WO2000000820A2 - Gassensor mit einem planaren sensorelement und einem gehäuse - Google Patents

Gassensor mit einem planaren sensorelement und einem gehäuse Download PDF

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Frank Templin
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    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid

Definitions

  • the invention relates to a gas sensor, with a planar sensor element which comprises a semiconducting material sensitive to reducing gases, with a protective sheath which protects the sensor from external mechanical influences and which has gas inlet openings, and with external connections.
  • Such gas sensors take advantage of the fact that the electrical conductivity of suitable semiconducting metal oxides at sufficiently high operating temperatures is dependent on the content of oxidizing and reducing gases in the atmosphere surrounding them and are known, for example, from European patent EP 0 464 244 B1.
  • the present invention relates to planar sensor elements, in particular those in which the sensitive material is formed as a Ga2 ⁇ 3 ⁇ thin film on a non-conductive, ceramic carrier body.
  • the carrier body can have, for example, a meandering heating arrangement for heating the sensor to a predetermined operating temperature, for example 550 to 600 ° C.
  • a sensor element or chip typically has dimensions of 1.4 x 2.2 mm and usually has at least two functional and two heating connections.
  • the planar sensor elements are currently still provided on two sides (two functional connections at the top, two heating connections at the bottom) with external connections, that is to say, contact on both sides during assembly.
  • planar sensor elements have either been installed axially in a cylindrical metal housing, as can be seen for example from the aforementioned EP 0 464 244 B1, or, as is currently more common, the planar sensor element was arranged parallel to the base of the sensor, that is to say parallel to the end wall of the cylindrical metal housing.
  • This previous construction technology essentially makes use of housings for individual transistors or for tubes which have been modified by gas inlet openings but are otherwise known.
  • the present invention is based on the object of creating a gas sensor of the type mentioned at the outset, which in particular also permits cost-effective assembly or production in the case of sensor elements to be contacted on two sides.
  • each electrical conductive path is formed of an A u ß enanschluß to a terminal of the sensor element by a separate molding
  • the invention solves the assembly problem described above both in the case of two-sided and one-sided contact sensor elements by a symmetrical structure that places the assembly plane in the surface plane of the sensor element.
  • the step from a conventional push-through component to an optionally pluggable or surface-mountable component is carried out.
  • FIG. 1 shows a side view of a first exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a view of the same exemplary embodiment from the narrow side
  • FIG. 3 shows the same exemplary embodiment with the leadframe not yet molded
  • 4 shows a second embodiment in the same view as Figure 1 at ⁇
  • FIG. 5 shows the same embodiment as FIG. 1, but with differently designed external connections
  • FIG. 6 shows the same exemplary embodiment as FIG. 5, but in the representation according to FIG. 2,
  • FIG. 7 shows the completed exemplary embodiment according to FIG. 1 in a perspective top view.
  • the recess 7 is also advantageously located opposite the external connections 2 on the upper narrow side 10, cf. Figure 7, the flat plastic housing 6, so that the recess 7 is open on three sides. Among other things, this enables particularly easy access to the contact area during assembly.
  • the cut-out can advantageously be made through the U-shaped metal chip shown in FIG Force / form closure to be closed with the rest of the structure.
  • the sensor chip 3 is held in the contact area 5 by means of a manipulator.
  • a connecting wire can then be attached between the contacting surfaces of the sensor element 3 and the leadframe 1 by means of a welding process.
  • the assembly is subsequently simply rotated and contacted again at the remaining contact pairs.
  • the sensor is simply transported through the same manufacturing stations again.
  • the method is simplified by carrying out the contacting in one step and by processes that can be automated and are identical for both sensor element sides. In the future, it is hoped to have unilaterally contactable sensor elements that are currently one of the development goals of the sensor function itself.
  • connection pins of the external connections of the gas sensor according to the invention can, for example, as in FIG.

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Abstract

Die sensorelementseitigen Enden (4) eines Leadframes (1) umgrenzen einen Kontaktierbereich (5), in welchem das planare Sensorelement (3) in der Leadframeebene angeordnet ist. Das Leadframe (1) ist mit einem flachen Kunststoffgehäuse (6) umspritzt, aus dem die Außenanschlüsse (2) herausgeführt sind und im Gehäuse (6) ist eine zur Leadframeebene senkrechte Aussparung (7) vorgesehen, die mindestens den Kontaktbereich (5) umfaßt. Dies erleichtert die Montage insbesondere von zweiseitig kontaktierten Sensorelementen (3).

Description

Beschreibung
Gassensor mit einem planaren Sensorelement und einem Gehäuse
Die Erfindung betrifft einen Gassensor, mit einem planaren Sensorelement, das ein halbleitendes, für reduzierende Gase sensitives Material umfaßt, mit einer Schützhülle, die den Sensor vor äußeren mechanischen Einflüssen schützt und die über Gaseinlaßöffnungen verfügt, und mit Außenanschlüssen.
Derartige Gassensoren nützen die Tatsache aus, daß die elektrische Leitfähigkeit geeigneter halbleitender Metalloxide bei ausreichend hohen Betriebstemperaturen abhängig vom Gehalt an oxidierenden und reduzierenden Gasen der sie umgeben- den Atmosphäre ist und sind beispielsweise aus der europäischen Patentschrift EP 0 464 244 Bl bekannt.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf planare Sensorelemente, insbesondere solche, bei denen das sensitive Material als Ga2θ3~Dünnschicht auf einem nichtleitenden, keramischen Trägerkörper ausgebildet ist. An seiner Unterseite kann der Trägerkörper beispielsweise über eine mäanderförmige Heizanordnung zum Heizen des Sensors auf eine vorbestimmte Betriebstemperatur, beispielsweise 550 bis 600°C, verfügen. Ein derartiges Sensorelement bzw. -chip weist typische Ausmaße von 1,4 x 2,2 mm und üblicherweise mindestens zwei Funktionsund zwei Heizanschlüsse auf. Diesem Aufbau entsprechend, sind die planaren Sensorelemente derzeit noch zweiseitig (zwei Funktionsanschlüsse oben, zwei Heizanschlüsse unten) mit Au- ßenanschlüssen versehen, also bei der Montage auch zweiseitig zu kontaktieren.
Da derartige Gassensoren unter anderem zur Sicherheitsüberwachung bezüglich brennbarer bzw. explosiver Gase eingesetzt werden, wurde als Schützhülle der Sensoren bisher ein Metallgehäuse mit Gaseinlaßschlitzen verwendet. Dadurch wird erreicht, daß zu detektierende Gase, die innerhalb der Schutz- hülle durch das mehrere hundert °C heiße, also gegebenenfalls über den Flammpunkt des zu detektierenden Gases hinaus erhitzte Sensorelement entzündet werden, nicht als Stichflamme nach Außerhalb des Sensors entweichen können. Bisher wurden die planaren Senorelemente entweder axial in ein zylindrisches Metallgehäuse eingebaut, wie beispielsweise aus der genannten EP 0 464 244 Bl ersichtlich, oder, wie gegenwärtig üblicher, das planare Sensorelement wurde parallel zum Sockel des Sensors, also parallel zur Stirnwand des zylindrischen Metallgehäuses angeordnet. Diese bisherige Aufbautechnologie macht im wesentlichen von durch Gaseinlaßöffnungen abgewandelten, ansonsten aber bekannten Gehäusen für Einzeltransistoren oder für Röhren Gebrauch.
Die bekannten Aufbaulösungen ermöglichen Laboraufbauten, jedoch keine automatisierte Großserienfertigung. Insbesondere führen die genannten Anordnungen der planaren Sensorelemente in zylindrischen Metallgehäusen zu Fertigungsproblemen bei zweiseitig zu kontaktierenden Sensorelementen. Bisher wurde in einem manuellen Prozeß der Sensorchip zuerst einseitig mit Platindrähten durch Spaltschweißen versehen. Dann wurde der Chip gedreht und auf der gegenüberliegenden Seite mit Platindraht verschweißt. Der Chip mit den beidseitig befestigten Platindrähten wurde in der Folge mittels eines Manipulators in der Mitte des Metallgehäuses gehalten und die Platindrähte wurden auf die entsprechenden Pinenden des Gehäuses ausgerichtet und mit ihnen verschweißt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gassensor der eingangs genannten Art zu schaffen, der insbesondere auch bei zweiseitig zu kontaktierenden Sensorelementen eine kostengünstige Montage bzw. Herstellung erlaubt.
Diese Aufgabe wird bei einem Gassensor der eingangs genannten Art erfindungsgemäß gelöst durch - ein Leadframe, bei dem jeder elektrische Leitweg von einem Außenanschluß zu einem Anschluß des Sensorelements durch ein separates Formstück gebildet ist,
- wobei die sensorelementseitigen Enden der Formstücke einen Kontaktierbereich umgrenzen, in welchem das planare Sensorelement in der Leadframeebene angeordnet ist,
- und durch ein flaches Kunststoffgehäuse, mit dem das Leadframe auf beiden Seiten durch einen Plastspritzprozeß umhüllt ist, - wobei einerseits die Außenanschlüsse aus dem Kunststoffgehäuse herausgeführt sind und andererseits eine zur Leadframeebene senkrechte Aussparung im Kunststoffgehäuse vorgesehen ist, die mindestens den Kontaktierbereich umfaßt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale gekennzeichnet.
Die Erfindung löst das zuvor geschilderte Montageproblem sowohl im Falle zweiseitig, wie einseitig zu kontaktierender Sensorelemente durch einen symmetrischen Aufbau, der die Montageebene in die Oberflächenebene des Sensorelementes legt. Gleichzeitig wird der Schritt von einem konventionellen Durchsteckbauelement zu einem wahlfrei steckbaren bzw. ober- flächenmontierbaren Bauelement vollzogen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Figuren im Einzelnen beschrieben.
Figur 1 zeigt eine Seitenansicht eines ersten Ausführungs- beispiels der Erfindung,
Figur 2 eine Ansicht des gleichen Ausführungsbeispiels von der Schmalseite her,
Figur 3 das gleiche Ausführungsbeispiel mit noch nicht um- spritztem Leadframe, Figur 4 ein zweites Ausführungsbeispiel, in gleicher An¬ sicht wie Figur 1,
Figur 5 das gleiche Ausführungsbeispiel wie Figur 1, jedoch mit anders ausgeführten Außenanschlüssen,
Figur 6 das gleiche Ausführungsbeispiel wie Figur 5, jedoch in der Darstellung gemäß Figur 2,
Figur 7 in perspektivischer Draufsicht das vervollständigte Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1.
Die Figuren 1 bis 3 werden im folgenden im Zusammenhang erläutert. Das Leadframe 1, bei dem die einzelnen Formstücke gemäß Figur 3 zunächst noch an einem gemeinsamen Trägerstreifen 11 hängen, besteht aus leitfähigem Material, vorzugsweise Kupfer, Kupferlegierungen, Gold, Platin oder andere Metalle. Dieses Leadframe 1 ist ein planares Teil, das durch bekannte Verfahren wie Stanzen, Ätzen und Erodieren aus einem Blech eines der oben genannten Meterialien herausgearbeitet ist. Die Formstücke sind im Rohzustand zunächst miteinander verbunden. Nachdem das Leadframe durch einen Plastspritzprozeß mit Kunststoff umhüllt wurde, können die Verbindungen der einzelnen Formstücke, insbesondere der Trägerstreifen 11, entfernt werden. Figur 1 und 3 zeigen eine Ausführungsform, bei der die Aussparung 7 im Kunststoffgehäuse 6 einerseits erheblich größer als der Kontaktbereich 5 ist. Dies hat den Vorteil, daß über die Enden 4 der Formstücke eine ausreichende thermische Luftstrecke zwischen dem heißen Sensorelement 3 und dem Kunststoffgehäuse 6 definiert ist. Andererseits befindet sich die Aussparung 7 außerdem vorteilhafterweise den Außenanschlüssen 2 gegenüberliegend an der oberen Schmalseite 10, vgl. Figur 7, des flachen Kuststoffgehäuses 6, so daß die Aussparung 7 nach drei Seiten hin offen ist. Dies ermöglicht unter anderem einen besonders leichten Zugang zum Kontaktierbereich bei der Montage. Die Aussparung kann vorteilhaft durch den in Figur 7 erkennbaren U-förmigen Metallchip durch Kraft/Formschluß mit dem restlichen Aufbau verschlossen werden.
Während der Montage wird der Sensorchip 3 mittels eines Mani- pulators im Kontaktierbereich 5 gehalten. Anschließend kann durch einen Schweißvorgang ein Verbindungsdraht zwischen den Kontaktierflächen des Sensorelements 3 und dem Leadframe 1 angebracht werden. Bei zweiseitiger Kontaktierung wird der Aufbau nachfolgend einfach gedreht und noch mal an den ver- bleibenden Kontaktpaaren kontaktiert. Der Sensor wird also einfach noch mal durch die gleichen Fertigungsstationen transportiert. Gegenüber der bekannten bisherigen Lösung vereinfacht sich das Verfahren durch die Durchführung der Kontaktierung in einem Schritt sowie durch für beide Sensorele- mentseiten identische, automatisierbare Prozesse. In Zukunft hofft man auch einseitig kontaktierbare Sensorelemente zur Verfügung zu haben, die gegenwärtig eines der Entwicklungsziele der Sensorfunktion an sich darstellen. Insbesondere bei einseitig kontaktierbaren Sensorelementen 3 erscheint es sinnvoll, die Enden 4 der Formstücke direkt mit den Kontaktierflächen der Sensorelemente 3 zu verschweißen. Damit entfällt die Notwendigkeit eines Verbindungsdrahtes. Zu diesem Zweck ist es vorteilhaft, wie in Figur 4 dargestellt, die Enden 4 der Formstücke in Form einer thermischen Engstelle aus- zubilden.
Die Gestaltung der Anschlußpins der Außenanschlüsse des erfindungsgemäßen Gassensors kann beispielsweise, wie in Figur
1 bis 4 dargestellt, als einreihige Anordnung von Anschluß- pins 2 zur Durchsteckmontage erfolgen, oder , wie in Figur 5 und 6 dargestellt, als einreihige Anordnung von Anschlußpins
2 mit insbesondere wechselseitig rechtwinklig ausgestellten Pins, die zur Oberflächenmontage geeignet sind.

Claims

Patentansprüche
1. Gassensor, mit einem planaren Sensorelement, das ein halbleitendes, für reduzierende Gase sensitives Material umfaßt, mit einer Schutzhülle, die den Sensor vor äußeren mechanischen Einflüssen schützt und die über Gaseinlassöffnungen verfügt, und mit Außenanschlüssen, gekennzeichnet durch
- ein Leadframe (1), bei dem jeder elektrische Leitweg von einem Außenanschluß (2) zu einem Anschluß des Sensorelements (3) durch ein separates Formstück gebildet ist,
- wobei die sensorelementseitigen Enden (4) der Formstücke einen Kontaktierbereich (5) umgrenzen, in welchem das planare Sensorelement (3) in der Leadframeebene angeordnet ist,
- und durch ein flaches Kunststoffgehäuse (6), mit dem das Leadframe (1) auf beiden Seiten durch einen Plastspritzprozeß umhüllt ist,
- wobei einerseits die Außenanschlüsse (2) aus dem Kunst- stoffgehäuse (6) herausgeführt sind und andererseits eine zur Leadframeebene senkrechte Aussparung (7) im Kunststoffgehäuse (6) vorgesehen ist, die mindestens den Kontaktbereich (5) umfaßt.
2. Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparung (7) derart viel größer als der Kontaktbereich (5) ist, daß dieser thermisch durch eine definierte Luftstrecke von dem Kunststoffgehäuse (6) getrennt ist.
3. Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparung (7) nach Montage des Sensorelements (3) durch ein mit Gaseinlaßöffnungen (9) versehenes, insbesondere metallisches Formteil verschlossen ist.
4. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparung (7) zu einer Schmalseite (10) des flachen Kunststoffgehäuses (6) hin offen ist.
5. Gassensor nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Formteil als metallisches Biegeteil (8) ausgeführt ist, das den Kontaktierbereich (5) U-förmig umschließt.
6. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse des Sensorelements (3) durch Verbindungsdrähte zwischen den Kontaktierflächen des Sensorelements (3) und dem Leadframe (1) gebildet sind.
7. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse des Sensorelements (3) durch eine unmit- telbare Verbindung der sensorelementseitigen Enden (4) der Formstücke des Leadframes (1) mit den Kontaktierflächen des Sensorelements (3) gebildet sind.
8. Gassensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenanschlüsse (2) eine einreihige Anordnung von Anschlußpins zur Durchsteckmontage bilden.
9. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenanschlüsse (2) eine einreihige Anordnung mit rechtwinklig ausgestellten Anschlußpins zur Oberflächenmontage bilden.
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