DE19830538A1 - Drucksensor-Anordnung, insbesondere zur Druckerfassung in einem ölbeaufschlagten Druckbereich eines Kraftfahrzeuggetriebes - Google Patents
Drucksensor-Anordnung, insbesondere zur Druckerfassung in einem ölbeaufschlagten Druckbereich eines KraftfahrzeuggetriebesInfo
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Abstract
Eine Drucksensor-Anordnung ist versehen mit einem Drucksensor-Element (9) mit physikalischem Druckdetektor (12) und integrierter elektronischer Beschaltung, mit einem Träger (4) für das Drucksensor-Element (9) und einer elektronischen Schaltung (22) auf dem Träger (4), der als Trennwand zwischen Druckbereich (2) und Elektronikraum (5) ausgebildet ist, wobei das Sensor-Element (9) in einem Durchbruch (10) im Träger (4) unter hermetischer Abdichtung des Durchbruchs (10) angeordnet ist.
Description
Die Erfindung betrifft eine Drucksensor-Anordnung zur
Druckerfassung in einem Druckbereich, insbesondere einem öl
beaufschlagten Druckbereich eines Kraftfahrzeuggetriebes, mit
den im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen.
Zum Hintergrund der Erfindung ist fest zuhalten, daß moderne
Elektroniksteuerungen in zunehmenden Maße komplexer werden.
Dabei erhöht sich ständig die Anzahl der miteinander verbun
denen und auszuwertenden Sensoren und deren Signale. Parallel
dazu steigen die Anforderungen hinsichtlich der Miniaturisie
rung solcher elektronischer Steuerungen und der damit verbun
denen Erhöhung der Integrationsdichte. Auch sollen die Gerä
te-Herstellungskosten in zunehmenden Maße reduziert werden.
Insoweit ist also der Einsatz neuer Integrationstechniken von
Wichtigkeit.
Insbesondere im Zusammenhang mit Industrieanwendungen und im
Automobilbau ist zunehmend ein Trend zu verzeichnen, elektro
nische Steuerungen und andere elektronische Baueinheiten ins
besondere in Modultechnik an Einbauorten mit rauhen Umge
bungsbedingungen einzusetzen, z. B. in einem Getriebe. Hier
ist insbesondere der Einsatz von Drucksensoren für die vor
stehende Erfindung relevant, was ganz allgemein die DE 295 13 950 U1
anhand der Integration eines Drucksensors in eine Ge
triebesteuerung zeigt.
Insoweit setzt der Oberbegriff des Anspruches 1 auf die der
zeit geltende Technik auf. Dabei ist vorgesehen, daß Druck
sensoren in einem Gehäuse eingeschlossen außerhalb des die
elektronische Beschaltung und die weitere Signalverarbeitung
aufweisenden Elektronikraums angeordnet werden. Dadurch wird
eine Trennung zwischen dem zu schützenden Elektronikraum und
dem Druckbereich erzielt, dessen Druck zu erfassen ist.
Die vorstehend erörterte Konzeption bedingt ein eigenes Ge
häuse für das Sensor-Element sowie zusätzliche Verbindungs
elemente zwischen dem eigentlichen physikalischen Druckdetek
tor, seiner elektronischen Beschaltung zur Meßwertaufberei
tung und gegebenenfalls weiteren Schaltungseinheiten mit kom
plexen Aufgaben, wie z. B. eine Getriebesteuerelektronik.
Insgesamt ist also ein erhöhter Montageaufwand und ein größe
res Einbauvolumen mit entsprechend höheren Fertigungskosten
als Nachteil des Standes der Technik zu verzeichnen.
Ausgehend von den geschilderten Problemen des Standes der
Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Druck
sensor-Element so zu montieren, daß sich der Herstellungsauf
wand deutlich reduziert.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichnungsteil des An
spruches 1 angegebenen Merkmale gelöst. Demnach ist der Trä
ger der Drucksensor-Anordnung als mechanische Trennwand zwi
schen dem Druckbereich und dem die elektronische Schaltung
aufweisenden Elektronikraum ausgebildet. Das vorzugsweise ge
häuselose Drucksensor-Element ist dabei im Bereich eines
Durchbruchs im Träger unter hermetischer Abdichtung des
Durchbruchs derart angeordnet, daß der physikalische Druckde
tektor im Drucksensor-Element vom zu erfassenden Druck im
Druckbereich beaufschlagbar ist. Erfindungsgemäß erfolgt also
die Montage des (oder mehrerer) Drucksensors(en) direkt im
Elektronikraum, wobei die Drucksensor-Elemente direkt in oder
auf das Elektroniksubstrat integriert verarbeitet werden. Sie
sind dabei so auf dem Träger montiert, daß zum einen eine auf
dem Sensorchip integrierte Auswerteelektronik gegen die ag
gressiven Umweltbedingungen im Druckbereich, wie z. B. Öl
druck, Feuchte, aggressive Atmosphäre geschützt ist. Zum an
deren wird durch die erfindungsgemäße Montageart gleichzeitig
eine Medientrennung realisiert, die den Elektronikraum vom
Druckbereich, dessen Druck zu erfassen ist, trennt. An dieser
Trennung ist der Träger des Drucksensor-Elementes und das
Drucksensor-Element selbst beteiligt. Der angegebene Durch
bruch dient dabei als Druckkanal zur Verbindung zwischen
Druckbereich und Druckdetektor.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Un
teransprüchen angegeben.
Zusammenfassend kombiniert die vorgeschlagene Integration von
Drucksensoren Montagetechnologien mit Gehäusetechnologien.
Die angegebene Montageweise des Sensor-Elementes erfüllt da
bei sowohl elektrische Funktionen und die mechanische Stabi
lisierung - in der Praxis können Druckdifferenzen im Beispiel
einer Getriebesteuerung in der Größenordnung von bis zu 100
bar liegen - als auch die Funktion der Trennung der unter
schiedlichen Funktionsräume und damit die Dichtungsfunktion.
Dies stellt eines ausgesprochene Doppelfunktion dar, die auch
zur Reduzierung von Geräte-Herstellungskosten führt. Eine
weitere Verbesserung in dieser Hinsicht ergibt sich durch die
Vermeidung des Gehäuseeinschlusses der Drucksensoren. Ferner
können Fertigungstoleranzen durch einen Abgleich des Sensor-
Elementes auf der zugehörigen Elektronikschaltung, beispiels
weise durch Programmierung, reduziert werden.
Die Anwendungsgebiete der erfindungsgemäßen Drucksensor-
Anordnung sind dabei nicht auf Kraftfahrzeuggetriebe be
schränkt. Mit einer entsprechenden Anordnung können der An
saugunterdruck bzw. der Umgebungsdruck bei Motorsteuerungen,
der Systemdruck von Reduktionsmitteln (z. B. wäßrige Harn
stofflösung) für eine Abgasnachbehandlung bei Dieselfahrzeu
gen, der Abgasdruck im Rahmen einer Katalysator- oder Rußfil
terüberwachung bei Dieselfahrzeugen usw. gemessen werden.
Verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in der
nachfolgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 bis 4 schematische Vertikalschnitte durch unter
schiedliche Drucksensor-Anordnungen zur Ge
triebeöldruckmessung.
Als Beispiel für die Anwendung der erfindungsgemäßen Druck
sensor-Anordnung soll im folgenden auf Getriebesteuergeräte
Bezug genommen werden, zu deren Betrieb der Getriebeöldruck
gemessen werden muß.
So ist bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform die Druck
sensor-Anordnung 1 zur Druckerfassung in einem Druckbereich 2
eines Kraftfahrzeuggetriebes direkt auf die Hydraulikeinheit
3 des Getriebes gesetzt. Hierzu weist die Drucksensor-Anord
nung 1 einen als funktionelles Ganzes mit 4 bezeichneten Trä
ger auf, der als mechanische Trennwand zwischen dem Druckbe
reich 2 und dem eine nicht näher dargestellte elektronische
Schaltung aufweisenden Elektronikraum 5 dient. Der Träger 4
ist dabei aus einer Bodenplatte 6 und einem durch eine Ver
klebung 7 darauf fixierten Substrat 8 gebildet. Letzteres
kann ein Keramik-, LTCC-, Flex-Substrat o. ä. sein. Auf dem
Substrat 8 kann eine Steuerschaltung für eine integrierte Ge
triebesteuerung mit gehäuselosen aktiven Bauelementen und
passiven Bauelementen realisiert sein.
Zur Erfassung des Druckes im Druckbereich 2 ist ein Drucksen
sor-Element 9 vorgesehen, das im Ausführungsbeispiel gemäß
Fig. 1 auf der oberen Montagefläche 17 des Substrats 8 über
einem Durchbruch 10 fixiert ist, der die Bodenplatte 6 und
das Substrat 8 durchsetzt. Im Bereich der Hydraulikeinheit 3
ist eine entsprechende Druckerfassungsöffnung 11 vorgesehen,
so daß der im Druckbereich 2 herrschende Druck über die
Druckerfassungsöffnung 11 und den Durchbruch 10 zum physika
lischen Druckdetektor 12 des Sensor-Elementes 9 gelangt. Auf
dem Sensor-Element 9 ist eine elektronische Beschaltung vor
gesehen, die beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 eine Aus
werte- und Abgleichschaltung umfaßt. Zwischen der Bodenplatte
6 und der Hydraulikeinheit 3 ist eine O-Ring-Dichtung 13 zwi
schengelegt, so daß eine druckdichte Verbindung zwischen
Durchbruch 10 und Druckbereich 2 gegeben ist.
Das Drucksenor-Element 9 ist von gehäuseloser Bauart und über
sogenannte Flip-Chip-Kontakte 14 an seiner Unterseite mit
entsprechenden Leiterbahnen auf dem Substrat 8 elektrisch
verbunden. Diese Flip-Chip-Kontakte 14 sind in eine Unter
füll-Dichtung 15 eingebettet, die den Spalt zwischen der Un
terseite des Drucksensor-Elementes 9 und dem Durchbruch 10
hermetisch abdichtet. Durch diese Unterfülldichtung 15 werden
zusammen mit der Chip-Passivierung die im unteren Bereich des
Drucksensor-Elementes 9 angeordneten Schaltungsteile des
Chips geschützt. Ferner gewährleistet die Unterfülldichtung
15 auch die mechanische Festigkeit des Drucksensor-Elementes
9 in überwiegender Weise.
Wie ferner aus Fig. 1 hervorgeht, ist der Elektronikraum 5
durch einen dicht auf dem Träger 4 bzw. die Bodenplatte 6
sitzenden Gehäusedeckel 16 abgeschlossen.
Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich le
diglich durch die Bauart des Drucksensor-Elementes 9', was
noch näher erläutert wird. Ansonsten mit dem Ausführungsbei
spiel gemäß Fig. 1 übereinstimmenden Bauteile sind mit iden
tischen Bezugszeichen versehen und bedürfen keiner nochmali
gen Erläuterung.
Während bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 das Druck
sensor-Element 9 in der sogenannten "Surface-Micromachining-
Technologie" als kapazitiv arbeitender Druckaufnehmer ausge
bildet ist, ist das Drucksensor-Element 9' in der Ausfüh
rungsform gemäß Fig. 2 zwar ebenfalls als gehäuseloses "Bare-
Die-Element", jedoch in "Bulk-Silicium-Technologie" reali
siert. Hierbei arbeitet der physikalische Druckdetektor 12'
piezoresistiv und ist als Druckaufnahmeschicht auf der Chip-
Oberseite des Drucksensor-Elementes 9' realisiert. Letzteres
weist als elektronische Beschaltung eine Wheatstonesche Brücke
auf. Diese dient zum Abgleich des Druckdetektors 12'. Im
übrigen kann das Drucksensor-Element 9' auch in BSOI-
Silizium-Technologie in kapazitiver oder piezorestiver Aus
führung realisiert werden.
Das Drucksensor-Element 9' ist ferner auf dem Substrat 8
durch eine vollflächige Verlötung 26 auf der obenliegenden
Montagefläche 17 befestigt, so daß der Druckbereich 2 wieder
um hermetisch vom Elektronikraum 5 durch das Drucksensor-
Element 9' getrennt ist. Die sich auf der Oberseite des
Drucksensor-Elementes 9' befindliche Meßwert-Auswerteschal
tung ist damit vom Druckbereich genauso geschützt wie die auf
dem Substrat 8 realisierte elektronische Getriebesteuerung.
Die Auswerteschaltung ist dabei über schematisch angedeutete
Bonddrähte 18 mit der elektronischen Getriebesteuerung ver
bunden. Auch eine Kontaktierung durch sogenanntes "Thermokom
pressionsbonden" ist möglich.
Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform einer Drucksen
sor-Anordnung ist das chipförmige Drucksensor-Element 9'' im
Durchbruch 10' des als Bodenplatte 6 aus Aluminium ausgeführ
ten Trägers 4 angeordnet und an der nach unten weisenden Mon
tagefläche 19 der sogenannten Verdrahtungsebene 20 der Schal
tung zur Getriebesteuerung angeordnet. Im gezeigten Ausfüh
rungsbeispiel ist diese "Verdrahtungsebene 20" durch eine
Kapton-E-Folie mit darauf befindlicher Leiterbahnstruktur ge
bildet. Der Träger kann wiederum auch beispielsweise als Ke
ramik, insbesondere LTCC-Keramik, als übliche Leiterplatte
oder als Gußgehäuse ausgeführt sein. Die Montage erfolgt
hierbei in Flip-Chip-Technologie oder einem nicht näher dar
gestellten Direktkontaktierverfahren auf die Unterseite der
Verdrahtungsebene 20, wodurch die darauf befindliche Schal
tung vom ölbeaufschlagten Druckbereich 2 isoliert bleibt. Von
unten ist eine zusätzlich aufgetragene Isolationsschicht 21 -
beispielsweise in Form einer gesputterten Kupferschicht -
vorgesehen, die den physikalischen Druckdetektor 12'' frei
läßt. Dadurch werden Elektronikraum 5 und Druckbereich 2 wie
derum hermetisch voneinander getrennt. Die Isolationsschicht
21 kann, wenn erforderlich, galvanisch verstärkt werden und
im übrigen bei Auswahl geeigneter Materialien - wie bei
spielsweise des vorgenannten Kupfers - zusätzlich die Funkti
on einer optimierten Wärmeableitung erfüllen. Ferner trägt
sie zur mechanischen Stabilisierung der druckdichten Trennung
mit Hilfe des Drucksensor-Elementes 9'' bei. Schließlich
bleibt zu erwähnen, daß die elektronische Getriebesteuerung
auf der Verdrahtungsebene 20 teilweise durch darauf sitzende
SMD-Bauelemente 22 realisiert ist. Anstatt oder zusätzlich zu
den SMD-Bauelementen 22 können auch gehäuselose IC's, Senso
ren usw. als Bauelemente auf der Verdrahtungsebene 20 aufge
bracht sein.
Fig. 4 zeigt wiederum die Anwendung einer erfindungsgemäßen
Drucksensor-Anordnung für die Getriebeöldruckmessung. Dabei
ist der Träger 4 hier durch eine Bodenplatte 6 mit darauf ge
klebtem Substrat 8 realisiert. Der Durchbruch 10 ist dabei
zum Substrat hin zu einer Aufnahmeöffnung 23 stufig erwei
tert, in der das chipförmige Drucksensor-Element 9''' unter
gebracht ist. Dieses ist über Flip-Chip-Kontakte 14' an der
unteren Montagefläche 19 befestigt und kontaktiert. Die Flip-
Chip-Kontakte 14' sind in eine Unterfülldichtung 15' einge
bettet, so daß der Druckbereich 2 wiederum hermetisch gegen
über dem Elektronikraum 5 abgedichtet ist. Physikalischer
Druckdetektor 12''' und Auswerteschaltung befinden sich auf
der Oberseite des chipförmigen Drucksensor-Elementes 9'''.
Die Auswerteschaltung ist dabei wiederum durch die Chip-
Passivierung und die Unterfülldichtung 15' geschützt. Durch
diese Bauart ist auch die mechanische Festigkeit des Druck
sensor-Elementes 9''' in erster Linie gewährleistet.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ist noch die Besonderheit
gegeben, daß das Substrat 8 eine Öffnung 24 oberhalb des phy
sikalischen Druckdetektors 12''' des Drucksensor-Elementes
9''' aufweist. Dadurch wirkt der Elektronikraum 5 als Gegen
druckbereich zum Druckbereich 2.
Schließlich ist seitlich außerhalb der Aufnahmeöffnung 23
noch eine Überlaufrille 25 für Klebestoffe in der Bodenplatte
6 vorgesehen. Dadurch ist es möglich, unterschiedliche Kleb
stoffe (z. B. ATF-beständige Kleber und flexible Kleber) zur
Herstellung der Verklebung 7 auftragen zu können.
Allen Ausführungsformen ist gemeinsam, daß die Druckbeauf
schlagung P über den Durchbruch 10 auf das Drucksensor-
Element 9, 9', 9'', 9''' wirkt, das wiederum selbst zusammen
mit dem Substrat für eine hermetische Abdichtung des Druckbe
reichs 2 gegenüber dem Elektronikraum 5 sorgt.
Claims (10)
1. Drucksensor-Anordnung zur Druckerfassung in einem Druckbe
reich, insbesondere in einem ölbeaufschlagten Druckbereich
eines Kraftfahrzeuggetriebes, mit
- - einem chipförmigen Drucksensor-Element (9, 9', 9'', 9'''), bestehend aus einem physikalischen Druckdetektor (12, 12', 12'', 12''') und einer integriert damit ausge führten elektronischen Beschaltung,
- - einem Träger (4), auf dem das Drucksensor-Element (9, 9', 9'', 9''') mechanisch befestigt und elektrisch kontak tiert ist, und
- - einer elektronischen Schaltung (22) auf dem Träger (4) mindestens zur Weiterverarbeitung der vom Drucksensor- Element (9, 9', 9'', 9''') gelieferten Meßsignale, dadurch gekennzeichnet, daß
- - der Träger (4) als mechanische Trennwand zwischen dem Druckbereich (2) und dem die elektronische Schaltung (22) aufweisenden Elektronikraum (5) ausgebildet ist, und
- - das vorzugsweise gehäuselose Drucksensor-Element (9, 9', 9'', 9''') im Bereich eines Durchbruchs (10) im Träger (4) unter hermetischer Abdichtung des Durchbruchs (10) derart angeordnet ist, daß der Druckdetektor (12, 12', 12'', 12''') vom zu erfassenden Druck (P) im Druckbereich (2) beaufschlagbar ist.
2. Drucksensor-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Träger (4) aus einer Bodenplat
te (6) und einem darauf fixierten, vorzugsweise damit ver
klebten Substrat (8) besteht.
3. Drucksensor-Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der Elektronikraum durch einen
auf dem Träger (4) sitzenden Gehäusedeckel (16) abgeschlos
sen ist.
4. Drucksensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß das Drucksensor-
Element (9, 9') auf der dem Elektronikraum (5) zugewandten
Montagefläche (17) des Trägers (4) über dem Durchbruch (10)
angeordnet ist.
5. Drucksensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß das Drucksensor-
Element (9'', 9''') auf der dem Elektronikraum (5) abge
wandten Montagefläche (19) des Trägers (4) im Durchbruch
(1) angeordnet ist.
6. Drucksensor-Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch
gekennzeichnet, daß das Drucksensor-Element (9, 9',
9'', 9''') an der Montagefläche (17, 19) des Trägers (4)
durch eine hermetisch abschließende Unterfüll-Dichtung (15,
15') oder Verlötung (26) befestigt ist.
7. Drucksensor-Anordnung nach Anspruch 6, dadurch ge
kennzeichnet, daß in der Unterfüll-Dichtung (15, 15')
elektrische Anschlußkontakte (14, 14') für die elektroni
sche Beschaltung des Drucksensor-Elementes (9, 9''') einge
bettet sind.
8. Drucksensor-Anordnung nach Anspruch 6, dadurch ge
kennzeichnet, daß bei einer Montage des Drucksensor-
Elementes (9') durch Verlötung (26) die elektronische Be
schaltung des Drucksensor-Elementes (9') durch Bonden (18)
mit der druckabgewandten Seite des Drucksensor-Elements
(9') erfolgt.
9. Drucksensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß Träger (4) und Druck
sensor-Element (9'') außerhalb des physikalischen Druckde
tektors (12'') auf der dem Druckbereich (2) zugewandten
Oberfläche mit einer hermetisch abdichtenden Isolierlage
(21) belegt sind.
10. Drucksensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (4) unter
Zwischenlage einer O-Ring-Dichtung (13) mit einem druckfüh
renden Gehäuse (3) derart druckdicht verbunden ist, daß
sein Durchbruch (10) mit einer Druckerfassungsöffnung (11)
im Gehäuse (3) kommuniziert.
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