DE69620563T2 - Elektrische Anschlussvorrichtung - Google Patents

Description

Technisches Gebiet
• Diese Erindung betrifft elektrische Anschlüsse und insbesondere eine Anschlussanordnung für eine elektrische Schaltung.
Hintergrund der Erfindung
• Bei Kraftfahrzeugen wie auch anderen Anwendungen ist es erforderlich, Messungen des Luftdruckes, des Ansaugdruckes oder anderer Drücke zu erhalten. Üblicherweise umfassen derartige Sensoren eine Basis, eine Membran, die in Ansprechen auf Druckfluktuationen bewegbar ist, ein Sensorelement an der Membran, das auf die Membranspannung anspricht, eine Kompensatorschaltung zur Einstellung des Ausganges des Sensorelementes, um ein Drucksignal zu erhalten, eine Abdeckung, um die Membran einzuschließen, und Anschlüsse, die sich durch einen bestimmten Teil der Basis oder der Abdeckung erstrecken, um Energie an die Vorrichtung zu liefern und das Drucksignal herauszubringen. Es ist wichtig, insbesondere, wenn die Sensorvorrichtung in Serie hergestellt wird, die Kosten der Anordnung zu minimieren, während eine hohe Qualität beibehalten wird.
• Es ist bekannt, eine Drucksensorschaltung auf einer Membranbasis zu befestigen, deren Anschlüsse sich seitlich von der Schaltung erstrecken, siehe beispielsweise US-A-5,257,547, bei der eine Drahtbondverbindung eine Schaltung mit einem sich seitlich erstreckenden Flachstecher (Flachanschluss) koppelt. Jedoch ist es vorzuziehen, dass sich die Anschlüsse normal zu der Ebene der Schaltung auf derselben Seite der Basis wie die Schaltung und die Membran erstrecken, so dass die Basis mit der Druckquelle so verbunden werden kann, wobei sich die Anschlüsse von der Druckquelle weg erstrecken. Die U.S.-A-4,965,777 offenbart eine Drucksensorkonfiguration mit einem Flachstecker, der sich normal weg von der Schaltung und der Membran erstreckt, aber ein direktes Zusammenpassen des Flachsteckers mit der Schaltung erfordert; dies macht es schwierig, eine zuverlässige elektrische Verbindung zwischen dem Flachstecker und der Schaltung herzustellen und erfordert einen hohen Grad an Toleranzsteuerung, die bei der Serienfertigung nicht praktisch ist.
• Es ist vorgeschlagen worden, eine flexible Schaltung zu verwenden, die an einen Kompensations-IC in DIP-Packung gelötet ist und Klebstoff und Golddrahtbondungen verwendet, um an dem Erfassungselement befestigt zu werden. Dies erfordert spezielle Herstellungsprozesse und hohe Kosten der flexiblen Schaltung und der gepackten IC's. Ein anderer Vorschlag verwendet eine Stift- und Sockelzwischenverbindung. Das Erfassungselement ist an eine Leiterplatte drahtgebondet, die den Sockelabschnitt der Zwischenverbindung umfasst. Der Stift, der durch Verlängerung und Ausbildung der Anschlüsse an dem Verbinder ausgebildet ist, wird manuell mit dem Sockel gepaart. Eine Automatisierung dieses Typs wäre teuer und würde mögliche Qualitätsprobleme mit sich bringen.
• Um eine hohe Qualität und niedrige Kosten beizubehalten, ist es erwünscht, eine Drucksensorvorrichtung aufzubauen, die leicht durch automatisierte Prozesse aufgebaut werden kann und unnötige Komponentenkosten vermeidet. Insbesondere ist es bevorzugt dass zwischen dem Sensorausgang und den Anschlüssen eine direkte Drahtbondverbindung vorhanden ist, um die Anzahl von Komponenten und die Anzahl von Verbindungen zu minimieren.
Zusammenfassung der Erfindung
• Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Schaltung direkt mit Ausgangsanschlüssen zu verbinden, die im Allgemeinen mit der Schaltung ausgerichtet sind. Eine andere Aufgabe ist es, eine elektrische Schaltung, die an einer Basis befestigt ist, mit Anschlüssen zu verbinden, die separat an einem anderen Element befestigt sind und an die Basis montiert werden.
• Eine Druckerfassungsmembran ist an einer Basis gelagert und weist einen Vorsprung im Mittelpunkt auf, der ein Biegen infolge einer Druckänderung an dem Bereich des Vorsprunges verhindert. Der Kompensator-IC ist direkt an der Membran durch Klebstoff in dem Bereich ohne Biegung befestigt. Durch Verwendung eines Weichklebstoffes ist es möglich, dass sich ein Abschnitt des IC mit einem Teil des Biegebereiches überlappt. In diesem Fall ist der Klebstoff ausreichend nachgiebig, um den IC vor der Membranbewegung zu isolieren, so dass kein Element durch die Anwesenheit des anderen nachteilig beeinflusst wird. In dem Fall von Membranen, die keinen Vorsprung und somit keinen spannungsfreien Bereich aufweisen, kann der IC dennoch unter Verwendung des Weichklebstoffes an der Membran befestigt werden, wenn die Größe der Membranbewegung sehr klein ist.
• Für mechanische Spannung (stress) empfindliche Widerstände in oder an der Membran ändern ihren Widerstand gemäß der mechanischen Membranspannung. Die Oberfläche der Membran trägt eine Schaltung in der Form von Leiterbahnen, die mit den Widerständen gekoppelt sind, um eine Konfiguration einer Wheatstone'schen Brücke zu bilden, und können auch die Widerstände bilden. In jedem Fall bildet die Schaltung Bondstellen aus, die durch Drahtbondung mit Bondstellen an dem IC verbunden sind, um die auf Druck ansprechende Widerstandsinformation an den IC zu liefern. Die Bahnen bilden auch Bondinseln zur Verbindung mit Verbinderanschlüssen durch Drahtbondung aus, die benachbart der Membran angeordnet sind.
• Die Anschlüsse, die die Versorgungsspannung und Masse an den Drucksensor und den Kompensator-IC und die Ausgangsspannung des IC tragen, sind in einem nicht leitfähigen Dom befestigt, der an der Basis angeordnet ist und sich über die Schaltung und den IC erstreckt. Der Dom weist eine Öffnung auf, die einen Zugriff durch eine Drahtbondeinrichtung zur Vervollständigung von Verbindungen zwischen der Schaltung und den Anschlüssen ermöglicht. Jeder Flachstecker weist ein Ende, das weg von der Membran gerichtet ist, und ein anderes Ende auf, das an einem Rand der Öffnung in der Nähe der Bondinseln an der Schaltung angeordnet ist. Eine Abdeckung, die auch an der Basis angeordnet ist, umgibt die Seiten des Sensors und weist eine obere Öffnung auf, die die Anschlüsse aufnimmt. Die Abdeckung kann gegen den Dom abgedichtet sein, um den Sensor von seiner Außenumgebung abzudichten.
Zeichnungskurzbeschreibung
• Die obigen und anderen Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen offensichtlicher, in welchen:
• Fig. 1 eine Explosionsansicht einer Drucksensorvorrichtung gemäß der Erfindung ist;
• Fig. 2 eine Schnittansicht der Vorrichtung von Fig. 1 ohne einen Teil der Abdeckung ist;
• Fig. 3 eine isometrische Ansicht der Vorrichtung von Fig. 2 ohne die Abdeckung ist;
• Fig. 4 eine Draufsicht auf einen an einer Membran befestigten IC gemäß der Erfindung ist;
• Fig. 5 ein Schnitt entlang der Linie 5-5 von Fig. 4 ist; und
• Fig. 6 eine Draufsicht auf einen an einer Membran befestigten IC gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist.
Beschreibung der Erfindung
• Wie in Fig. 1 gezeigt ist, umfasst eine Drucksensorvorrichtung eine Basis 10 mit einem Zentralvorsprung 12, einen Drucksensor 14, der über dem Vorsprung 12 sitzt, einen Kompensations-IC-Chip 16, der direkt an dem Drucksensor 14 befestigt ist, eine Anschlussanordnung 18, die den Drucksensor umgibt und auf der Basis 10 sitzt, und eine Abdeckung 20, die die Anschlussanordnung umgibt und auch an der Basis 10 sitzt. Die Teile sind in Fig. 2 im Zusammenbau (ohne einen Teil der Abdeckung 20) und in Fig. 3 ohne die Abdeckung 20 gezeigt.
• Die Basis 10 ist ein Druckdurchlass aus rostfreiem Stahl mit einem Sechskantflansch 22 um seinen oberen Abschnitt und einem axialen Durchgang 24 zur Kopplung mit dem zur erfassenden Druck. Eine obere ringförmige Rippe 26 ist an der oberen Fläche der Basis konzentrisch mit dem Zentralvorsprung 12 ausgebildet. Der untere Bereich des Durchlasses kann mit einem Gewinde versehen oder eben sein und ist derart ausgebildet, um an einem Motor, einer Ölwanne, einem Getriebe oder einer anderen Vorrichtung, die eine Druckpressung erfordert, befestigt werden zu können.
• Der Drucksensor kann eine Vielzahl von Ausführungsformen aufweisen. Bei dem vorliegenden Beispiel ist der Drucksensor 14 ein Element aus rostfreiem Stahl mit einer Zylinderwand 30, die an einem Ende offen ist, einer Membran 32, die sich über das andere Ende erstreckt, und einem Vorsprung 34, der zentral an der Membran und innerhalb der Wand 30 angeordnet ist. Die Wand 30 umgibt den Vorsprung 12 an der Basis und das Ende des Durchganges 24 und ist an die Basis geschweißt, um um den Durchgang herum sicher abzudichten. Somit definieren der Sensor 14 und die Basis eine Kammer in Verbindung mit dem Durchgang. Der obere Bereich der Membran ist normalerweise flach und einer leichten Verformung durch Druck unterzogen. Der Bereich entsprechend der Gegend des Vorsprunges 34 kann sich infolge der Steifheit des Vorsprunges nicht biegen und spricht somit nicht auf Druckfluktuation an, aber der Membranbereich zwischen dem Vorsprung 34 und der Wand 30 wird durch Druckfluktuationen gespannt.
• Der obere Bereich der Membran 32 trägt eine Schaltung mit Widerständen, die auf eine Membranbiegung infolge einer Druckänderung ansprechen. Eine Ausführungsform der Schaltung, die zum Gebrauch mit der Stahlmembran 32 geeignet ist, ist in Fig. 4 gezeigt. Der IC 16, der zur Verstärkung und Temperaturkompensation verwendet ist, ist an der Membran über der Schaltung befestigt und deckt das Zentralteil der Schaltung ab. Die Oberfläche des IC, die von der Membran wegweist, umfasst Bondstellen. Die Membran ist mit einer Isolierbeschichtung (nicht gezeigt) und anschließend einem leitfähigen Film bedeckt. Der Film ist durch Schneiden entlang der Linien 36 eingeritzt, die vier Widerstände 38 und eine Vielzahl von Leiterbahnen 40 definieren. Die Bahnen 40 verbinden zusammen mit den Drahtbondungen 42 die Widerstände mit dem IC und zusammen mit den Drahtbondungen 44 die Widerstände oder den IC mit der Versorgungsspannung Vcc und der Masse oder die Ausgangsspannung VouT mit Anschlussinseln an der Anschlussanordnung 18. Zusätzliche Bahnen sind an Bondstellen an dem IC aus Programmierungszwecken drahtgebondet. Da die Bahnen 40 breite Bereiche abdecken, sind die Bondstellen 46, an denen die Drahtbondungen 42 an den breiten Bahnen befestigt sind, einfach an Stellen benachbart der fixierten Bondstellen an dem IC gewählt. Ähnlicherweise sind die Bondinseln 48 an den Bahnen zur Befestigung der Drahtbondungen 44 einfach gewählte Stellen benachbart der Anschlussinseln.
• In Fig. 5 ist die Ausführungsform von Fig. 4 im Schnitt gezeigt. Der IC ist über dem Vorsprung 34 mit Klebstoff 49 befestigt. In diesem Fall ist der IC größer als der Vorsprung, so dass sich die Umfangsabschnitte mit dem flexiblen Abschnitt der Membran überlagern. Daher muss der Klebstoff ausreichend weich oder nachgiebig sein, um eine Überlagerung mit der Membranbewegung zu vermeiden und schädliche Größen an Spannung an dem IC zu verhindern. Ein Silikonklebstoff, der mit einem hohen Elastizitätskoeffizienten formuliert ist, ist für diesen Zweck geeignet. Bei der Ausführungsform von Fig. 2 ist der IC kleiner als der Vorsprung 34 und liegt vollständig in dem durch den Vorsprung definierten Bereich. Da sich der Bereich der Membran, der den Vorsprung enthält, nicht biegt, weist der IC eine stabile Befestigung auf, die durch Druckfluktuationen unbeeinflusst bleibt. Bei einer noch weiteren Ausführungsform, die nicht gezeigt ist, ist die Membranbewegung sehr klein und es existiert kein Vorsprung oder kein spannungsfreier Bereich. Aufgrund der kleinen Bewegung kann der IC dennoch direkt an der Membran mit weichem Klebstoff befestigt werden, ohne dass nachteilige Wirkungen an entweder dem IC oder der Sensorleistungsfähigkeit auftreten.
• Wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist, umfasst die Anschlussanordnung 18 einen nicht leitfähigen Dom 50 mit Flachsteckern 52, die in dem Dom geformt sind. Der Dom 50 weist eine Zylinderwand 54, die den Sensor 14 umgibt und auf der Basis 10 sitzt, und einen oberen Bereich 56 auf. Um einen Drahtbondzugriff zur Befestigung der Drahtbondungen 44 zuzulassen, ist eine Öffnung 58 an dem Domoberteil 56 und der Wand 54 an einer Seite der Anschlussanordnung vorgesehen. Die Öffnung formt einen verkürzten Wandabschnitt, der an seinem oberen Bereich ein Bord 60 definiert. Die Flachstecker besitzen äußere Enden 52, die mit der Membran ausgerichtet sind und sich von dem oberen Bereich 56 im Wesentlichen normal zu und weg von der Membran erstrecken. Ein innerer Abschnitt für jeden Anschluss, der in dem Dom eingebettet ist, umfasst einen Lauf 64 in dem oberen Bereich 56 und einen halbzylindrischen Lauf 66 in der Wand 54, der sich in die Öffnung 58 erstreckt. Das andere Ende des Anschlusses ist eine Anschlussinsel 68, die an dem Bord 60 angeordnet ist. Somit können, nachdem die Anschlussanordnung an der Basis angebracht ist, die Drahtbondungen 44 an den Bondinseln an der Membran 32 und den Anschlussinseln 68 befestigt werden. Eine im Allgemeinen dreieckige Ausstülpung 70 an dem oberen Bereich um die Basis der Verbinderanschlüsse weist schräggestellte Seitenwände 72 auf.
• Die Abdeckung 20, die in Fig. 2 teilweise gezeigt ist, weist einen unteren Rand 74 mit größerem Durchmesser auf, der zwischen der Anschlussanordnung 18 und der ringförmigen Rippe 26 angeordnet ist. Über dem oberen Dom 56 verringert die Abdeckung ihren Durchmesser an einer Schulter 76 und steht mit Wänden 72 der Ausstülpung 70 in Eingriff, um die Domöffnung 58 zu umschließen. Gegebenenfalls dichtet die Schulter gegen die Ausstülpung ab, um den Membranbereich von der Außenumgebung abzudichten.
• Fig. 6 zeigt eine andere Ausführungsform eines Drucksensors, der auch eine Membran 32' aufweist, die durch eine Zylinderwand 30' gelagert ist und einen Zentralvorsprung aufweist, der nicht gezeigt ist. Ein IC 16', der in gestrichelten Linien gezeigt ist, ist an dem Zentrum befestigt. Die Membran besteht aus rostfreiem Stahl, der mit einer Isolierungslage beschichtet ist, und eine Polysiliziumlage deckt zumindest einen Teil der Membranfläche ab. Vier Piezowiderstandselemente 38' sind in dem Polysilizium ausgebildet. Leitende Goldspuren 40', die an der Siliziumoberfläche ausgebildet sind, erstrecken sich von den Bondinseln 44' an dem Membranrand zu den Bondstellen 46' in der Nähe des Randes des IC zur Drahtbondung an den IC. Die Spuren 40' erstrecken sich auch zu Enden der Widerstandselemente 38', und einige Spuren verbinden Widerstandselemente mit Bondstellen, die als S+ und S- bezeichnet sind. Vier Programmierinseln 47 sind durch Spuren mit Bondstellen 46' zur Verbindung mit dem IC gekoppelt. Nur einige der Drahtbondungen 42' zu dem IC sind gezeigt. Der Drucksensor ist auf dieselbe Art und Weise wie in Fig. 2 gezeigt gepackt, so dass Drahtbondungen zwischen den Bondinseln 44' und den entsprechenden Anschlussinseln an der Anschlussanordnung hergestellt werden.
• Es ist somit gezeigt, dass die Drucksensorvorrichtung durch direkte Befestigung des IC an der Druckerfassungsmembran und Ausbildung der elektrischen Verbindungen zu der Anschlussanordnung durch Drahtbondung nach Montage der Anschlussanordnung an der Basis vereinfacht ist. Die Anschlussanordnung ist kompakt und erlaubt, dass die endgültige Drahtbondverbindung gemacht wird, nachdem die Anordnung aufgebaut ist. Zwischenschaltungen, wie beispielsweise teure flexible Schaltungen, werden vermieden, wie auch Stift- und Sockelverbindungen. Die Vorrichtung ist leicht an einen automatisierten Zusammenbau anpassbar, so dass hohe Kosten eines manuellen Aufbaues vermieden werden. Zusätzlich zur Beseitigung teurer Materialien und Prozesse, die bei Vorrichtungen nach dem Stand der Technik verwendet werden, ist die Größe der Sensorvorrichtung dadurch verringert, dass weniger Komponenten gepackt werden müssen. Es ist offensichtlich, dass die Erindung nicht nur auf Drucksensoren sondern genausogut auch auf Anschlusskonfigurationen für andere Schaltungen anwendbar ist.

Claims (5)

1. Elektrische Komponente mit einem Basiselement (10), einer Schaltung (16), die von dem Basiselement (10) gehalten ist und zumindest eine erste Bondinsel (48) aufweist, einem nicht leitfähigen Domelement (50), das an dem Basiselement (10) befestigt ist und zumindest einen Teil der Schaltung (16) abdeckt, und zumindest einem elektrischen Flachstecker (52), der von dem Domelement (50) gehalten ist und ein erstes Ende aufweist, das sich weg von dem Basiselement (10) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass: ein zweites Ende des elektrischen Flachsteckers (52) in einer zweiten Bondinsel (68) in der Nähe der ersten Bondinsel (48) endet, das Domelement (50) eine Öffnung (58) aufweist, die einen Drahtbondzugriff auf die ersten und zweiten Bondinseln (48, 68) zulässt, nachdem das Domelement (50) an dem Basiselement (10) befestigt ist, und eine Drahtbondverbindung (44) die erste Bondinsel (48) elektrisch mit der zweiten Bondinsel (68) koppelt.

2. Elektrische Komponente nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung ein Abdeckelement (20) umfasst, das die Öffnung (58) in dem Domelement (50) abdeckt.

3. Elektrische Komponente nach Anspruch 2, wobei:

das Abdeckelement (20) das Domelement (50) umgibt und einen Umfang aufweist, der an dem Basiselement (10) sitzt; und

das Abdeckelement (20) eine Öffnung aufweist, um den zumindest einen Flachstecker (52) aufzunehmen.

4. Elektrische Komponente nach Anspruch 1, wobei:

das Domelement (50) einen Seitenwandabschnitt (54) aufweist, der an dem Basiselement (10) sitzt und einen oberen Abschnitt (56) trägt, der sich über das Basiselement (10) erstreckt;

das erste Ende des Flachsteckers (52) durch den oberen Abschnitt (56) des Domelementes (50) gelagert ist; uns

der Flachstecker (52) einen Mittelabschnitt zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende aufweist, der in dem oberen Abschnitt (56) und dem Seitenwandabschnitt (54) eingebettet ist.

5. Elektrische Komponente nach Anspruch 1, wobei:

das Domelement (50) einen Seitenwandabschnitt (54) aufweist, der an dem Basiselement (10) sitzt und einen oberen Abschnitt (56) trägt, der sich über das Basiselement (10) erstreckt;

die Öffnung (58) ein Bord (60) an dem Seitenwandabschnitt (54) benachbart der Schaltung (16) definiert; und

die zweite Bondinsel (68) an dem Bord (60) angeordnet ist.