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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor für ein Fahrzeug, wie beispielsweise einen Kohlenwasserstoffsensor zum Erfassen des Kohlenwasserstoffgehalts in einer Tankentlüftungsanlage.
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Gassensoren, die den Gehalt von bestimmten Bestandteilen in Gasgemischen erfassen können, sind sensitiv und empfindlich gegenüber Verschmutzungen, wie beispielsweise Partikel oder Staub. Solche Verunreinigungen können die Funktionsweise des Gassensors passivieren, vergiften, beeinträchtigen oder sogar bis zu einem Totalversagen der Funktionalität des Gassensors führen. Neben der Verschmutzung während des Betriebs oder Lagerung geht bei solchen Gassensoren auch vom strukturellen Aufbau der Gassensoren eine Gefahr aus, dass durch Hilfsstoffe, wie beispielsweise Dichtungs- bzw. Vergussmassen, Kleber, Passivier- oder Isolierungsschichten, die Funktionalität des Gassensors während des Betriebs beeinträchtigt werden kann. Dabei kann es durch Temperatur- oder Potentialunterschiede dazu kommen, dass bestimmte Bestandteile der Hilfsstoffe kriechen und das empfindliche Sensorelement beeinträchtigen oder sogar beschädigen können. Obwohl schon bei der Konstruktion und Auswahl der Materien darauf geachtet werden kann, dass diese Gefahr weitestgehend reduziert wird, ist ein vollständiger Ausschluss davon oftmals nicht möglich, insbesondere wenn es um Dichtungs- oder Vergussmassen von Bondverbindungen geht, die zur Steigerung der Elastizität Öl enthalten können, welches dazu neigen kann, zu kriechen.
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Die 1 und 2 zeigen beispielhafte Ausgestaltungen von Gassensoren, die aus dem Stand der Technik bekannt sind. Der Gassensor 10 der 1 weist ein Trägerelement 12 und einen auf dem Trägerelement 12 angeordneten Sensorchip 20 auf, der zum Vermessen eines Gases und zum Erzeugen eines Sensorsignals ausgebildet ist. Insbesondere ist der Gassensor 10 dazu ausgebildet, den Gehalt eines bestimmten Bestandteils eines Gasgemischs quantitativ zu erfassen. Der Sensorchip 20 umfasst einen ersten Sensorchipabschnitt 22, auf dem ein Sensorelement 23 angeordnet ist, und einen mit dem ersten Sensorchipabschnitt 22 integral gebildeten zweiten Sensorchipabschnitt 24, auf dem zumindest ein elektronisches Bauteil 25 zur Auswertung der vom Sensorelement 23 erzeugten Signale angeordnet ist. Folglich ist das Sensorelement 23 mittels einem auf dem Sensorchip 20 angeordneten elektrischen Leiters (nicht explizit in der 1 gezeigt) elektrisch verbunden. In der 1 sind der erste Sensorchipabschnitt 22 und der zweite Sensorchipabschnitt 24 durch eine vertikale gestrichelte Linie voneinander getrennt dargestellt.
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Mittels zumindest einem elektrischen Verbindungsdraht 26 ist das zumindest eine elektronische Bauteil 25 mit zumindest einem auf dem Trägerelement 12 angeordneten elektrischen Leiter 28 elektrisch verbunden. Zum Schutz des Verbindungsdrahts 26 ist eine Dichtungsmasse 30 vorgesehen, die den elektrischen Verbindungsdraht 26 zumindest teilweise umgibt. Wie aus der 1 ersichtlich befindet sich die Dichtungsmasse 30, die beispielsweise ein Silikongel oder Epoxidharz sein kann, somit auch zumindest auf dem Sensorchip 20, insbesondere auf den zweiten Sensorchipbereich 24. Während des Betriebs des Gassensors 10 kann es z. B. aufgrund von Temperatur- und elektrischen Potentialunterschieden dazu kommen, dass sich Bestandteile der Dichtungsmasse 30 daraus lösen und entlang der mittels dem gestrichelten Pfeil 15 (siehe 1) angegebenen Richtung kriechen, in Richtung des Sensorelements 23 gelangen und dieses verschmutzen können, was sich nachteilig auf die Funktionalität des Sensorelements 23 auswirken kann.
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Um das Sensorelement 23 zumindest teilweise vor Verunreinigungen, wie beispielsweise Partikel und Staub, zu schützen, ist aus dem Stand der Technik weiterhin bekannt, zusätzliche eine Schutzkappe 40 vorzusehen (siehe 2), die den gesamten Sensorchip 20 umschließt. Die Schutzkappe 40 umfasst eine Öffnung 42, die mittels einer semipermeablen Membran 44 verschlossen ist. Die Membran 44 ist dazu ausgebildet, für das zu vermessende Gas durchlässig zu sein, jedoch für andere feste Bestandteile im Gas, wie beispielsweise Staub und Partikel, undurchlässig zu sein.
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Wie aus der 2 hervorgeht, befindet sich die Dichtungsmasse 30 innerhalb des von der Schutzkappe 40 definierten Messgasraums 41 und kann weiterhin in Richtung des Sensorelements 23 kriechen, was sich bereits im Hinblick auf die Ausgestaltung gemäß 1 als nachteilig herausgestellt hat.
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Weitere aus dem Stand der Technik bekannte Sensoren sind aus
US 9 595 479 B2 ,
US 2018/0238753 A1 ,
US 10 197 462 B2 und
US 6 401 544 B2 bekannt.
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Die
DE 10 2018 127 399 A1 offenbart ein Gassensor-Package, das ein Gehäuse aufweist, das eine erste Kammer und eine zweite Kammer definiert. Ein Gaseinlass kann eine Fluidkommunikation zwischen der zweiten Kammer und der Außenumgebung bereitstellen. Der Gaseinlass kann dazu ausgebildet sein, den Eintritt von Gas in die zweite Kammer von der Außenumgebung zu gestatten.
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In Anbetracht des Standes der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Gassensor bereitzustellen, bei dem die Gefahr von Verschmutzungen des Sensorelements zumindest teilweise reduziert ist und welcher auch bei langen Betriebszeiten zuverlässig genaue Messergebnisse liefern kann.
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Diese Aufgabe wird mit einem Gassensor gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Der vorliegenden Erfindung liegt im Wesentlichen der Gedanke zugrunde, einen Gassensor, der einen auf einem Trägerelement angeordneten Sensorchip aufweist, mit einer Schutzkappe derart zu versehen, dass die Schutzkappe zumindest teilweise auf den Sensorchip derart angeordnet ist, dass etwaige elektrische Verbindungen zwischen Sensorchip und Trägerelement sowie die dazugehörige Dichtungsmasse außerhalb der Schutzkappe angeordnet sind. Dadurch kann die Gefahr des Kriechens von Bestandteilen der Dichtungsmasse der elektrischen Verbindungsdrähte hin zum Sensorelement zumindest teilweise reduziert werden, da die potentielle Kriechstrecke deutlich vergrößert ist. Das Vorsehen einer semipermeablen Membran in der Schutzkappe kann die Verschmutzung des auf den Sensorchip vorhandenen Sensorelements zusätzlich zumindest teilweise reduzieren.
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Gemäß eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung ist folglich ein Gassensor für ein Fahrzeug offenbart, der ein Trägerelement, einen auf dem Trägerelement angeordneten Sensorchip, der zum Vermessen eines Gases und zum Erzeugen eines Sensorsignals ausgebildet ist und einen ersten Sensorchipabschnitt, auf dem ein Sensorelement angeordnet ist, und einen mit dem ersten Sensorchipabschnitt integral gebildeten zweiten Sensorchipabschnitt aufweist, auf dem zumindest ein elektronisches Bauteil angeordnet ist, und eine Schutzkappe aufweist, die zumindest teilweise auf dem zweiten Sensorchipabschnitt derart angeordnet ist, dass die Schutzkappe den ersten Sensorchipabschnitt zum Bilden eines Gasraums zumindest teilweise umschließt. Dabei weist die Schutzkappe eine Öffnung auf, die mittels einer semipermeablen Membran zumindest teilweise geschlossen ist, die dazu ausgebildet ist, einen Gasaustausch zwischen dem Gasraum und der Umgebung zu ermöglichen. Der Gassensor weist ferner zumindest eine elektrische Verbindungsleitung, die das zumindest eine elektronische Bauteil mit zumindest einem auf dem Trägerelement angeordneten elektrischen Leiter elektrisch verbindet, und eine die zumindest eine elektrische Verbindungsleitung zumindest teilweise umschließende Dichtungsmasse auf, die vollständig außerhalb des Gasraums angeordnet ist.
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Durch die entsprechende strukturelle Ausgestaltung der Schutzkappe ist es nunmehr möglich, die die elektrische Verbindungsleitung zumindest teilweise umschließende Dichtungsmasse bzw. Vergussmasse vollständig außerhalb des Gasraums anzuordnen, wodurch die Gefahr des Kriechens von Bestandteilen der Dichtungsmasse auf das Sensorelement zumindest teilweise reduziert ist.
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Bevorzugt ist die Schutzkappe ferner zumindest teilweise auf dem Trägerelement angeordnet. In einer derartigen bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gassensors ist die Schutzkappe somit zumindest teilweise auf dem Trägerelement und zumindest teilweise auf dem zweiten Sensorchip derart angeordnet, dass die Schutzkappe den ersten Sensorabschnitt zum Bilden des Gasraums zumindest teilweise umschließt. In vorteilhafter Weist bleibt ein Teil des zweiten Sensorchipabschnitt frei von der Schutzkappe, über den dann eine elektrische Verbindung mit dem Trägerelement mittels elektrischer Verbindungsleitungen, wie beispielsweise Bonddrähte, hergestellt werden kann.
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In einer alternativen bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gassensors ist die Schutzkappe ferner zumindest teilweise auf dem ersten Sensorchipbereich angeordnet. In einer derartigen alternativen bevorzugten Ausgestaltung befindet sich die Schutzkappe somit vollständig auf dem Sensorchip und umgibt das Sensorelement zum Bilden das Gasraums vollständig. Auch hier bleibt in vorteilhafter Weist ein Teil des zweiten Sensorchipabschnitt frei von der Schutzkappe, über den dann eine elektrische Verbindung mit dem Trägerelement mittels elektrischer Verbindungsleitungen, wie beispielsweise Bonddrähte, hergestellt werden kann. Es kann außerdem erfindungsgemäß sein, wenn die Schutzkappe sowohl auf dem Trägerelement als auch auf dem ersten Sensorchipabschnitt und dem zweiten Sensorchipabschnitt angeordnet ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gassensors ist die Schutzkappe auf dem zweiten Sensorabschnitt mittels Stoffschluss oder Formschluss angeordnet. Vorzugsweise ist die Schutzkappe auf dem zweiten Sensorabschnitt mittels eines Klebers oder einer Dichtmasse angebracht.
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In bevorzugter Weise ist die Membran dem Sensorelement gegenüberliegend angeordnet. Dadurch kann das zu vermessende Gas direkt auf das Sensorelement strömen.
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Vorzugsweise ist der Sensorchip als mikromechanisches System aufgebaut, das auf einem halbeleitenden Kristall-Substrat, wie beispielsweise Silizium, in Schichten prozessiert und strukturieren ist. Durch den Schichtaufbau werden elektrische Bauteile und Sensoren gebildet, die gemeinsam das Mikrosystem ergeben.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung befindet sich die gassensitive oder gasreaktive Schicht auf einer freigeätzten dünnen Membran aus Silizium-Grundmaterial.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der erfindungsgemäße Gassensor dazu ausgebildet, Kohlenwasserstoffe zu erfassen, die aus einem Kraftstofftank des Fahrzeugs ausgegast sind. Beispielsweise kann hierzu der Gassensor in einer Tankentlüftungsanlage des Fahrzeugs angeordnet sein, um die aus dem Kraftstofftank des Fahrzeugs ausgasenden Kohlenwasserstoffe quantitativ und/oder qualitativ zu erfassen und die entsprechenden Messwerte einer Steuerung zu übermitteln, die einer Brennkraftmaschine des Fahrzeugs zugeordnet ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der erfindungsgemäße Gassensor ferner ein Gehäuse auf, das ein Gehäuseinneres begrenzt, indem das Trägerelement samt Sensorchip und Schutzkappe angeordnet sind. Dabei weist das Gehäuse eine Öffnung auf, die mit einer Filterschicht zumindest teilweise verschlossen ist, die dazu ausgebildet ist, Feststoffe davon abzuhalten, ins Gehäuseinnere zu gelangen, und einen Gasaustausch zwischen der Umgebung und dem Gehäuseinneren zu ermöglichen.
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In einer derartigen vorteilhaften Ausgestaltung ist zusätzlich neben der Membran eine Filterschicht vorgesehen, das zusätzlichen Schutz vor Verschmutzungen des Sensorelements bieten kann. Bei der Filterschicht handelt es sich vorzugsweise um ein offenporiges Laminat oder ein engmaschiges Gitter, wobei die lichte Maschenweite auf den Anwendungsfall oder zu erwartenden Verschmutzungsgrad angepasst ist.
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Weitere Merkmale und Aufgabe der Erfindung werden dem Fachmann durch Ausüben der vorliegenden Lehre und Betrachten der Zeichnungen ersichtlich, in denen:
- 1 eine schematische Schnittansicht durch einen aus dem Stand der Technik bekannten Gassensor zeigt,
- 2 eine schematische Schnittansicht durch einen weiteren, aus dem Stand der Technik bekannten Gassensor zeigt,
- 3 eine schematische Schnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Gassensor zeigt, und
- 4 eine schematische perspektivische Schnittansicht durch eine bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Gassensors zeigt.
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Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung umfasst der Begriff „mikromechanisches System“ ein mit typischen Halbleiterprozessen erzeugter Schichtaufbau hergestellten Sensor mit Auswerteeinheit. Vorzugsweise liegen die Abmessungen des Halbleiters im Bereich von Mikrometern [µm].
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Die 3 zeigt eine Schnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Gassensor 100. Der Gassensor 100 weist, wie bereits in Bezug auf die 1 erläutert, ein Trägerelement 110, einen auf dem Trägerelement 110 angeordneten Sensorchip 120, der zum Vermessen eines Gases und zum Erzeugen eines Sensorsignals ausgebildet ist und einen ersten Sensorchipabschnitt 122, auf dem ein Sensorelement 123 angeordnet ist, und einem mit dem ersten Sensorchipabschnitt 122 integral gebildeten zweiten Sensorchipabschnitt 124 auf, auf dem zumindest eines elektronisches Bauteil 125 angeordnet ist, und eine Schutzkappe 140 auf, die zumindest teilweise auf dem zweiten Sensorchipabschnitt 124 derart angeordnet ist, dass die Schutzkappe 140 den ersten Sensorchipabschnitt 122 zum Bilden eines Gasraums 141 zumindest teilweise umschließt. Die Schutzkappe 140 weist eine Öffnung 142 auf, die mittels einer semipermeablen Membran 144 zumindest teilweise geschlossen ist, die dazu ausgebildet ist, einen Gasaustausch zwischen dem Gasraum 141 und der Umgebung zu ermöglichen.
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In der in der 3 gezeigten Ausgestaltung des Gassensors 100 ist die Schutzkappe 140 ferner zumindest teilweise auf dem Trägerelement 110 angeordnet. Das heißt, dass sich die Schutzkappe 140 sowohl auf dem Trägerelement 110 als auch auf dem zweiten Sensorchipabschnitt 124 abstützt und sich teilweise um das auf dem ersten Sensorchipabschnitt 122 angeordnete Sensorelement 123 zum Bilden des Gasraums 141 erstreckt. In der 3 ist eine Trennung zwischen dem ersten Sensorchipabschnitt 122 und dem zweiten Sensorchipabschnitt 124 mittels der vertikalen gestrichelten Linie gekennzeichnet. Insbesondere handelt es sich dabei um integrale Abschnitte des Sensorchips 120, die in Verlängerung zueinander angeordnet sind und gemeinsam den Sensorchip 120 bilden.
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In einer alternativen Ausgestaltung kann es jedoch weiterhin erfindungsgemäß sein, dass die Schutzkappe 140 auch zumindest teilweise auf dem ersten Sensorchipabschnitt 122 derart angeordnet ist, dass die Schutzkappe 140 vollständig auf dem Sensorchip 120 angeordnet ist und das Sensorelement 123 umgibt.
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Der Gassensor 100 gemäß 3 weist ferner zumindest eine elektrische Verbindungsleitung 126, die das zumindest eine elektronische Bauteil 125 mit zumindest einem auf dem Trägerelement 110 angeordneten elektrischen Leiter 128 elektrisch verbindet, und eine die zumindest eine elektrische Verbindungsleitung 126 zumindest teilweise umschließende Dichtungsmasse 130 auf, die vollständig außerhalb der Schutzkappe 140 und folglich auch des außerhalb Gasraums 141 angeordnet ist. Die zumindest eine Verbindungsleitung 126 ist vorzugsweise zumindest ein Verbindungsdraht, wie beispielsweise ein Bonddraht.
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Das zumindest eine elektronische Bauteil 125 kann beispielsweise ein auf dem Sensorchip 120 angeordneter Transistor, Widerstand, ein Kondensator 125A, ein Widerstand 125B, eine Auswerteschaltung oder jegliche Art von anwenderspezifischem integriertem Schaltkreis sein.
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Die die zumindest eine elektrische Verbindungsleitung 126 zumindest teilweise umschließende Dichtungsmasse 130 ist beispielsweise ein Silikongel oder ein Epoxidharz.
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In der 3 kennzeichnet der Pfeil 115 eine notwendige Kriechlänge für Bestandteile der Dichtungsmasse 130, wie beispielsweise Öl, um bis zum Sensorelement 123 kriechen zu können. Vergleicht man die notwendige Kriechdistanz bei der aus dem Stand der Technik bekannten Ausgestaltung der 1 (siehe Pfeil 15 in der 1) mit der Kriechdistanz bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der 3 kann erkannt werden, dass durch das Vorsehen der Schutzkappe 140 die Kriechdistanz bei der 3 deutlich vergrößert ist und es somit für die aus der Dichtungsmasse 130 stammenden Bestandteile deutlich erschwert ist, überhaupt bis zum Sensorelement 123 zu gelangen bzw. zu kriechen. Die Schutzkappe 140 bildet somit eine mechanische Trennschicht zwischen dem sensitiven Sensorelement 123 und dem Auswertebereich bzw. zweiten Sensorchipabschnitt 124, wo die Dichtungsmasse 125 angeordnet ist.
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Bevorzugt handelt es sich bei dem Gassensor 100 um ein mikromechanisches System (MEMS: microelectromechanical system), das aus einem aus einem Halbleitersubstrat gebildeten Trägerelement 110 und dem Sensorchip 120 besteht.
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Die Schutzkappe 140 ist vorzugsweise mittels Stoffschluss, wie beispielsweise eines Klebers, auf dem zweiten Sensorchipabschnitt 124 und dem Trägerelement 110 angeordnet. Alternativ können natürlich auch ein Formschluss oder ein Kraftschluss vorgesehen werden, um die Schutzkappe 140 mechanisch auf dem Trägerelement 110 und dem zweiten Sensorchipabschnitt 124 anzuordnen.
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Die semipermeable Membran 144, die die in der Schutzkappe 140 gebildete Öffnung 142 verschließt, weist typische offene Strukturweiten von weniger als 50 µm auf und hat für den zu erwartenden Verschmutzungsgrad geeignete Filtereigenschaften.
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Die 4 zeigt eine perspektivische Schnittansicht durch einen weiteren erfindungsgemäßen Gassensor 100. Der Gassensor 100 der 4 weist ein Gehäuse 150 auf, das ein Gehäuseinneres 151 begrenzt, in dem, wie in der 3 bereits gezeigt, das Trägerelement 110 samt Sensorchip 120, Schutzkappe 140 und Dichtungsmasse 130 angeordnet sind. Das Gehäuse 150 weist dabei eine Öffnung 152 auf, die mit einer Filterschicht 154 zumindest teilweise geschlossen ist, die dazu ausgebildet ist, Feststoffe davon abzuhalten, ins Gehäuseinnere 151 zu gelangen, und einen Gasaustausch zwischen der Umgebung und dem Gehäuseinneren 151 zu ermöglichen.
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Die Filterschicht 154 kann zusätzlich zu der in der Schutzkappe 140 vorhandenen Membran 144 dazu beitragen, dass das Sensorelement 123 davor bewahrt wird, zu verschmutzen. Somit sind mit der Filterschicht 154 und der Membran 144 zwei Vorrichtungen vorgesehen, die das Sensorelement 123 vor Verschmutzung schützt, wobei zugleich die Schutzkappe 140 dazu beitragen kann, die oben genannte Kriechdistanz für aus der Dichtungsmasse 130 kriechende Bestandteile zu vergrößern.
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Mittels des erfindungsgemäßen Gassensors 10 ist ein schädliches Kriechen von Schadstoffen über den Sensorchip 120 bis hin zum Sensorelement 123 zumindest teilweise vermeidbar, wobei gleichzeitig mittels der Membran 144 und der Filterschicht 144 ein Schutz des Sensorelements 123 vor Partikeln und Festkörpern ermöglicht ist. Damit kann die Lebensdauer des gesamten Sensors zumindest teilweise verlängert werden. Außerdem ist es gemäß der 4 bevorzugt, dass die Schutzkappe 140 zusammen mit dem Gehäuse 150 eine Gießform für die Dichtungsmasse 130 bildet. Ferner wird mittels der Dichtmasse 130 jeglicher Spalt zwischen der Schutzkappe 140 und dem Sensorchip 120 abgedichtet.
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Zudem kann durch das Anordnen der Dichtungsmasse 130 außerhalb der Schutzkappe 140 der Freiheitsgrad zur Auswahl des Materials für die Dichtungsmasse 130 vergrößert werden, da das kriechverhalten des ausgewählten Materials für die Dichtungsmasse 130 durch das Verringern der Kriechgefahr mittels der vorliegenden Erfindung eine untergeordnete Rolle spielt. Somit können kostengünstigere und chemisch stabilere Materialien für die Dichtungsmasse 130 ausgewählt werden.
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Bevorzugt handelt es sich bei dem Gassensor 100 um einen in einer Tankentlüftungsanlage eines Fahrzeugs vorgesehenen Gassensor zur Erfassung der aus dem Kraftstofftank des Fahrzeugs ausgasenden Kohlenwasserstoffe. Alternativ kann der Gassensor 100 ein thermischer Gassensor, katalytischer Gassensor oder halbleitender Metalloxidsensor sein.
