DE19830538A1 - Drucksensor-Anordnung, insbesondere zur Druckerfassung in einem ölbeaufschlagten Druckbereich eines Kraftfahrzeuggetriebes - Google Patents

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.