DE102020209542A1 - Sensor for detecting a physical variable - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Sensor zum Erfassen einer physikalischen Größe, insbesondere von Feuchtigkeit. Der Sensor weist einen Mold-Körper auf und wenigstens zwei Elektroden, wobei die Elektroden mit dem Mold-Körper verbunden und in einer Ausnehmung des Mold-Körpers angeordnet sind. Erfindungsgemäß weist der Mold-Körper für jede Elektrode wenigstens eine oder nur eine Ausnehmung auf. Die Ausnehmungen sind bevorzugt zueinander beabstandet angeordnet.The invention relates to a sensor for detecting a physical variable, in particular moisture. The sensor has a molded body and at least two electrodes, the electrodes being connected to the molded body and being arranged in a recess of the molded body. According to the invention, the molded body has at least one or only one recess for each electrode. The recesses are preferably arranged at a distance from one another.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft einen Sensor zum Erfassen einer physikalischen Größe, insbesondere von Feuchtigkeit. Der Sensor weist einen Mold-Körper auf und wenigstens zwei Elektroden, wobei die Elektroden mit dem Mold-Körper verbunden und in einer Ausnehmung des Mold-Körpers angeordnet sind.The invention relates to a sensor for detecting a physical variable, in particular moisture. The sensor has a molded body and at least two electrodes, the electrodes being connected to the molded body and being arranged in a recess of the molded body.
Aus der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Erfindungsgemäß weist der Mold-Körper für jede Elektrode wenigstens eine oder nur eine Ausnehmung auf. Die Ausnehmungen sind bevorzugt zueinander beabstandet angeordnet. Vorteilhaft kann so kein elektrisch leitfähiger Fremdkörper, beispielsweise ein Metallspan, die Elektroden überbrücken, insoweit die Elektroden in jeweils voneinander getrennten, jede Elektrode nach außen führenden Ausnehmungen angeordnet sind.According to the invention, the molded body has at least one or only one recess for each electrode. The recesses are preferably arranged at a distance from one another. Advantageously, no electrically conductive foreign body, for example a metal chip, can bridge the electrodes insofar as the electrodes are arranged in recesses that are separate from one another and lead each electrode to the outside.
Der Mold-Körper ist bevorzugt ein Kunststoff-Körper. Weiter bevorzugt weist der Mol-Körper partikelgefülltes Epoxidharz auf. Der Mold-Körper kann so aufwandsgünstig bereitgestellt werden.The molded body is preferably a plastic body. More preferably, the molar body has particle-filled epoxy resin. The mold body can thus be provided in a cost-effective manner.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Elektrode als elektrisch leitfähige Schicht ausgebildet. Bevorzugt ist die Elektrode durch wenigstens zwei Ausnehmungen für die physikalische Größe, insbesondere für Feuchtigkeit, zugänglich. Die Elektroden, oder Elektrodenabschnitte, welche jeweils durch eine eigene Öffnung in dem Mold-Körper die physikalische Größe zu einem Außenraum außerhalb des Sensors erfassen können, können auf demselben elektrischen Potenzial liegen. Vorteilhaft kann so eine Erfassungssicherheit gebildet sein, dass beispielsweise im Falle einer Verstopfung einer Öffnung die physikalische Größe noch durch die weitere Öffnung erfasst werden kann.In a preferred embodiment, the electrode is designed as an electrically conductive layer. The electrode is preferably accessible through at least two recesses for the physical quantity, in particular for moisture. The electrodes, or electrode sections, which can each detect the physical variable to an exterior space outside of the sensor through their own opening in the mold body, can be at the same electrical potential. Detection reliability can advantageously be formed in this way, for example in the event that an opening is blocked, the physical quantity can still be detected through the further opening.
Die Elektrode ist bevorzugt durch eine elektrisch leitfähige Schicht gebildet, die mit einem Schaltungsträger verbunden ist. Der Schaltungsträger ist beispielsweise eine faserverstärkte Leiterplatte, oder ein keramischer Schaltungsträger, beispielsweise ein LTCC-Schaltungsträger (LTCC = Low-Temperature-Cofired-Ceramics) oder ein HTCC-Schaltungsträger (HTCC = High-Temperature-Cofired-Ceramics).The electrode is preferably formed by an electrically conductive layer that is connected to a circuit carrier. The circuit carrier is, for example, a fiber-reinforced printed circuit board or a ceramic circuit carrier, for example an LTCC circuit carrier (LTCC=low-temperature co-fired ceramics) or an HTCC circuit carrier (HTCC=high-temperature co-fired ceramics).
In einer vorteilhaften Variante des Sensors ist die Elektrode in einer Ausnehmung eines Schaltungsträgers angeordnet. Bevorzugt schließt die Ausnehmung in dem Schaltungsträger an die Ausnehmung in dem Mold-Körper an. Auf diese Weise kann die Elektrode im Schaltungsträger eingeschlossen, insbesondere als innenliegende elektrisch leitfähige Schicht gebildet sein. Die elektrisch leitfähige Schicht ist bevorzugt mit dem Schaltungsträger verbunden. Die Elektrode kann dadurch vorteilhaft als Leiterbahn auf dem Schaltungsträger gebildet sein.In an advantageous variant of the sensor, the electrode is arranged in a recess in a circuit carrier. The recess in the circuit carrier preferably adjoins the recess in the molded body. In this way, the electrode can be enclosed in the circuit carrier, in particular formed as an internal electrically conductive layer. The electrically conductive layer is preferably connected to the circuit carrier. As a result, the electrode can advantageously be formed as a conductor track on the circuit carrier.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Elektrode an einem Grund oder Boden der Ausnehmung angeordnet, wobei eine Tiefe der Ausnehmung zwischen 50 Mikrometer und 10.000 Mikrometer beträgt. Vorteilhaft kann der Sensor so aufwandsgünstig mit zwei Werkzeughälften mittels eines Mold-Verfahrens erzeugt werden, wobei zum Erzeugen der Ausnehmung in eine Werkzeughälfte ein Vorsprungsbereich für die jeweilige Ausnehmung angeformt ist.In a preferred embodiment, the electrode is arranged on a base or floor of the recess, the depth of the recess being between 50 micrometers and 10,000 micrometers. Advantageously, the sensor can thus be produced in a cost-effective manner using two tool halves by means of a molding process, with a projection region for the respective recess being formed onto one tool half to produce the recess.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Sensors beträgt ein Durchmesser der Ausnehmung zwischen 100 Mikrometer und 500 Mikrometer. Vorteilhaft kann so kein Fremdkörper in die Ausnehmung eindringen, welcher größer ausgebildet ist als der Durchmesser der Ausnehmung.In a preferred embodiment of the sensor, the diameter of the recess is between 100 micrometers and 500 micrometers. Advantageously, no foreign body that is larger than the diameter of the recess can penetrate into the recess.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Ausnehmung zylinderförmig ausgebildet. Vorteilhaft kann die Ausnehmung so in einem massiven Mold-Körper durch Bohren, insbesondere mechanischem Bohren oder Laserbohren, erzeugt werden.In a preferred embodiment, the recess is cylindrical. The recess can thus advantageously be produced in a solid molded body by drilling, in particular mechanical drilling or laser drilling.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Ausnehmung zu einer Öffnung in dem Mold-Körper hin verjüngt ausgebildet. Vorteilhaft weist die Öffnung so einen kleineren Durchmesser auf, als ein Durchmesser der Elektrodenfläche, welche durch die Öffnung zugänglich ist.In a preferred embodiment, the recess tapers towards an opening in the molded body. The opening thus advantageously has a smaller diameter than a diameter of the electrode surface which is accessible through the opening.
In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist die Ausnehmung zu der Elektrode hin verjüngt ausgebildet. Die Ausnehmung ist beispielsweise kegelstumpfförmig ausgebildet. Vorteilhaft kann der Sensor, insbesondere das Mold-Gehäuse, so beim Molden einfach aus dem Werkzeug entformt werden.In another advantageous embodiment, the recess tapers towards the electrode. The recess is formed, for example, in the shape of a truncated cone. Advantageously, the sensor, in particular the mold housing, can thus be easily removed from the mold during molding.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Ausnehmungen, die zu derselben Elektrode führen, zueinander versetzt angeordnet, bevorzugt bezogen auf eine Gerade zueinander versetzt angeordnet. Vorteilhaft können so Ausnehmungspaare gebildet sein, welche zueinander versetzt angeordnet sind, wobei die Ausnehmungen eines Ausnehmungspaares zu jeweils zueinander verschiedenen Elektroden hinführen.In a preferred embodiment, the recesses that lead to the same electrode are offset from one another, preferably offset from one another in relation to a straight line. Advantageously, pairs of recesses can be formed in this way, which are arranged offset from one another, with the recesses of a pair of recesses leading to electrodes that are different from one another.
Bevorzugt ist der Sensor ausgebildet, eine den Sensor umgebende Feuchtigkeit zu erfassen. Bevorzugt ist der Sensor ausgebildet, dazu eine zwischen den Elektroden gebildete Impedanz, insbesondere eine zwischen den Elektroden gebildete Kapazität und/oder einen zwischen den Elektroden gebildeten ohmschen Widerstand zu erfassen.The sensor is preferably designed to detect moisture surrounding the sensor. The sensor is preferably designed to detect an impedance formed between the electrodes, in particular a capacitance formed between the electrodes and/or an ohmic resistance formed between the electrodes.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Erzeugen einer Ausnehmung in einem elektronischen Bauelement mit einem Mold-Körper. Bei dem Verfahren wird auf ein Substrat mit einer elektrisch leitfähigen Schicht ein fluidlöslicher Formkörper derart aufgebracht, dass wenigstens ein Teil der elektrisch leitfähigen Schicht mittels des Formkörpers bedeckt ist. Der Formkörper wird beispielsweise auf das Substrat aufgeklebt oder aufgedruckt. Das Fluid zum Auflösen des Formkörpers ist beispielsweise eine Flüssigkeit oder ein Gas.The invention also relates to a method for producing a recess in an electronic component with a molded body. In the method, a fluid-soluble shaped body is applied to a substrate with an electrically conductive layer in such a way that at least part of the electrically conductive layer is covered by the shaped body. The shaped body is, for example, glued or printed onto the substrate. The fluid for dissolving the shaped body is, for example, a liquid or a gas.
Bei dem Verfahren wird bevorzugt in einem weiteren Schritt das Substrat zusammen mit dem Formkörper mit Mold-Masse - insbesondere mittels Transfermolden, Hard-Cover-Dispense, Conformal Coating, Injection Molding oder Potting ummoldet, sodass der Formkörper von außen zugänglich ist. Bevorzugt schließt ein Oberflächenbereich des Formkörpers mit einem Oberflächenbereich des Mold-Körpers bündig ab. In einem weiteren Schritt wird der Formkörper mittels eines Lösungsfluids aus dem Mold-Körper herausgelöst oder herausgewaschen, sodass an dessen Ort eine Ausnehmung in dem Mold-Körper erzeugt ist, die bis hin zu der Elektrode reicht.In the method, in a further step, the substrate is preferably encapsulated together with the shaped body with molding compound—in particular by means of transfer molding, hard-cover dispensing, conformal coating, injection molding or potting, so that the shaped body is accessible from the outside. A surface area of the molded body is preferably flush with a surface area of the molded body. In a further step, the molded body is detached or washed out of the molded body by means of a solvent fluid, so that a recess is produced in the molded body at its location, which extends as far as the electrode.
Der Formkörper kann beispielsweise mittels eines wasserlöslichen, oder durch einen alkohollöslichen Kunststoff, ein Harz, beispielsweise mittels Schellack, erzeugt werden. Der Formkörper ist in einer bevorzugten Ausführungsform aus HIPS (HIPS = High-Impact-Poly-Styrene) gebildet. Der Formkörper kann in einer anderen Ausführungsform aus Stärke, insbesondere Maisstärke gebildet sein.The shaped body can be produced, for example, by means of a water-soluble or alcohol-soluble plastic, a resin, for example by means of shellac. In a preferred embodiment, the shaped body is formed from HIPS (HIPS=high-impact polystyrene). In another embodiment, the shaped body can be formed from starch, in particular corn starch.
Der Formkörper wird in einer bevorzugten Ausführungsform mittels eines additiven Fertigungsverfahrens, insbesondere 3D-Druck, auf dem Substrat erzeugt. Der Formkörper kann in einer anderen Ausführungsform - insbesondere mittels eines Bestückungsautomaten - auf das Substrat aufgebracht, bevorzugt aufgeklebt werden.In a preferred embodiment, the shaped body is produced on the substrate by means of an additive manufacturing process, in particular 3D printing. In another embodiment, the shaped body can be applied, preferably glued, to the substrate, in particular by means of an automatic placement machine.
Der Formkörper, insbesondere HIPS-Formkörper kann - insbesondere nach dem Ummolden - beispielsweise mittels eines Terpenten-haltigen Fluids, insbesondere Limonen-haltigen Fluids, oder mittels PVA-Fluid (PVA = Poly-VinylAlkohol) aus der Ausnehmung ausgewaschen werden. Vorteilhaft kann so eine feine Ausnehmungsstruktur in dem Mold-Körper erzeugt werden.The shaped body, in particular HIPS shaped body, can be washed out of the recess, for example by means of a terpentene-containing fluid, in particular limonene-containing fluid, or by means of PVA fluid (PVA=polyvinyl alcohol), especially after remoulding. A fine recess structure can advantageously be produced in the mold body in this way.
Die Erfindung wird nun im Folgenden anhand von Figuren und weiteren Ausführungsbeispielen beschrieben. Weitere vorteilhafte Ausführungsvarianten ergeben sich aus einer Kombination der in den Figuren und in den abhängigen Ansprüchen beschriebenen Merkmale.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen Sensor mit Elektroden zum Erfassen von Feuchtigkeit, die in ein Moldgehäuse des Sensors wenigstens teilweise eingebettet sind und durch eine Öffnung in dem Moldgehäuse eine den Sensor umgebende Feuchtigkeit erfassen können; -
2 zeigt den in1 gezeigten Sensor in einer Schnittdarstellung; -
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen Sensor zu Erfassen von Feuchtigkeit, der in das Moldgehäuse eingebettete Elektroden aufweist, wobei Öffnungen bildende Ausnehmungen in dem Moldgehäuse gebildet sind, die jeweils zu der Elektrode führen und wobei die Öffnungen in einer ebenen Erstreckung der Elektrode zueinander versetzt, insbesondere im Zick-Zack angeordnet sind.
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1 shows an exemplary embodiment of a sensor with electrodes for detecting moisture, which are at least partially embedded in a molded housing of the sensor and can detect moisture surrounding the sensor through an opening in the molded housing; -
2 shows the in1 sensor shown in a sectional view; -
3 shows an exemplary embodiment of a sensor for detecting moisture, which has electrodes embedded in the mold housing, with openings forming recesses being formed in the mold housing, which each lead to the electrode and with the openings being offset from one another in a planar extent of the electrode, in particular in are arranged zigzag.
Die Elektroden 3 und 4 sind gemeinsam mit der Verarbeitungseinheit 2 in dem Mold-Gehäuse 5 eingebettet. Die Elektroden 3 und 4 sind jeweils durch eine elektrisch leitfähige Schicht gebildet, wobei die elektrisch leitfähige Schicht auf einem Schaltungsträger 16 angeordnet, und mit dem Schaltungsträger 16 verbunden ist.The
Die Elektroden 3 und 4 sind jeweils durch Ausnehmungen in dem Mold-Gehäuse 5 von außen zugänglich, und können so eine Feuchtigkeit außerhalb des Mold-Gehäuses 5 erfassen. Der Sensor 1 ist beispielsweise ein Impedanzsensor, welcher eine zwischen den Elektroden 3 und 4 gebildete Impedanz, insbesondere Kapazität und/oder einen ohmschen Widerstand erfassen kann. Die Ausnehmungen bilden so eine Öffnung in dem Mold-Gehäuse 5, durch welche die Elektroden 3 und 4 von außen zugänglich sind. Die Elektrode 3 ist durch drei jeweils entlang einer Geraden 12 zueinander beabstandet angeordnete Ausnehmungen 6, 7 und 8 von außen zugänglich. Die Elektrode 4 ist durch drei, jeweils entlang einer Geraden 13 zueinander beabstandet angeordnete, Ausnehmungen 9, 10 und 11 von außen zugänglich.The
Die Geraden 12 und 13 sind mittels eines Abstands 14 - insbesondere in einer ebenen Erstreckung des Schaltungsträgers 16 - voneinander beabstandet.The
Die Ausnehmungen, welche zu der ersten Elektrode 3 hinführen, sind somit entlang einer Reihe angeordnet, welche von der Reihe der Ausnehmungen, gebildet durch die Ausnehmungen 9, 10 und 11, welche zu der weiteren Elektrode 4 hinführen, durch denselben Abstand 14 beabstandet sind.The recesses leading to the
Die Verarbeitungseinheit 2 ist eingangsseitig mit den Elektroden 3 und 4 verbunden. Die Verarbeitungseinheit 2 ist ausgebildet, die von den Elektroden durch die Ausnehmungen außerhalb des Sensors 1 erfasste Feuchtigkeit, insbesondere kapazitiv und/oder mittels ohmscher Widerstandsmessung, zu erfassen und ein Sensorsignal zu erzeugen, das die erfasste physikalische Größe, in diesem Ausführungsbeispiel die Feuchtigkeit repräsentiert. Der Sensor 1 weist auch elektrische Anschlüsse auf, von denen ein Anschluss 15 beispielhaft bezeichnet ist. Der Sensor 1 kann das Sensorsignal, insbesondere Feuchtigkeitssignal, beispielsweise an dem Anschluss 15, bereitstellen.The
Der Sensor 1 kann somit die den Sensor 1 umgebende Feuchtigkeit, insbesondere Luftfeuchtigkeit, oder Flüssigkeit, durch sechs Ausnehmungen durch das Mold-Gehäuse 5 hindurch erfassen, wobei jede der Ausnehmungen zu einer der Elektroden hinführt.The sensor 1 can thus detect the moisture surrounding the sensor 1, in particular atmospheric moisture, or liquid, through six recesses through the
Die Ausnehmungen 8 und 11 sind in diesem Ausführungsbeispiel jeweils stumpfkegelförmig ausgebildet, wobei die Ausnehmungen jeweils von der Elektrode wegführend verjüngt ausgebildet sind. Vorteilhaft kann die feuchtigkeitserfassende Elektrodenfläche der Elektrode 3 beziehungsweise der Elektrode 4 so größer ausgebildet sein, als die Öffnung in dem Mold-Gehäuse 5, durch welche die Elektrode von außen zugänglich ist.In this exemplary embodiment, the
Die Ausnehmungen 8 und 11 können durch ein Verfahren erzeugt werden, bei dem auf den Schaltungsträger 16, insbesondere die Elektrode 3 und/oder 4 ein der Form der Ausnehmung entsprechender - in
Das Moldgehäuse 5 mit den zu den Elektroden hin nach innen erweiterten Ausnehmungen 8 und 11kann in einer anderen Ausführungsform mittels eines additiven Fertigungsverfahrens, beispielsweise 3D-Druck erzeugt werden. Der Moldkörper ist in dieser Ausführungsform beispielsweise aus Polylactat gebildet.In another embodiment, the molded
Die Verarbeitungseinheit 22 ist beispielsweise ausgebildet, ein Testsignal zum Erfassen der physikalischen Größe zu erzeugen und an die Elektroden zu senden und die Physikalische Größe in Abhängigkeit des Testsignals erfassen. Vorteilhaft kann so ein Digitalanschluss des Mikrocontrollers unmittelbar mit den Elektroden verbunden sein. Eine solche Testanordnung ist beispielsweise in der
Das Mold-Gehäuse 21 weist für jede der Elektroden 23 und 24 wenigstens zwei, in diesem Ausführungsbeispiel vier Ausnehmungen auf, durch welche die Elektroden von außen zugänglich sind, und so eine Feuchtigkeit außerhalb des Mold-Gehäuses 21 erfassen können.For each of the
Die Ausnehmungen, welche jeweils zu derselben Elektrode hinführen, sind in diesem Ausführungsbeispiel entlang einer Längserstreckung 31 - anders als in
Die Ausnehmungen, die zu derselben Elektrode hinführen, sind auf diese Weise entlang der Längserstreckung 31 zueinander versetzt, insbesondere im Zick-Zack angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel führt eine Ausnehmung 26 zu der Elektrode 24, und eine dieser gegenüberliegende Ausnehmung 25 zu der Elektrode 23.The recesses leading to the same electrode are in this way offset to one another along the
Eine weitere Ausnehmung 28, welche zu der Elektrode 24 führt, und von der Elektrode 26 entlang der Längserstreckung 31 beabstandet ist, ist zu einer Ausnehmung 27 gegenüberliegend angeordnet, wobei die Ausnehmung 27 zu der weiteren Elektrode 23 führt.A
Die Ausnehmungen 28 und 27, welche einander gegenüberliegen, sind mittels eines Abstandes 30 voneinander beabstandet. Die Ausnehmungen 26 und 25, welche einander gegenüberliegen, sind mittels eines Abstands 29 voneinander beabstandet. Die Abstände 29 und 30 sind in diesem Ausführungsbeispiel gleich ausgebildet. Zueinander entlang der Längserstreckung 31 beabstandete Ausnehmungen, welche zu derselben Elektrode führen, liegen jeweils einer entsprechenden Ausnehmung gegenüber, die zu der weiteren Elektrode hinführt, wobei einander gegenüberliegende Ausnehmungen, die zu verschiedenen Elektroden hinführen, jeweils gleich voneinander beabstandet sind. Vorteilhaft kann durch eine solche Zick-Zack-förmige Anordnung der Ausnehmungen eine Erfassungssicherheit gebildet sein, wenn ein Teil der Ausnehmungen - beispielsweise durch Verschmutzung - verstopft ist. Verstopfungen, die entlang einer geometrischen Linie auf die entlang der geometrischen Linie angeordneten Ausnehmungen wirken, können somit nicht sämtliche Ausnehmungen verstopfen, die zu derselben Elektrode führen.The
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