DE102014218702A1 - Sensor mit Wärmeableitflächen am Leadframe - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Sensor (14) zum Erfassen einer Messgröße (16), umfassend: – einen Messaufnehmer (26) zum Erzeugen eines von der Messgröße (16) abhängigen Gebersignals (38), – eine Signalverarbeitungsschaltung (28), die eingerichtet ist, den Messaufnehmer (26) zur Erzeugung des Gebersignals (38) mit elektrischer Energie (43) zu versorgen und basierend auf dem Gebersignal (38) ein von der Messgröße (16) abhängiges Sensorsignal (40) zu erzeugen, und – eine Verdrahtungseinrichtung (36), auf der der Messaufnehmer (26) und die Signalverarbeitungsschaltung (28) miteinander elektrisch verbunden sind, – wobei die Verdrahtungseinrichtung (36) wärmeleitend mit einem Wärmeableitelement (48) verbunden ist, das eingerichtet ist, Wärmeenergie über die Verdrahtungseinrichtung (36) aus der Signalverarbeitungsschaltung (28) aufzunehmen und an die Umgebung abzugeben.
Description
- Die Erfindung betrifft einen Sensor zum Erfassen einer Messgröße.
- Aus der
DE 10 2006 002 350 A1 ist ein Sensor in Form eines Inertialsensors bekannt, der eingerichtet ist eine Messgröße in Form von Inertialgrößen in drei verschiedenen räumlichen Achsen zu erfassen. - Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung Sensoren zu verbessern.
- Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
- Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Sensor zum Erfassen einer Messgröße einen Messaufnehmer zum Erzeugen eines von der Messgröße abhängigen Gebersignals, eine Signalverarbeitungsschaltung, die eingerichtet ist, den Messaufnehmer zur Erzeugung des Gebersignals mit elektrischer Energie zu versorgen und basierend auf dem Gebersignal ein von der Messgröße abhängiges Sensorsignal zu erzeugen, und eine Verdrahtungseinrichtung, auf der der Messaufnehmer und die Signalverarbeitungsschaltung miteinander elektrisch verbunden sind, wobei die Verdrahtungseinrichtung wärmeleitend mit einem Wärmeableitelement verbunden ist, das eingerichtet ist, Wärmeenergie über die Verdrahtungseinrichtung aus der Signalverarbeitungsschaltung aufzunehmen und an die Umgebung abzustrahlen.
- Dem angegebenen Sensor liegt die Überlegung zugrunde, dass sich insbesondere die Signalverarbeitungsschaltung zur Versorgung des Messaufnehmers mit elektrischer Energie und zur Erzeugung des Sensorsignals selbst mit elektrischer Energie in Form eines Versorgungsstromes versorgt werden muss. Der Versorgungsstrom wird jedoch nur zum Teil von der Signalverarbeitungsschaltung zur Erfüllung der zuvor genannten Aufgaben verwendet. Ein weiterer Teil des Versorgungsstromes erwärmt die Signalverarbeitungsschaltung in Form von Verlustleistung. Diese Erwärmung kann die Signalverarbeitungsschaltung und damit den Sensor schädigen.
- Daher wird im Rahmen des angegebenen Sensors vorgeschlagen, bei der Auslegung und der Dimensionierung der Verdrahtungseinrichtung zusätzlich thermische Aspekte zu berücksichtigen. Ziel hierbei ist es, einen möglichst geringen thermischen Widerstand zur Umgebungstemperatur zu erreichen. Dies wird im Rahmen des angegebenen Sensors durch ein Wärmeableitelement erreicht, durch das die Verdrahtungseinrichtung größer ausgebildet wird, als für die eigentliche elektrische Stromleitfunktion eigentlich notwendig ist. Dadurch wird über die Verdrahtungseinrichtung eine thermisch gut leitfähige, großflächige Anbindung zwischen der Wärmequelle, also der Signalverarbeitungsschaltung und/oder gegebenenfalls dem Messaufnehmer und der Umgebung, wie beispielsweise einer Gehäuse- oder Kunststoffoberfläche erreicht.
- Auf diese Weise wird trotz der kontinuierlich höher integrierten und kleiner werdenden elektronischen Schaltungen und Baugruppen im Bereich der Sensorik, die auf Verdrahtungsträgern aufgebaut werden, eine optimierte Abfuhr der auftretenden Verlustleistungen erreicht. Hierdurch wird es steigender Integrations- und Funktionsdichte ermöglicht, Sensoren weiter zu miniaturisieren, ohne durch thermische Effekte den Stress der Bauteile, die Lebensdauer oder die Zuverlässigkeit negativ zu beeinflussen.
- In einer Weiterbildung des angegebenen Sensors ist die Verdrahtungseinrichtung ein lötbarer metallischer Leitungsträger in Form eines Leadframes. Zwar kann die Verdrahtungseinrichtung in beliebiger Weise, beispielsweise als printed circuit board, als Halbleitersubstrat, etc. ausgebildet sein, Leadframes haben jedoch nicht nur den Vorteil, dass sie in der Massenfertigung durch Stanzen sehr kostengünstig produzierbar sind, sie leiten durch ihre vollständig metallische Ausbildung die oben genannte Verlustleistung und damit die Wärmeenergie besonders effektiv.
- Dabei kann das Wärmeableitelement ein von der Verdrahtungseinrichtung abragendes plattenförmiges Element sein, weil auf diese Weise eine besonders große Oberfläche zur Abgabe der Wärmeenergie an die Umgebung erreicht wird.
- In einer besonderen Weiterbildung des angegebenen Sensors ist das plattenförmige Element mit der Verdrahtungseinrichtung einstückig ausgebildet, so dass die Verdrahtungseinrichtung, insbesondere wenn sie als Leadframe ausgebildet ist, durch Trennverfahren wie Stanzen in fertigungstechnisch besonders effektiver Weise einstückig mit dem als plattenförmiges Element ausgebildeten Wärmeableitelement hergestellt werden kann, ohne dass danach noch weitere Fügeschritte zum Zusammenführen des Wärmeleitelementes und der Verdrahtungseinrichtung notwendig wären.
- In einer bevorzugten Weiterbildung des angegebenen Sensors steht das plattenförmige Element zu einer Verdrahtungsebene der Verdrahtungseinrichtung winklig, insbesondere rechtwinklig. Diese Weiterbildung hat den Vorteil, dass zwar eine große Oberfläche zur Ableitung der Wärmeenergie vom Verdrahtungsträger zu Verfügung steht, andererseits wird durch die winklige Anordnung von Verdrahtungseinrichtung und plattenförmigen Wärmeleitelement ein kompakter Aufbau erreicht, mit dem auch der oben genannte Trend zu immer kleiner werdenden Sensoren weiterverfolgt werden kann.
- In einer anderen Weiterbildung des angegebenen Sensors umfasst die Verdrahtungseinrichtung einen elektrischen Anschluss zur elektrischen Kontaktierung eines Übertragungskabels, das eingerichtet ist, das Sensorsignal zu führen. Dabei kann der elektrische Anschluss eingerichtet sein, wenigstens einen Teil der Wärmeenergie von der Verdrahtungseinrichtung in das Übertragungskabel zu leiten. Auf diese Weise wird zusätzlich Wärmeenergie über das Kabel abgeführt, so dass das Wärmeleitelement entsprechend kleiner ausgebildet werden kann.
- In einer besonderen Weiterbildung umfasst der angegebene Sensor eine den Messaufnehmer, die Signalverarbeitungsschaltung, das Wärmeableitelement und einen Teil der Verdrahtungseinrichtung einhüllende Schutzmasse, die den Sensor vor Verwitterungs- und anderen Ermüdungserscheinungen schützen kann.
- In einer bevorzugten Weiterbildung des angegebenen Sensors ist die einhüllende Schutzmasse mit einer strukturierten Oberfläche ausgebildet. Durch die strukturierte Oberfläche wird der Wärmewiderstand zwischen Schutzmasse und der Umgebung reduziert, so dass sich die Schutzmasse effektiver abkühlen und neue Wärmeenergie aus dem Wärmeleitelement aufnehmen kann.
- In einer zusätzlichen Weiterbildung des angegebenen Sensors weist die einhüllende Schutzmasse im Bereich der Signalverarbeitungsschaltung eine zur Signalverarbeitungsschaltung gerichtete Vertiefung auf. Diese Vertiefung reduziert die Dicke der einhüllenden Schutzmasse an im Bereich der die Verlustenergie abgebenden Signalverarbeitungsschaltung, wodurch der thermische Widerstand im Bereich der Signalverarbeitungsschaltung ebenfalls reduziert und die Abgabe der Wärmeenergie unterstützt wird.
- Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Fahrzeug eine der angegebenen Vorrichtungen, insbesondere zur Erfassung von Fahrdynamikdaten.
- Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden, wobei:
-
1 eine schematische Ansicht eines Fahrzeuges mit einer Fahrdynamikregelung; -
2 eine schematische Ansicht eines Inertialsensors aus1 ; -
3 eine perspektivische Ansicht eines alternativen Inertialsensors ohne Schutzmasse; -
4 eine Schnittansicht des Inertialsensors aus3 mit Schutzmasse; und -
5 eine perspektivische Ansicht des Inertialsensors aus3 mit Schutzmasse zeigen. - In den Figuren werden gleiche technische Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen und nur einmal beschrieben.
- Es wird auf
1 Bezug genommen, die eine schematische Ansicht eines Fahrzeuges2 mit einer an sich bekannten Fahrdynamikregelung zeigt. Details zu dieser Fahrdynamikregelung können beispielsweise derDE 10 2011 080 789 A1 entnommen werden. - Das Fahrzeug
2 umfasst ein Chassis4 und vier Räder6 . Jedes Rad6 kann über eine ortsfest am Chassis4 befestigte Bremse8 gegenüber dem Chassis4 verlangsamt werden, um eine Bewegung des Fahrzeuges2 auf einer nicht weiter dargestellten Straße zu verlangsamen. - Dabei kann es in einer dem Fachmann bekannten Weise passieren, dass das die Räder
6 des Fahrzeugs2 ihre Bodenhaftung verlieren und sich das Fahrzeug2 sogar von einer beispielsweise über ein nicht weiter gezeigtes Lenkrad vorgegebenen Trajektorie durch Untersteuern oder Übersteuern wegbewegt. Dies wird durch an sich bekannte Regelkreise wie ABS (Antiblockiersystem) und ESP (elektronisches Stabilitätsprogramm) vermieden. - In der vorliegenden Ausführung weist das Fahrzeug
2 dafür Drehzahlsensoren10 an den Rädern6 auf, die eine Drehzahl12 der Räder6 erfassen. Ferner weist das Fahrzeug2 einen Inertialsensor14 auf, der nachstehend Fahrdynamidaten16 genannte Inertialdaten des Fahrzeuges2 erfasst die beispielsweise eine Nickrate, eine Wankrate, eine Gierrate, eine Querbeschleunigung, eine Längsbeschleunigung und/oder eine Vertikalbeschleunigung des Fahrzeuges2 umfassen können. - Basierend auf den erfassten Drehzahlen
12 und Fahrdynamikdaten16 kann ein Regler18 in einer dem Fachmann bekannten Weise bestimmen, ob das Fahrzeug2 auf der Fahrbahn rutscht oder sogar von der oben genannten vorgegebenen Trajektorie abweicht und entsprechen mit einem an sich bekannten Reglerausgangssignal20 darauf reagieren. Das Reglerausgangssignal20 kann dann von einer Stelleinrichtung22 verwendet werden, um mittels Stellsignalen24 Stellglieder, wie die Bremsen8 anzusteuern, die auf das Rutschen und die Abweichung von der vorgegebenen Trajektorie in an sich bekannter Weise reagieren. - Der Regler
18 kann beispielsweise in eine an sich bekannte Motorsteuerung des Fahrzeuges2 integriert sein. Auch können der Regler18 und die Stelleinrichtung22 als eine gemeinsame Regeleinrichtung ausgebildet und optional in die zuvor genannte Motorsteuerung integriert sein. - Die Erfindung wird nachstehend anhand des Inertialsensors
14 näher erläutert. Dies ist jedoch nicht einschränkend zu verstehen, weil die Erfindung sich an beliebigen, insbesondere aktiven Sensoren, wie beispielsweise den Drehzahlsensoren10 praktizieren lässt. - In
2 ist der Inertialsensor14 in einer beispielhaften Ausgestaltung gezeigt. - Der Inertialsensor
14 umfasst im Rahmen der vorliegenden Ausführung einen Messaufnehmer26 , eine Signalauswertschaltung28 in Form einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung, nachstehend ASIC28 (engl: application-specific integrated circuit) genannt, und einen Schutzkondensator30 , die über Bonddrähte34 verbunden und auf einem Verdrahtungsträger in Form eines Leadframes36 getragen sind. - Der Messaufnehmer
26 gibt die Signalauswerteschaltung28 ein Gebersignal38 aus, das von den oben genannten zu erfassenden Fahrdynamikdaten16 abhängig ist. Die ASIC32 kann dann basierend auf dem Gebersignal38 ein die Fahrdynamikdaten16 enthaltendes Sensorsignal40 erzeugen und über den Leadframe36 an eine Schnittstelle42 anlegen, über den das Sensorsignal40 dann an ein zum Regler18 führendes, nicht gezeigtes Datenkabel ausgegeben werden kann. - Über diese Schnittstelle
42 kann die ASIC28 ferner elektrische Energie beispielsweise in Form eines Speisestromes43 zum Betrieb des Inertialsensors14 aufnehmen und damit den Messaufnehmer26 elektrisch betreiben. Dabei hat der Schutzkondensator30 die Aufgabe, den Inertialsensor14 vor Überspannungen zu schützen. Der Speisestrom43 und das Sensorsignal40 können zweckmäßiger überlagert sein. - Der Messaufnehmer
26 , die ASIC28 und der Schutzkondensator30 können ferner von einem mechanischen Entkopplungsmaterial44 , Globetop-Masse44 genannt, umhüllt sein, die wiederum gemeinsam mit dem Messaufnehmer26 , der ASIC28 und dem Schutzkondensator30 in einer als Spritzpressmaterial46 ausgeführten Schutzmasse, wie beispielsweise einem Epoxidharz verkapselt sein kann. - Im Betrieb des Inertialsensors
14 nimmt insbesondere die ASIC28 eine nicht zu vernachlässigende Menge an Verlustleistung auf und erwärmt sich hierdurch. Diese Wärmeenergie wird dann Spritzpressmaterial46 abgegeben, dass dann wiederum die Wärmeenergie an die Umgebung abgibt. Spritzpressmaterialien, wie das genannte Epoxidharz sind jedoch einerseits keine guten Wärmeleiter. Ferner ist die wirksame Oberfläche am Leadframe36 zur Abgabe der Wärmeenergie an das Spritzpressmaterial46 sehr klein, weil der Leadframe36 aufgrund des Trends zur Miniaturisierung in seinen geometrischen Abmessungen immer kleiner wird. - Zusammen mit der Tatsache, dass das Spritzpressmaterial
46 kein strömendes Medium ist, ist die Abfuhr der durch die Verlustleistung entstehenden Wärmeenergie so gering, dass sich der Leadframe36 und damit schlussendlich auch das Spritzpressmaterial46 über Gebühr erwärmen kann. Dadurch könnte der Inertialsensor14 in einem Temperaturbereich betrieben werden, in dem seine fehlerfreie Funktion nicht mehr sichergestellt ist. Insbesondere während der Fahrt mit dem Fahrzeug2 kann dies verkehrsgefährdenden Situationen führen, denn wenn der Inertialsensor14 beispielsweise eine nicht vorhandene Querbeschleunigung als Fahrdynamikdaten16 ausgibt könnte der Regler18 in fehlerhafter Weise mit Stelleingriffen reagieren, die dann wiederrum das Fahrzeug2 in einen für den Fahrer nicht beherrschbaren Zustand überführen können. - Daher wird im Rahmen der vorliegenden Ausführung vorgeschlagen, die wirksame Oberfläche zur Wärmeableitung der durch die Verlustleistung entstehenden Wärmeenergie am Leadframe
36 zu erhöhen. - Hierzu wird auf
3 Bezug genommen, die eine perspektivische Ansicht einer Ausführung des zuvor beschriebenen Inertialsensors14 ohne Entkopplungsmaterial44 und Spritzpressmaterial46 zeigt. - Von dem in
3 gezeigten Leadframe36 ragt vertikal ein Wärmeableitelement48 in Form eines plattenförmigen Elementes ab. Dieses Wärmeableitelement48 , nachstehend Kühlplatte48 genannt, ist einstückig mit dem Leadframe36 verbunden, und erhöht die wirksame Oberfläche des Leadframes36 zur Abgabe der durch die Verlustleistung hervorgerufenen Wärmeenergie. - Von diesen Kühlplatten
48 können an dem Leadframe36 beliebig viele angeordnet sein, was in3 durch eine weitere gepunktet angedeutete Kühlplatte48 angedeutet wird. Auf diese gepunktet angedeutete Kühlplatte48 soll jedoch der Übersichtlichkeit halber nachstehend nicht weiter eingegangen werden. - Um die wirksame Oberfläche zur Abfuhr der durch Verlustleistung entstehenden Wärmeenergie weiter zu vergrößern, können auch an der Schnittstelle
42 mehrere Anschlusspins50 angeordnet sein, obwohl zur Verwirklichung der elektrischen Funktion des Inertialsensors14 nur zwei Anschlusspins50 notwendig wären. Die Anschlusspins50 sind zahnförmig aufgebaut und bedingen, wenn sie entsprechend an das oben genannte Übertragungskabel angeschlossen werden, einen besonders geringen thermischen Übergangswiderstand zum Übertragungskabel, so dass das Übertragungskabel neben seiner Funktion als elektrisches Übertragungselement auch als Kühlelement mit verwendet werden kann. - Zur Herstellung des in
3 gezeigten Leadframes36 mit der Kühlplatte48 und den Anschlusspins50 kann der gesamte Aufbau zunächst in einem nicht weiter gezeigten Halterahmen mit einer Vielzahl weiterer, nicht gezeigter Leadframes36 durch Trennverfahren wie Stanzen ausgeschnitten werden. Dann kann die Kühlplatte48 in der in3 gezeigten Weise vertikal nach oben gebogen werden. Schließlich wird der in3 gezeigte Inertialsensor14 vor dem Freistanzen aus dem Halterahmen noch mit dem Spritzpressmaterial46 ummantelt. - Die vertikale Anordnung der Kühlplatte
48 reduziert dabei einerseits den für den Inertialsensor14 notwendigen Bauraum. Noch wichtiger ist jedoch, dass durch die vertikal angeordnete Kühlplatte48 der Kamineffekt ausgenutzt wird, denn die Luft, die die mit dem Spritzpressmaterial46 umspritzte Kühlplatte48 umgibt wird auf diese Weise erwärmt und steigt auf, so dass kühlere Luft nachströmen kann. Auf diese Weise wird in einfacher Weise eine Wärmekonvektion erzwungen. - Ferner kann alternativ oder zusätzlich zu den im Rahmen der
3 vorgeschlagenen Maßnahmen zur Erhöhung der wirksamen Oberfläche zur Abgabe der durch die Verlustleistung auftretenden Wärmeenergie auch die Form der als Spritzpressmaterial46 ausgebildeten Schutzmasse angepasst werden, um eine verbesserte Wärmeabfuhr zu erreichen. - Dazu wird der Inertialsensor
14 mit dem Spritzpressmaterial46 mit einer Gesamtdicke52 ummantelt, bei der eine ausreichende Stabilität für den Inertialsensor14 gewährleistet ist. Hier kann auch die Kühlplatte48 zur Stabilität des Inertialsensors14 beitragen. - Um die Wärmeableitung vom ASIC
28 zu verbessern wird jedoch das Spritzpressmaterial46 im Bereich des ASICs28 mit einer verringerten Dicke54 ausgeführt, bei der die durch die Verlustleistung bedingte Wärmeenergie schneller nach außen transportiert und so abgeleitet werden kann. Hierbei können an der Außenseite des Spritzpressmaterials46 Maßnahmen getroffen werden, die die Oberfläche des Spritzpressmaterials46 vergrößern. Dies können beispielsweise Strukturen in der Oberfläche wie Riffelungen, Wellen, Kammstrukturen oder Hügelstrukturen sein. Im Rahmen der4 und5 sind diese Strukturen als Riffelungen56 dargestellt. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102006002350 A1 [0002]
- DE 102011080789 A1 [0025]
Claims (10)
- Sensor (
14 ) zum Erfassen einer Messgröße (16 ), umfassend: – einen Messaufnehmer (26 ) zum Erzeugen eines von der Messgröße (16 ) abhängigen Gebersignals (38 ), – eine Signalverarbeitungsschaltung (28 ), die eingerichtet ist, den Messaufnehmer (26 ) zur Erzeugung des Gebersignals (38 ) mit elektrischer Energie (43 ) zu versorgen und basierend auf dem Gebersignal (38 ) ein von der Messgröße (16 ) abhängiges Sensorsignal (40 ) zu erzeugen, und – eine Verdrahtungseinrichtung (36 ), auf der der Messaufnehmer (26 ) und die Signalverarbeitungsschaltung (28 ) miteinander elektrisch verbunden sind, – wobei die Verdrahtungseinrichtung (36 ) wärmeleitend mit einem Wärmeableitelement (48 ) verbunden ist, das eingerichtet ist, Wärmeenergie über die Verdrahtungseinrichtung (36 ) aus der Signalverarbeitungsschaltung (28 ) aufzunehmen und an die Umgebung abzugeben. - Sensor (
14 ) nach Anspruch 1, wobei die Verdrahtungseinrichtung (36 ) ein lötbarer metallischer Leitungsträger in Form eines Leadframes ist. - Sensor (
14 ) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Wärmeableitelement (48 ) ein von der Verdrahtungseinrichtung (36 ) abragendes plattenförmiges Element ist. - Sensor (
14 ) nach Anspruch 3, wobei das plattenförmige Element mit der Verdrahtungseinrichtung (36 ) einstückig ausgebildet ist. - Sensor (
14 ) nach Anspruch 3 oder 4, wobei das plattenförmige Element winklig zu einer Verdrahtungsebene der Verdrahtungseinrichtung (36 ) steht. - Sensor (
14 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Verdrahtungseinrichtung (36 ) einen elektrischen Anschluss (42 ) zur elektrischen Kontaktierung eines Übertragungskabels umfasst, das eingerichtet ist, das Sensorsignal (40 ) zu führen. - Sensor (
14 ) nach Anspruch 6, wobei der elektrische Anschluss (42 ) eingerichtet ist, wenigstens einen Teil der Wärmeenergie von der Verdrahtungseinrichtung (36 ) in das Übertragungskabel zu leiten. - Sensor (
14 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend eine den Messaufnehmer (26 ), die Signalverarbeitungsschaltung (28 ), das Wärmeableitelement (48 ) und einen Teil der Verdrahtungseinrichtung (36 ) einhüllende Schutzmasse (46 ). - Sensor (
14 ) nach Anspruch 9, wobei die einhüllende Schutzmasse (46 ) mit einer strukturierten Oberfläche (56 ) ausgebildet ist. - Sensor (
14 ) nach Anspruch 8 oder 9, wobei die einhüllende Schutzmasse (46 ) im Bereich der Signalverarbeitungsschaltung (28 ) eine zur Signalverarbeitungsschaltung (28 ) gerichtete Vertiefung (54 ) aufweist.
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