DE19828662C2 - Gas sensor with a planar sensor element and a housing - Google Patents

Gas sensor with a planar sensor element and a housing

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Abstract

Die sensorelementseitigen Enden (4) eines Leadframes (1) umgrenzen einen Kontaktierbereich (5), in welchem das planare Sensorelement (3) in der Leadframeebene angeordnet ist. Das Leadframe (1) ist mit einem flachen Kunststoffgehäuse (6) umspritzt, aus dem die Außenanschlüsse (2) herausgeführt sind und im Gehäuse (6) ist eine zur Leadframeebene senkrechte Aussparung (7) vorgesehen, die mindestens den Kontaktbereich (5) umfaßt. Dies erleichtert die Montage insbesondere von zweiseitig kontaktierten Sensorelementen (3).The ends (4) of a lead frame (1) on the sensor element side delimit a contact area (5) in which the planar sensor element (3) is arranged in the lead frame level. The leadframe (1) is extrusion-coated with a flat plastic housing (6), from which the external connections (2) are led, and in the housing (6) there is a recess (7) perpendicular to the leadframe plane, which comprises at least the contact area (5). This facilitates the assembly, in particular of sensor elements (3) contacted on two sides.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gassensor, mit einem planaren Sensorelement, das ein halbleitendes, für reduzierende Gase sensitives Material umfaßt, mit einer Schützhülle, die den Sensor vor äußeren mechanischen Einflüssen schützt und die über Gaseinlaßöffnungen verfügt, und mit Außenanschlüssen.The invention relates to a gas sensor with a planar Sensor element that is a semiconducting, for reducing gases sensitive material includes, with a protective cover that the Sensor protects against external mechanical influences and the has gas inlet openings, and with external connections.

Derartige Gassensoren nützen die Tatsache aus, daß die elek­ trische Leitfähigkeit geeigneter halbleitender Metalloxide bei ausreichend hohen Betriebstemperaturen abhängig vom Ge­ halt an oxidierenden und reduzierenden Gasen der sie umgeben­ den Atmosphäre ist und sind beispielsweise aus der europäi­ schen Patentschrift EP 0 464 244 B1 bekannt.Such gas sensors take advantage of the fact that the elec trical conductivity of suitable semiconducting metal oxides at sufficiently high operating temperatures depending on the ge stops at oxidizing and reducing gases that surround them The atmosphere is and are, for example, from the European patent EP 0 464 244 B1 known.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf planare Sensorele­ mente, insbesondere solche, bei denen das sensitive Material als Ga2O3-Dünnschicht auf einem nichtleitenden, keramischen Trägerkörper ausgebildet ist. An seiner Unterseite kann der Trägerkörper beispielsweise über eine mäanderförmige Heiz­ anordnung zum Heizen des Sensors auf eine vorbestimmte Be­ triebstemperatur, beispielsweise 550 bis 600°C, verfügen. Ein derartiges Sensorelement bzw. -chip weist typische Ausmaße von 1,4 × 2,2 mm und üblicherweise mindestens zwei Funktions- und zwei Heizanschlüsse auf. Diesem Aufbau entsprechend, sind die planaren Sensorelemente derzeit noch zweiseitig (zwei Funktionsanschlüsse oben, zwei Heizanschlüsse unten) mit Au­ ßenanschlüssen versehen, also bei der Montage auch zweiseitig zu kontaktieren.The present invention relates to planar sensor elements, in particular those in which the sensitive material is formed as a Ga 2 O 3 thin layer on a non-conductive, ceramic carrier body. On its underside, the carrier body can, for example, have a meandering heating arrangement for heating the sensor to a predetermined operating temperature, for example 550 to 600 ° C. Such a sensor element or chip has typical dimensions of 1.4 × 2.2 mm and usually at least two functional and two heating connections. In accordance with this structure, the planar sensor elements are currently still provided on two sides (two functional connections at the top, two heating connections at the bottom) with external connections, i.e. they must also be contacted on both sides during assembly.

Da derartige Gassensoren unter anderem zur Sicherheitsüberwa­ chung bezüglich brennbarer bzw. explosiver Gase eingesetzt werden, wurde als Schützhülle der Sensoren bisher ein Metall­ gehäuse mit Gaseinlaßschlitzen verwendet. Dadurch wird er­ reicht, daß zu detektierende Gase, die innerhalb der Schutz­ hülle durch das mehrere hundert °C heiße, also gegebenenfalls über den Flammpunkt des zu detektierenden Gases hinaus er­ hitzte Sensorelement entzündet werden, nicht als Stichflamme nach Außerhalb des Sensors entweichen können. Bisher wurden die planaren Senorelemente entweder axial in ein zylindri­ sches Metallgehäuse eingebaut, wie beispielsweise aus der ge­ nannten EP 0 464 244 B1 ersichtlich, oder, wie gegenwärtig üblicher, das planare Sensorelement wurde parallel zum Sockel des Sensors, also parallel zur Stirnwand des zylindrischen Metallgehäuses angeordnet. Diese bisherige Aufbautechnologie macht im wesentlichen von durch Gaseinlaßöffnungen abgewan­ delten, ansonsten aber bekannten Gehäusen für Einzeltransi­ storen oder für Röhren Gebrauch.Since such gas sensors are used, among other things, for security monitoring flammable or explosive gases has been a protective cover for the sensors housing with gas inlet slots used. This will make him sufficient to detect gases that are within the protection  cover by the several hundred ° C hot, so if necessary beyond the flash point of the gas to be detected heated sensor element can be ignited, not as a flame can escape outside the sensor. So far the planar sensor elements either axially in a cylindri cal metal housing installed, such as from the ge named EP 0 464 244 B1, or, as is currently the case More commonly, the planar sensor element became parallel to the base of the sensor, i.e. parallel to the end wall of the cylindrical Metal housing arranged. This previous construction technology essentially turns away from gas inlets delten, but otherwise known housings for single transi or use for tubes.

Die bekannten Aufbaulösungen ermöglichen Laboraufbauten, je­ doch keine automatisierte Großserienfertigung. Insbesondere führen die genannten Anordnungen der planaren Sensorelemente in zylindrischen Metallgehäusen zu Fertigungsproblemen bei zweiseitig zu kontaktierenden Sensorelementen. Bisher wurde in einem manuellen Prozeß der Sensorchip zuerst einseitig mit Platindrähten durch Spaltschweißen versehen. Dann wurde der Chip gedreht und auf der gegenüberliegenden Seite mit Platin­ draht verschweißt. Der Chip mit den beidseitig befestigten Platindrähten wurde in der Folge mittels eines Manipulators in der Mitte des Metallgehäuses gehalten und die Platindrähte wurden auf die entsprechenden Pinenden des Gehäuses ausge­ richtet und mit ihnen verschweißt.The known assembly solutions enable laboratory setups, each but no automated mass production. In particular perform the above-mentioned arrangements of the planar sensor elements in cylindrical metal housings to manufacturing problems sensor elements to be contacted on both sides. So far in a manual process, the sensor chip is first unilaterally Platinum wires provided by gap welding. Then the Chip turned and on the opposite side with platinum wire welded. The chip with the two sides attached Platinum wires were subsequently manipulated using a manipulator held in the middle of the metal case and the platinum wires were put out on the corresponding pin ends of the housing straightened and welded to them.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gassensor der eingangs genannten Art zu schaffen, der insbe­ sondere auch bei zweiseitig zu kontaktierenden Sensorelemen­ ten eine kostengünstige Montage bzw. Herstellung erlaubt.The present invention has for its object a To create gas sensor of the type mentioned, the esp especially also with sensor elements to be contacted on two sides ten cost-effective assembly or production allowed.

Diese Aufgabe wird bei einem Gassensor der eingangs genannten Art erfindungsgemäß gelöst durch
This object is achieved according to the invention in a gas sensor of the type mentioned at the outset

  • - ein Leadframe, bei dem jeder elektrische Leitweg von einem der Außenanschlüsse zu einem der Anschlüsse des Sensorele­ ments durch ein separates Formstück gebildet ist,- a leadframe in which each electrical route from one the external connections to one of the connections of the sensor is formed by a separate molding,
  • - wobei die sensorelementseitigen Enden der Formstücke einen Kontaktbereich umgrenzen, in welchem das planare Sensorele­ ment in der Leadframeebene angeordnet ist,- Wherein the sensor element ends of the fittings one Limit the contact area in which the planar sensor element is arranged in the leadframe level,
  • - und durch ein flaches Kunststoffgehäuse, mit dem das Lead­ frame auf beiden Seiten durch einen Plastspritzprozeß um­ hüllt ist,- And through a flat plastic housing with which the lead frame on both sides by a plastic injection molding process is enveloped
  • - wobei einerseits die Außenanschlüsse aus dem Kunststoffge­ häuse herausgeführt sind und andererseits eine zur Leadfra­ meebene senkrechte Aussparung im Kunststoffgehäuse vorgese­ hen ist, die mindestens den Kontaktbereich umfaßt.- With the one hand, the external connections from the Kunststoffge houses are led out and on the other hand one to the lead woman level recess in the plastic housing hen, which includes at least the contact area.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale gekennzeichnet.Advantageous further developments of the invention can be found in the features specified in the subclaims.

Die Erfindung löst das zuvor geschilderte Montageproblem so­ wohl im Falle zweiseitig, wie einseitig zu kontaktierender Sensorelemente durch einen symmetrischen Aufbau, der die Mon­ tageebene in die Oberflächenebene des Sensorelementes legt. Gleichzeitig wird der Schritt von einem konventionellen Durchsteckbauelement zu einem wahlfrei steckbaren bzw. ober­ flächenmontierbaren Bauelement vollzogen.The invention thus solves the assembly problem described above probably in the case of two-sided as well as one-sided contact Sensor elements through a symmetrical structure, which the Mon day level in the surface level of the sensor element. At the same time, the move from a conventional one Push-through component to an optionally pluggable or upper surface-mounted component completed.

Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Figuren im Einzelnen beschrieben.In the following the invention with reference to several figures in Described individually.

Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht eines ersten Ausführungs­ beispiels der Erfindung, Fig. 1 shows a side view of a first execution of the invention,

Fig. 2 eine Ansicht des gleichen Ausführungsbeispiels von der Schmalseite her, Fig. 2 is a view of the same embodiment of the narrow side,

Fig. 3 das gleiche Ausführungsbeispiel mit noch nicht um­ spritztem Leadframe, Fig. 3 shows the same embodiment with not around spritztem leadframe,

Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel, in gleicher An­ sicht wie Fig. 1, Fig. 4 shows a second embodiment in the same view as to Fig. 1,

Fig. 5 das gleiche Ausführungsbeispiel wie Fig. 1, jedoch mit anders ausgeführten Außenanschlüssen, Fig. 5 shows the same embodiment as Fig. 1, external terminals, however, carried out with different

Fig. 6 das gleiche Ausführungsbeispiel wie Fig. 5, jedoch in der Darstellung gemäß Fig. 2, Fig. 6 shows the same embodiment as Fig. 5 but in the illustration of FIG. 2

Fig. 7 in perspektivischer Draufsicht das vervollständigte Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1. Fig. 7 is a perspective plan view of the completed embodiment of FIG. 1.

Die Fig. 1 bis 3 werden im folgenden im Zusammenhang er­ läutert. Das Leadframe 1, bei dem die einzelnen Formstücke gemäß Fig. 3 zunächst noch an einem gemeinsamen Trägerstrei­ fen 11 hängen, besteht aus leitfähigem Material, vorzugsweise Kupfer, Kupferlegierungen, Gold, Platin oder andere Metalle. Dieses Leadframe 1 ist ein planares Teil, das durch bekannte Verfahren wie Stanzen, Ätzen und Erodieren aus einem Blech eines der oben genannten Materialien herausgearbeitet ist. Die Formstücke sind im Rohzustand zunächst miteinander ver­ bunden. Nachdem das Leadframe durch einen Plastspritzprozeß mit Kunststoff umhüllt wurde, können die Verbindungen der einzelnen Formstücke, insbesondere der Trägerstreifen 11, entfernt werden. Fig. 1 und 3 zeigen eine Ausführungsform, bei der die Aussparung 7 im Kunststoffgehäuse 6 einerseits erheblich größer als der Kontaktbereich 5 ist. Dies hat den Vorteil, daß über die Enden 4 der Formstücke eine ausreichen­ de thermische Luftstrecke zwischen dem heißen Sensorelement 3 und dem Kunststoffgehäuse 6 definiert ist. Andererseits be­ findet sich die Aussparung 7 außerdem vorteilhafterweise den Außenanschlüssen 2 gegenüberliegend an der oberen Schmalseite 10, vgl. Fig. 7, des flachen Kuststoffgehäuses 6, so daß die Aussparung 7 nach drei Seiten hin offen ist. Dies ermöglicht unter anderem einen besonders leichten Zugang zum Kontaktier­ bereich bei der Montage. Die Aussparung kann vorteilhaft durch den in Fig. 7 erkennbaren U-förmigen Metallchip durch Kraft/Formschluß mit dem restlichen Aufbau verschlossen wer­ den. Figs. 1 to 3 are discussed below in connection he explained. The lead frame 1 , in which the individual shaped pieces according to FIG. 3 initially hang on a common support strip 11 , consists of conductive material, preferably copper, copper alloys, gold, platinum or other metals. This leadframe 1 is a planar part, which is worked out from a sheet of one of the above-mentioned materials by known methods such as stamping, etching and eroding. The fittings are initially connected to one another in the raw state. After the leadframe has been coated with plastic by a plastic injection molding process, the connections of the individual shaped pieces, in particular the carrier strip 11 , can be removed. Fig. 1 and 3 show an embodiment in which the recess 7 is on the one hand considerably larger than the contact portion 5 in the plastic housing 6. This has the advantage that a sufficient de thermal air gap between the hot sensor element 3 and the plastic housing 6 is defined via the ends 4 of the fittings. On the other hand, the recess 7 is also advantageously located opposite the external connections 2 on the upper narrow side 10 , cf. Fig. 7, the flat plastic housing 6 , so that the recess 7 is open on three sides. Among other things, this enables particularly easy access to the contact area during assembly. The recess can advantageously be closed by the U-shaped metal chip shown in FIG. 7 by force / positive locking with the rest of the structure.

Während der Montage wird der Sensorchip 3 mittels eines Mani­ pulators im Kontaktierbereich 5 gehalten. Anschließend kann durch einen Schweißvorgang ein Verbindungsdraht zwischen den Kontaktierflächen des Sensorelements 3 und dem Leadframe 1 angebracht werden. Bei zweiseitiger Kontaktierung wird der Aufbau nachfolgend einfach gedreht und noch mal an den ver­ bleibenden Kontaktpaaren kontaktiert. Der Sensor wird also einfach noch mal durch die gleichen Fertigungsstationen transportiert. Gegenüber der bekannten bisherigen Lösung ver­ einfacht sich das Verfahren durch die Durchführung der Kon­ taktierung in einem Schritt sowie durch für beide Sensorele­ mentseiten identische, automatisierbare Prozesse. In Zukunft hofft man auch einseitig kontaktierbare Sensorelemente zur Verfügung zu haben, die gegenwärtig eines der Entwicklungs­ ziele der Sensorfunktion an sich darstellen. Insbesondere bei einseitig kontaktierbaren Sensorelementen 3 erscheint es sinnvoll, die Enden 4 der Formstücke direkt mit den Kontak­ tierflächen der Sensorelemente 3 zu verschweißen. Damit ent­ fällt die Notwendigkeit eines Verbindungsdrahtes. Zu diesem Zweck ist es vorteilhaft, wie in Fig. 4 dargestellt, die En­ den 4 der Formstücke in Form einer thermischen Engstelle aus­ zubilden.During assembly, the sensor chip 3 is held in the contacting area 5 by means of a manipulator. A connecting wire can then be attached between the contacting surfaces of the sensor element 3 and the leadframe 1 by means of a welding process. With two-sided contacting, the structure is subsequently simply rotated and contacted again at the remaining contact pairs. The sensor is simply transported through the same manufacturing stations again. Compared to the known previous solution, the method is simplified by carrying out the contacting in one step and by processes which can be automated and are identical for both sensor elements. In the future, it is hoped that one-sided contactable sensor elements will be available, which are currently one of the development goals of the sensor function itself. In particular in the case of sensor elements 3 that can be contacted on one side, it appears sensible to weld the ends 4 of the shaped pieces directly to the contact animal surfaces of the sensor elements 3 . This eliminates the need for a connecting wire. For this purpose, it is advantageous, as shown in FIG. 4, to form the ends 4 of the shaped pieces in the form of a thermal constriction.

Die Gestaltung der Anschlußpins der Außenanschlüsse des er­ findungsgemäßen Gassensors kann beispielsweise, wie in Fig. 1 bis 4 dargestellt, als einreihige Anordnung von Anschluß­ pins 2 zur Durchsteckmontage erfolgen, oder, wie in Fig. 5 und 6 dargestellt, als einreihige Anordnung von Anschlußpins 2 mit insbesondere wechselseitig rechtwinklig ausgestellten Pins, die zur Oberflächenmontage geeignet sind.The design of the connection pins of the external connections of the gas sensor according to the invention can be, for example, as shown in FIGS. 1 to 4, as a single-row arrangement of connection pins 2 for push-through installation, or, as shown in FIGS. 5 and 6, as a single-row arrangement of connection pins 2 with in particular mutually perpendicular pins that are suitable for surface mounting.

Claims (9)

1. Gassensor, enthaltend ein planares Sensorelement mit An­ schlüssen, das ein halbleitendes, für reduzierende Gase sen­ sitives Material umfaßt, eine Schutzhülle, die den Sensor vor äußeren mechanischen Einflüssen schützt und die über Gasein­ lassöffnungen verfügt, sowie Außenanschlüsse, gekennzeichnet durch
  • - ein Leadframe (1), bei dem jeder elektrische Leitweg von einem der Außenanschlüsse (2) zu einem der Anschlüsse des Sensorelements (3) durch ein separates Formstück gebildet ist,
  • - wobei die sensorelementseitigen Enden (4) der Formstücke einen Kontaktbereich (5) umgrenzen, in welchem das planare Sensorelement (3) in der Leadframeebene angeordnet ist,
  • - und durch ein flaches Kunststoffgehäuse (6), mit dem das Leadframe (1) auf beiden Seiten durch einen Plastspritz­ prozeß umhüllt ist,
  • - wobei einerseits die Außenanschlüsse (2) aus dem Kunst­ stoffgehäuse (6) herausgeführt sind und andererseits eine zur Leadframeebene senkrechte Aussparung (7) im Kunststoff­ gehäuse (6) vorgesehen ist, die mindestens den Kontaktbe­ reich (5) umfaßt.
1. Gas sensor, containing a planar sensor element with connections, which comprises a semiconducting material for reducing gases sen sitative, a protective cover that protects the sensor from external mechanical influences and has gas inlet openings, and external connections, characterized by
  • a leadframe ( 1 ), in which each electrical route from one of the external connections ( 2 ) to one of the connections of the sensor element ( 3 ) is formed by a separate molding,
  • - The ends ( 4 ) of the shaped elements on the sensor element side delimit a contact area ( 5 ) in which the planar sensor element ( 3 ) is arranged in the leadframe plane,
  • - And by a flat plastic housing ( 6 ) with which the lead frame ( 1 ) is encased on both sides by a plastic injection process,
  • - Wherein on the one hand the external connections ( 2 ) from the plastic housing ( 6 ) are led out and on the other hand a vertical to the leadframe plane recess ( 7 ) in the plastic housing ( 6 ) is provided, which comprises at least the contact area ( 5 ).
2. Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparung (7) derart viel größer als der Kontaktbe­ reich (5) ist, daß dieser thermisch durch eine definierte Luftstrecke von dem Kunststoffgehäuse (6) getrennt ist.2. Gas sensor according to claim 1, characterized in that the recess ( 7 ) is so much larger than the contact area ( 5 ) that it is thermally separated by a defined air gap from the plastic housing ( 6 ). 3. Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparung (7) nach Montage des Sensorelements (3) durch ein mit Gaseinlaßöffnungen (9) versehenes, metallisches Formteil verschlossen ist. 3. Gas sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the recess ( 7 ) is closed after assembly of the sensor element ( 3 ) by a gas inlet openings ( 9 ) provided, metallic molded part. 4. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparung (7) zu einer Schmalseite (10) des flachen Kunststoffgehäuses (6) hin offen ist.4. Gas sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the recess ( 7 ) to a narrow side ( 10 ) of the flat plastic housing ( 6 ) is open. 5. Gassensor nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Formteil als metallisches Biegeteil (8) ausgeführt ist, das den Kontaktierbereich (5) U-förmig umschließt.5. Gas sensor according to claim 3 and 4, characterized in that the molded part is designed as a metallic bent part ( 8 ) which surrounds the contacting area ( 5 ) in a U-shape. 6. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse des Sensorelements (3) durch Verbindungs­ drähte zwischen den Kontaktflächen des Sensorelements (3) und dem Leadframe (1) gebildet sind.6. Gas sensor according to one of claims 1 to 5, characterized in that the connections of the sensor element ( 3 ) are formed by connecting wires between the contact surfaces of the sensor element ( 3 ) and the lead frame ( 1 ). 7. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse des Sensorelements (3) durch eine unmit­ telbare Verbindung der sensorelementseitigen Enden (4) der Formstücke des Leadframes (1) mit den Kontaktflächen des Sen­ sorelements (3) gebildet sind.7. Gas sensor according to one of claims 1 to 5, characterized in that the connections of the sensor element ( 3 ) by a direct connection of the sensor element-side ends ( 4 ) of the fittings of the lead frame ( 1 ) with the contact surfaces of the sensor element ( 3 ) formed are. 8. Gassensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenanschlüsse (2) eine einreihige Anordnung von An­ schlußpins zur Durchsteckmontage bilden.8. Gas sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the external connections ( 2 ) form a single-row arrangement of connection pins for push-through installation. 9. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenanschlüsse (2) eine einreihige Anordnung mit rechtwinklig ausgestellten Anschlußpins zur Oberflächenmonta­ ge bilden.9. Gas sensor according to one of claims 1 to 7, characterized in that the outer connections ( 2 ) form a single-row arrangement with right-angled connection pins for surface mounting.
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