WO2009092472A1 - Sensoranordnung und verfahren zur herstellung einer sensoranordnung - Google Patents

Sensoranordnung und verfahren zur herstellung einer sensoranordnung Download PDF

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WO2009092472A1
WO2009092472A1 PCT/EP2008/065709 EP2008065709W WO2009092472A1 WO 2009092472 A1 WO2009092472 A1 WO 2009092472A1 EP 2008065709 W EP2008065709 W EP 2008065709W WO 2009092472 A1 WO2009092472 A1 WO 2009092472A1
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sensor
housing
sensor arrangement
contacting
contacting element
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PCT/EP2008/065709
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English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Hauer
Richard Muehlheim
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0042—Constructional details associated with semiconductive diaphragm sensors, e.g. etching, or constructional details of non-semiconductive diaphragms
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/0061—Electrical connection means
    • G01L19/0069—Electrical connection means from the sensor to its support
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/4805—Shape
    • H01L2224/4809—Loop shape
    • H01L2224/48091—Arched

Definitions

  • the invention relates to a sensor arrangement according to the preamble of claim 1.
  • Such sensor arrangements are well known.
  • a pressure sensor with a semiconductor chip wherein the semiconductor chip is applied to a substrate, wherein a protective covering the free surfaces of the semiconductor chip and wherein electrical connection contacts are led out of the protective sheath, which with a piezosensitive circuit are connected.
  • a disadvantage of this sensor arrangement is that the connection contacts are connected to the semiconductor chip via bonding wires within the protective cover, so that a bonding wire break or a bonding wire outlet renders the sensor arrangement unusable.
  • the connection contacts are connected to the semiconductor chip via bonding wires within the protective cover, so that a bonding wire break or a bonding wire outlet renders the sensor arrangement unusable.
  • the comparatively sensitive bonding wire connections are heavily stressed.
  • any contacting of the electrical connections of the semiconductor chip to the protective sleeve is fixed
  • connection pins are arranged on a side opposite the semiconductor chip side of the housing.
  • the sensor arrangement according to the invention and the inventive method for producing a sensor arrangement according to the independent claims have the advantage over the prior art that a failure of the Sensor arrangement is prevented due to bond wire breaks or bonding wire outlets and at the same time allows a much space-compact sensor arrangement, whereby a significant reduction in manufacturing and assembly costs is achieved.
  • an electrically conductive connection is made between the sensor element and the contacting element via the connecting element, wherein the connecting element is elastic, so that on the one hand a tolerance compensation between the position of the contacting element and between the sensor element is realized and wherein the connecting element has electrically conductive elements which in particular at least parallel to a main extension plane of the
  • Sensor element are embedded in the elastic material, so that on the other hand, an electrically conductive connection between the contacting element and the sensor element is produced.
  • the tolerance compensation ensures an electrically conductive contact, for example, over a comparatively large temperature range and even with comparatively strong vibrations of the sensor arrangement, so that the risk of failure of the sensor arrangement is reduced by interrupting a contact in extreme environmental conditions to a considerable extent.
  • the contacting element preferably comprises a connection pin, which is directly or indirectly in contact with the connecting element, wherein the contacting element is particularly preferably pressed under pressure, which arises for example by closing the housing, directly on the connecting element, whereby an electrically conductive connection between the pressed-contacting element and For example, a bond pad of a lying perpendicular to the main extension plane below the contacting element sensor element is formed.
  • the elastic material comprises a polymer and / or that the electrically conductive elements comparatively small electrically conductive particles, in particular cylindrical and / or spherical or electrically conductive particles.
  • the electrically conductive elements are preferably spaced parallel to the main extension plane such that the connecting element advantageously comprises an electrical insulator parallel to the main extension plane and an electrical conductor only perpendicular to the main extension plane.
  • the distance between two adjacent electrically conductive elements parallel to the main plane of extension is preferably 20 ⁇ m to 100 ⁇ m, particularly preferably 40 ⁇ m to 60 ⁇ m and very particularly preferably substantially 50 ⁇ m.
  • the contacting element has a first region outside the housing and a second region within the housing, so that in a particularly advantageous manner the sensor element can be contacted electrically from outside the housing. is controllable or readable.
  • a further contacting element to be arranged between the contacting element and the connecting element, wherein the further contacting element preferably comprises a printed circuit board, conductor tracks and / or a semiconductor element, wherein the further contacting element and / or the connecting element preferably comprises further electrical, comprising electronic, micromechanical and / or electromechanical components.
  • passive components such as capacitors or resistors, are arranged on the connecting element or on the further contacting element in order to reduce the EMC properties, ie. in particular to improve the electromagnetic immunity of the sensor element.
  • the further contacting element is designed as a leadframe.
  • a contact spring is arranged between the connecting element and the contacting element and / or between the further contacting element and the contacting element.
  • a sealing and / or insulating element is arranged between the contacting element and the housing, which comprises in particular a glass.
  • the housing preferably comprises a metal housing, a ceramic housing and / or a plastic housing, the plastic housing preferably comprising a modular or premold housing.
  • the sensor element comprises a pressure sensor, wherein preferably an opening in the housing allows the setting of a measuring pressure in a pressure-sensitive region of the pressure sensor, in particular in the region of a membrane in a cavity of the pressure sensor substrate.
  • the measurement of a measuring pressure is thus made possible by the sensor element in the interior of the housing, wherein the sensor element in particular by a
  • Contacting the contacting elements outside the housing can be read out or controlled.
  • the senor element is connected to the housing via a base, in particular a glass, and / or that the housing comprises a hermetically sealed housing.
  • a base in particular a glass
  • the housing comprises a hermetically sealed housing.
  • a special housing internal pressure in particular a vacuum, allows, so that the sensor element for example, from corrosion and / or harmful substances, such as oil, is protected.
  • the connecting element and / or the further contacting element has a recess in the region of the opening and / or the membrane, so that particularly advantageously an electrical contact between the connecting element and the membrane and / or between the further contacting element and the membrane is prevented during movement of the membrane.
  • Another object of the present invention is a method for producing a sensor arrangement, wherein in a first method step, the connecting element is arranged on the sensor element, wherein in a second method step, the contacting element, the further contacting element and / or the contact spring are arranged on the connecting element.
  • the production of an electrically conductive connection between the sensor element and the contacting element, the further contacting element and / or the contact spring is thus considerably simplified, since a comparatively complex and thus cost-intensive bonding process is completely eliminated.
  • the sensor element is electrically conductively contacted only with its bonding pads, since the sensor element preferably has an insulating layer on its surface outside the bonding pads.
  • the elasticity of the connecting element further increases the manufacturing tolerances in a significant way, so that further cost advantages in the production of the sensor arrangement can be achieved.
  • the sensor arrangement, in particular the housing, the sensor element, the connecting element or further contacting element is formed self-centering, so that the process costs can be additionally reduced by saving a precise positioning method.
  • the sensor element is arranged in the housing in a third method step, wherein in a fourth method step, the connecting element and / or the further Contacting element is equipped with the other electrical, electronic, micromechanical and / or electromechanical components.
  • a protection of the sensor element from corrosion and / or harmful substances and / or an improvement of the EMC properties of the sensor arrangement can be realized in a particularly advantageous manner.
  • a pressure is exerted in the direction of the connecting element on the contacting element, on the further contacting element and / or on the contact spring.
  • the pressure is generated by the housing or by a housing cover, so that both the mechanical, as well as the electrically conductive direct or indirect connection between the sensor element and the contacting element are fixed by the housing and thus a maximum compared to the prior art has significantly increased resilience.
  • Figure 1 is a schematic side view of a sensor arrangement according to the prior art
  • Figure 2 is a schematic side view and a schematic plan view of a
  • Figure 3 is a schematic plan view of a connecting element of a
  • FIG. 4 shows a schematic plan view of a further contacting element of a sensor arrangement according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 5 shows a schematic side view of a sensor arrangement according to a second embodiment of the present invention
  • Figure 6 is a schematic side view of a sensor arrangement according to a third embodiment of the present invention
  • Figure 7 is a schematic side view of a sensor arrangement according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows a schematic side view of a sensor arrangement 16 according to the prior art, the sensor arrangement 16 comprising a pressure sensor 1, a pressure-sensitive area 2 in a cavern of the substrate of the pressure sensor 1, a membrane 9 of the pressure sensor 1, a printed circuit board 5, a Base 10, a housing 12, a connection pin 13, a sealing element 15, an opening 11 and a bonding wire 14 has. Through the opening 11, a measuring pressure is established in the pressure-sensitive area 2 of the pressure sensor 1, so that the measuring pressure of a membrane 9 of the pressure sensor 1 can be measured.
  • the pressure sensor 1 is arranged on the base 10 in the housing 12, wherein the pressure sensor 1 is connected within the housing via the circuit board 5 and via the bonding wire 14 to the terminal pin 14, which is insulated from the housing 12 via the sealing element 15.
  • the connection pin 13 has an area outside the housing 12, so that the pressure sensor 1 can be contacted electrically from outside the housing 12 and thus read out.
  • the disadvantage is that a bonding wire 14 must be used for contacting the connection pin 13 with the pressure sensor 1.
  • FIG. 2 shows a schematic side view and a schematic plan view of a sensor arrangement according to a first embodiment of the present invention, the sensor arrangement comprising a sensor element 1, a housing 12, two contacting elements 13 and a connecting element 14, wherein the sensor element 1 is substantially inside the housing 12 is arranged and wherein the connecting element 14 is arranged between the sensor element 1 and the contacting element 13 and further wherein that the connecting element 14 electrically conductive elements 34, in particular relatively small cylindrical particles or pins, which preferably have a pitch 31 of 50 microns to each other, which are at least partially surrounded by an elastic material 35, in particular of polymer.
  • the connecting element 14 electrically conductive elements 34, in particular relatively small cylindrical particles or pins, which preferably have a pitch 31 of 50 microns to each other, which are at least partially surrounded by an elastic material 35, in particular of polymer.
  • the contacting elements 13 have a first region 20 outside the housing 12 for the external activation and readout of the sensor element 1 and a second region 21 within the housing 12, which is connected directly or indirectly to the connecting element 14, so that the connecting element 14 between the sensor element 1 and the contacting element 13, wherein between the connecting element 14 and the contacting elements 13, a further contacting element 5 is arranged, which in particular has a printed circuit board 5 and / or a hybrid and further components 22, in particular EMC capacitors. Between one of the two contacting elements 13 and the further contacting element 5, a flexible and electrically conductive contact spring 23 is further arranged.
  • the printed circuit board has vias which electrically connect the sensor element 1 on one side of the printed circuit board with the contacting elements 13 and the contact spring 23 on the other side of the printed circuit board. Between the contacting elements 13 and the housing 12 each have an insulating and / or sealing elements 15 is arranged to close the housing 12 hermetically sealed and electrically isolate the contacting elements 13 relative to the housing 12.
  • the sensor element 1 is arranged on a base 10, in particular a glass base, wherein the base 10 is arranged connected to a housing inner side of the housing 12.
  • the sensor element 1 comprises in particular a pressure sensor 1 with a cavern 2 in the substrate and a membrane 9 arranged in the region of the cavern 2, the pressure sensor having a pressure-sensitive area in the region of the cavern 2 or in the region of the membrane 9 and being in the pressure-sensitive area through an opening 24 in the housing and a corresponding opening in the base 10, a measuring pressure sets, which is measured by the pressure sensor and can be read out via the contacting elements 13.
  • Contacting element 5 also has a recess 24 'in the region of the opening 24 or in the region of the membrane 9, so that an electrical contact between the membrane 9 and the connecting element 14 and / or the further contacting element 5, in particular during a deflection of the membrane 9 is prevented.
  • the housing 12 in particular comprises a metal housing.
  • the further contacting element 5 preferably has contacting pads 33, which act in particular to balance the sensor arrangement 1.
  • Figure 3 is a schematic plan view of a connecting element 14 a
  • FIG. 4 shows a schematic plan view of a further contacting element 5 of a sensor arrangement according to the first embodiment of the present invention, the further contacting element 5 having the recess 24 ', the components 22, the contacting pads 33 and contact pads 32, and wherein the contact pads 32 are in particular for Manufacture of an electrically conductive connection with the contacting elements 13 and / or the contact spring 23 and further wherein the contact pads 32 via lines, components 22 and / or vias have an electrically conductive contact to the sensor element 1.
  • FIG. 5 shows a schematic side view of a sensor arrangement according to a second embodiment of the present invention, wherein the second embodiment is identical to the first embodiment shown in Figure 2, wherein the housing 12 comprises a plastic housing and thus between the housing 12 and the contacting elements 13 no Sealing and / or insulation elements 15 are arranged.
  • the housing 12 further comprises a lid 12 ', wherein the lid 12' is hermetically sealed to the housing 12 and wherein in the lid 12 ', a lead frame 13', which at least partially the Contacting elements 13 includes, is integrated.
  • the cover 12 ' is preferably glued and / or welded to the housing 12 after the electrical adjustment of the sensor element 1 via the contacting pads 33.
  • FIG. 6 shows a schematic side view of a sensor arrangement according to a third embodiment of the present invention, the third embodiment being identical to the first embodiment illustrated in FIG. 2, wherein the housing 12 likewise has a cover 12 'and the sensor arrangement has no further contacting element 23 and no contact spring 23, so that both contacting elements 13 have a direct electrically conductive contact to the connecting element 14.
  • This sensor arrangement is therefore particularly space-compact. The adjustment of the
  • Sensor element 1 is preferably carried out before closing the housing 12 with the lid 12 ', wherein the adjustment is particularly preferably carried out on pins of the connecting element 14.
  • FIG. 7 shows a schematic side view of a sensor arrangement according to a fourth embodiment of the present invention, the fourth embodiment being identical to the second embodiment illustrated in FIG. 5, the sensor arrangement having no further contacting element 5 similar to that shown in the third embodiment in FIG wherein the components 22 are preferably integrated in the lid 12 '.

Abstract

Es wird eine Sensoranordnung mit einem Sensorelement, einem Gehäuse, einem Kontaktierungselement und einem Verbindungselement vorgeschlagen, wobei das Sensorelement im Wesentlichen innerhalb des Gehäuses angeordnet ist und wobei das Verbindungselement mittelbar oder unmittelbar zwischen dem Sensorelement und dem Kontaktierungselement angeordnet ist und wobei ferner das Verbindungselement elektrisch leitfähige Elemente umfasst, welche zumindest teilweise von einem elastischen Material umgeben sind.

Description

Beschreibung
Titel
Sensoranordnung und Verfahren zur Herstellung einer Sensoranordnung
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Sensoranordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Solche Sensoranordnungen sind allgemein bekannt. Beispielsweise ist aus der Druckschrift DE 44 15 984 A1 ein Drucksensor mit einem Halbleiterchip bekannt, wobei der Halbleiterchip auf einem Substrat aufgebracht ist, wobei eine Schutzhülle die freien Oberflächen des Halbleiterchips abdeckt und wobei elektrische Anschlusskontakte aus der Schutzhülle herausgeführt sind, die mit einer piezosensitiven Schaltung verbunden sind. Nachteilig an dieser Sensoranordnung ist, dass die Anschlusskontakte mit dem Halbleiterchip über Bonddrähte innerhalb der Schutzhülle verbunden sind, so dass ein Bonddrahtbruch oder ein Bonddrahtabgang die Sensoranordnung unbrauchbar macht. Insbesondere bei der Verwendung von derartigen Sensoranordnungen bei extremen Umgebungsverhältnissen beispielsweise im Hinblick auf Erschütterungen oder Temperaturschwankungen werden die vergleichsweise empfindlichen Bonddrahtverbindungen stark beansprucht. Ferner ist eine beliebige Kontaktierung der elektrischen Anschlüsse des Halbleiterchips zum schutzhüllenfesten
Anschlusskontakt bei einer hermetisch dichten Schutzhülle nicht möglich, so dass beispielsweise die Anschlusspins auf einer dem Halbleiterchip gegenüberliegenden Seite des Gehäuses angeordnet sind.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung und das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Sensoranordnung gemäß den nebengeordneten Ansprüchen haben gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass ein Ausfall der Sensoranordnung aufgrund von Bonddrahtbrüchen oder Bonddrahtabgängen unterbunden wird und gleichzeitig eine erheblich bauraumkompaktere Sensoranordnung ermöglicht, wodurch eine deutliche Reduzierung der Fertigungsund Montagekosten erzielt wird. Erfindungsgemäß wird zwischen dem Sensorelement und dem Kontaktierungselement eine elektrisch leitfähige Verbindung über das Verbindungselement hergestellt, wobei das Verbindungselement elastisch ausgebildet ist, so dass einerseits ein Toleranzausgleich zwischen der Lage des Kontaktierungselements und zwischen dem Sensorelement realisiert wird und wobei das Verbindungselement elektrisch leitfähige Elemente aufweist, welche insbesondere wenigstens parallel zu einer Haupterstreckungsebene des
Sensorelements in das elastische Material eingebettet sind, so dass andererseits eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem Kontaktierungselement und dem Sensorelement hergestellt wird. Der Toleranzausgleich stellt einen elektrisch leitfähigen Kontakt beispielsweise über einen vergleichsweise großen Temperaturbereich und auch bei vergleichsweise starken Erschütterungen der Sensoranordnung sicher, so dass die Gefahr eines Ausfalls der Sensoranordnung durch Unterbrechung eines Kontaktes bei extremen Umgebungsverhältnissen in erheblichem Maße reduziert ist. Das Kontaktierungselement umfasst bevorzugt einen Anschlusspin, welcher zum Verbindungselement mittelbar oder unmittelbar in Kontakt steht, wobei besonders bevorzugt das Kontaktierungselement unter Druckbeaufschlagung, welche beispielsweise durch Schließen des Gehäuses entsteht, direkt auf das Verbindungselement aufgedrückt wird, wodurch eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem aufgedrückten Kontaktierungselement und beispielsweise einem Bondpad eines senkrecht zur Haupterstreckungsebene unter dem Kontaktierungselement liegendem Sensorelement entsteht. Somit werden der Kontaktierungsaufwand und der benötigte Bauraum deutlich reduziert, da ein Bondvorgang und somit auch die Bonddrähte vollständig einsparbar sind.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung entnehmbar.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das elastische Material ein Polymer umfasst und/oder dass die elektrisch leitfähigen Elemente vergleichsweise kleine elektrisch leitfähige Partikel, insbesondere zylinderförmige und/oder oder kugelförmige elektrisch leitfähige Partikel, umfassen. Die elektrisch leitfähigen Elemente sind parallel zur Haupterstreckungsebene vorzugsweise derart voneinander beabstandet, dass das Verbindungselement in vorteilhafter weise parallel zur Haupterstreckungsebene einen elektrischen Isolator und lediglich senkrecht zur Haupterstreckungsebene einen elektrischen Leiter umfasst. Der Abstand zwischen zwei benachbarten elektrisch leitfähigen Elementen parallel zur Haupterstreckungsebene beträgt bevorzugt 20 μm bis 100 μm, besonders bevorzugt 40 μm bis 60 μm und ganz besonders bevorzugt im Wesentlichen 50 μm.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Kontaktierungselement einen ersten Bereich außerhalb des Gehäuses und einen zweiten Bereich innerhalb des Gehäuses aufweist, so dass in besonders vorteilhafter Weise das Sensorelement von außerhalb des Gehäuses elektrische kontaktierbar, d.h. ansteuerbar bzw. auslesbar ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass zwischen dem Kontaktierungselement und dem Verbindungselement ein weiteres Kontaktierungselement angeordnet ist, wobei das weitere Kontaktierungselement vorzugsweise eine Leiterplatte, Leiterbahnen und/oder ein Halbleiterelement umfasst, wobei das weitere Kontaktierungselement und/oder das Verbindungselement vorzugsweise weitere elektrische, elektronische, mikromechanische und/oder elektromechanische Bauelemente aufweist. Somit ist besonders vorteilhaft eine Implementierung der weiteren Bauelemente in das Gehäuse in vergleichsweise einfacher und kostengünstiger Weise realisierbar. Besonders bevorzugt werden passive Bauelemente, wie beispielsweise Kondensatoren oder Widerstände, auf dem Verbindungselement oder auf dem weiteren Kontaktierungselement angeordnet, um die EMV - Eigenschaften d.h. insbesondere die elektromagnetische Störfestigkeit des Sensorelements zu verbessern. Ganz besonders bevorzugt ist das weitere Kontaktierungselement als Leadframe ausgebildet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass zwischen dem Verbindungselement und dem Kontaktierungselement und/oder zwischen dem weiteren Kontaktierungselement und dem Kontaktierungselement eine Kontaktfeder angeordnet ist. In vorteilhafter weise ermöglicht die Herstellung eines elektrisch leitfähigen Kontaktes zwischen dem Verbindungselement und dem Kontaktierungselement und/oder zwischen dem Verbindungselement und dem weiteren Kontaktierungselement eine weitere Erhöhung des Toleranzausgleiches.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass zwischen dem Kontaktierungselement und dem Gehäuse ein Dichtungs- und/oder Isolationselement angeordnet ist, welches insbesondere ein Glas umfasst. Somit wird in besonders vorteilhafter Weise die Verwendung eines Gehäuses aus einem elektrisch leitfähigen Material ermöglicht, da das Isolationselement das Kontaktierungselement gegenüber dem Gehäuse elektrisch isoliert und somit ein elektrischer Kurzschluss unterbunden wird. Weiterhin wird durch die Verwendung des Dichtungselements die Realisierung eines hermetisch dichten Gehäuses deutlich vereinfacht. Vorzugsweise umfasst das Gehäuse ein Metallgehäuse, ein Keramikgehäuse und/oder ein Kunststoffgehäuse, wobei bevorzugt das Kunststoffgehäuse ein MoId- oder Premoldgehäuse umfasst.
Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement einen Drucksensor umfasst, wobei vorzugsweise eine Öffnung im Gehäuse die Einstellung eines Messdruckes in einem drucksensitiven Bereich des Drucksensors, insbesondere im Bereich einer Membran in einer Kaverne des Drucksensorsubstrats, ermöglicht. In vorteilhafter Weise wird somit die Messung eines Messdrucks durch das Sensorelement im Innern des Gehäuses ermöglicht, wobei das Sensorelement insbesondere durch eine
Kontaktierung der Kontaktierungselemente außerhalb des Gehäuses auslesbar bzw. ansteuerbar ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Sensorelement über einen Sockel, insbesondere ein Glas, mit dem Gehäuse verbunden ist und/oder dass das Gehäuse ein hermetisch dichtes Gehäuse umfasst. Besonders vorteilhaft wird die Einstellung eines speziellen Gehäuseinnendrucks, insbesondere eines Vakuums, ermöglicht, so dass das Sensorelement beispielsweise vor Korrosion und/oder schädlichen Substanzen, wie beispielsweise Öl, geschützt wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Verbindungselement und/oder das weitere Kontaktierungselement im Bereich der Öffnung und/oder der Membran eine Aussparung aufweist, so dass besonders vorteilhaft ein elektrischer Kontakt zwischen dem Verbindungselement und der Membran und/oder zwischen dem weiteren Kontaktierungselement und der Membran bei einer Bewegung der Membran unterbunden wird.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Sensoranordnung, wobei in einem ersten Verfahrensschritt das Verbindungselement auf dem Sensorelement angeordnet wird, wobei in einem zweiten Verfahrensschritt das Kontaktierungselement, das weitere Kontaktierungselement und/oder die Kontaktfeder auf dem Verbindungselement angeordnet werden. Im Vergleich zum Stand der Technik wird somit die Herstellung einer elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen dem Sensorelement und dem Kontaktierungselement, dem weiteren Kontaktierungselement und/oder der Kontaktfeder in erheblicher Weise vereinfacht, da ein vergleichsweise aufwändiger und somit kostenintensiver Bondprozess vollständig eingespart wird. Insbesondere wird das Sensorelement bei der Positionierung des Verbindungselements lediglich mit seinen Bondpads elektrisch leitfähig kontaktiert, da das Sensorelement auf seiner Oberfläche außerhalb der Bondpads vorzugsweise eine Isolationsschicht aufweist. Die Elastizität des Verbindungselements erhöht ferner die Fertigungstoleranzen in erheblicher Weise, so dass weitere Kostenvorteile in der Fertigung der Sensoranordnung erzielt werden. Vorzugsweise ist die Sensoranordnung, insbesondere das Gehäuse, das Sensorelement, das Verbindungselement oder weitere Kontaktierungselement selbstzentrierend ausgebildet, so dass die Prozesskosten durch die Einsparung eines präzisen Positionierungsverfahrens zusätzlich reduzierbar sind.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Sensorelement in einem dritten Verfahrensschritt in dem Gehäuse angeordnet wird, wobei in einem vierten Verfahrensschritt das Verbindungselement und/oder das weitere Kontaktierungselement mit den weiteren elektrischen, elektronischen, mikromechanischen und/oder elektromechanischen Bauelementen bestückt wird. Besonders vorteilhaft sind somit ein Schutz des Sensorelements vor Korrosion und/oder schädlichen Substanzen und/oder eine Verbesserung der EMV- Eigenschaften der Sensoranordnung realisierbar.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass im zweiten Verfahrensschritt auf das Kontaktierungselement, auf das weitere Kontaktierungselement und/oder auf die Kontaktfeder ein Druck in Richtung des Verbindungselements ausgeübt wird. Vorzugsweise wird der Druck durch das Gehäuse bzw. durch einen Gehäusedeckel erzeugt, so dass sowohl die mechanische, als auch die elektrisch leitfähige mittelbare oder unmittelbare Verbindung zwischen dem Sensorelement und dem Kontaktierungselement maximal durch das Gehäuse fixiert sind und somit eine im Vergleich zum Stand der Technik erheblich gesteigerte Belastbarkeit aufweist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen
Figur 1 eine schematische Seitenansicht einer Sensoranordnung gemäß dem Stand der Technik, Figur 2 eine schematische Seitenansicht und eine schematische Aufsicht einer
Sensoranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 3 eine schematische Aufsicht eines Verbindungselements einer
Sensoranordnung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 4 eine schematische Aufsicht eines weiteren Kontaktierungselements einer Sensoranordnung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 5 eine schematische Seitenansicht einer Sensoranordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 6 eine schematische Seitenansicht einer Sensoranordnung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und Figur 7 eine schematische Seitenansicht einer Sensoranordnung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden in der Beschreibung daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt.
In Figur 1 ist eine schematische Seitenansicht einer Sensoranordnung 16 gemäß dem Stand der Technik dargestellt, wobei die Sensoranordnung 16 einen Drucksensor 1 , einen drucksensitiven Bereich 2 in einer Kaverne des Substrats des Drucksensors 1 , eine Membran 9 des Drucksensors 1 , eine Leiterplatte 5, einen Sockel 10, ein Gehäuse 12, einen Anschlusspin 13, ein Dichtungselement 15, eine Öffnung 11 und einen Bonddraht 14 aufweist. Durch die Öffnung 11 stellt sich im drucksensitiven Bereich 2 des Drucksensors 1 ein Messdruck ein, so dass der Messdruck von einer Membran 9 des Drucksensors 1 messbar ist. Der Drucksensor 1 ist auf dem Sockel 10 in dem Gehäuse 12 angeordnet, wobei der Drucksensor 1 innerhalb des Gehäuses über die Leiterplatte 5 und über den Bonddraht 14 mit dem Anschlusspin 14 verbunden ist, welcher über das Dichtungselement 15 gegenüber dem Gehäuse 12 isoliert ist. Der Anschlusspin 13 weist einen Bereich außerhalb des Gehäuses 12 auf, so dass der Drucksensor 1 von außerhalb des Gehäuses 12 elektrisch kontaktierbar und somit auslesbar ist. Nachteil ist, dass zur Kontaktierung des Anschlusspins 13 mit dem Drucksensor 1 ein Bonddraht 14 verwendet werden muss.
In Figur 2 sind eine schematische Seitenansicht und eine schematische Aufsicht einer Sensoranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die Sensoranordnung ein Sensorelement 1 ein Gehäuse 12, zwei Kontaktierungselemente 13 und ein Verbindungselement 14 aufweist, wobei das Sensorelement 1 im Wesentlichen innerhalb des Gehäuses 12 angeordnet ist und wobei das Verbindungselement 14 zwischen dem Sensorelement 1 und dem Kontaktierungselement 13 angeordnet ist und wobei ferner dass das Verbindungselement 14 elektrisch leitfähige Elemente 34, insbesondere vergleichsweise kleine zylinderförmige Partikel bzw. Pins, welche vorzugsweise einen Pitch 31 von 50 μm zueinander aufweisen, umfasst, welche zumindest teilweise von einem elastischen Material 35, insbesondere von Polymer umgeben sind. Die Kontaktierungselemente 13 weisen einen ersten Bereich 20 außerhalb des Gehäuses 12 zur externen Ansteuerung und Auslesung des Sensorelements 1 und einen zweiten Bereich 21 innerhalb des Gehäuses 12 auf, welcher mittelbar oder unmittelbar mit dem Verbindungselement 14 verbunden ist, so dass das Verbindungselement 14 zwischen dem Sensorelement 1 und dem Kontaktierungselement 13 liegt, wobei zwischen dem Verbindungselement 14 und dem Kontaktierungselementen 13 ein weiteres Kontaktierungselement 5 angeordnet ist, welches insbesondere eine Leiterplatte 5 und/oder ein Hybrid und weitere Bauelemente 22, insbesondere EMV-Kondensatoren, aufweist. Zwischen einem der beiden Kontaktierungselemente 13 und dem weiteren Kontaktierungselement 5 ist ferner eine biegsame und elektrisch leitfähige Kontaktfeder 23 angeordnet. Die Leiterplatte weist Vias auf, welche das Sensorelement 1 auf der einen Seite der Leiterplatte elektrisch leitfähig mit den Kontaktierungselementen 13 und der Kontaktfeder 23 auf der anderen Seite der Leiterplatte verbinden. Zwischen den Kontaktierungselementen 13 und dem Gehäuse 12 ist jeweils ein Isolations- und/oder Dichtungselemente 15 angeordnet, um das Gehäuse 12 hermetisch dicht zu verschließen und die Kontaktierungselemente 13 gegenüber dem Gehäuse 12 elektrisch zu isolieren. Das Sensorelement 1 ist auf einem Sockel 10, insbesondere einem Glassockel, angeordnet, wobei der Sockel 10 auf einer Gehäuseinnenseite des Gehäuses 12 verbunden angeordnet ist. Das Sensorelement 1 umfasst insbesondere einen Drucksensor 1 mit einer Kaverne 2 im Substrat und einer im Bereich der Kaverne 2 angeordneten Membran 9, wobei der Drucksensor im Bereich der Kaverne 2 bzw. im Bereich der Membran 9 einen drucksensitiven Bereich aufweist und wobei sich im drucksensitiven Bereich durch eine Öffnung 24 im Gehäuse und eine entsprechende Öffnung im Sockel 10 ein Messdruck einstellt, welcher von dem Drucksensor gemessen wird und über die Kontaktierungselemente 13 auslesbar ist. Das Verbindungselement 14 und/oder das weitere
Kontaktierungselement 5 weist im Bereich der Öffnung 24 bzw. im Bereich der Membran 9 ebenfalls eine Aussparung 24' auf, so dass ein elektrischer Kontakt zwischen der Membran 9 und dem Verbindungselement 14 und/oder dem weiteren Kontaktierungselement 5 insbesondere bei einer Auslenkung der Membran 9 unterbunden wird. Das Gehäuse 12 umfasst insbesondere ein Metallgehäuse. Das weitere Kontaktierungselement 5 weist vorzugsweise Kontaktierpads 33 auf, welche insbesondere zum Abgleich der Sensoranordnung 1 fungieren.
In Figur 3 eine schematische Aufsicht eines Verbindungselements 14 einer
Sensoranordnung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei das Verbindungselement 14 die Aussparung 24' zur Auslenkung der Membran 9, die elektrisch leitfähigen Elemente 34 in Form vergleichsweise kleiner zylinderförmiger Pins, welche vorzugsweise einen Pitch 31 von 50 μm zueinander aufweisen, und das elastische Material 35 aufweisen, wobei die elektrisch leitfähigen Elemente 34 zumindest in einer Richtung parallel zur Haupterstreckungsebene 100 des Substrats des Sensorelements 1 von dem elastischen Material 35, welches insbesondere ein Polymer umfasst, eingebettet sind und wobei sich die Pins besonders bevorzugt senkrecht zur Haupterstreckungsebene 100 über die gesamte Dicke des elastischen Materials 35 erstrecken.
In Figur 4 ist eine schematische Aufsicht eines weiteren Kontaktierungselements 5 einer Sensoranordnung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei das weitere Kontaktierungselement 5 die Aussparung 24', die Bauelemente 22, die Kontaktierpads 33 und Kontaktpads 32 aufweist und wobei die Kontaktpads 32 insbesondere zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Verbindung mit den Kontaktierungselementen 13 und/oder der Kontaktfeder 23 fungieren und wobei ferner die Kontaktpads 32 über Leitungen, Bauelemente 22 und/oder Vias einen elektrisch leitfähigen Kontakt zum Sensorelement 1 aufweisen.
In Figur 5 ist eine schematische Seitenansicht einer Sensoranordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die zweite Ausführungsform identisch der ersten Ausführungsform dargestellt in Figur 2 ist, wobei das Gehäuse 12 ein Kunststoffgehäuse umfasst und somit zwischen dem Gehäuse 12 und den Kontaktierungselementen 13 kein Dichtungs- und/oder Isolationselemente 15 angeordnet sind. Das Gehäuse 12 weist ferner einen Deckel 12' auf, wobei der Deckel 12' hermetisch dicht mit dem Gehäuse 12 verbunden ist und wobei in den Deckel 12' ein Leadframe 13', welcher zumindest teilweise die Kontaktierungselemente 13 umfasst, integriert ist. Der Deckel 12' wird vorzugsweise nach dem elektrischen Abgleich des Sensorelements 1 über die Kontaktierungspads 33 auf das Gehäuse 12 geklebt und/oder geschweißt. Ferner ist eine Realisierung dieser Sensoranordnung 1 gemäß der zweiten Ausführungsform ohne eine Kontaktfeder 23 und/oder mit einem weiteren Kontaktierungselement 5 aus Keramik denkbar.
In Figur 6 ist eine schematische Seitenansicht einer Sensoranordnung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die dritte Ausführungsform identisch der ersten Ausführungsform illustriert in Figur 2 ist, wobei das Gehäuse 12 ebenfalls einen Deckel 12' aufweist und wobei die Sensoranordnung kein weiteres Kontaktierungselement 23 und keine Kontaktfeder 23 aufweist, so dass beide Kontaktierungselemente 13 einen unmittelbaren elektrisch leitfähigen Kontakt zum Verbindungselement 14 aufweisen. Diese Sensoranordnung ist folglich besonders bauraumkompakt. Der Abgleich des
Sensorelements 1 wird vorzugsweise vor dem Verschließen des Gehäuses 12 mit dem Deckel 12' durchgeführt, wobei der Abgleich besonders bevorzugt an Pins des Verbindungselements 14 erfolgt.
In Figur 7 ist eine schematische Seitenansicht einer Sensoranordnung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die vierte Ausführungsform identisch der zweiten Ausführungsform illustriert in Figur 5 ist, wobei die Sensoranordnung ähnlich wie in der dritten Ausführungsform dargestellt in Figur 6 kein weiteres Kontaktierungselement 5 aufweist, wobei die Bauelemente 22 vorzugsweise in den Deckel 12' integriert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Sensoranordnung mit einem Sensorelement (1 ), einem Gehäuse (12), einem Kontaktierungselement (13) und einem Verbindungselement (14), wobei das Sensorelement (1 ) im Wesentlichen innerhalb des Gehäuses (12) angeordnet ist und wobei das Verbindungselement (14) mittelbar oder unmittelbar zwischen dem Sensorelement (1 ) und dem Kontaktierungselement (13) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (14) elektrisch leitfähige Elemente (34) umfasst, welche zumindest teilweise von einem elastischen Material (35) umgeben sind.
2. Sensoranordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Material (35) ein Polymer umfasst und/oder dass die elektrisch leitfähigen Elemente (34) vergleichsweise kleine elektrisch leitfähige Partikel, insbesondere zylinderförmige und/oder oder kugelförmige elektrisch leitfähige
Partikel, umfassen.
3. Sensoranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktierungselement (13) einen ersten Bereich (20) außerhalb des Gehäuses (12) und einen zweiten Bereich (21 ) innerhalb des Gehäuses (12) aufweist und/oder dass das Gehäuse (12) einen Deckel (12') aufweist.
4. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kontaktierungselement (13) und dem
Verbindungselement (14) ein weiteres Kontaktierungselement (5) angeordnet ist, wobei das weitere Kontaktierungselement (5) vorzugsweise eine Leiterplatte, Leiterbahnen und/oder ein Halbleiterelement umfasst, wobei das weitere Kontaktierungselement (5) und/oder das Verbindungselement (14) vorzugsweise weitere elektrische, elektronische, mikromechanische und/oder elektromechanische Bauelemente (22) aufweist.
5. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Verbindungselement (14) und dem Kontaktierungselement (13) und/oder zwischen dem weiteren Kontaktierungselement (5) und dem Kontaktierungselement (13) eine Kontaktfeder (23) angeordnet ist.
6. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kontaktierungselement (13) und dem Gehäuse (12) ein Dichtungs- und/oder Isolationselement (15) angeordnet ist, welches insbesondere ein Glas umfasst.
7. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (1 ) über einen Sockel (10), insbesondere ein Glas, mit dem Gehäuse (12) verbunden ist und/oder dass das Gehäuse (12) ein hermetisch dichtes Gehäuse umfasst.
8. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (1 ) einen Drucksensor umfasst, wobei vorzugsweise eine Öffnung (24) im Gehäuse (12) die Einstellung eines Messdruckes in einem drucksensitiven Bereich (2) des Drucksensors, insbesondere im Bereich einer Membran (9) in einer Kaverne des Drucksensorsubstrats, ermöglicht.
9. Sensoranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (14) und/oder das weitere
Kontaktierungselement (5) im Bereich der Öffnung (24) und/oder der Membran (9) eine Aussparung (24') aufweist.
10.Verfahren zur Herstellung einer Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten
Verfahrensschritt das Verbindungselement (14) auf dem Sensorelement (1 ) angeordnet wird, wobei in einem zweiten Verfahrensschritt das Kontaktierungselement (13), das weitere Kontaktierungselement (5) und/oder die Kontaktfeder (23) auf dem Verbindungselement (14) angeordnet werden.
11.Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das
Sensorelement (1 ) in einem dritten Verfahrensschritt in dem Gehäuse (12) angeordnet wird, wobei in einem vierten Verfahrensschritt das Verbindungselement (14) und/oder das weitere Kontaktierungselement (5) mit den weiteren elektrischen, elektronischen, mikromechanischen und/oder elektromechanischen Bauelementen (22) bestückt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Verfahrensschritt auf das Kontaktierungselement (13), auf das weitere Kontaktierungselement (5) und/oder auf die Kontaktfeder (23) ein Druck in Richtung des Verbindungselements (14) ausgeübt wird.
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