DE102016215956A1 - Circuit carrier for a sensor unit, corresponding sensor unit and method for mounting such a sensor unit - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Schaltungsträger (5) für eine Sensoreinheit, mit einer Leiterplatte (10), welche eine elektronische Schaltung (16) und ein Sensorbauteil (40) trägt, welches ein Gehäuse (42) und mindestens ein im Gehäuse (42) angeordnetes Sensorelement (44) aufweist, sowie eine Sensoreinheit mit einem solchen Schaltungsträger (5) und ein Verfahren zur Montage einer Sensoreinheit. Hierbei weist die Leiterplatte (10) eine Aussparung (12) auf, welche geeignet ist, das Sensorbauteil (40) so aufzunehmen, dass die Leiterplatte (10) und das Sensorelement (44) eine gemeinsame Mittelhochachse (MA) und eine gemeinsame Mittelquerebene (ME) aufweisen.The invention relates to a circuit carrier (5) for a sensor unit, comprising a printed circuit board (10) which carries an electronic circuit (16) and a sensor component (40), which has a housing (42) and at least one sensor element arranged in the housing (42) (44), and a sensor unit with such a circuit carrier (5) and a method for mounting a sensor unit. In this case, the printed circuit board (10) has a recess (12) which is suitable for receiving the sensor component (40) so that the printed circuit board (10) and the sensor element (44) have a common central vertical axis (MA) and a common central transverse plane (ME ) exhibit.
Description
Die Erfindung geht aus von einem Schaltungsträger für eine Sensoreinheit nach Gattung des unabhängigen Anspruchs 1. Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch eine Sensoreinheit mit einem solchen Schaltungsträger und ein Verfahren zur Montage einer solchen Sensoreinheit.The invention relates to a circuit carrier for a sensor unit according to the preamble of independent claim 1. The present invention also relates to a sensor unit with such a circuit carrier and a method for mounting such a sensor unit.
Aus dem Stand der Technik sind Schaltungsträger für Sensoreinheiten, mit Leiterplatten bekannt, welche jeweils eine elektronische Schaltung und ein Sensorbauteil tragen. Solche Sensorbauteile umfassen jeweils ein Gehäuse und mindestens ein im Gehäuse angeordnetes Sensorelement. Das Gehäuse ist in der Regel als Standardgehäuse, wie beispielsweise als DIL-Gehäuse (Dual In-line „zweireihiges Gehäuse“) oder als SMD-Gehäuse ausgeführt. Das Sensorelement weist zur Erfassung mindestens einer korrespondierenden physikalischen Größe eine bevorzugte Messebene bzw. eine bevorzugte Messrichtung auf. Die Sensorbauteile werden „auf“ der Leiterplatte montiert. Normalerweise erfolgt die Ausrichtung des Sensorbauteils und der Messebene bzw. der Messrichtung über die Positionierung der Leiterplatte, wodurch Zusatztoleranzen durch das Positionieren des Sensorbauteils auf der Leiterplatte, Löttoleranzen usw. entstehen, welche die Qualität des Sensorsignals reduzieren können.From the prior art circuit carriers for sensor units, known with printed circuit boards, each carrying an electronic circuit and a sensor component. Such sensor components each comprise a housing and at least one sensor element arranged in the housing. The housing is usually designed as a standard housing, such as a DIL housing (dual in-line "double-row housing") or as an SMD housing. For detecting at least one corresponding physical quantity, the sensor element has a preferred measuring plane or a preferred measuring direction. The sensor components are mounted "on" the PCB. Normally, the alignment of the sensor component and the measuring plane or the measuring direction takes place via the positioning of the printed circuit board, whereby additional tolerances arise due to the positioning of the sensor component on the printed circuit board, solder tolerances, etc., which can reduce the quality of the sensor signal.
Aus der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Der Schaltungsträger für eine Sensoreinheit und die korrespondierende Sensoreinheit mit einem solchen Schaltungsträger mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche 1 und 5 haben den Vorteil, dass durch die Kenntnis des Verlaufs der Mittelachse und der Mittelquerebene des Sensorelements eine bevorzugte Messrichtung und/oder eine bevorzugte Messebene des Sensorelements einfach bestimmt werden können, so dass die Einbaulage des Sensorelements bzw. der Sensoreinheit an die mindestens eine zu erfassende physikalische Größe angepasst und ein Sensorsignal mit hoher Qualität ausgegeben werden kann.The circuit carrier for a sensor unit and the corresponding sensor unit with such a circuit carrier having the features of independent claims 1 and 5 have the advantage that by knowing the course of the central axis and the median transverse plane of the sensor element, a preferred measurement direction and / or a preferred measurement plane of the sensor element can be easily determined so that the mounting position of the sensor element or the sensor unit can be adapted to the at least one physical variable to be detected and a sensor signal with high quality can be output.
Zudem können die gemeinsame Mittelachse und die gemeinsame Mittelquerachse des Sensorelements und der Leiterplatte einfach durch eine zentrierte Anordnung der Leiterplatte in der Schutzhülse der Sensoreinheit mit einer Mittelachse und einer Mittelquerebene der Gesamtanordnung ausgerichtet werden. Dadurch weisen das Sensorelement, die Leiterplatte und die Sensoreinheit eine gemeinsame Mittelachse und eine gemeinsame Mittelquerebene auf, so dass die Messebene bzw. die bevorzugte Messrichtung des Sensorelements in vorteilhafter Weise einfach erkannt und beim Einbau der Sensoreinheit berücksichtigt werden können. Durch eine auf die Leiterplatte aufgesteckte Stützeinheit ist eine einfache Selbstzentrierung der Leiterplatte im oberen Bereich der Schutzhülse möglich. Zudem kann die Leiterplatte bzw. das Sensorelement über das in die Aussparung eingebettete Gehäuse des Sensorbauteils direkt durch Ausrichten des Gehäuses ausgerichtet werden.In addition, the common center axis and the common center transverse axis of the sensor element and the printed circuit board can be easily aligned by a centered arrangement of the printed circuit board in the protective sleeve of the sensor unit with a central axis and a central transverse plane of the overall arrangement. As a result, the sensor element, the printed circuit board and the sensor unit have a common center axis and a common central transverse plane, so that the measurement plane or the preferred measurement direction of the sensor element can advantageously be easily recognized and taken into account during installation of the sensor unit. By a plugged onto the circuit board support unit easy self-centering of the circuit board in the upper part of the protective sleeve is possible. In addition, the printed circuit board or the sensor element can be aligned directly by aligning the housing via the housing of the sensor component embedded in the recess.
Durch das Einbetten des Sensorbauteils in einer Aussparung der Leiterplatte wird das Sensorbauteil, welches vorzugsweise ein DIL-Standardgehäuse aufweist, als so genannter „Dead Bug“ montiert und liegt in der Ebene der Leiterplatte. Dadurch sind in vorteilhafter Weise keine zusätzlichen Maßnahmen zur Zentrierung des Sensorelements in der Schutzhülse erforderlich, da das Sensorbauteil und damit das Sensorelement einfach über die Zentrierung der Leiterplatte in der Schutzhülse zentriert werden. Zudem sind durch die zentrierte Anordnung der Leiterplatte in der Schutzhülse die Verwendung einer maximalbreiten Leiterplatte und eine optimale Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Bauraums möglich. Bei herkömmlichen Schaltungsträgern, bei welchen das Sensorbauteil auf der Leiterplatte angeordnet ist, ist eine solche einfache Zentrierung des Sensorbauteils und des Sensorelements ohne Zusatzmaßnahmen nicht möglich. So muss bei einer solchen herkömmlichen Sensoreinheit die Leiterplatte beispielsweise asymmetrisch montiert werden, um die Mittelachse und die Mittelquerebene des Sensorelements mit der Mittelachse und der Mittelquerebene der Sensoreinheit abzustimmen. Dadurch kann keine maximalbreite Leiterplatte verwendet werden.By embedding the sensor component in a recess of the printed circuit board, the sensor component, which preferably has a standard DIL housing, is mounted as a so-called "dead bug" and lies in the plane of the printed circuit board. As a result, no additional measures for centering the sensor element in the protective sleeve are required in an advantageous manner, since the sensor component and thus the sensor element are simply centered on the centering of the circuit board in the protective sleeve. In addition, the use of a maximum width printed circuit board and optimum utilization of the available space are possible by the centered arrangement of the circuit board in the protective sleeve. In conventional circuit carriers, in which the sensor component is arranged on the printed circuit board, such a simple centering of the sensor component and the sensor element is not possible without additional measures. For example, in such a conventional sensor unit, the printed circuit board must be mounted asymmetrically in order to tune the center axis and the median transverse plane of the sensor element with the central axis and the median transverse plane of the sensor unit. As a result, no maximum width circuit board can be used.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen einen Schaltungsträger für eine Sensoreinheit mit einer Leiterplatte zur Verfügung, welche eine elektronische Schaltung und ein Sensorbauteil trägt, welches ein Gehäuse und mindestens ein im Gehäuse angeordnetes Sensorelement aufweist. Hierbei weist die Leiterplatte eine Aussparung auf, welche geeignet ist, das Sensorbauteil so aufzunehmen, dass die Leiterplatte und das Sensorelement eine gemeinsame Mittelhochachse und eine gemeinsame Mittelquerebene aufweisen.Embodiments of the present invention provide a circuit carrier for a sensor unit with a printed circuit board, which carries an electronic circuit and a sensor component which has a housing and at least one sensor element arranged in the housing. In this case, the circuit board has a recess which is suitable for receiving the sensor component such that the circuit board and the sensor element have a common central vertical axis and a common central transverse plane.
Zudem wird eine Sensoreinheit mit einer Schutzhülse vorgeschlagen, in welcher zumindest ein Sensorbauteil, ein solcher Schaltungsträger mit einer Leiterplatte, welche eine elektronische Schaltung und das Sensorbauteil trägt, und eine Stützeinheit angeordnet sind. Der Schaltungsträger bildet eine interne Schnittstelle aus, welche mindestens ein elektrisches Ausgangssignal des Sensorbauteils abgreift und an die elektronische Schaltung anlegt. Die Stützeinheit schließt die Schutzhülse im gefügten Zustand an einem ersten Ende ab und bildet eine externe Schnittstelle mit mindestens einer externen Kontaktstelle aus, über welche mindestens ein elektrisches Ausgangssignal der elektronischen Schaltung abgreifbar ist, wobei die mindestens eine externe Kontaktstelle über eine elektrische Verbindung mit einer korrespondierende Kontaktstelle der elektronischen Schaltung elektrisch verbunden ist.In addition, a sensor unit with a protective sleeve is proposed, in which at least one sensor component, such a circuit carrier with a printed circuit board, which carries an electronic circuit and the sensor component, and a support unit are arranged. The circuit carrier forms an internal interface, which picks up at least one electrical output signal of the sensor component and applies it to the electronic circuit. The support unit closes the protective sleeve in the assembled state at a first end and forms an external interface with at least one external contact point, via which at least one electrical output signal of the electronic circuit can be tapped off, wherein the at least one external contact point via an electrical connection with a corresponding Contact point of the electronic circuit is electrically connected.
Des Weiteren wird ein Verfahren zur Montage einer solchen Sensoreinheit vorgeschlagen, bei welchem ein Abschlusselement in ein zweites Ende einer Schutzhülse eingeführt wird und die Schutzhülse am zweiten Ende abschließt. Eine Stützeinheit und ein Schaltungsträger mit einem Sensorbauteil werden als Vormontagebaugruppe gefügt, welche derart in ein erstes Ende der Schutzhülse eingeführt wird, dass das Sensorbauteil lagerichtig von einer ersten Fügegeometrie des Abschlusselements aufgenommen wird und die Stützeinheit die Schutzhülse am ersten Ende abschließt und die Leiterplatte lagerichtig gegen eine Innenkontur der Schutzhülse abstützt.Furthermore, a method for mounting such a sensor unit is proposed, in which a closure element is inserted into a second end of a protective sleeve and the protective sleeve terminates at the second end. A support unit and a circuit carrier with a sensor component are added as a preassembly assembly which is inserted into a first end of the protective sleeve, that the sensor component is received in the correct position of a first geometry of the closing element and the support unit closes the protective sleeve at the first end and the printed circuit board in the correct position against an inner contour of the protective sleeve is supported.
Unter einem Sensorelement wird vorliegend eine elektrische Komponente verstanden, welche eine physikalische Größe bzw. eine Änderung einer physikalischen Größe direkt oder indirekt erfasst und vorzugsweise in ein elektrisches Sensorsignal umwandelt. Dies kann beispielsweise über das Aussenden und/oder das Empfangen von Schall- und/oder Elektromagnetischen Wellen und/oder über ein Magnetfeld bzw. die Änderung eines Magnetfeldes erfolgen.In the present case, a sensor element is understood to mean an electrical component which directly or indirectly detects a physical variable or a change in a physical variable and preferably converts it into an electrical sensor signal. This can be done for example by emitting and / or receiving sound and / or electromagnetic waves and / or a magnetic field or the change of a magnetic field.
Möglich sind optische Sensorelemente, welche beispielsweise eine Fotoplatte und/oder eine fluoreszierende Fläche und/oder einen Halbleiter aufweisen, welche das Auftreffen bzw. die Intensität, die Wellenlänge, die Frequenz, den Winkel usw. der empfangen Welle detektieren, wie beispielsweise Infrarotsensorelemente. Ebenso ist ein akustisches Sensorelement denkbar, wie beispielsweise ein Ultraschallsensorelement und/oder ein Hochfrequenzsensorelement und/oder ein Radarsensorelement und/oder ein Sensorelement, welches auf ein Magnetfeld reagiert, wie beispielsweise ein Hallsensorelement und/oder ein magnetoresistives Sensorelement und/oder ein induktives Sensorelement, welches die Änderung eines Magnetfeldes beispielsweise über die durch magnetische Induktion entstehende Spannung registriert.Possible optical sensor elements which comprise, for example, a photo plate and / or a fluorescent surface and / or a semiconductor, which detect the impact or the intensity, the wavelength, the frequency, the angle, etc. of the received wave, such as infrared sensor elements. Likewise, an acoustic sensor element is conceivable, such as an ultrasonic sensor element and / or a high-frequency sensor element and / or a radar sensor element and / or a sensor element which reacts to a magnetic field, such as a Hall sensor element and / or a magnetoresistive sensor element and / or an inductive sensor element, which registers the change in a magnetic field, for example via the voltage resulting from magnetic induction.
Die ermittelten Sensorsignale werden von der in der Sensoreinheit integrierten, elektronischen Schaltung ausgewertet und in Sensordaten umgewandelt, welche eine aus einer mit der jeweiligen Sensoreinheit erfassten physikalischen Größe ermittelte physikalische Größe mit der dazugehörigen Einheit umfasst. Hierbei wird beispielsweise von einem Sensorelement die Wegänderung in einem bestimmten Zeitfenster ermittelt und daraus von der elektronischen Schaltung eine Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung berechnet. Weitere berechenbare physikalische Größen sind Masse, Umdrehungszahl, Kraft, Energie und/oder andere denkbare Größen, wie beispielsweise eine Eintrittswahrscheinlichkeiten für ein bestimmtes Ereignis.The determined sensor signals are evaluated by the integrated in the sensor unit, electronic circuit and converted into sensor data, which comprises a determined from a detected with the respective sensor unit physical quantity physical quantity with the associated unit. In this case, for example, the path change in a specific time window is determined by a sensor element and from this a speed and / or acceleration is calculated by the electronic circuit. Other calculable physical quantities are mass, number of revolutions, force, energy and / or other conceivable quantities, such as an occurrence probability for a particular event.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen des im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Schaltungsträgers für eine Sensoreinheit und der im unabhängigen Patentanspruch 5 angegebenen Sensoreinheit und des im unabhängigen Patentanspruch 13 angegebenen Verfahrens zur Montage einer Sensoreinheit möglich.The measures and refinements recited in the dependent claims advantageous improvements of the independent claim 1 circuit substrate for a sensor unit and the sensor unit specified in the independent claim 5 and specified in the independent claim 13 method for mounting a sensor unit are possible.
Besonders vorteilhaft ist, dass die elektronische Schaltung mindestens ein elektrisches und/oder elektronisches Bauelement und/oder mindestens eine Leiterbahn und/oder mindestens eine Kontaktstelle umfassen kann. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise beliebige Funktionen, wie beispielsweise Auswerten, Aufbereiten, Verstärken, Filtern usw., zur Bearbeitung und Ausgeben der Sensorsignale implementiert werden. Zudem können die Kontaktelemente des Sensorbauteils mit korrespondierenden ersten Kontaktstellen der elektronischen Schaltung elektrisch kontaktiert werden, welche am Rand der Aussparung an Schenkeln der Leiterplatte angeordnet werden können. Die Aussparung und die ersten Kontaktstellen können beispielsweise an einem Rand der Leiterplatte angeordnet bzw. ausgebildet werden. Die Kontaktelemente und die ersten Kontaktstellen können eine interne Schnittstelle ausbilden, welche mindestens ein elektrisches Ausgangssignal des Sensorbauteils abgreifen und an die elektronische Schaltung anlegen kann.It is particularly advantageous that the electronic circuit may comprise at least one electrical and / or electronic component and / or at least one conductor track and / or at least one contact point. As a result, it is advantageously any functions, such as Evaluation, processing, amplification, filtering, etc., are implemented for processing and outputting the sensor signals. In addition, the contact elements of the sensor component can be electrically contacted with corresponding first contact points of the electronic circuit, which can be arranged at the edge of the recess on legs of the printed circuit board. The recess and the first contact points can be arranged or formed, for example, on an edge of the printed circuit board. The contact elements and the first contact points can form an internal interface, which can pick off at least one electrical output signal of the sensor component and apply it to the electronic circuit.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Sensoreinheit kann ein Abschlusselement die Schutzhülse im gefügten Zustand an einem zweiten Ende abschließen. Vorzugsweise können das Abschlusselement und die Stützeinheit die Schutzhülse an den beiden Enden fluiddicht abschließen, so dass die Sensoreinheit auch in einer feuchten Einbauumgebung, wie einem Motorraum, eingesetzt werden kann. Zudem kann ein Grundkörper des Abschlusselements in vorteilhafter Weise eine erste Fügegeometrie ausbilden, in welcher das Gehäuse des Sensorbauteils lagerichtig positioniert werden kann. Die erste Fügegeometrie kann beispielswiese als U-förmige Stütz- und Klemmvorrichtung ausgeführt werden, welche an das Gehäuse des Sensorbauteils angepasst ist. Dadurch kann die erste Fügegeometrie das Gehäuse des Sensorbauteils spielfrei aufnehmen und im gefügten Zustand zumindest teilweise umgreifen.In an advantageous embodiment of the sensor unit, a closure element can complete the protective sleeve in the joined state at a second end. Preferably, the end element and the support unit can close the protective sleeve at both ends fluid-tight, so that the sensor unit can also be used in a wet installation environment, such as an engine compartment. In addition, a main body of the closing element can advantageously form a first joining geometry, in which the housing of the sensor component can be positioned in the correct position. The first joining geometry can for example be designed as a U-shaped support and clamping device, which is adapted to the housing of the sensor component. As a result, the first joining geometry can receive the housing of the sensor component without play and at least partially surround it in the assembled state.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Sensoreinheit kann der Grundkörper des Abschlusselements eine zweite Fügegeometrie ausbilden, welche so an die Innenkontur der Schutzhülse angepasst werden kann, dass das Abschlusselement zentriert in der Schutzhülse geführt ist.In a further advantageous embodiment of the sensor unit, the main body of the end element form a second joining geometry, which can be adapted to the inner contour of the protective sleeve, that the closing element is guided centered in the protective sleeve.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Sensoreinheit kann ein Grundkörper der Stützeinheit eine Aufnahmeöffnung aufweisen, welche an eine Außenkontur der Leiterplatte angepasst ist und die Leiterplatte zumindest teilweise aufnimmt. Zudem kann der Grundkörpers der Stützeinheit eine dritte Fügegeometrie ausbilden, welche an die Innenkontur der Schutzhülse angepasst werden kann, so dass die Stützeinheit und die Leiterplatte zentriert in der Schutzhülse geführt werden können. Des Weiteren wirken die erste Fügegeometrie und die zweite Fügegeometrie des Abschlusselements und die dritte Fügegeometrie der Stützeinheit zur lagerichtigen Positionierung der Leiterplatte und des Sensorbauteils innerhalb der Schutzhülse zusammen. Dadurch kann die Montage bzw. der Zusammenbau der Sensoreinheit in vorteilhafter Weise erleichtert und schneller durchgeführt werden.In a further advantageous embodiment of the sensor unit, a base body of the support unit having a receiving opening, which is adapted to an outer contour of the printed circuit board and at least partially receives the circuit board. In addition, the main body of the support unit form a third joining geometry, which can be adapted to the inner contour of the protective sleeve, so that the support unit and the circuit board can be performed centered in the protective sleeve. Furthermore, the first joining geometry and the second joining geometry of the end element and the third joining geometry of the support unit for the correct positioning of the printed circuit board and the sensor component within the protective sleeve cooperate. As a result, the assembly or assembly of the sensor unit can be facilitated in an advantageous manner and performed faster.
In vorteilhafter Ausgestaltung des Verfahrens zur Montage einer Sensoreinheit kann beim Fügen der Vormontagebaugruppe die Leiterplatte des Schaltungsträgers zumindest teilweise in die Aufnahmeöffnung des Grundkörpers der Stützeinheit eingeführt werden. Zudem kann die mindestens eine externe Kontaktstelle elektrisch mit der korrespondierenden Kontaktstelle der elektronischen Schaltung auf der Leiterplatte verbunden werden. Die elektrische Verbindung zwischen der mindestens einen externen Kontaktstelle der Stützeinheit und der korrespondierenden Kontaktstelle auf der Leiterplatte wird vorzugsweise durch einen Lötprozess hergestellt.In an advantageous embodiment of the method for mounting a sensor unit, the printed circuit board of the circuit substrate can be at least partially inserted into the receiving opening of the main body of the support unit when joining the pre-assembly. In addition, the at least one external contact point can be electrically connected to the corresponding contact point of the electronic circuit on the circuit board. The electrical connection between the at least one external contact point of the support unit and the corresponding contact point on the printed circuit board is preferably produced by a soldering process.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are explained in more detail in the following description. In the drawing, like reference numerals designate components that perform the same or analog functions.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Wie aus
Wie aus
Wie aus
Wie aus
Wie aus
Wie aus
Wie aus
Wie aus
Zur Durchführung des Verfahrens zur Montage einer Sensoreinheit
Beim Einführen der Vormontagebaugruppe
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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