesehen sein. Dabei wird mittels eines Lasers punktuell Wärmeenergie in die zu lötenden Bereiche der Sensordomvorrichtung 1 eingebracht. Somit wird die Wärmeenergie im Wesentlichen nicht in andere Bereiche der Sensordomvorrichtung 1 eingebracht, beispielsweise in das Sensorelement 5 und/oder die weiteren elektronischen Komponenten.
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Optional kann vor dem stoffschlüssigen Verbinden die Metalllage 8 versiegelt werden, sodass ein direkter Kontakt der Metalllage 8 mit der Umgebung des Deckels 6 außerhalb des Hohlraums 7 unterbunden ist. Hierzu wird die Metalllage 8 beispielsweise mit einer zusätzlichen Beschichtung versehen und anschließend mit dem Deckel 6 verlötet. Die zusätzliche Beschichtung sorgt dafür, dass die Metalllage 8 keinen direkten Kontakt zur Umgebung des Deckels 6 außerhalb des Hohlraums 7 hat. Dadurch wird verhindert, dass die Metalllage 8 aufgrund der Öle oder Gase zersetzt wird, wodurch sich der Deckel 6 von der Leiterplatte 4 lösen und/oder die Gase oder Fluide in den Hohlraum 7 eindringen würden.
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Optional wird das Versiegeln nach Schritt S3, also nach dem Verbinden vorgenommen, wobei eine Versiegelungsbeschichtung außerhalb des Hohlraums 7 aufgebracht wird, welche die Leiterplatte 4 und den Deckel 6 überlappt. Dabei überlappt die Versiegelungsbeschichtung die erwähnten Komponenten derart, dass die Metalllage 8 außerhalb des Hohlraums 7 nicht freiliegt beziehungsweise Kontakt zur Umgebung des Deckels 6 hat.
