-
Technisches Gebiet
-
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung, insbesondere für Kraftfahrzeuganwendungen, wie sie insbesondere als Bestandteil eines Steuergeräts dient und mechanischen und/oder thermischen Belastungen ausgesetzt ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Steuergerät mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
-
Stand der Technik
-
Aus der
DE 10 2017 204 402 A1 der Anmelderin ist eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt. Die bekannte Schaltungsanordnung zeichnet sich durch einen Sensorträger aus, in dem wenigstens eine Stressmessstruktur eingebettet ist. Die Stressmessstruktur dient der Messung von auf den Sensorträger einwirkenden thermischen Belastungen, die zur Verfälschung der Messsignale eines mikromechanischen Sensors führen können. Hierzu schlägt es die bekannte Schaltungsanordnung vor, in einer Auswerteschaltung aufgrund der von der wenigstens einen Stressmessstruktur erfassten Daten eine Kompensation des Messsignals des mikromechanischen Sensors vorzunehmen.
-
Weiterhin ist es aus der
DE 10 2008 043 517 A1 der Anmelderin ein Sensormodul bekannt, das zur Verringerung bzw. Kompensation der Auswirkungen von thermischen Verformungen ein Kompensationselement aufweist, das der thermischen Verformung entgegenwirkt und somit mechanische Spannungen bzw. Verformungen in dem Sensormodul reduziert.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass sie eine besonders effektive Kompensation von auf einen Schaltungsträger wirkenden, thermomechanischen Belastungen ermöglicht. Sinngemäß schlägt es hierzu die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung vor, mittels wenigstens einer Stressmessstruktur unter Verwendung von wenigstens einem Sensorelement eine thermische oder mechanische Belastung auf den Schaltungsträger bzw. ein elektronisches Bauelement zu erfassen, und in Abhängigkeit der erfassten Belastungen ein Kompensationselement aktiv derart anzusteuern, dass dieses den erfassten Belastungen entgegenwirkt und somit insbesondere thermische Spannungen in dem Schaltungsträger verringert.
-
Vor dem Hintergrund der obigen Erläuterungen schlägt es daher die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung vor, dass eine Auswerteeinheit, die der Auswertung der von der Stressmessstruktur erfassten Messwerte dient, dazu ausgebildet ist, zumindest mittelbar wenigstens ein in Wirkverbindung mit der Schaltungsanordnung angeordnetes Kompensationselement zur Reduzierung der auf die Schaltungsanordnung einwirkenden Kräfte anzusteuern.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
-
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Stressmessstruktur wenigstens ein Messelement zur Erfassung von Kräften und/oder Temperaturen aufweist. Hierbei ist die Anordnung des wenigstens einen Messelements typischerweise derart zu wählen, dass daraus auf die Belastungen auf besonders relevante elektronische Bauelemente geschlossen werden kann. Hierzu kann es auch insbesondere vorgesehen sein, dass mehrere Messelemente vorgesehen sind, und dass die Messdaten der einzelnen Messelemente zur unterschiedlichen Ansteuerung von unterschiedlichen Kompensationselementen dienen können.
-
In Weiterbildung des zuletzt gemachten Vorschlags ist es vorgesehen, dass das wenigstens eine Messelement in der Nähe eines elektronischen Bauelements angeordnet und/oder mit diesem verbunden und/oder als integraler Bestandteil des wenigstens einen Bauelements (das zum Beispiel ein Chip ist) ausgebildet ist. Insbesondere ermöglicht eine direkte Ankopplung bzw. Verbindung des Messelements mit dem Bauelement eine besonders genaue Messung der Belastungen an dem Bauelement, da diese unmittelbar an der relevanten Stelle gemessen werden.
-
Demgegenüber kann beispielsweise eine Anordnung eines Messelements zwischen zwei elektronischen Bauelementen in vorteilhafter Weise dazu dienen, eine mittlere Belastung auf die Bauelemente zu erfassen, ohne dass hierzu für jedes Bauelement ein separates Messelement erforderlich ist. Selbstverständlich ist der Ort der Anordnung des Messelements im Bereich der Schaltungsanordnung mit Blick auf die Anordnung der Bauelemente, deren Empfindlichkeit sowie deren Relevanz für die Funktion der Schaltungsanordnung auszuwählen und ggf. in Versuchen zu ermitteln.
-
Besonders bevorzugt ist es, wenn das wenigstens eine Messelement als piezoelektrisches Messelement ausgebildet ist. Dies ermöglicht es beispielsweise, ohne externe Spannungsversorgung ein Spannungssignal zu generieren, dessen Höhe von der Höhe der thermischen Verformung bzw. Deformation am Ort des Messelements auf dem Schaltungsträger abhängt. Alternativ kann das wenigstens eine Messelement auch als piezoresistives Messelement ausgebildet sein.
-
Auch hinsichtlich der Ausbildung der Kompensationselemente gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Bevorzugt ist eine Ausgestaltung, bei der das wenigstens eine Kompensationselement als Piezoelement ausgebildet ist. Hierzu wird durch eine entsprechende Ansteuerung bzw. Spannungsversorgung beispielsweise eine Ausdehnung des Kompensationselements bewirkt, welche eine Krafteinwirkung auf den Schaltungsträger zur Folge haben kann, die die thermische Belastung verringert bzw. dieser entgegenwirkt.
-
Hierzu kann es in Weiterbildung des zuletzt gemachten Vorschlags insbesondere auch vorgesehen sein, dass das wenigstens eine Kompensationselement sich zwischen dem Schaltungsträger und/oder dem elektronischen Bauelement und einem Gegenelement, insbesondere einem Gehäuse zur Aufnahme der Schaltungsanordnung, abstützt.
-
In einer alternativen, ebenfalls bevorzugten konstruktiven Ausgestaltung des Kompensationselements kann es vorgesehen sein, dass dieses aus einer Gedächtnislegierung ausgebildet ist. Gemeint ist hierbei, dass das Kompensationselement aus Schichten mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten besteht, derart, dass in Abhängigkeit der augenblicklichen Temperatur eine Verformung des Kompensationselements eintritt, die einer Verformung des Schaltungsträgers entgegenwirken kann bzw. die auf die Schaltungsanordnung wirkenden Kräfte reduziert.
-
Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn mehrere Messelemente und mehrere elektronische Bauelemente vorgesehen sind, und dass wenigstens zwei elektronische Bauelemente in Kontakt mit ersten Messelementen und wenigstens zwei zweite Messelemente in Kontakt mit dem Schaltungsträger angeordnet sind. Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht eine besonders genaue und umfangreiche Auswertung der auf die Schaltungsanordnung wirkenden Kräfte sowohl im Bereich der Bauelemente als auch im Bereich des Schaltungsträgers.
-
Weiterhin umfasst die Erfindung auch ein Steuergerät, insbesondere für Kraftfahrzeuganwendungen, mit einem Gehäuse, in dem eine soweit beschriebene erfindungsgemäße Schaltungsanordnung angeordnet ist.
-
Zuletzt umfasst die Erfindung auch ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltungsanordnung, die insbesondere auf die oben genannte, erfindungsgemäße Art und Weise ausgebildet ist. Hierbei ist es vorgesehen, dass mittels einer Stressmessstruktur auf die Schaltungsanordnung einwirkende Kräfte oder Temperaturen erfasst werden, wobei die erfassten Messwerte mittels einer Auswerteeinheit ausgewertet werden, und wobei in Abhängigkeit der von der Auswerteeinheit ausgewerteten Messwerte wenigstens ein in Wirkverbindung mit der Schaltungsanordnung angeordnetes Kompensationselement zur Reduzierung der auf die Schaltungseinrichtung einwirkenden Kräfte angesteuert wird.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnungen.
-
Figurenliste
-
- 1 zeigt in einer vereinfachten Draufsicht eine Schaltungsanordnung als Bestandteil eines Steuergeräts und
- 2 einen Querschnitt durch die Schaltungsanordnung gemäß 1 in Richtung II-II der 1.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
-
In den Figuren ist ein Steuergerät 100, insbesondere für Kraftfahrzeuganwendungen, stark vereinfacht dargestellt. Das Steuergerät 100 weist ein beispielhaft kubisch ausgebildetes Gehäuse 1 auf, in dessen Innenraum eine Schaltungsanordnung 10 angeordnet ist. Die Schaltungsanordnung 10 umfasst einen Schaltungsträger 12, z.B. in Form einer Leiterplatte o.ä. mit Leiterbahnen zur elektrischen Kontaktierung von beispielhaft sowohl auf der Oberseite als auch auf der Unterseite des Schaltungsträgers 12 angeordneten elektronischen Bauelementen 14, 16.
-
Bei den Bauelementen 14 und 16 kann es sich sowohl um aktive elektronische Bauelemente 14, 16 handeln, als auch um passive Bauelemente 14, 16. Die Bauelemente 14 zeichnen sich im Ausführungsbeispiel dadurch aus, dass diese mit Blick auf thermischen oder mechanischen Stress der Schaltungsanordnung 10 (relativ) unempfindlich sind. Demgegenüber sind die Bauelemente 16 gegenüber thermischem bzw. mechanischem Stress anfällig bzw. empfindlich. Diese Anfälligkeit bzw. Empfindlichkeit äußert sich beispielsweise in einer Verfälschung von durch die Bauelemente 16 erfassten Daten für den Fall, dass die Bauelemente 16 z.B. Sensorelemente sind, oder aber in der Gefahr der Zerstörung von elektrischen Verbindungen zwischen den Bauelementen 16 und den angesprochenen Leiterbahnen o.ä. Elementen des Schaltungsträgers 12 zur Signalübertragung bzw. Spannungsversorgung der Bauelemente 16.
-
Zur Erfassung der auf die Schaltungsanordnung 10, insbesondere auf die Bauelemente 16 einwirkenden, die Funktionalität der Schaltungsanordnung 10 beeinträchtigenden thermischen oder mechanischen Stressfaktoren weist die Schaltungsanordnung 10 darüber hinaus eine Stressmessstruktur 20 auf. Die Stressmessstruktur 20 umfasst beispielhaft mehrere Messelemente 22, 24, wobei beispielhaft die Messelemente 22 der Erfassung von Temperaturen, und die Messelemente 24 der Erfassung von mechanischen Spannungen bzw. Kräften dienen.
-
Insbesondere die letztgenannten Messelemente 24 können dabei als piezoelektrische Messelemente 24 ausgebildet sein. Die Anordnung der Messelemente 22, 24 auf dem Schaltungsträger 12 ist bevorzugt in der Nähe der Bauelemente 16 und/oder in Anlagekontakt mit den Bauelementen 16 und/oder als integraler Bestandteil der Bauelemente 16. Die Messsignale der Messelemente 22, 24 werden auf nicht dargestellte, weil an sich bekannte Art und Weise als Eingangsgröße an eine Auswerteeinheit mit einer Auswerteschaltung 26 weitergeleitet, die beispielsweise in Form eines ICs o.ä. ebenfalls auf dem Schaltungsträger 12 angeordnet ist, und die einen Algorithmus zur Auswertung der Daten der Messelemente 22, 24 aufweist. Alternativ kann die Auswerteschaltung 26 auch außerhalb des Steuergeräts 100 angeordnet sein. Weiterhin ist die Auswerteeinheit bzw. die Auswerteschaltung 26 derart ausgebildet, dass sie zumindest der mittelbaren Ansteuerung wenigstens eines, in Wirkverbindung mit der Schaltungsanordnung 10 bzw. dem Schaltungsträger 12 angeordneten Kompensationselements 28 dient.
-
Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind eine Vielzahl von Kompensationselementen 28 dargestellt, die vorzugsweise in Form piezoelektrischer Aktoren ausgebildet sind. Diese Aktoren zeichnen sich dadurch aus, dass sie sich beispielsweise durch eine Ansteuerung über die Auswerteschaltung 26 mit einer entsprechenden Spannung in Längsrichtung ausdehnen. Dies ist jeweils durch den Doppelpfeil 29 verdeutlicht. Alternativ ist auch denkbar, dass sich die wenigstens ein Kompensationselement 28 in der Ebene des Schaltungsträgers 12, d.h. senkrecht zur Richtung des Doppelpfeils 29, ausdehnt. Weiterhin ist die Anordnung der Kompensationselemente 28 beispielhaft derart, dass sich diese zwischen dem Gehäuse 1 und dem Schaltungsträger 12 abstützen, wobei die Kompensationselemente 28 beispielsweise auf unterschiedlichen Seiten des Schaltungsträgers 12 angeordnet sein können.
-
Beim Betrieb des Steuergeräts 100 bzw. der Schaltungsanordnung 10 ist diese, beispielsweise aufgrund ihres Einbauorts in einem Kraftfahrzeug, wechselnden Temperaturbedingungen ausgesetzt. Diese führen, insbesondere auch mit Blick auf eine ggf. stattfindende Wärmeabgabe der Bauelemente 14, 16, zu einer (ungleichmäßigen) Belastung der Schaltungsanordnung 10 mit thermischem bzw. mechanischem Stress. Die Stressfaktoren werden mittels der Messelemente 22, 24 erfasst und der Auswerteschaltung 26 als Eingangsgröße zugeführt. Die Auswerteschaltung 26 steuert darauf aktiv die Kompensationselemente 28 an, entweder jeweils auf dieselbe Art und Weise bzw. mit demselben Signal, oder aber bevorzugt individuell unterschiedlich, um den thermischen bzw. mechanischen Belastungen des Schaltungsträgers 12 entgegenzuwirken.
-
Die soweit beschriebene Schaltungsanordnung 10 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102017204402 A1 [0002]
- DE 102008043517 A1 [0003]
