-
Technisches Gebiet
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Druckerfassung
und betrifft insbesondere ein Drucksensormodul, das eine minimale
Packungsbeanspruchung erfährt.
-
Hintergrund der Erfindung
-
Drucksensoren
werden häufig
bei Kraftfahrzeuganwendungen eingesetzt, um verschiedene Aspekte
des Fahrzeugbetriebs zu steuern und zu überwachen. Die Drucksensoren
sind typisch erforderlich, um eine genaue Analogspannungsausgabe
zu liefern, die den auf ein Erfassungselement ausgeübten Druck
repräsentiert.
Bei Anwendungen in der Kraftfahrzeugindustrie ist es im Allgemeinen
erforderlich, dass der Drucksensor während der gesamten Lebensdauer
des Fahrzeugs über
einen weiten Temperaturbereich von ungefähr –40 °C bis 125 °C genau ist.
-
In 1 und 2 ist
ein typischer Drucksensor gezeigt, der zwei Komponenten umfasst, nämlich ein
Druckerfassungselement, das in 1 gezeigt
ist, und eine Kompensationsschaltung, die in 2 gezeigt
ist. Das hier gezeigte und beschriebene Druckerfassungselement 10 ist
ein piezoresistiver Sensor mit vier Widerständen R1 bis R4, die in einer Wheatestone-Brücke angeordnet
sind. Die Eingangsanschlüsse 16 und 18 sind
an die Spannungsversorgung Vs bzw. Masse gekoppelt. Die Werte der Widerstände R1 und
R3 nehmen proportional zum ausgeübten
Druck ab, und die Werte der Widerstände R2 und R4 nehmen proportional
zum ausgeübten Druck
zu. Eine Zunahme des erfassten Drucks bewirkt ein Ansteigen der Spannung
Vo+ am Anschluss 14 und einen Abfall
der Spannung Vo– am Anschluss 12,
wodurch eine Differenz-Ausgangsspannung Vo+ minus
Vo– erzeugt
wird, die proportional zu dem auf das Erfassungselement 10 ausgeübten Druck
ist. Alternativ sind Druckerfassungselemente so konfiguriert worden,
dass sie ein Element vom Typ mit veränderlicher Kapazität umfassen.
-
Die
in 2 gezeigte Kompensationsschaltung 20 kann
eine separate integrierte Schaltung (IC) sein oder kann mit dem
Druckerfassungselement 10 oder einer anderen Schaltungsanordnung
integriert sein. Die Kompensationsschaltung 20 empfängt die unterschiedlichen
Spannungseingaben Vo+ und Vo– am Anschluss 14 bzw. 12 und
legt eine Differenzspannung an einen Spannungs-Strom-Wandler und Vervielfacher 22 an.
Zusätzlich
zur Umwandlung der Differenzspannung in ein Stromsignal gleicht
der Vervielfacher die Verstärkung
bei Raumtemperatur und die temperaturabhängige Verstärkung aus. Dies wird durch
Steuern von Stromquellen IA und IB über
eine programmierte Funktion, wie etwa eine Nachschlagetabelle 24,
erreicht. Das temperaturkompensierte Stromsignal wird dann an einen
negativen Anschluss eines Verstärkers 28 angelegt.
-
Die
Kompensationsschaltung 20 weist außerdem eine Stromquelle IS auf, die auf den negativen Anschluss des
Verstärkers 28 angewendet
wird. Die Stromquelle IS kompensiert Sensor-Offsets
bei Raumtemperatur und temperaturabhängige Sensor-Offsets. Dies
wird durch Steuern der Stromquelle IS über eine
programmierte Funktion, wie etwa eine Nachschlagetabelle 26,
erreicht.
-
Der
resultierende Strom wird in eine Ausgangsspannung VOUT über dem
Verstärker 28 und dem
Rückkopplungswiderstand
RFB gewandelt. Der Widerstand RLD bringt
einen Strom auf, der den Ausgang auf einen ge wünschten Gleichstrom-Offset (DC-Offset)
bringt. Die resultierende Ausgangsspannung VOUT am
Ausgangsanschluss 30 ist das gewünschte kompensierte Ausgangssignal,
dessen Wert im Bereich zwischen Masse und Versorgungsspannung VDD liegt. Die Ausgangsspannung VOUT ist proportional
zu dem Druck, der als eine Eingangsgröße auf das Erfassungselement 10 ausgeübt wird.
Lineare Fehler bei Verstärkung,
Offset und Temperaturabhängigkeit
werden folglich mit der Kompensationsschaltung 20 kompensiert.
-
Bei
vielen Drucksensoren ist das Erfassungselement in ein Modul gepackt,
das sehr empfindlich auf Modulpackungsbeanspruchungen ist. Eine
solche Modulpackungsbeanspruchung bewirkt im Allgemeinen, dass eine
Differenzspannung von dem Drucksensor nichtlineare Temperatureffekte hervorbringt.
Die resultierenden Beanspruchungen des Moduls, die sich bei herkömmlichen
Druckerfassungsmodulen zeigten, ändern
sich typisch über
die Lebensdauer des Sensorpakets und bewirken, dass das Ausgangsspannungssignal
VOUT im Zeitablauf driftet. Die zuvor erwähnten nichtlinearen
Temperatureffekte und die Langzeitdrift können im Allgemeinen nicht ohne
weiteres aus der Sensoreinrichtung herauskalibriert werden, und
folglich werden sie im Allgemeinen Fehler bei der Sensorausgabe
erzeugen. Diese resultierenden Fehler beschränken die Genauigkeit des Drucksensors
und machen die Ausgestaltung des Sensormoduls kompliziert.
-
Es
ist deshalb wünschenswert,
ein Drucksensormodul zu schaffen, das eine verminderte oder minimale
Packungsbeanspruchung erfährt.
Ferner ist es wünschenswert,
ein solches Drucksensormodul zu schaffen, das verminderte oder minimale
nichtlineare Temperatureffekte und eine verminderte oder minimale
nichtlineare Signaldrift erfährt.
-
Die
europäische
Patentanmeldung
EP
0 263 190 A1 offenbart ein gegenüber Beanspruchung isoliertes
Drucksensormodul mit einer Basisstruktur, einem Auslegerorgan, das
in der Basisstruktur durch einen Isolationsspalt in der Basisstruktur
ausgebildet ist, und einem Druckerfassungselement, das sich an dem
Auslegerorgan über
dem Isolationsspalt befindet. Hierbei ist die Basisstruktur selbst
so strukturiert, dass sie für
einen Isolationsspalt sorgt. Dies hat einen vergleichsweise komplizierten
Aufbau zur Folge.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung wird ein Drucksensormodul geschaffen,
das eine Isolation bietet, um Beanspruchungen zu vermindern oder
auf ein Minimum herabsetzen. Das Drucksensormodul umfasst eine Basisstruktur
und einen Drucksensor, der an die Basisstruktur über eine Klebeschicht angeklebt
ist, wobei der Drucksensor ein Druckerfassungselement aufweist,
wobei die Klebeschicht nur einen ersten Abschnitt des Drucksensors
an der Basisstruktur anklebt, um zwischen einem zweiten Abschnitt
des Drucksensors und der Basisstruktur einen Isolationsspalt zu
erzeugen, wobei der Isolationsspalt über den zweiten Abschnitt des
Drucksensors ein Auslegerorgan bildet, das eine Beanspruchungsisolation
für das
Druckerfassungselement schafft, das sich an dem Auslegerorgan befindet.
-
Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum
Bilden eines gegenüber
Beanspruchung isolierten Drucksensormoduls geschaffen, das die folgenden
Schritte umfasst: Vorsehen einer Basisstruktur; Aufbringen einer
Klebeschicht auf einen Abschnitt der Basisstruktur; und Kleben eines
Drucksensors, der ein Druckerfassungselement aufweist, mittels der
Klebeschicht auf die Basisstruktur, wobei der Drucksensor an einem
ersten Abschnitt des Drucksensors auf die Basisstruktur geklebt
wird, um einen Isolationsspalt zwischen dem verbleibenden zweiten
Abschnitt des Drucksensors und der Basisstruktur zu erzeugen, wobei
das Auslegerorgan durch den Isolationsspalt mittels des zweiten
Abschnitts gebildet wird, so dass das Auslegerorgan eine Beanspruchungsisolation
für das
Druckerfassungselement schafft, das sich an dem Auslegerorgan befindet.
-
Diese
und weitere Merkmale, Vorteile und Aufgaben der vorliegenden Erfindung
werden anhand der folgenden Beschreibung, der Ansprüche und
der beigefügten
Zeichnungen vom Fachmann umfassender verstanden und anerkannt.
-
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
-
Die
vorliegende Erfindung wird nun beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben; in diesen zeigen:
-
1 einen
Schaltplan, der ein piezoresistives Druckerfassungselement veranschaulicht,
das als eine Wheatestone-Brücke
konfiguriert ist;
-
2 eine
Kompensationsschaltung zum Verarbeiten des Signals für den erfassten
Druck;
-
3 eine
Draufsicht auf ein Druckerfassungsmodul, das eine gegenüber Beanspruchung isolierte
Plattform gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet;
-
4 eine
Querschnittansicht des Druckerfassungsmoduls längs der Linien IV-IV in 3;
-
5 eine
Draufsicht auf ein Druckerfassungsmodul, das eine gegenüber Beanspruchung isolierte
Plattform gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet; und
-
6 eine
Querschnittansicht des Druckerfassungsmoduls längs der Linien VI-VI in 5.
-
Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
-
Hier
ist ein Druckerfassungsmodul dargestellt und beschrieben, das ein
Druckerfassungselement aufweist, das an einem Auslegerorgan angebracht
ist, das an einer Basisstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung
gehalten wird. Die Anordnung des Druckerfassungselements an dem
Auslegerorgan vermindert die Beanspruchung und verbessert die Leistungsfähigkeit
des Drucksensors auf kostengünstige
Weise. Durch Vermindern der Packungsbeanspruchung kann eine Kalibrierung
des Drucksensors mit erhöhter
Genauigkeit erzielt werden, da Nichtlinearitäten beseitigt werden. Das Drucksensormodul
ist hier gemäß einer
ersten und einer zweiten Ausführungsform
dargestellt und beschrieben, wobei jedoch nicht beabsichtigt ist,
es auf die dargestellten spezifischen Ausführungsformen zu beschränken.
-
Mit
Bezug auf 3 und 4 wird ein Drucksensormodul 40 gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung erläutert.
Das Drucksensormodul 40 umfasst ein Druckerfassungselement 10,
das an einer Sensorzelle 42 angebracht ist. Die Sensorzelle 42 ist
ein Trägerba sisorgan,
das aus Silizium hergestellt sein kann und das Erfassungselement 10 und
die elektrische Schaltungsanordnung einschließlich elektrischer Kontaktflächen 48 trägt. Die
Sensorzelle 42 wiederum ist mittels eines Klebstoffs 44 auf
die Oberseite eines darunterliegenden Substrats 46 geklebt.
-
Der
Klebstoff 44 ist so aufgebracht, dass er nur einen Abschnitt
des Bereichs zwischen der unteren Fläche der Sensorzelle 42 und
der Oberseite des Substrats 46 füllt. Insbesondere ist das Aufbringen von
Klebstoff 44 auf einen nichtaktiven Erfassungsbereich der
Sensorzelle 42 beschränkt,
um einen Isolationsspalt 50 zwischen einem Abschnitt der
Sensorzelle 42 und dem Substrat 46 zu schaffen.
Der Isolationsspalt 50 führt zur Bildung eines Auslegerorgans,
gebildet aus dem Abschnitt der Sensorzelle 42 einschließlich des
Erfassungselements 10, der sich über den Isolationsspalt 50 erstreckt.
-
Das
Druckerfassungselement 10 ist an der Sensorzelle 42 in
einem Bereich auf oder über
dem Isolationsspalt 50 angeordnet und ist folglich an dem Auslegerorgan
angeordnet. Durch Anordnen des Erfassungselements 10 an
dem Auslegerorgan wird mit der vorliegenden Erfindung das Ausmaß der Beanspruchung,
die durch das Drucksensormodul 40 realisiert wird, vorteilhaft
minimiert. Durch das Minimieren der resultierenden Beanspruchung,
die erfahren wird, erzielt das Drucksensormodul 40 eine
erhöhte Druckerfassungsgenauigkeit.
-
Das
Druckerfassungselement 10 kann irgendwelche von einer Anzahl
von Druckerfassungselementen umfassen, wie etwa piezoresistive Elemente
und Sensoren vom Typ mit veränderlicher
Kapazität.
Das Druckerfassungselement 10 weist Kontaktenden auf, die
wiederum mit Kontaktflächen 48 elektrisch
gekoppelt sind, die an der Oberseite der Sensorzelle 42 ausgebildet
sind. Die Kontaktenden 48 können wiederum mit einer Kompensationsschaltung
elektrisch gekoppelt sein, die mit einem elektronischen Steuerungsmodul
für eine
weitere Verarbeitung des mit dem Drucksensor erzeugten Ausgangssignals
integriert oder von diesem getrennt sein kann.
-
Mit
Bezug auf 5 und 6 wird ein
Druckerfassungsmodul 40' gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung erläutert.
Das Druckerfassungselement 40' umfasst ein Druckerfassungselement 10,
das an einer Sensorzelle 42 angebracht ist. Die Sensorzelle 42 wiederum
ist mit ihrer Unterseite an eine Oberseite eines darunterliegenden
Substrats 46 geklebt. Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform
sind die Sensorzelle 42 und das Substrat 46 mittels
einer im Wesentlichen ununterbrochenen Klebeschicht 44 so
zusammengeklebt, dass dazwischen kein Spalt ausgebildet ist. Das
Substrat 46 wiederum ist mit seiner Unterseite mittels
der Klebeschicht 52 an eine Oberseite einer Aufnahme 54 geklebt.
Die Aufnahme 54 kann einen Keramikwerkstoff umfassen, wie
etwa Niedertemperatur-Einbrand-Keramik (LTTC von low temperature
co-fired ceramic), hergestellt aus mehreren dünnen Schichten Keramik. Zusammen
bilden die Sensorzelle 42, das Substrat 46 und
die Aufnahme 54 eine Basisstruktur.
-
Das
Druckerfassungsmodul 40' schließt das Vorhandensein
eines in der Aufnahme 54 ausgebildeten Auslegerorgans ein,
das wiederum das Substrat 46 und die Sensorzelle 42,
die das Druckerfassungselement 10 enthält, trägt. Das Auslegerorgan ist als
Organ 56 der Aufnahme 54 bezeichnet, wobei es
durch einen Isolationsspalt 60 gebildet ist, der sich in
die Aufnahme 54 hinein erstreckt. Der Isolationsspalt 60 kann
durch Schneiden, Ätzen
oder anders gebildet werden, wobei ein Schlitz, ein Kanal oder ein anderer
Hohlraum in der Aufnahme 54 von der Oberseite senkrecht
nach unten und dann orthogonal dazu, wie gezeigt, ausgebildet wird.
Alternativ kann der Isolationsspalt 60 so ausgebildet sein,
dass er sich von einem Seitenrand aus erstreckt, wobei er sich in den
gegenüberliegenden
Seitenrand hinein, aber nicht vollständig durch diesen hindurch
erstreckt. Der Isolationsspalt 60 kann in der Aufnahme 54 während der
Bildung der Aufnahme 54 durch Strukturieren von Schichten
in der Weise gebildet werden, dass Kanäle und Hohlräume in dem
endgültigen
Substratmaterial der Aufnahme 54 hinzugefügt werden.
Die Keramikschichten können
dann zusammengefügt
und anschließend
gemeinsam gesintert (co-fired) werden, um das endgültige Substrat
zu erzeugen, das den Isolationsspalt 60 aufweist. Es ist
einsichtig, dass alternativ der Isolationsspalt 60 durch Ätzen, Schneiden
oder andere bekannte Abtragungsverfahren zum Ausbilden eines Schlitzes,
eines Kanals oder eines anderen Hohlraums ausgebildet werden kann,
um den Isolationsspalt und das Auslegerorgan zu schaffen.
-
Gemäß dieser
Ausführung
des Drucksensormoduls 40 wird das Druckerfassungselement 10 an einer
Basisstruktur gehalten, die aus der Sensorzelle 42, dem
Substrat 46 und dem Auslegerorgan 56 der Aufnahme 54 hergestellt
ist, um eine verminderte Packungsbeanspruchung zu verwirklichen.
Das Druckerfassungselement 10 weist elektrische Anschlüsse auf,
die mit Kontaktflächen 48 elektrisch
gekoppelt sind. Die Kontaktflächen 48 wiederum
können
mit einer Kompensationsschaltungsanordnung elektrisch gekoppelt
sein, die mit einem elektronischen Steuerungsmodul für eine weitere
Verarbeitung des von dem Drucksensor erzeugen Ausgangssignals integriert
oder von diesem getrennt sein kann.
-
Die
Druckerfassungsmodule 40 und 40', die die Auslegerausführung der
vorliegenden Erfindung verwenden, erzielen deutlich niedrigere Beanspruchungsgrade
im aktiven Bereich des Drucksensorelements 10. Ferner ist es
möglich,
das Ausmaß der Auslegerbeanspruchungsminderung
bei dem Drucksensor und dem Substrat zu steuern, um bestimmte resultierende
Eigenschaften zu erzielen. Es ist einsichtig, dass das Erfassungselement 10 in
verschiedenen Typen von Sensorzellen ausgebildet sein kann und das
Auslegerorgan in irgendeinem von einer Anzahl von Basisstrukturorganen
ausgebildet sein kann, einschließlich, jedoch nicht darauf
beschränkt,
der Sensorzelle 42 selbst, des Substrats 46, der
Aufnahme 54 oder irgendwelcher Zwischenschichten.
-
Folglich
vermindern die Druckerfassungsmodule 40 und 40' der vorliegenden
Erfindung auf vorteilhafte Weise das Ausmaß der Beanspruchung, die erfahren
wird, und verbessern die Leistungsfähigkeit des Drucksensors auf
kostengünstige
Weise. Die Verminderung der Beanspruchung, die mit der vorliegenden
Erfindung erzielt wird, ermöglicht
eine genauere Kalibrierung des Drucksensors durch Beseitigen oder
Vermindern von Nichtlinearitäten.
Die Beseitigung oder Verminderung von Nichtlinearitäten bringt
einen genaueren Drucksensor hervor, der zuverlässig gefertigt werden kann.
Außerdem
ist es durch ausreichendes Isolieren gegen die Beanspruchung möglich, Erfassungsschaltungen
im Block zu kalibrieren und die Sensormodulpakete zu vereinzeln.
Ein Prüfen
im Block ist höchst
wünschenswert, da
die Herstellkosten des Drucksensors erheblich gesenkt werden können.
-
Für jene,
die die Erfindung ausüben,
und Fachleute ist es selbstverständlich,
dass verschiedene Abwandlungen und Verbesserungen an der Erfindung
vorgenommen werden können,
ohne vom Schutzumfang der Erfindung, wie durch die beigefügten Ansprüche definiert,
abzuweichen.