DE102015200943A1

DE102015200943A1 - Sensormodul

Info

Publication number: DE102015200943A1
Application number: DE102015200943.2A
Authority: DE
Inventors: Konrad Rothenhäusler
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Continental Autonomous Mobility Germany GmbH
Priority date: 2015-01-21
Filing date: 2015-01-21
Publication date: 2016-07-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sensormodul (2) für ein Fahrerassistenzsystem eines Kraftfahrzeuges (4) zur Erfassung von Informationen über das Umfeld des Kraftfahrzeuges (4), umfassend eine Trägerbasis (6) und einen Sensor (18), wobei der Sensor (18) unmittelbar an der Trägerbasis (6) befestigt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensormodul für ein Fahrerassistenzsystem eines Kraftfahrzeuges, welches zur Erfassung von Informationen über das Umfeld des Kraftfahrzeuges ausgebildet ist und eine Trägerbasis sowie einen Sensor umfasst. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines entsprechenden Sensormoduls.
Aktuell werden mehr und mehr Kraftfahrzeuge mit Sensoreinheiten ausgestattet, mit deren Hilfe Informationen über das Umfeld eines Kraftfahrzeuges erfasst werden. Jene Informationen werden dann nachfolgend als Datenbasis genutzt, um mit deren Hilfe bestimmte Funktionen durch ein Fahrerassistenzsystem zu realisieren, die einen Fahrer oder Fahrzeugführer bei der Fahrzeugführung unterstützen sollen. Entsprechende Fahrerassistenzsysteme arbeiten dabei umso genauer und/oder zuverlässiger, je genauer bzw. zuverlässiger die Sensoreinheiten sind, mit deren Hilfe die Datenbasis generiert wird.
Zudem bedingt der vermehrte Einsatz entsprechender Fahrerassistenzsysteme einen erhöhten Bedarf an entsprechenden Sensoreinheiten, sodass die Notwendigkeit besteht, größere Mengen oder Stückzahlen zu produzieren, was auch zu höheren Anforderungen an die Fertigung und die einzelnen Fertigungsprozessschritte führt. Dabei gilt es auch zu bedenken, dass ein typisches Fertigungsverfahren eine Vielzahl an Herstellungsprozessschritten umfasst, wobei jeder einzelne Prozessschritt zwangsläufig eine gewisse Ungenauigkeit mit sich bringt. Dabei wirken mitunter die Toleranzen mehrerer Herstellungsprozessschritte oder Fertigungsprozessschritte ungünstig zusammen, sodass das Herstellungsverfahren im ungünstigsten Fall als Ganzes eine relativ hohe Ungenauigkeit aufweist, obwohl die einzelnen Fertigungsprozessschritte jeweils recht genau sind, also eine recht geringe Toleranz aufweisen.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein vorteilhaft ausgestaltetes Sensormodul sowie ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung entsprechender Sensormodule anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Sensormodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den rückbezogenen Ansprüchen enthalten. Die im Hinblick auf das Sensormodul angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf das Verfahren übertragbar und umgekehrt.
Ein entsprechendes Sensormodul ist dabei für ein Fahrerassistenzsystem eines Kraftfahrzeuges ausgelegt und dient zur Erfassung von Informationen über das Umfeld des Kraftfahrzeuges. Es umfasst eine Trägerbasis und einen Sensor oder ein Sensorsystem, wobei der Sensor bzw. das Sensorsystem unmittelbar an der Trägerbasis befestigt ist. Die unmittelbare Befestigung an der Trägerbasis hat dabei je nach Ausführungsvariante des Sensormoduls zum Teil unterschiedliche Vorteile, wobei sich einige Vorteile auf das Sensormodul selbst auswirken, wohingegen andere Vorteile günstig für das Herstellungsverfahren zur Herstellung des Sensormoduls sind.
Ersteres ist beispielsweise der Fall, wenn der Sensor relativ viel Abwärme generiert und die Trägerbasis aus Metall gefertigt ist, da in diesem Fall die Trägerbasis quasi als passiver Kühler genutzt werden kann, um die Abwärme des Sensors vom Sensor weg zu befördern. Vorteilhaft für das Herstellungsverfahren ist die unmittelbare Befestigung an der Trägerbasis hingegen, wenn das Sensormodul zusätzlich zum Sensor weitere Baugruppen umfasst, die allesamt relativ zueinander ausgerichtet werden müssen, um eine hohe Präzision und/oder Zuverlässigkeit des Sensormoduls zu erreichen. In diesem Fall lässt sich dann die Trägerbasis als Bezugssystem bei der Ausrichtung all dieser Baugruppen nutzen, was zu einer günstigen Toleranzkette beim Herstellungsverfahren führt. Hierdurch lässt sich also vermeiden, dass die Ungenauigkeiten der einzelnen Fertigungsprozessschritte ungünstig zusammenwirken und dementsprechend lässt sich für das gesamte Herstellungsverfahren zur Herstellung des Sensormoduls eine relativ hohe Genauigkeit und geringe Toleranz realisieren.
Je nach Ausführungsvariante ist das Sensormodul hierbei vorzugsweise als Radarvorrichtung, als Lidarvorrichtung oder als Umfeldkamera ausgebildet, wobei die Umfeldkamera entweder als einfache Monokamera mit einem Bildsensor oder aber als so genannte Stereokamera mit zwei Bildsensoren ausgestaltet ist. Das entsprechende Sensormodul wird dann im Rahmen der Herstellung des Kraftfahrzeuges oder im Rahmen einer Nachrüstung am oder im Kraftfahrzeug befestigt und zum Beispiel im Bereich des Kühlergrills, der Windschutzscheibe, einer Seitenscheibe, der Heckscheibe, der Motorhaube oder des Fahrzeugdaches positioniert. Typisch ist hierbei insbesondere eine Positionierung hinter einer Blende im Kühlergrill oder hinter der Windschutzscheibe.
Erfolgt die Befestigung an einer Glasscheibe des Kraftfahrzeuges oder ist die Befestigung an einer solchen vorgesehen, so ist es je nach Ausgestaltung des Sensormoduls vorteilhaft, eine mittelbare Befestigung vorzusehen und eine Art Puffer, auch Bracket genannt, zwischen der Glasscheibe und den Sensormodul zu positionieren, zum Beispiel um die mechanische Belastung der Glasscheibe gering zu halten, um also insbesondere zu vermeiden, dass die Glasscheibe infolge von Temperaturveränderungen kritisch unter Spannung gesetzt wird. Der Puffer oder das Bracket ist hierzu typischerweise aus einem ausreichend flexiblen Material, wie einem Kunststoff, und/oder durch eine ausreichend flexibel gestalteten Körper gegeben. Die Befestigung des Sensormoduls erfolgt dann bevorzugt durch eine Befestigung der Trägerbasis am Puffer oder am Bracket, wobei die Befestigung weiter bevorzugt durch teilelastische Bauteilausprägungen oder Elemente wie Blattfedern lösbar ausgestaltet ist. Hierdurch ist der Einbau des Sensormoduls erleichtert und zudem erlaubt eine derartige Ausgestaltung der Befestigung einen einfachen Austausch im Rahmen einer Reparatur oder einen einfachen Ausbau im Zuge einer Fahrzeugverwertung.
Der Puffer oder das Bracket selbst ist beispielsweise an der Glasscheibe angeklebt, durch eine Hinterspritzung ausgebildet oder aus der Glasscheibe ausgeformt. Da der Puffer bzw. das Bracket typischerweise zunächst an der Glasscheibe befestigt wird und nachfolgend das Sensormodul am Puffer, ist der Puffer als mechanische toleranzbehaftete Schnittstelle zum Sensormodul anzusehen, die noch bei der Ausgestaltung des Sensormoduls mit berücksichtigt werden muss. Auf die Genauigkeit der Ausrichtung des Puffers oder Brackest relativ zu Glasscheibe hingegen hat die Ausgestaltung des Sensormoduls und/oder der Herstellungsprozess zur Herstellung des Sensormoduls keinen Einfluss.
Insbesondere auch um den technischen Aufwand sowie die Herstellungskosten zu verringern, ist es weiter bevorzugt, das Sensormodul derart zu gestalten, dass die Trägerbasis durch Entformung aus einem plattenförmigen Körper hergestellt ist. Nach dem derzeitigen Stand der Technik hingegen werden derartige Bauteile oder Baugruppen mithilfe von Guss- oder Spritzgussverfahren hergestellt, was in der Regel aufwändige und kostenintensive Nachbearbeitungen, beispielsweise durch Bohren oder Fräsen, notwendig macht. Um auf entsprechende Nachbearbeitungen verzichten zu können, erfolgt die Herstellung der Trägerbasis erfindungsgemäß durch eine Entformung eines plattenförmigen Körpers und insbesondere mithilfe eines Stanz-Biegeverfahrens, so dass in diesem Fall die Trägerbasis als Stanzbiegeblech ausgebildet ist. Als Grundwerkstoff kommen dabei beispielsweise Metall, Kunststoff oder ein Verbundwerkstoff zum Einsatz.
Ist bei der Fertigung der Trägerbasis ein Stanzprozessschritt vorgesehen, so ist es darüber hinaus je nach Ausgestaltungvariante des Sensormoduls zudem vorteilhaft, im Rahmen dieses Verfahrensschritts Strukturen, beispielsweise in Form von Dreieckprismen, an der Trägerbasis auszubilden oder in die Trägerbasis einzuprägen. Auf diese Weise lässt sich dann im Rahmen dieses Verfahrensschrittes zusätzlich eine Struktur mit günstigen Streueigenschaften realisieren, die beispielsweise als eine Art Streulichtblende im Falle einer Umfeldkamera genutzt werden kann.
Wie zuvor bereits angedeutet wird bei der Herstellung des Sensormoduls die Trägerbasis bevorzugt als Bezugssystem bei der Ausrichtung diverser Baugruppen relativ zueinander genutzt. Zweckdienlicherweise sind dabei bei einem derart gefertigten Sensormodul zumindest diejenigen Modulbaugruppen relativ zur Trägerbasis und insbesondere relativ zu einer Kraftfahrzeugschnittstelle an der Trägerbasis ausgerichtet, die unmittelbar an der Trägerbasis befestigt sind und deren Ausrichtung relativ zueinander die Genauigkeit des Sensormoduls mitbestimmt. Da eine entsprechende Ausrichtung typischerweise mit einem durchaus hohen Aufwand verbunden ist, sind weiter bevorzugt nur diese Modulbaugruppen entsprechend aufwändig ausgerichtet, wohingegen bei anderen Baugruppen oder Bauteilen eine solche Ausrichtung nicht erfolgt.
Weiter umfasst der Sensor oder das Sensorsystem je nach Ausführung des Sensormoduls unterschiedliche Baugruppen und Komponenten und dementsprechend ist die Trägerbasis je nach Ausführung des Sensormoduls an verschiedene Baugruppen angepasst. Bildet das Sensormodul beispielsweise ein Lidarsystem aus, so umfasst der Sensor oder das Sensorsystem einen Sender, typischerweise mit zumindest einer Leuchtdiode oder einem Halbleiterlaser, sowie einen Empfänger, wobei für den Sender und den Empfänger eine gemeinsame Optik gegeben sein kann oder aber zwei getrennte Optiken für getrennte Wegstrecken für das ausgesendete und das empfangene Licht. Ist das Sensormodul hingegen als Radarsystem ausgestaltet, so umfasst das Sensorsystem Antennenstrukturen für das Aussenden und Empfangen von Radiowellen sowie Baugruppen zur Generierung und Auswertung elektromagnetischer Wechselfelder.
Zweckmäßig ist darüber hinaus eine Ausgestaltung des Sensormoduls als Umfeldkamera, insbesondere auch, da entsprechende Umfeldkameras im Kraftfahrzeugbereich sehr verbreitet sind. In diesem Fall umfasst das Sensorsystem typischerweise zumindest einen optischen Sensor oder Bildsensor, zumindest eine Optik, bevorzugt ein einfaches Objektiv, sowie den zumindest einen optischen Sensor ergänzende Elektronikbaugruppen, mit Schnittstellen für einen Daten- und/oder Energieaustausch zwischen der Umfeldkamera, also dem Sensormodul, und dem Bordnetz des Kraftfahrzeuges. Die Befestigung des Bildsensors erfolgt dabei gemäß einer Ausführungsvariante so, dass der Bildsensor mit der Vorderseite an der Trägerbasis fixiert wird und im Betrieb dann quasi durch eine Materialaussparung oder ein Fenster an der Trägerbasis hindurch schaut.
Wie bereits erwähnt umfasst das Sensormodul in vielen Fällen diverse elektrische und/oder elektronische Bausteine, wobei diese Bausteine typischerweise elektrisch leitend untereinander verbunden sind. Zumindest einige der hierfür notwendigen Leiterstrukturen sind dabei bevorzugt auf der Trägerbasis realisiert, z.B. indem Leiterbahnen aus Kupfer auf eine aus einem nicht leitfähigen Material hergestellte Trägerbasis aufgespritzt sind. Alternativ wird die aus einem leitfähigen Material hergestellte Trägerbasis mit einer Isolierung versehen, also beispielsweise mit einem isolierenden Lack beschichtet, und die entsprechenden Leiterstrukturen werden nachfolgend auf der Isolierung aufgebracht. Auf diese Weise lässt sich die Trägerbasis nicht nur als strukturgebende und/oder tragende Baueinheit nutzen, sondern darüber hinaus auch als eine Art Leiterplatte oder Leiterplatine, sodass beispielsweise auf eine zusätzliche Leiterplatte oder Leiterplatine verzichtet werden kann. Bevorzugt wird allerdings eine Ausgestaltung, bei der die auf der Trägerbasis realisierten Leiterstrukturen sonst übliche Kabelverbindungen ersetzen, über welche elektronische Module, wie beispielsweise ein Bildsensor und eine auf einer Platine realisierte Datenverarbeitungseinheit oder Auswerteeinheit, zwecks Energie- und/oder Datenaustausch miteinander verbunden sind.
In vorteilhafter Weiterbildung sind die Leiterstrukturen dabei durch Auflaminieren flexibler Leiterbahnen auf die Trägerbasis realisiert. Die Auflaminierung erfolgt dabei unmittelbar auf die Trägerbasis, zumindest sofern die Trägerbasis selbst nicht leitfähig ist oder aber das Laminat selbst ein isolierendes Leiterstrukturenbett aufweist, welches die Leiterstrukturen und die Trägerbasis gegeneinander isoliert.
Dienen die Leiterstrukturen, wie bevorzugt, als Ersatz für Kabelverbindungen zwischen Elektronikmodulen oder Elektronikbausteinen, so sind die entsprechenden Elektronikmodule bzw. Elektronikbausteine zweckdienlicherweise unmittelbar an der Trägerbasis befestigt und an die Leiterstrukturen angebunden. Zusätzlich oder alternativ sind in einigen Fällen auch einzelne elektronische Bausteine oder elektrische Bausteine, wie beispielsweise Kondensatoren, an die Leiterstrukturen angebunden und dabei als einzelne Bausteine an der Trägerbasis befestigt. In jedem Fall aber dienen die auf der Trägerbasis aufgebrachten Leiterstrukturen, sofern vorgesehen und vorhanden, zur Anbindung des unmittelbar an der Trägerbasis befestigten Sensors, insbesondere eines Bildsensors, sodass über die Leiterstrukturen ein Datenaustausch erfolgen kann und/oder der Sensor mit elektrischer Energie versorgt wird.
Bei der Herstellung der Leiterstrukturen und/oder der Bestückung mit elektrischen oder elektronischen Bausteinen wird zudem bevorzugt die Kraftfahrzeugschnittstelle als räumliches Bezugssystem genutzt, sodass auch diese Funktionselemente relativ zur Kraftfahrzeugschnittstelle an oder auf der Trägerbasis positioniert werden, so wie die meisten Baugruppen oder Komponenten des Sensormoduls. Hierzu wird bevorzugt ein Kraftfahrzeug-Dummy, Montage-Dummy oder auch kurz Dummy quasi als Werkbank genutzt, an welchem die Trägerbasis für die Fertigung oder für einzelne Fertigungsprozessschritte lösbar befestigt wird, sodass die Trägerbasis an der Kraftfahrzeugschnittstelle gehalten ist, und zwar insbesondere so, wie dies im verbauten Zustand der Trägerbasis oder vielmehr des vollständigen Sensormoduls in einem Kraftfahrzeug der Fall ist. Vorteilhafterweise erfolgen dabei alle Fertigungsprozessschritte, bei denen eine Relativausrichtung notwendig ist, nicht nur an einem solchen Dummy, sondern an demselben Dummy, d.h. dass die Fertigung eines Sensormoduls am einzigen Dummy vorgenommen wird.
Ist das Sensormodul als Umfeldkamera ausgebildet und der Sensor dementsprechend als Bildsensor, so weist das Sensormodul zudem typischerweise eine Optik auf. Dabei ist es günstig, die Optik ebenfalls unmittelbar an der Trägerbasis zu positionieren und zu fixieren, wobei die entsprechende Optik, so wie die meisten Module oder Modulbaugruppen, günstigerweise relativ zur Kraftfahrzeugschnittstelle ausgerichtet ist.
Im Zuge der Justage erfolgt hierbei zudem bevorzugt einerseits eine Ausrichtung zur Kraftfahrzeugschnittstelle und andererseits zum Bildsensor, um eine Fokussierung über das Sichtfeld zu erreichen. Dabei entspricht die klassischen x-y-Verschiebung der Optik einer Blickrichtungsausrichtung und die z-Verschiebung sowie die Drehung um die x- Achse sowie die y-Achse der eigentlichen Fokussierung. Eine Drehjustage um die Z-Achse hingegen ist nur bei nichtrotationssymmetrischen Optiken notwendig. In jedem Fall aber wird der Bildsensor während der Ausrichtung bevorzugt als Messaufnehmer genutzt und eine Objektstruktur mit Bezug auf die Kraftfahrzeugschnittstelle und somit auch auf den Montage-Dummy als Messtarget.
Die Optik weist dabei zumindest ein Abbildungselement auf und ist in der Regel aus mehreren Abbildungselementen aufgebaut, wobei je nach Anwendungszweck refraktive, reflektive und/oder difraktive Abbildungselemente zum Einsatz kommen. Die Befestigung erfolgt bevorzugt mithilfe eines unter UV-Licht aushärtenden Klebstoffes, der in einigen Fällen auch eine Sekundärhärtung zeigt, die durch Wärme, Ionenreaktion oder Feuchte ausgelöst wird. Die Ausrichtung erfolgt hierbei in sechs Freiheitsgraden, also drei Freiheitsgraden der Translation und drei Freiheitsgraden der Rotation, und während dieser Relativausrichtung ist die Trägerbasis, wie zuvor beschrieben, an der Kraftfahrzeugschnittstelle an einem Dummy gehalten.
Unter anderem zum Schutz empfindlicher Baugruppen sowie zur Realisierung einer guten elektromagnetischen Verträglichkeit des Sensormoduls weist das Sensormodul des Weiteren eine gehäuseartige Aufnahme auf, welche in einer Ausführungsvariante durch Umformen oder Biegen des plattenförmigen Körpers und somit an der Trägerbasis ausgebildet ist. Die Aufnahme ist dabei beispielsweise ähnlich einem Bucheinband ausgestaltet, in welchem z.B. eine Leiterplatine oder eine ähnliche Elektronikbaugruppe einliegt und hierdurch von der gehäuseartigen Aufnahme geschützt und nach außen hin abgeschirmt wird. Zur Ausbildung einer solchen Aufnahme wird zweckdienlicherweise lediglich ein Abschnitt des plattenförmigen Körpers im Rahmen der Fertigung nach Art einer Lasche umgebogen.
In vorteilhafter Weiterbildung wird im Zuge des Umformens ein Gehäuse ausgebildet, welches nach allen Richtungen hin abgeschlossen ist und dementsprechend sechs Wandungen aufweist. Dabei liegen die meisten Wandungen aufgrund des Fertigungsprozesses zunächst lediglich lose aneinander an. Je nach Bedarf erfolgt jedoch in einem weiteren Fertigungsprozessschritt eine Befestigung der Wandungen aneinander und/oder eine Abdichtung des Gehäuses im Bereich der Schnittstellen zwischen den Wandungen, sodass hierdurch eine abgedichtete gehäuseartige Aufnahme ausgebildet ist. Diese Variante bedingt eine aufwendigere Fertigung und ist dementsprechend lediglich vorgesehen, wenn besonders empfindliche Elektronikbaugruppen zum Einsatz kommen, eine besonders hohe elektromagnetische Verträglichkeit gewährleistet werden muss und/oder wenn von besonderen Betriebsbedingungen ausgegangen wird. Besondere Betriebsbedingungen liegen dabei z.B. vor, wenn das Sensormodul unter klimatischen Bedingungen mit sehr hoher Luftfeuchtigkeit eingesetzt wird, die für einzelne Elektronikbaugruppen problematisch ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante bildet die Trägerbasis zusammen mit einem Verschlusselement, einer Art Deckel, ein Gehäuse aus. Dabei sind Ausbuchtungen an der Trägerbasis und/oder am Deckel vorgesehen, die an einer Umlaufenden leitenden Massebahn um die besonders empfindlichen Elektronikbaugruppen, z.B. einer Hauptplatine, eine Kontaktierung durch Verbinden von Deckel und Trägerbasis herstellen, so dass hierdurch die elektromagnetische Verträglichkeit erhöht ist und ein gezielter Verlauf für Elektrostatischen Entladungen vorgegeben ist.
Durch die hier vorgestellte spezielle Ausgestaltung des Sensormoduls und die spezielle Gestaltung des Herstellungsverfahrens werden der Herstellungsaufwand und die Herstellungskosten reduziert. Dies ist nicht nur für den Hersteller von Vorteil, sondern auch für den Endkunden, da hierdurch entsprechende Sensormodule, die häufig Teil sicherheitsrelevanter Fahrerassistenzsysteme sind, nicht nur im sogenannten Luxussegment vermehrt zum Einsatz kommen, sondern auch in den sogenannten unteren Fahrzeugklassen, die die größte Verbreitung auf dem Kraftfahrzeugmarkt aufweisen.
Darüber hinaus ist mit dem Herstellungsverfahren eine günstigere Toleranzkette gegeben, sodass sich mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren Sensormodule fertigen lassen, die im Mittel eine höhere Genauigkeit aufweisen. Die höhere Genauigkeit oder geringere Fertigungstoleranz für die Sensormodule wird dabei jedoch nicht durch eine Verringerung der Fertigungstoleranzen einzelner Fertigungsprozessschritte erreicht, was typischerweise mit einem erhöhten technischen und wirtschaftlichen Aufwand einhergeht, sondern quasi durch Entkoppelung der einzelnen Fertigungstoleranzen der einzelnen Fertigungsprozessschritte, sodass die einzelnen Fertigungstoleranzen der einzelnen Fertigungsprozessschritte weniger voneinander abhängig sind und sich somit auch weniger ungünstig gegenseitig beeinflussen können. Vereinfacht ausgedrückt könnte man sagen, dass die einzelnen Ungenauigkeiten unangetastet bleiben, sich aber quasi der sogenannte Größtfehler durch den veränderten Fertigungsprozess signifikant reduziert, was eine Fertigung der Sensormodule mit im Mittel größerer Genauigkeit erlaubt.
Hierzu wird zunächst ein Rohling gefertigt, indem ein Rohling für die Trägerbasis in einem Stanzprozess oder einem Stanzbiegeprozess hergestellt wird. Dieser besteht beispielsweise aus Metall oder Kunststoff und ist typischerweise plattenförmig ausgebildet. Dieser Rohling weist dabei bereits alle grundlegenden Formmerkmale auf, insbesondere alle Materialaussparungen, also z.B. Kabeldurchführungen, sodass der Rohling nicht mehr durch Bohren oder Fräsen nachbearbeitet werden muss.
Der so entformte Rohling wird nachfolgend je nach Bedarf entgratet, gereinigt, lackiert und/oder beschichtet. Hierbei dient die Lackierung bzw. die Beschichtung je nach Anforderung zur Verbesserung der Streueigenschaften der späteren Trägerbasis, insbesondere wenn das Sensormodul als Umfeldkamera ausgebildet ist, und/oder zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit des späteren Sensormoduls.
Je nach Ausgestaltung des Sensormoduls erfolgt in einem nachfolgenden Fertigungsprozessschritt die Aufbringung von Leiterstrukturen, insbesondere Leiterbahnen, die typischerweise zur Übertragung von Signalen zwischen dem Sensor und einer Verarbeitungseinheit, typischerweise einer Art Hauptplatine, oder zwischen dem Sensor und einer Sensormodulschnittstelle hin zum Bordnetz des Kraftfahrzeuges, wobei die Sensormodulschnittstelle in der Regel nach Art eines Steckverbinders ausgestaltet ist. Die Leiterstrukturen werden dabei beispielsweise durch Aufdampfen, durch Lackieren oder durch Anregung eines Ausgangsmaterials durch Laserbestrahlung hergestellt. Alternativ wird eine Leiterplatine auf die Trägerbasis aufgelötet, aufgeklebt, aufgeschweißt oder aufgeschmolzen oder aber es werden flexible Leiterbahnen auf die Trägerbasis auflaminiert. In jedem Fall aber werden die geometrischen Merkmale der Trägerbasis vorteilhaft genutzt, um die Leiterstrukturen und infolgedessen dann auch die daran eingebundenen Elektronikkomponenten günstig zu positionieren, um auf diese Weise unter Anderem einen möglichst kompakten Aufbau des Sensormoduls zu realisieren.
Wie bereits erwähnt, dienen die Leiterstrukturen oder Leiterbahnen insbesondere dazu, den Sensor und eine Art Hauptplatine miteinander zu verbinden und aneinander anzukoppeln, wobei die Wegstrecke zwischen diesen beiden Baugruppen typischerweise 5 bis 50 mm beträgt. In einigen Fällen werden weitere elektrische oder elektronische Bausteine verbaut, die aus bestimmten Gründen in einer gewissen räumlichen Nähe zum Sensor oder zur Hauptplatine positioniert werden müssen. Derartige Bausteine werden dann bevorzugt direkt auf die Trägerbasis aufgelötet und/oder aufgeklebt und an die Leiterstrukturen angebunden. Als Bausteine kommen dabei Elemente, wie Widerstände, Kapazitäten oder Spulen zum Einsatz, aber auch komplexere Baugruppen, die beispielsweise zur Signalaufbereitung oder Vorverarbeitung dienen. All diese Bausteine werden bevorzugt mittels einer „Pick-and-Place-Maschine“ auf der Trägerbasis positioniert und durch Kleben, Löten, Schweißen oder Reflow-Löten fixiert.
Da zumindest der Sensor in vielen Fällen durch eine empfindliche Halbleiterbaueinheit gegeben ist, erfolgen zumindest einige nachfolgende Fertigungsprozessschritte typischerweise unter Reinraumbedingungen oder zumindest vergleichbaren Bedingungen. Bei dem entsprechenden Halbleiterelement handelt es sich z.B. um einen Bildsensor, um ein Antennenstrukturmodul mit Hochfrequenzverarbeitung oder um eine Empfänger-Sender-Strecke zur Laufzeitenmessung in einem Lidar- oder Laser-Sensor. Insbesondere der Bildsensor ist dabei als „Bare-Die-Package“ (gesägter Wafer) gegeben und der entsprechende Sensor wird weiter bevorzugt im Bare-Chipverfahren auf die Trägerbasis aufgebracht.
Der Sensor und insbesondere der Bildsensor wird hierbei unmittelbar an der Trägerbasis befestigt. Unter unmittelbar wird dabei im Zusammenhang mit dieser Erfindung auch eine Befestigung verstanden, bei der zwischen dem Sensor und der Trägerbasis eine Befestigungsmasse, also insbesondere eine Klebemasse, eingebracht ist, sodass sich Sensor und Trägerbasis im Extremfall nicht direkt berühren. Eine Art Gehäuse für den Sensor, welches dann wiederum auf der Trägerbasis angebracht wird, ist hingegen nicht vorgesehen und genauso wenig wird der Sensor zunächst auf einer Leiterplatine befestigt, die dann wiederum auf der Trägerbasis fixiert wird. In einigen Fällen, wie zum Beispiel bei einem als Stereokamera ausgebildeten Sensormodul weist das Sensormodul mehr als einen Sensor auf. In diesem Fall werden dann alle Sensoren in entsprechender Weise an der Trägerbasis befestigt und jeweils relativ zur Kraftfahrzeugschnittstelle ausgerichtet.
Erfolgt die Befestigung, wie bevorzugt, mithilfe einer Klebemasse, dann weist diese je nach Bedarf auch eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Eine solche Klebemasse mit hoher Wärmeleitfähigkeit wird dabei eingesetzt, wenn der Sensor relativ viel Abwärme erzeugt, da in diesem Fall die Abwärme über die Klebemasse abgeführt werden kann. Zudem ist die Trägerbasis dann bevorzugt aus einem Material mit ebenfalls guter Wärmeleitfähigkeit, also insbesondere einem Metall, hergestellt, sodass die Trägerbasis zusätzlich als passiver Kühler dient.
Der Sensor wird dabei vor der endgültigen Fixierung an der Trägerbasis relativ zur Kraftfahrzeugschnittstelle ausgerichtet, wobei die Trägerbasis hierfür, gemäß dem zuvor beschriebenen Prinzip, an der Kraftfahrzeugschnittstelle an einem Dummy gehalten ist. Die Befestigung erfolgt hierbei bevorzugt mittels einer Klebemasse, die durch UV-Bestrahlung zum Aushärten gebracht wird, sodass der Sensor zunächst quasi schwimmend in der Klebemasse ausgerichtet werden kann und dann im ausgerichteten Zustand durch Bestrahlung der Klebemasse mit ultraviolettem Licht endgültig fixiert wird. Die Dicke oder Stärke der Klebemasse beträgt dabei bevorzugt etwa 10–100 µm, sodass durch die Klebemasse auch Rauigkeiten an der der Trägerbasis zugewandten Seite des Sensors ausgeglichen werden. Die Ausrichtung erfolgt zudem nicht nur durch Verschiebung in den drei Raumrichtungen, sondern darüber hinaus auch durch Rotation um drei orthogonale Rotationsachsen und als Referenz am Sensor, die quasi hin zur Kraftfahrzeugschnittstelle ausgerichtet wird, dient z.B. eine Kante des Sensors oder, im Falle eines Bildsensors, die Pixelstruktur.
Je nach Ausgestaltung des Sensors wird dieser in einem weiteren Prozessschritt, einem Bonding-Prozessschritt, mit der Leiterbahnstruktur, sofern vorhanden, verbunden, wobei hierfür bevorzugt dünne, elektrisch leitfähige Drähte aus beispielsweise Gold oder Aluminium verwendet werden. Die Anbindung oder das Bonding erfolgt dabei je nach Rahmenbedingungen, also u.a. je nach Materialauswahl, durch Kleben, Schweißen, Löten oder auch durch eine mechanische Verpressung. Dabei gilt es, die Drahtenden dauerhaft leitfähig zu fixieren und einen minimalen elektrischen Widerstand zu realisieren.
Ist das Sensormodul als Umfeldkamera ausgebildet, so wird typischerweise in einem weiteren Fertigungsprozessschritt eine Optik vor dem Sensor, hier dem Bildsensor, positioniert und an der Trägerbasis befestigt. Die Optik weist dabei zumindest ein Abbildungselement auf und ist in der Regel aus mehreren Abbildungselementen aufgebaut, wobei je nach Anwendungszweck refraktive, reflektive und/oder difraktive Abbildungselemente zum Einsatz kommen. Die Befestigung erfolgt wiederum bevorzugt mithilfe eines unter UV-Licht aushärtenden Klebstoffes. Die Ausrichtung erfolgt weiter wiederum in sechs Freiheitsgraden, also drei Freiheitsgraden der Translation und drei Freiheitsgraden der Rotation, und auch während dieser Relativausrichtung ist die Trägerbasis an der Kraftfahrzeugschnittstelle an einem Dummy gehalten. Allerdings erfolgt bevorzugt die Ausrichtung der Optik oder der einzelnen Optikbausteine, also der Abbildungselemente, nicht relativ zur Kraftfahrzeugschnittstelle, sondern relativ zum Bildsensor.
Die Ausrichtung erfolgt zudem nach an sich bekannten Prinzipien, wobei im Falle der sogenannten aktiven Ausrichtung, also einer Ausrichtung, bei der der Bildsensor aktiv genutzt wird, die Leiterbahnstruktur oder die Leiterplatine bevorzugt durch eine wieder lösbare Kontaktierung, beispielsweise durch Kontaktfedern oder Kontaktnadeln, erfolgt, sodass der Bildsensor mit Energie versorgt werden kann und vom Bildsensor generierte Signale ausgelesen werden können. Die Ausrichtung oder Justage erfolgt dann beispielsweise mithilfe eines einfachen Testbildes, auf das die Kombination aus Optik und Bildsensor gerichtet ist oder das hin zum Bildsensor projiziert wird und schließlich vom Bildsensor in bestimmter Weise wiedergegeben werden soll. Nach der Ausrichtung erfolgt die Fixierung der Optik, wobei zur Befestigung der Optik wiederum bevorzugt eine Klebemasse genutzt wird, die unter Wärmeeinwirkung oder unter Einwirkung von UV-Licht aushärtet. Dabei wird bei der Ausrichtung zweckdienlicherweise auch berücksichtigt, dass infolge der Aushärtung eine leichte Umpositionierung der Abbildungselemente der Optik erfolgen kann. Die Ausrichtung der Optik relativ zum Bildsensor wird hierbei als wichtigster Justageprozess betrachtet, mit welchem auch das Sichtfeld des Sensors vorgegeben wird. Außerdem wird im Zuge der Befestigung der Optik auch eine Baueinheit fertiggestellt, die aus Bildsensor und Optik besteht. Dabei ist es nicht nur von Bedeutung, dass die einzelnen Elemente dieser Baueinheiten durch ausreichende Haltekräfte fixiert werden, sondern auch, dass insbesondere der Bildsensor vor Umgebungsstörgrößen jeglicher Art geschützt ist, also dass die Baueinheit z.B. gegen Schmutz und Falschlicht abgedichtet ist.
Zum Schutz der wichtigsten Komponenten des Sensormoduls wird die Trägerbasis darüber hinaus bevorzugt abschließend durch eine Art Deckel oder Haube ergänzt, sodass die Trägerbasis zusammen mit dem Deckel oder der Haube eine Art Gehäuse ausbildet. Die beiden Teile werden dabei typischerweise aneinander fixiert, indem diese miteinander verklebt, verschweißt oder durch mechanische Umformung aneinander befestigt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
1 in einer Aufsicht ein Rohling für eine Trägerbasis einer Umfeldkamera,
2 in einer Seitenansicht die Trägerbasis,
3 in einer Seitenansicht die Trägerbasis mit einer Absorberbeschichtung,
4 in einer Seitenansicht die Trägerbasis mit einer flexiblen Leiterplatte,
5 in einer Frontansicht die Trägerbasis mit der flexiblen Leiterplatte und einem Bildsensor,
6 in einer Seitenansicht die Trägerbasis mit einer Optik,
7 in einer Seitenansicht die Trägerbasis mit einer Hauptplatine sowie
8 in einer Seitenansicht die Umfeldkamera,
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Ein nachfolgend exemplarisch beschriebenes Sensormodul ist als Umfeldkamera 2 ausgebildet, welche als Teil eines Fahrerassistenzsystems in einem Kraftfahrzeug 4 eingesetzt wird und dementsprechend hierfür ausgelegt ist.
Sie umfasst eine Trägerbasis 6, die als tragende Struktur für die übrigen Baugruppen und Komponenten der Umfeldkamera 2 dient und über eine Kraftfahrzeugschnittstelle 8 im Bereich der Frontscheibe des Kraftfahrzeuges 4 einerseits und im Bereich des Dachhimmels andererseits befestigt wird. Die Befestigung der aus Metall gefertigten Trägerbasis 6 an der Windschutzscheibe des Kraftfahrzeuges 4 erfolgt dabei mittelbar mithilfe einer Klebemasse sowie mittels einer flexiblen Kunststoffplatte, die als Puffer zwischen der Windschutzscheibe und der Trägerbasis 6 positioniert wird.
Hergestellt wird die Trägerbasis 6 mittels eines Stanzbiegeverfahrens, im Rahmen dessen zunächst ein in 1 dargestellter Rohling 10 aus einer Blechbahn ausgestanzt wird. Dabei weist der Rohling 10 bereits alle wesentlichen geometrischen oder funktionellen Merkmale der späteren Trägerbasis 6 auf, im Ausführungsbeispiel ein als Kabeldurchführung 12 vorgesehener Durchbruch sowie die Kraftfahrzeugschnittstelle 8, sodass eine Nachbearbeitung mittels Fräsen oder Bohren nicht notwendig ist und dementsprechend auch nicht durchgeführt wird. Bei der in den Darstellungen durch Kreise und Ellipsen symbolisierten Kraftfahrzeugschnittstelle 8 handelt es sich im Wesentlichen um Materialvertiefungen und Materialaussparungen.
Im selben Fertigungsprozessschritt oder alternativ in einem nachfolgenden separaten Fertigungsprozessschritt erfolgt zudem eine Umformung des Rohlings 10, sodass sich die in 2 skizzierte Trägerbasis 6 in ihrer endgültigen Form ergibt. Nachfolgen wird die Trägerbasis 6 entgratet, gereinigt und mit einer Absorber-Beschichtung 14 versehen, aufgrund derer die Trägerbasis 6 auch als Streulichtblende für die Umfeldkamera 2 dient.
Im weiteren Verlauf der Fertigung wird eine in 4 angedeutete flexible Leiterplatte 16 auf die Trägerbasis 6 auflaminiert und diese dient in dann der fertiggestellten Umfeldkamera 2 einerseits zur Versorgung der elektrischen und elektronischen Komponenten der Umfeldkamera 2 und andererseits zur Signalübertragung.
Sind die mittels der Leiterplatine 16 realisierten Leiterstrukturen auf der Trägerbasis 6 fixiert, so wird in einem weiteren Verfahrensschritt ein Bildsensor 18, der durch eine Einheit eines Wafers ausgebildet ist, auf die Trägerbasis 6 mittels einer wärmeleitfähigen Klebemasse aufgeklebt. Dabei wird der Bildsensor 18 quasi schwimmend in der noch flüssigen Klebemasse relativ zur Kraftfahrzeugschnittstelle 8 ausgerichtet und im ausgerichteten Zustand wird dann die Klebemasse durch Bestrahlung mit ultraviolettem Licht ausgehärtet.
Während der Ausrichtung oder Justage des Bildsensors 18 ist die Trägerbasis 6 über die Kraftfahrzeugschnittstelle 8 an einem nicht näher dargestellten Montage-Dummy gehalten und in dieser Halterung verbleibt die Trägerbasis 6 bis zur Fertigstellung der Umfeldkamera 2. Mittels des Montage-Dummys werden dabei die Bedingungen simuliert, wie sie im montierten Zustand der Umfeldkamera 2 im Kraftfahrzeug 4 der Trägerbasis 6 bezogen auf das Erdsystem vorherrschen. Hierzu umfasst der Montage-Dummy Teile oder Baugruppen des Kraftfahrzeuges 4, welche einen wesentlichen Einfluss auf die Eigenschaften des Sensormoduls haben, also insbesondere die Aufnahme- oder Befestigungselemente, die als Gegenstück zur Kraftfahrzeugschnittstelle 8 fungieren, und zwar so, wie sie im Kraftfahrzeug umgesetzt sind. Zudem weist der Montage-Dummy im Ausführungsbeispiel ein Modell einer nominalen Windschutzscheibe auf.
Durch die unmittelbare Befestigung des Bildsensors 18 an der Trägerbasis 6 und den Einsatz einer wärmeleitfähigen Klebemasse ist der Bildsensor 18 thermisch an die Trägerbasis 6 angekoppelt, sodass die vom Bildsensor 18 im Betrieb generierter Abwärme über die Klebemasse in die Trägerbasis 6 abgeführt wird, die dann als passiver Kühler fungiert.
Für die Energieversorgung und die Signalübertragung hingegen wird der Bildsensor 18 an die Leiterstrukturen der Leiterplatine 16 angebunden, wobei hierfür dünne Verbindungsdrähte 20 einerseits an Anschlusskontakte 22 des Bildsensors 18 und andererseits an Leiterbahnen 24 der Leiterplatine 16 angepresst, angeklebt oder angelötet werden. Diese Situation ist in 5 angedeutet.
In einem nachfolgenden Fertigungsprozessschritt wird dann eine vorgefertigte Optik 26, welche aus mehreren Abbildungselementen besteht, u.a. zwei Linsen, die alle in eine Fassung 28 eingefasst sind. Jene Fassung 28 wird wiederum mittels einer Klebemasse an der Trägerbasis 6 befestigt, wobei die Klebemasse im Bereich des Bildsensors 18 als Kleberaupe 30 ausgebildet ist, die den Bildsensor 18 einrahmt, sodass der Bildsensor 18 nachfolgend zwischen der Trägerbasis 6 und der Optik 26 eingeschlossen ist. Auch hier erfolgt wiederum vor der Aushärtung der Klebemasse eine Ausrichtung, wobei die Optik 26 relativ zum Bildsensor 18 ausgerichtet wird, und dies, während die Trägerbasis 6 weiterhin am Montage-Dummy gehalten ist. Diese Situation ist in 6 wiedergegeben.
Wie in 7 angedeutet, wird im weiteren Verlauf der Fertigung eine Leiterplatine oder Hauptplatine 32 an der Trägerbasis 6 befestigt und an die flexible Leiterplatte 16 angebunden. Die Hauptplatine 32 dient hierbei zur Aufbereitung der vom Bildsensor 18 generierten Signale und zur Bereitstellung von Bilddaten an einem Anschluss 34. Der Anschluss 34 ist dabei nach Art eines Steckverbinders ausgestaltet und dient zur Anbindung der Umfeldkamera 2 an das Bordnetz des Kraftfahrzeuges 4 oder eine Datenverarbeitungseinheit des Fahrerassistenzsystems, zu dem die Umfeldkamera 2 gehört. Abschließend wird zum Schutz der Hauptplatine 32 eine Abdeckung 36 an der Trägerbasis 6 befestigt, die zusammen mit der Trägerbasis 6 eine Art Gehäuse ausbildet, welches im montierten Zustand der Umfeldkamera 2 im Kraftfahrzeug 4 die Hauptplatine 32 schützt und luftdicht gegen den Innenraum des Kraftfahrzeuges 4 abdichtet.
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

2: Umfeldkamera
4: Kraftfahrzeug
6: Trägerbasis
8: Kraftfahrzeugschnittstelle
10: Rohling
12: Kabeldurchführung
14: Absorberbeschichtung
16: flexible Leiterplatte
18: Bildsensor
20: Verbindungsdraht
22: Anschlusskontakt
24: Leiterbahn
26: Optik
28: Fassung
30: Kleberaupe
32: Hauptplatine
34: Anschluss
36: Abdeckung

Claims

Sensormodul (2) für ein Fahrerassistenzsystem eines Kraftfahrzeuges (4) zur Erfassung von Informationen über das Umfeld des Kraftfahrzeuges (4), umfassend eine Trägerbasis (6) und einen Sensor (18), dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (18) unmittelbar an der Trägerbasis (6) befestigt ist.
Sensormodul (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerbasis (6) durch Entformung aus einem plattenförmigen Körper hergestellt ist.
Sensormodul (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dessen Genauigkeit von der Ausrichtung mehrerer Modulbaugruppen (18, 26) relativ zueinander mitbestimmt wird, die unmittelbar an der Trägerbasis (6) befestigt sind, dass die Trägerbasis (6) eine Kraftfahrzeugschnittstelle (8) aufweist zur Befestigung der Trägerbasis (6) an einer Kraftfahrzeugbaugruppe und dass diese Modulbaugruppen (18, 26) relativ zur Kraftfahrzeugschnittstelle (8) ausgerichtet sind.
Sensormodul (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (18) als optischer Sensor (18) und insbesondere als Bildsensor (18) ausgebildet ist.
Sensormodul (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerbasis (6) als Stanzbiegeblech ausgebildet ist.
Sensormodul (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar auf der Trägerbasis (6) Leiterstrukturen (24) realisiert sind.
Sensormodul (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar auf der Trägerbasis (6) Leiterstrukturen (24) durch Auflaminieren einer flexiblen Leiterplatte (16) realisiert sind.
Sensormodul (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar an der Trägerbasis (6) eine Leiterplatine (32) befestigt ist.
Sensormodul (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar auf der Trägerbasis (6) Leiterstrukturen (24) realisiert sind und dass die Trägerbasis (6) mit elektrischen Bausteinen bestückt ist, die an die Leiterstrukturen (24) angebunden sind.
Sensormodul (2) nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar an der Trägerbasis (6) eine Optik (26) befestigt ist, die relativ zur Kraftfahrzeugschnittstelle (8) ausgerichtet ist.
Sensormodul (2) nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerbasis (6) eine gehäuseartige Aufnahme aufweist, welche durch Biegen des plattenförmigen Körpers ausgebildet ist.
Sensormodul (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerbasis (6) eine abgedichtete gehäuseartige Aufnahme (6, 36) aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Sensormoduls (2), umfassend eine Trägerbasis (6) und einen Sensor (18), insbesondere eines Sensormoduls (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (18) unmittelbar an der Trägerbasis (6) befestigt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerbasis (6) eine Kraftfahrzeugschnittstelle (8) aufweist zur Befestigung der Trägerbasis (6) an einer Kraftfahrzeugbaugruppe und dass die Kraftfahrzeugschnittstelle (8) bei der Ausrichtung aller Modulbaugruppen (18, 26) als Bezugssystem genutzt wird, deren Ausrichtung relativ zueinander die Genauigkeit des Sensormoduls (2) mitbestimmt und die unmittelbar an der Trägerbasis (6) befestigt werden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerbasis (6) während der Ausrichtung und der Befestigung dieser Modulbaugruppen (18, 26) von einem Montage-Dummy an der Kraftfahrzeugschnittstelle (8) gehalten wird.