DE19938868A1 - Sensoreinrichtung und Verfahren zum Herstellen einer Sensoreinrichtung - Google Patents

Abstract

Mindestens ein Kontaktelement (8) zum Übertragen von Kalibrierdaten während des Kalibrierens eines Sensors der Sensoreinrichtung ist elektrisch leitend mit einer Signalverarbeitungseinheit (7) des Sensors verbunden. Ferner hat das Kontaktelement (8) einen Kontaktbereich (9) in einer Nut (12) eines Gehäuseteils (1) der Sensoreinrichtung. In die Nut (12) ist eine Dichtmasse (14) eingebracht, die den Kontaktbereich (9) abdichtet und ein Deckel (16) ist in der Nut (12) mit der Dichtmasse (14) in Kontakt gebracht, wobei die Nut (12), die Dichtmasse (14) und der Deckel (16) so ausgebildet sind und zusammenwirken, daß die Kammer (4) nur mit einem Arbeitsmedium kommuniziert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung und ein Verfah­ ren zum Herstellen einer Sensoreinrichtung mit einem Sensor, der insbesondere als Drucksensor ausgebildet ist.

Aus der EP 0 548 470 B1 ist eine Sensoreinrichtung mit einem mikromechanischen Drucksensor bekannt. Der Drucksensor wird durch eine aus mehreren Schichten aufgebaute, korrosionssi­ chere Abdeckung geschützt. Als erste Schicht der Abdeckung und als Druckmittelmedium dient ein Silicongel. Der mikrome­ chanische Drucksensor ist in ein Gehäuse eingebracht.

Bei mikromechanischen Halbleitersensoren ist es bekannt, daß Sensorelement und eine Signalverarbeitungseinheit einstückig in dem Halbleitersensor auszubilden. In der Signalverarbei­ tungseinheit wird das Meßsignal des Sensorelements mittels einer Kennlinie und gegebenenfalls durch Korrektur mittels Korrekturwerten in ein Ausgangssignal umgeformt, daß dann beispielsweise einer Motorsteuerung zugeführt wird. Ist die Sensoreinrichtung in einen Sammler eines Ansaugtraktes einer Brennkraftmaschine angeordnet, so erfaßt die Sensoreinrich­ tung den Saugrohrdruck, der von der Motorsteuerung zur Be­ rechnung der Kraftstoffeinspritzmasse benötigt wird.

Aufgrund von Fertigungsstreuungen bei der Herstellung der Sensoren variiert der Bezug zwischen der jeweiligen Meßgröße, z. B. ein Druck, und dem jeweiligen Meßsignal des Sensors von Sensor zu Sensor. Daher müssen die Sensoren kalibriert wer­ den, um eine eindeutige Zuordnung zwischen der Meßgröße und dem jeweiligen Ausgangssignal des Sensors herzustellen.

Die Sensoren werden bekannterweise mit einer Vergußmasse um­ spritzt, um sie vor den teils chemisch aggressiven Arbeitsme­ dien zu schützen. Eine genaue Kalibrierung des Sensors ist erst nach dem Umspritzen des Sensors mit der Vergußmasse mög­ lich, da sich durch die Vergußmasse der Bezug zwischen Meß­ größe und Meßsignal des Sensors ändern kann. Ist jedoch der Sensor einstückig aus dem Sensorelement und der Signalverar­ beitungseinheit ausgebildet, so ist die Signalverarbeitungs­ einheit nach dem Umspritzen des Sensors nicht mehr elektrisch kontaktierbar, um eine Kalibrierung durchzuführen.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Sensoreinrichtung und ein Verfahren zum Herstellen der Sensoreinrichtung zu schaf­ fen, das gewährleistet, daß die Sensoreinrichtung exakt kali­ briert ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und des Patentanspruchs 4. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen ge­ kennzeichnet.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß der Kontaktbe­ reich der Kontaktelemente zum Kalibrieren gut elektrisch kon­ taktierbar ist und nach dem Kalibrieren durch das Einbringen der Dichtmasse gut isoliert ist und damit ein wirksamer Schutz gegen eine Beeinflussung der Signalverarbeitung durch Störsignale und ein Schutz gegenüber Korrosion gewährleistet ist. Die Erfindung ermöglicht ein einfaches und kostengünsti­ ges Herstellen der Sensoreinrichtung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand der schemati­ schen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ansicht einer Sensoreinrichtung,

Fig. 2 eine zweite Ansicht einer Sensoreinrichtung,

Fig. 3 einen Schnitt durch die Sensoreinrichtung gemäß Fig. 2 entlang einer Linie III-III,

Fig. 4 einen vergrößerten Ausschnitt der Fig. 3,

Fig. 5 einen Schnitt durch die Sensoreinrichtung gemäß Fig. 2 entlang einer Linie V-V',

Fig. 6 ein Ablaufdiagramm zur Herstellung der Sensorein­ richtung.

Elemente gleicher Konstruktion und Funktion sind figurenüber­ greifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Eine Sensoreinrichtung umfaßt ein Gehäuseteil 1, das einstüc­ kig mit einem Steckerteil 2 ausgebildet ist. Ferner ist in dem Gehäuseteil 1 eine Kammer 4 ausgebildet, in der ein Sen­ sor angeordnet ist. Der Sensor umfaßt ein Sensorelement 7 und eine Signalverarbeitungseinheit 6. Der Sensor ist vorzugswei­ se als mikromechanischer Halbleitersensor ausgebildet und ist in der bevorzugten Ausführungsform ein Drucksensor.

Die Signalverarbeitungseinheit 6 umfaßt eine Schaltungsanord­ nung zum Erzeugen eines Ausgangssignales abhängig von einem Meßsignal des Sensorelements 7. Ferner umfaßt die Signalver­ arbeitungseinheit 6 Speichermittel zum Abspeichern einer Kennlinie, in der Werte des Ausgangssignals abhängig von dem Meßsignal aufgetragen sind. Bevorzugt speichern die Speicher­ mittel auch Korrekturwerte zum Korrigieren des Meßsignals oder des Ausgangssignals.

Die Signalverarbeitungseinheit kann beispielsweise als ein anwenderspezifischer ACE (Asic) ausgebildet sein. Die Signal­ verarbeitungseinheit ist elektrisch leitend mit Kontakten des Steckerteils verbunden, die einerseits mit einer Stromversor­ gung kontaktierbar sind und andererseits zum Übertragen des Ausgangssignals der Signalverarbeitungseinheit 6 kontaktier­ bar sind. Ferner ist mindestens ein Kontaktelement 8 (in Fig. 1 drei Kontaktelemente) vorgesehen, die durch die Kammer 4 hin zu einer Nut 12 geführt sind. Das Kontaktelement ist elektrisch leitend mit der Signalverarbeitungseinheit 6 ver­ bunden, bevorzugt über Bondverbindungen. Die Nut 12 ist in dem Gehäuseteil 1 ausgebildet und umfaßt die Kammer 4. Auf das Sensorelement 7 und die Signalverarbeitungseinheit 6 ist eine Vergußmasse 11 aufgebracht, die beispielsweise aus Sili­ congel ausgebildet ist. Die Vergußmasse schützt das Senso­ relement 7 und die Signalverarbeitungseinheit gegenüber einem chemisch aggressiven Arbeitsmedium, dem die Sensoreinrichtung gegebenenfalls ausgesetzt ist. Ferner schützt die Vergußmasse 11 auch gegenüber mechanischen Beschädigungen. Das Sensorele­ ment 7 und die Signalverarbeitungseinheit 6 sind dabei so mit der Vergußmasse 11 vergoßen, daß das mindestens eine Kontak­ telement 8 im Bereich der Kammer 4 und die durch Bonddrähte hergestellte elektrische Kontaktierung zur Signalverarbei­ tungseinheit ebenfalls von der Vergußmasse 11 umspritzt sind.

In der Nut 12 ist bei dem Kontaktelement 8 ein Kontaktbereich 9 ausgebildet, der zum Kontaktieren von Nadeladaptern einer Kalibriervorrichtung geeignet ist.

Die Sensoreinrichtung weist ferner einen Deckel 16 (siehe Fig. 2-5) auf, der in die Nut 12 eingebracht ist. Der Deckel 16 wird nach dem Kalibrieren des Sensors in die Nut 12 einge­ bracht. Davor wird eine Dichtmasse 14 in die Nut 12 einge­ bracht, die den Kontaktbereich 9 isoliert und gleichzeitig als Dichtung für den Deckel 16 ausgebildet ist. Somit ist ge­ währleistet, daß der Kontaktbereich 9 nach dem Einbringen der Dichtmasse 14 nicht mehr elektrisch kontaktierbar ist und gleichzeitig vor Korrosion geschützt ist. Dadurch kann si­ chergestellt werden, daß während des Betriebes der Sensorein­ richtung keine störenden Signale über das Kontaktelement 8 übertragen werden, die zu einer Verfälschung der gespeicher­ ten Kalibrierdaten beitragen könnte.

Die Dichtmasse 12 trägt gleichzeitig dazu bei, daß das Gehäu­ seteil 1 und der Deckel 16 dicht miteinander verbunden sind. Der Deckel ist vorzugsweise als Stutzen mit einer Öffnung hin zu dem Arbeitsmedium ausgebildet, das beispielsweise die Luft in einem Sammler einer Brennkraftmaschine ist.

Durch die beschriebene Anordnung ist gewährleistet, daß die Kammer 4 nur mit dem Arbeitsmedium kommuniziert. Vorteilhaft ist, wenn die Dichtmasse 14 als Dicht-Klebemasse ausgebildet ist und der Deckel 16 in die Nut eingeklebt ist. Dadurch kann eine sonst zusätzliche mechanische Befestigung des Deckels 16 an dem Gehäuseteil 1 entfallen. Das Arbeitsmedium ist das Me­ dium in dem die jeweilige Meßgröße erfaßt werden soll. Bei einer als Saugrohrdrucksensor ausgebildeten Sensoreinrichtung ist dies die Luft im Sammler des Ansaugtraktes der Brenn­ kraftmaschine.

In einer komfortableren Ausführungsform der Erfindung (Fig. 5) weist die Sensoreinrichtung ein elektrisches Bauelement auf, das ausgebildet ist als Temperatursensor. Der Tempera­ tursensor weist ein Temperatur-Sensorelement 29 auf, das über Anschlußelemente 30, 31 verfügt, die in einem Bereich frei geführt sind und anschließend in einem Stützelement 32 ge­ führt sind. Das Stützelement 32 weist Stützfüße 35, 36 auf, die in eine weitere Nut 43, 44 eingebracht sind. In der wei­ teren Nut 43, 44 sind vorzugsweise verformbare Kunststoffna­ sen ausgebildet, die der mechanischen Fixierung der Stützfüße 35, 36 in der weiteren Nut 43, 44 dienen. Bevorzugt ist die weitere Nut 43, 44 mit der Nut 12 verbunden, so daß die Dichtmasse 14 ebenfalls in die weitere Nut 43, 44 eindringt. Ist die Dichtmasse bevorzugt als Dicht-Klebemasse ausgebil­ det, so ist damit eine einfache mechanische Fixierung des Stützelements gewährleistet.

Fig. 6 zeigt ein Ablaufdiagramm des Verfahrens zum Herstel­ len der Sensoreinrichtung. In einem Schritt S1 wird eine Platte, die aus einem Grundmaterial, vorzugsweise eine Kup­ ferlegierung, und einem plattenförmig ausgebildeten Zusatzma­ terial, daß vorzugsweise Aluminium ist, durch Stanzen zu ei­ nem Stanzgitter ausgebildet. Das Stanzgitter umfaßt elek­ trisch leitende Leiterbahnen und das mindestens eine Kontak­ telement 8. Das Stanzgitter wird anschließend mit Kunststoff derart umspritzt, daß sich das Gehäuseteil 1, das Steckerteil 2, die Kammer 4 und die Nut 12 ausbilden.

In einem Schritt S2 wird der Sensor, also das Sensorelement 7 und die Signalverarbeitungseinheit 6, in die Kammer 4 einge­ bracht und vorzugsweise durch Kleben an dem ersten Gehäuse­ teil 1 befestigt.

In einem Schritt S3 wird die Signalverarbeitungseinheit 7 elektrisch leitend mit dem Kontaktelement 8 und gegebenen­ falls weiteren Anschlüssen durch Bonden verbunden.

In einem Schritt S4 wird die Vergußmasse 11 in die Kammer eingebracht und zwar derart, daß sie den Sensor, Bonddrähte und das mindestens eine Kontaktelement 8 bedeckt.

In einem Schritt S5 erfolgt das Kalibrieren des Sensors. Dazu ist eine nicht dargestellte Kalibriervorrichtung vorgesehen, die über mindestens einen Nadeladapter den Kontaktbereich 9 des Kontaktelements 8 elektrisch leitend kontaktiert. Bevor­ zugt kontaktiert sie auch einen Steckkontakt, der im Stecker­ teil 2 ausgebildet ist und über den das Ausgangssignal des Sensors übertragen wird.

Vorzugsweise sind über das mindestens eine Kontaktelement di­ gitale Ein-/Ausgabe-Ports der Signalverarbeitungseinheit 6 kontaktierbar. Die Ports sind beispielsweise als "Enable", "Clock" oder serieller Port ausgebildet. Diese Ports werden lediglich zur Kalibrierung des Sensors benötigt.

Zum Kalibrieren des Sensors wird die Sensoreinrichtung vor­ zugsweise einem vorgegebenen Druck- und/oder Temperaturprofil ausgesetzt und von der Kalibriervorrichtung werden entspre­ chende Meßdaten, wie beispielsweise das Ausgangssignal der Sensoreinrichtung und/oder das Meßsignal des Sensorelements 7 erfaßt. Die Kalibriervorrichtung berechnet dann abhängig von den Meßdaten eine Kennlinie und zwar derart, daß ein vorgege­ bener Zusammenhang zwischen der Meßgröße, die vorzugsweise der Druck ist, und dem Ausgangssignal der Signalverarbei­ tungseinheit 6 besteht.

Bevorzugt werden auch noch Korrekturwerte berechnet, die bei­ spielsweise abhängig von der jeweiligen Temperatur sind. An­ schließend werden die Kennlinie und/oder die Korrekturwerte an die Signalverarbeitungseinheit 6 übertragen und in einem dort vorgesehenen Speichermittel gespeichert. Die Signalver­ arbeitungseinheit 6 berechnet dann im Betrieb der Sensorein­ richtung Ausgangssignale abhängig von der abgespeicherten Kennlinie und gegebenenfalls dem oder den Korrekturwerten.

Nach dem Kalibrieren in dem Schritt S5 und nach erfolgtem Entfernen der Kalibriervorrichtung wird in die Nut 12 die Dichtmasse 14 eingebracht, die den Kontaktbereich abdichtet. Anschließend wird in einem Schritt S7 der Deckel 16 in die Nut eingesetzt und entweder mittels eines Befestigungsele­ ments an dem Gehäuseteil 1 befestigt oder vorzugsweise durch die als Dicht-Klebemasse ausgebildete Dichtmasse 14 befe­ stigt.

Die Erfindung ist nicht auf das hier beschriebene Ausfüh­ rungsbeispiel beschränkt. Vorzugsweise ist beispielsweise in dem ersten Gehäuseteil 1 in der Kammer 4 eine zweistufige Vertiefung geschaffen. Dabei ist eine untere Sicke so ausge­ bildet, daß der Sensor einschließlich der Vergußmasse 11 nicht oberhalb der Kontaktierungsfläche für die Bonddrähte im Bereich des Kontaktelements zu liegen kommt. Eine weitere Sicke ist erhöht dazu vorgesehen, die den hermetischen Verguß des Sensors inklusive der Bonddrähte ermöglicht. Ferner ist das Gehäuseteil 1 bevorzugt durch die Wahl eines speziellen Werkstoffs und die Realisierung einer bestimmten Oberflächen­ beschaffenheit so ausgebildet, daß eine laserbeschriftbare und maschinenlesbare Fläche geschaffen ist. Ferner sind vor­ zugsweise am Stanzgitter (leadframe) Kondensatoren senkrecht neben- oder hintereinander befestigt und anschließend dünn mit Kunststoff vorumspritzt. Die gesamte Anordnung wird an­ schließend in Gehäuseteil 1 eingeformt.

Um eine Vielfalt von Ausbildungen des Gehäuseteils 1 einfach fertigungstechnisch realisierbar zu machen, sind Gehäuseauf­ nehmungen zur Aufnahme eines Werkstückträgers so ausgebildet, daß deren Lage zu beiden Gehäusemittelachsen für alle Gehäu­ sevarianten gleich ist. Die Gehäuseausnehmungen können ge­ schlossen oder offen, rund oder eckig sein.

Claims (6)

1. Verfahren zum Herstellen einer Sensoreinrichtung mit

• - einem Sensor, der ein Sensorelement (6) und eine Signalver­ arbeitungseinheit (7) umfaßt,
• - einem Gehäuseteil (1) mit einer Kammer (4), in die der Sensor eingebracht ist, und
• - mindestens einem Kontaktelement (8), das elektrisch lei­ tend mit der Signalverarbeitungseinheit (7) verbunden ist,
• - wobei der Sensor mit einer Vergußmasse (11) umspritzt wird und das mindestens eine Kontaktelement (8) so ausgebildet ist, daß es auch nach dem Umspritzen des Sensors mit Ver­ gußmasse (11) in einem Kontaktbereich (9) elektrisch kon­ taktierbar sind und der Kontaktbereich (9) in einer Nut (12) des Gehäuseteils (1) der Sensoreinrichtung ausgebildet ist,
• - der Sensor kalibriert wird durch Abgleichen der Kennlinie des Sensorelements (6) mit einer vorgegebenen Kennlinie und Übertragen von Kalibrierdaten über das oder die Kontaktele­ mente (8) zur Signalverarbeitungseinheit (7) und Abspei­ chern der Kalibrierdaten in der Signalverarbeitungseinheit
• - daß in die Nut (12) eine Dichtmasse (14) eingebracht wird, die den Kontaktbereich (9) abdichtet, und
• - daß ein Deckel (16) in der Nut mit der Dichtmasse (14) in Kontakt gebracht wird wobei die Nut (12), die Dichtmasse (14) und der Deckel (16) so ausgebildet sind und zusammen­ wirken, daß dann die Kammer (4) nur mit einem Arbeitsmedium kommuniziert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierdaten mindestens einen Korrekturwert umfassen.

3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierdaten eine kalibrierte Kennlinie des Sensorelements (6) umfassen.

4. Sensoreinrichtung mit

• - einem Sensor, der ein Sensorelement (6) und eine Signal­ verarbeitungseinheit (7) umfaßt,
• - einem Gehäuseteil (1) mit einer Kammer (4), in die der Sensor eingebracht ist und in der er mit einer Vergußmasse (11) umspritzt ist, und
• - mindestens einem Kontaktelement (8) zum Übertragen von Ka­ librierdaten während des Kalibrierens des Sensors, das elektrisch leitend mit der Signalverarbeitungseinheit (7) verbunden ist und einen Kontaktbereich (9) in einer Nut (12) des Gehäuseteils (1) der Sensoreinrichtung hat,
• - wobei in die Nut (12) eine Dichtmasse (14) eingebracht ist, die den Kontaktbereich (9) abdichtet, und
• - ein Deckel (16) in der Nut (12) mit der Dichtmasse (14) in Kontakt gebracht ist, wobei die Nut (12), die Dichtmasse (14) und der Deckel (16) so ausgebildet sind und zusammen­ wirken, daß die Kammer (4) nur mit einem Arbeitsmedium kommuniziert.

5. Sensoreinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtmasse (14) als Dicht-Klebemasse ausgebildet ist und der Deckel (16) in die Nut (12) eingeklebt ist.

6. Sensoreinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Stützfüße (35, 36) eines elektrischen Bauelements in eine weitere Nut (43, 44) des Gehäuseteils eingebracht sind und die Dicht-Klebemasse auch in die weitere Nut (43, 44) eingebracht ist.