WO2010031639A1 - Sensoranordnung zur bestimmung eines parameters eines fluiden mediums - Google Patents

Sensoranordnung zur bestimmung eines parameters eines fluiden mediums Download PDF

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WO2010031639A1
WO2010031639A1 PCT/EP2009/060187 EP2009060187W WO2010031639A1 WO 2010031639 A1 WO2010031639 A1 WO 2010031639A1 EP 2009060187 W EP2009060187 W EP 2009060187W WO 2010031639 A1 WO2010031639 A1 WO 2010031639A1
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WO
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sensor
multilayer structure
sensor arrangement
sensor chip
recess
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Application number
PCT/EP2009/060187
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English (en)
French (fr)
Inventor
Erhard Renninger
Hans Hecht
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
    • G01F1/6845—Micromachined devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/68—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by using thermal effects
    • G01F1/684—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow
    • G01F1/688—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element
    • G01F1/69—Structural arrangements; Mounting of elements, e.g. in relation to fluid flow using a particular type of heating, cooling or sensing element of resistive type
    • G01F1/692—Thin-film arrangements

Definitions

  • the invention is based on devices for measuring at least one parameter of a flowing fluid medium, in particular a fluid medium flowing through a flow tube, as are known from various areas of the art.
  • fluid media in particular gas masses (eg an air mass)
  • gas masses eg an air mass
  • properties for example temperature, pressure, flow velocity, mass flow, volume flow etc.
  • An important application example is the combustion of fuel in internal combustion engines of motor vehicles, in particular with subsequent catalytic exhaust gas purification, in which regulated a certain air mass per unit time (air mass flow) must be supplied.
  • Various types of sensors are used to measure the air mass flow rate.
  • a sensor type known from the prior art is the so-called hot film mass flow meter (HFM), which is described for example in DE 196 01 791 A1 in one embodiment.
  • HFM hot film mass flow meter
  • Such a hot-film air mass meter usually uses a sensor chip which, for example, has a thin sensor membrane or another sensor surface, for example a silicon sensor chip. On the sensor membrane is typically arranged at least one heating resistor, which is surrounded by two or more temperature measuring resistors (temperature sensors).
  • the temperature distribution changes, which in turn can be detected by the temperature measuring resistors and can be evaluated by means of a control and evaluation circuit.
  • an air mass flow can be determined.
  • the present invention is not limited to the described type of sensor of the hot-film air mass meter, but can basically - also be used for most types of sensors that are used as a permanently installed sensors or, for example, as a replaceable plug-in sensor in a flowing medium.
  • a sensor carrier is used, which is designed, for example, as a metal bag or by means of a plastic part.
  • a control and evaluation is provided, which is connected by appropriate bonding techniques with associated terminals on the sensor chip.
  • the sensor chip is introduced, for example, in a recess of the sensor carrier.
  • An embodiment of such assemblies of sensor chips in recesses of the sensor carrier and associated connection techniques by means of wire bonding is described in DE 195 24 634 Al.
  • the recess for receiving the sensor chip may be designed flat on its underside, but may also have, for example, groove-shaped recesses or other structures.
  • a challenge of known sensor arrangements is, in particular, that these sensor arrangements require comparatively complicated assembly techniques.
  • the described Drahtbonding- method by which the control and evaluation circuits are connected to the sensor chips are technically complex and involve a high assembly cost.
  • the sensor arrangements are comparatively expensive in terms of construction space, since installation space must be provided for the wire connections and the control and evaluation electronics.
  • a sensor arrangement for determining at least one parameter of a fluid medium flowing with a flow direction which at least largely avoids the disadvantages of the sensor arrangements known from the prior art.
  • the sensor arrangement can be used in particular for measuring an intake air mass of an internal combustion engine flowing through a flow pipe, in particular according to the hot film air mass meter principle described above.
  • other arrangements and / or measured parameters are generally conceivable.
  • a basic idea of the present invention is to design the sensor carrier of the sensor arrangement at least partially as a multilayer structure or to use multilayer substrates as carrier substrates for receiving the sensor chips. - -
  • a multilayer construction generally refers to structures in which at least two, preferably three, four or more substrates are connected to each other in a planar manner to form a multi-layer structure.
  • the substrates can be configured, for example, as plastic and / or ceramic substrates.
  • electrical structures may be provided which comprise, for example, conductor tracks, electrical components, connection contacts or the like.
  • electrical structures may be arranged, for example electrical vias, interconnects, electrical components or the like.
  • the individual substrates with the electrical structures already applied thereto and / or with the electrical structures to be applied later can, for example, be adhesively bonded to each other in a planar manner or be connected to one another in a planar manner in other ways.
  • Electrical components can be applied, for example, on a front and / or a back of the multilayer structure surface on the multilayer structure.
  • the contour of the individual layers or layers of the multilayer structure can always be the same with each other, or it can also be provided divergent contours.
  • the sensor arrangement has at least one sensor chip for determining the at least one parameter of the fluid medium.
  • This sensor chip has at least one sensor surface.
  • this sensor chip can be designed as a silicon sensor chip.
  • the sensor chip can furthermore be configured as a hot-film air mass sensor chip, such as, for example, the hot-film air mass sensor sensor chips disclosed in the prior art described above.
  • the sensor surface may, for example, be arranged on a membrane of the sensor chip or else on a surface of a porous region of the sensor chip, that is to say of a region which has a low overall thermal mass. Other embodiments are possible.
  • corresponding sensor elements may be provided on the sensor surface, such as temperature sensors, heating resistors or similar contours required for the function of determining the at least one parameter.
  • the sensor arrangement has a sensor carrier, wherein the sensor chip is connected to the sensor carrier such that the sensor surface can be overflowed by the fluid medium or is overflowed in use.
  • the sensor carrier is wholly or partially designed as a wing, which is adapted to hineinzieuragen in use of the sensor assembly in a flow of the fluid medium.
  • this wing may be arranged in a bypass of a plug-in sensor, in which it is overflowed by a branched off from a main flow of the fluid medium partial flow.
  • the wing can for example be overflowed on both sides of the fluid medium, so that overall the wing causes a comparatively small pressure drop in the flowing fluid medium.
  • other arrangements in which the sensor surface is overflowed by the fluid medium are, however, conceivable in principle.
  • the sensor carrier is at least partially designed as a multilayer structure.
  • that part of the sensor carrier which is connected to the sensor chip should be designed as such a multilayer structure.
  • this multilayer structure has at least two substrate layers and electrical structures in at least two different layer planes of the multilayer structure.
  • the electrical structures can comprise, for example, electrical conductor tracks, feedthroughs, electrical components, contact pads or other types of electrical structures.
  • the sensor chip can be arranged in particular in a depression of the multilayer structure. For example, this recess, apart from required tolerances and air gaps, for example, in their lateral dimensions the dimensions of
  • this depression can be configured rectangular.
  • the depression may in particular comprise at least one free cut in the uppermost layer of the multilayer structure.
  • a free cut is to be understood as an arrangement in which a corresponding opening is produced in the layer before or after the assembly of the multilayer structure. Such openings can be easily produced for example by laser cutting, milling, sawing, etching or similar techniques.
  • the uppermost layer of the multilayer structure ie the layer which assigns the flowing fluid medium, but also at least one further, lower layer of the multilayer structure, for example also the second and third layer following the uppermost layer, with such a layer Free cut for generating the depression provided.
  • the depression can accordingly extend into the depth of the multilayer structure via the uppermost layer and optionally via further layers.
  • the proposed sensor arrangement has a multiplicity of advantages over the known sensor arrangements. In this way, the required electrical structures on the individual layers of the multilayer structure can be realized cost-effectively in parallel at the same time. This can be done, for example, before joining the individual layers to the
  • Multilayer structure for example by means of gluing, laminating or similar bonding techniques done.
  • the recess can be easily adapted to the dimensions and shape of the sensor chip and is basically freely selectable.
  • the electrical structures of the multilayer structure can also be used during assembly as an aid.
  • these can be used as parser structures by means of an image recognition for position detection for an adhesive application during assembly of the sensor chip on the multilayer structure as well as for a setting process of the sensor chip with a sufficient positioning accuracy.
  • the orientation and positioning of the sensor chip can be freely adapted to the boundary conditions in the plane of the layers of the multilayer structure.
  • the recess for receiving the sensor chip which can also be referred to as cavern, can be easily realized by the above-described free cutting of the layers of the multi-layer structure, in contrast to, for example, known injection molding processes and / or milling processes.
  • the number of layers of the multilayer structure to be cut free for this depression can be determined, for example, by the height of the sensor chip and the thickness of the individual layers, taking into account intermediate layers such as, for example, adhesive layers. It is particularly preferred if the sensor surface is arranged substantially flush with a surface of the multilayer structure.
  • Deviations from a flush arrangement for example by not more than 20%, preferably not more than 10% or by not more than 5%, of the height of the sensor chip can also be tolerated by "essentially flush.”
  • the recess for the sensor chip receptacle can As described above, the cutouts or cutouts for this depression can be introduced into the individual layers before the individual layers are connected to the multilayer structure.
  • an optional electrical control and evaluation circuit for controlling and evaluating the sensor chip or the sensor arrangement can also be completely or partially integrated in the multilayer structure.
  • the control and evaluation electronics can be completely integrated in the multilayer.
  • control and evaluation electronics may be present in the multilayer, whereas other parts, for example parts which comprise electrical components with a higher space requirement, may be realized externally, for example in other components of the sensor arrangement and / or within an external control
  • the use of the multilayer arrangement for the evaluation electronics as a sensor receptacle can take place using provided electrical structures in the multilayer structure, for example corresponding interconnects, feedthroughs, connection contacts, plated-through holes or the like, and optionally using applied and / or incorporated electrical components, such as passive or active electrical components.
  • These structures can also be accommodated between the individual layers, wherein, for example, the height of the conductor tracks and / or electrical structures must be taken into account in addition to the heights of the individual layers and layer bonds or layer connections in the dimensioning of the multilayer structure.
  • connection between the sensor element and the multilayer structure relate to the connection between the sensor element and the multilayer structure.
  • a preferred form of the compound is the bonding using at least one adhesive.
  • This adhesive can be configured as an insulating adhesive or can also be wholly or partially configured as a conductive adhesive, for example to produce electrical connections between electrical structures on the multilayer structure and the sensor chip.
  • all or part of a connection by means of conventional bonding techniques, for example by means of wire bonding done.
  • the multi-layer structure with at least one flow barrier in the form of at least one recess in the multilayer structure when the sensor chip is bonded to the multilayer structure.
  • This recess can be particularly in the form of at least one trench and can prevent, in addition to the at least one partial surface of the sensor chip or the multilayer structure, on which the adhesion is to take place, further surfaces are glued.
  • this recess can partially or preferably completely pass through at least one upper or lower layer of the multilayer structure.
  • This interspersed layer may, for example, be an uppermost layer of the multilayer structure, or, if the sensor chip is arranged in a depression of the multilayer structure, the layer of the multilayer structure which forms the bottom of the depression.
  • the recess can be designed, for example, as a free cut and, for example, in turn, be introduced before connecting the individual layers of the multilayer structure in the corresponding layers, for example, again by appropriate free cutting process, such as milling, sawing, drilling, laser cutting or the like.
  • the flow cutting edge can be designed, for example, as a trench and can basically be shaped as desired.
  • the flow barrier can be adapted in shape to the component, in particular to the sensor element, and at its positioning.
  • the flow barrier can be realized in a surface mounting on the multilayer structure as a connection to a layer of an intermediate layer.
  • the flow barrier can be used to prevent mechanical, even in other, unwanted surfaces due to a full-surface bonding
  • Adhesive or the process parameters usually insufficiently manageable.
  • the aforementioned flow barriers between the part surface as a connection surface and the other surfaces to be released define the surface geometry between the sensor chip and the
  • the multilayer structure has at least one reservoir for receiving excess adhesive during bonding of the sensor chip to the multilayer structure.
  • This reservoir can be used in particular if the multilayer structure has a depression for receiving the sensor chip. has. In this case, the reservoir can be arranged in particular within this depression.
  • the reservoir can be realized for example as a trench, bore or other groove or receptacle in the multilayer structure, for example in the bottom of the recess. In this case, it is particularly preferred if the reservoir is produced by overdimensioning a recess for producing the recess in at least one lower layer plane of the multilayer structure relative to the free cut in at least one higher layer plane of the multilayer structure.
  • Such a reservoir is technically particularly easy to produce, since the cutouts are produced in the individual layer planes, for example, before connecting the layer planes to the multilayer structure.
  • a rectangular depression is used for receiving the sensor chip
  • this cutout as a rectangle with an edge length which is at least one dimension higher than that or the cutouts in overlying layer planes be designed.
  • a - for example circumferential - channel is formed, in which, for example, liquid excess adhesive can escape during insertion of the sensor chip in the recess.
  • dosage tolerances during dosing of the adhesive before applying the sensor chip can be compensated.
  • the tolerances of the sensor arrangements which are caused by such variations of the manufacturing process, can be minimized thereby.
  • FIG. 1A is a perspective view of part of a sensor arrangement according to the invention.
  • FIG. 1B shows a sectional view through the sensor arrangement according to FIG. 1A;
  • FIG. 2 is a sectional view of an alternative embodiment of a sensor arrangement to FIG. 1B;
  • Figure 3 A is a schematic perspective view of the bonding of a sensor chip on a multilayer structure with only partial bonding
  • Figure 3B is a sectional view of the arrangement of Figure 3 A with a flow barrier
  • FIG. 4 shows a sectional view of an alternative to Figure 3B exemplary embodiment of a sensor arrangement with a flow barrier in a recess for receiving the sensor chip.
  • FIGS. 1A and 1B show a partial embodiment of a first exemplary embodiment of a sensor arrangement 110 according to the invention.
  • FIG. 1A shows a perspective view of a sensor carrier 112 of the sensor arrangement 110
  • FIG. 1B shows a sectional view through this sensor carrier 112 along a virtual section line indicated by the reference numeral 114 in FIG. Both representations will be referred to below.
  • the sensor carrier 112 may, for example, be designed as a measuring wing, which projects into the flow of a fluid medium.
  • the fluid medium is symbolically denoted by the reference numeral 116 in both figures.
  • this fluid medium flows with a flow direction denoted by the reference numeral 118 in the figures, whereby, correspondingly, the flow velocity can also be vanishingly small up to zero.
  • the sensor arrangement 110 furthermore has a sensor chip 120.
  • This sensor chip 120 may, for example, be designed as a silicon chip and may have, for example, sensor structures on a sensor surface 122 facing the flowing fluid medium 116. These sensor structures may, for example, have one or more heating resistors, one or more temperature sensors or the like.
  • the sensor chip 120 may correspond to one of the sensor chips known from the prior art described at the beginning.
  • the sensor carrier 112 is designed according to the invention as a multilayer structure 124.
  • this multilayer structure may comprise a plurality of substrate layers 126.
  • These substrate layers can be produced, for example, from substrates with plastic materials, ceramic materials or other materials or composite materials or combinations of materials. These can, for example, by means of
  • Adhesive layers 128 may be glued together and may have electrical structures 130 in different layer planes, for example on one or more surfaces of the substrate layers 126. These electrical structures 130 are in FIG. 1B merely hinted. These electrical structures 130 may comprise, for example, printed conductors, feedthroughs, plated-through holes, contact pads, electrical components of active and / or passive type or other types of electrical structures or combinations of said and / or other elements, which may be used, for example, for a drive and evaluation circuit 132 of the sensor assembly 110 wholly or partially in the multilayer structure 124 to realize.
  • This control and evaluation circuit 132 may include, for example, electrical components 134, which are also symbolically indicated in Figure IB and which may be applied, for example, on the front side 136 and / or on the back 138 of the multilayer structure 124.
  • the sensor chip 120 is arranged in the embodiment shown in FIGS. 1A and 1B in a depression 140 in the multilayer structure 124. As can be seen in FIG. 1B, this depression is configured in the form of rectangular cutouts 142 in the multilayer structure 124. These cutouts 142, which in the illustrated embodiment are configured rectangular and are substantially adapted to the shape of the sensor chip 120, can for example be cut into these substrate layers 126 before the individual substrate layers 126 are connected to the multilayer structure 124. Subsequently, the substrate layers 126 may be laminated corresponding to the multilayer structure 124.
  • an adhesive 144 may be introduced into the recess 140, that is, for example, on the bottom surface of the recess 140, which through the top, not cut away layer (in Figure IB, the third layer, viewed from the front side 136) , Subsequently, the sensor chip 120 can be applied to this adhesive 144, so that the sensor chip 120 is adhesively bonded to the multilayer structure 124. Also, another type of connection technique may be provided. Furthermore, in addition to an adhesive 144, other substances can also be introduced, for example an adhesion promoter.
  • FIG. 2 An embodiment of the sensor arrangement 110 according to the invention similar to FIG. 1B is shown in FIG. 2, which enables or facilitates such evasion.
  • This embodiment can basically be configured analogously to the exemplary embodiment according to FIG. 1B, so that reference can be made to a large extent to the above description.
  • the recess 140 in the exemplary embodiment according to FIG. 2 has a reservoir 146 for receiving excess adhesive.
  • this reservoir is constructed, for example, as a circumferential groove or as a circumferential cavity in the second substrate layer 126 of the multilayer structure 124, which is viewed from the front side 136.
  • This cavity is produced in that the cutout in this second cut is dimensioned larger than the cutout in the overlying first substrate layer 126 facing the front side 136.
  • Other configurations of the reservoir 146 are also conceivable and can be used alternatively or additionally.
  • the reservoir 146 may include trenches, channels, grooves, bores, or the like
  • the structure of the embodiments in Figures IA and IB and in Figure 2 is to be understood as exemplary only.
  • the depression 140 may also comprise only one free cut in one layer or in more than two layers.
  • the sensor surface 122 of the sensor chip 120 is set back slightly relative to the surface of the front side 136. This is not absolutely necessary.
  • this sensor surface 122 it is also possible for this sensor surface 122 to be flush with the front side 136 of the multilayer structure 124.
  • FIGS. 3A and 3B and in FIG. 4 two exemplary embodiments are shown which do not include full-surface bonding of the sensor chip 120 to the multilayer structure 124, but instead only a partial bonding.
  • FIG. 3A shows a perspective view of a third exemplary embodiment of a sensor arrangement 110 with partial bonding
  • FIG. 3B again, similar to FIG. 1B, shows a sectional view along the section line 114 in FIG. 3A.
  • This embodiment takes into account the fact that with different sensor arrangements 110, in particular sensor arrangements with sensor chips 120 in the form of micromechanical sensors, the introduction of mechanical stresses and the contamination of sensitive areas by the adhesive 140 and / or a bonding agent is not allowed. However, especially in the case of surface connections, the partial land use over the quantity and / or the process parameters is only insufficiently manageable.
  • a partial area 148 is adhesively bonded to the multilayer structure 124 as a usable area and as a connection area.
  • the remaining surfaces of the sensor chip 120 are cantilevered and not connected to the sensor carrier 112.
  • a flow barrier 150 in the form of a trench 152 is provided.
  • This flow barrier 150 is realized, for example, by a cut-free in the uppermost and / or in further substrate layers 126 of the multilayer structure 124. This free cut can, for example, in turn, be made before connecting the substrate layers 126 to the multilayer structure 124.
  • the flow barrier 150 acts as a flow limit for the adhesive 144 and / or the adhesion promoter.
  • the width and / or the other dimensions, such as the depth, of the flow barrier 150 can be adapted to the boundary conditions, for example the dimensions of the sensor chip 120, the amount and / or the viscosity of the adhesive 144 or similar boundary conditions.
  • the width of the flow barrier 150 may be, for example, 0.7 mm and its depth 0.3 mm. However, other dimensions are possible in principle. If the width can not be realized at a sufficient spacing for a given thickness of the substrate layers 126, further substrate layers 126 of the multilayer structure 124 can be used.
  • the at least one trench 152 of the flow barrier 150 should run, for example, parallel to the desired boundary lines of the attachment surface 148.
  • FIG. 4 shows an analogous embodiment, which is configured similarly to the exemplary embodiment in FIGS. 1A and 1B.
  • a recess 140 in the form of cutouts 142 in the uppermost substrate layers 126 of the multilayer structure 124 is provided.
  • this recess 140 reference may be made to the description of the above embodiments.
  • a partial surface 148 is used as a bonding surface via an adhesive 144, optionally with a bonding agent, tied to the bottom of the recess 140.
  • at least one flow barrier 150 is again provided, for example, again in the form of a trench 152, which may be provided at the bottom of the depression 140, for example, and which prevents adhesive 144 and / or hard agent on surfaces of the recess Sensor chips 140 and / or the Multilayerauf- construction 124 reaches where they are undesirable.
  • the flow barrier 150 can also be combined, for example, with one or more reservoirs 146, for example the exemplary embodiment of a reservoir 146 shown in FIG. 2.
  • the partial surfaces 148 which are to be used as the connection surface can be exactly defined, with excess adhesive 144 in FIG the at least one reservoir 146 can escape without entering unwanted areas.
  • the embodiment according to the invention offers a high degree of process stability and reproducibility of the sensor arrangements 110 produced therewith.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung (110) zur Bestimmung wenigstens eines Parameters eines mit einer Strömungsrichtung (118) strömenden fluiden Mediums (116), insbesondere einer durch ein Strömungsrohr strömenden Ansaugluftmasse einer Brennkraftmaschine. Die Sensoranordnung (110) weist mindestens einen Sensorchip (120) zur Bestimmung des wenigstens einen Parameters auf, welche mit mindestens eine Sensoroberfläche (122) umfasst. Die Sensoranordnung (110) weist weiterhin einen Sensorträger (112) auf, mit welchem der Sensorchip (120) derart verbunden ist, dass die Sensoroberfläche (122) von dem fluiden Medium (116) überströmt wird. Der Sensorträger (112) ist zumindest teilweise als Multilayeraufbau (124) ausgestaltet. Der Multilayeraufbau (124) weist mindestens zwei Substratschichten (126) und elektrische Strukturen (130) in mindestens zwei verschiedenen Schichtebenen des Multilayeraufbaus (124) auf.

Description

Beschreibung
Titel
Sensoranordnung zur Bestimmung eines Parameters eines fluiden Mediums
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von Vorrichtungen zur Messung wenigstens eines Parameters eines strömenden fluiden Mediums, insbesondere eines durch ein Strömungsrohr strömenden fluiden Mediums, wie sie aus verschiedenen Bereichen der Technik bekannt sind. So müssen bei vielen Prozessen, beispielsweise auf dem Gebiet der Verfahrenstechnik, der Chemie oder des Maschinenbaus, definiert fluide Medien, insbesondere Gasmassen (z. B. eine Luftmasse) mit bestimmten Eigenschaften (beispielsweise Temperatur, Druck, Strömungsgeschwindigkeit, Massenstrom, Volumenstrom etc.) zugeführt werden. Hierzu zählen insbesondere Verbrennungsprozesse, welche unter geregelten Bedingungen ablaufen.
Ein wichtiges Anwendungsbeispiel ist die Verbrennung von Kraftstoff in Verbrennungskraftmaschinen von Kraftfahrzeugen, insbesondere mit anschließender katalytischer Abgasreinigung, bei denen geregelt eine bestimmte Luftmasse pro Zeiteinheit (Luftmassenstrom) zugeführt werden muss. Zur Messung des Luftmassendurchsatzes werden dabei verschiede- ne Typen von Sensoren eingesetzt. Ein aus dem Stand der Technik bekannter Sensortyp ist der so genannte Heißfilmlufrmassenmesser (HFM), welcher beispielsweise in DE 196 01 791 Al in einer Ausführungsform beschrieben ist. Bei derartigen Heißfilmluft- massenmessern wird üblicherweise ein Sensorchip eingesetzt, welcher beispielsweise eine dünne Sensormembran oder eine sonstige Sensorfläche aufweist, beispielsweise ein Süici- um-Sensorchip. Auf der Sensormembran ist typischerweise mindestens ein Heizwiderstand angeordnet, welcher von zwei oder mehr Temperaturmesswiderständen (Temperaturfühlern) umgeben ist. In einem Luftstrom, welcher über die Membran geführt wird, ändert sich die Temperaturverteilung, was wiederum von den Temperaturmesswiderständen erfasst werden kann und mittels einer Ansteuer- und Auswertungsschaltung ausgewertet werden kann. So kann, zum Beispiel aus einer Widerstandsdifferenz der Temperaturmesswiderstände, ein Luftmassenstrom bestimmt werden. Verschiedene andere Varianten dieses Sensortyps sind aus dem Stand der Technik bekannt. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf den beschriebenen Sensortyp des Heißfilmluftmassenmessers beschränkt, sondern kann grund- - - sätzlich für die meisten Arten von Sensoren, die als fest installierte Sensoren oder beispielsweise als austauschbarer Steckfühler in einem strömenden Medium eingesetzt werden, genutzt werden.
Eine technische Herausforderung bei bekannten Sensoranordnungen, wie beispielsweise Heißfilmluftmassenmessern, stellt in vielen Fällen die Montage des Sensorchips dar. So wird beispielsweise bei bekannten Heißfilmluftmassenmessern ein Sensorträger verwendet, welcher beispielsweise als Blechtasche oder mittels eines Kunststoffteils ausgestaltet wird. In einem separaten Gehäuse ist eine Ansteuer- und Auswerteelektronik vorgesehen, welche durch entsprechende Bonding-Techniken mit zugehörigen Anschlüssen auf dem Sensorchip verbunden wird. Der Sensorchip wird dabei beispielsweise in eine Vertiefung des Sensorträgers eingebracht. Ein Ausführungsbeispiel derartiger Montagen von Sensorchips in Vertiefungen des Sensorträgers sowie zugehöriger Verbindungstechniken mittels Drahtbonding ist in DE 195 24 634 Al beschrieben. Die Vertiefung zur Aufnahme des Sensorchips kann an ihrer Unterseite eben ausgestaltet sein, kann jedoch auch beispielsweise rinnenformige Vertiefungen oder andere Strukturen aufweisen.
Eine Herausforderung bekannter Sensoranordnungen besteht insbesondere darin, dass diese Sensoranordnungen vergleichsweise aufwendige Montagetechniken erfordern. Insbesondere die beschriebenen Drahtbonding- Verfahren, mittels derer die Ansteuer- und Auswerteschaltungen mit den Sensorchips verbunden werden, sind technisch aufwendig und beinhalten einen hohen Montageaufwand. Zudem sind die Sensoranordnungen vergleichsweise bau- raumaufwendig, da Bauraum für die Drahtanschlüsse und die Ansteuer- und Auswerteelektronik vorgesehen werden muss.
Offenbarung der Erfindung
Es wird daher eine Sensoranordnung zur Bestimmung wenigstens eines Parameters eines mit einer Strömungsrichtung strömenden fluiden Mediums vorgeschlagen, welches die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensoranordnungen zumindest weitgehend vermeidet. Die Sensoranordnung kann insbesondere zur Messung einer durch ein Strömungsrohr strömenden Ansaugluftmasse einer Brennkraftmaschine eingesetzt werden, insbesondere nach dem oben beschriebenen Heißfilmluftmassenmesser-Prinzip. Auch andere Anordnungen und/oder gemessene Parameter sind jedoch grundsätzlich denkbar.
Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, den Sensorträger der Sensoranordnung zumindest teilweise als Multilayeraufbau auszugestalten bzw. Multilayer- Substrate als Trägersubstrate zur Aufnahme der Sensorchips zu nutzen. - -
Aus der Elektrotechnik sind allgemein Multilayertechniken bekannt, beispielsweise aus der Leiterplattenherstellung. Beispielsweise werden Leiterplatten in Multilayertechnik zur Realisierung elektronischer Schaltungen mit hoher Bauelementdichte verwendet. Unter einem Multilayeraufbau werden dabei allgemein Aufbauten verstanden, bei welchen mindestens zwei, vorzugsweise drei, vier oder mehr Substrate, flächig miteinander zu einem Mehrschichtaufbau verbunden sind. Die Substrate können beispielsweise als Kunststoff- und/oder Keramiksubstrate ausgestaltet sein. Auf den Oberflächen dieser Substrate, in Schichtebenen zwischen den Substraten und/oder auf den Substraten können elektrische Strukturen vorgesehen sein, welche beispielsweise Leiterbahnen, elektrische Bauelemente, Anschlusskontakte oder Ahnliches umfassen. Auch innerhalb der Substrate selbst können elektrische Strukturen angeordnet sein, beispielsweise elektrische Durchkontaktierungen, Leiterbahnen, elektrische Bauelemente oder Ähnliches.
Die einzelnen Substrate mit den bereits darauf aufgebrachten elektrischen Strukturen und/oder mit den später darauf aufzubringenden elektrischen Strukturen können beispielsweise flächig miteinander verklebt oder auf andere Weise flächig miteinander verbunden sein. Elektrische Bauelemente können beispielsweise auf einer Vorder- und/oder einer Rückseite des Multilayeraufbaus flächig auf den Multilayeraufbau aufgebracht werden. Die Kontur der einzelnen Ebenen bzw. Schichten des Multilayeraufbaus kann dabei untereinander stets gleich sein, oder es können auch voneinander abweichende Konturen vorgesehen sein.
Entsprechend dieses Grundgedankens der vorliegenden Erfindung weist die Sensoranord- nung mindestens einen Sensorchip zur Bestimmung des wenigstens einen Parameters des fluiden Mediums auf. Dieser Sensorchip verfügt über mindestens eine Sensoroberfläche. Beispielsweise kann dieser Sensorchip als Silizium-Sensorchip ausgestaltet sein. Insbesondere kann der Sensorchip weiterhin als Heißfilmluftmassenmesser-Sensorchip ausgestaltet sein, wie beispielsweise die im eingangs beschriebenen Stand der Technik offenbarten Heißfilmluftmassenmesser-Sensorchips. Die Sensoroberfläche kann beispielsweise auf einer Membran des Sensorchips angeordnet oder auch auf einer Oberfläche eines porösen Bereichs des Sensorchips, also eines Bereichs, welcher insgesamt eine geringe thermische Masse aufweist. Auch andere Ausgestaltungen sind möglich. Auf der Sensoroberfläche können beispielsweise entsprechende Sensorelemente vorgesehen sein, wie beispielsweise Temperaturfühler, Heizwiderstände oder ähnliche für die Funktion der Bestimmung des wenigstens einen Parameters erforderliche Konturen. Auch komplexere Ausgestaltungen des Sensorchips sind denkbar. Weiterhin weist die Sensoranordnung einen Sensorträger auf, wobei der Sensorchip derart mit dem Sensorträger verbunden ist, dass die Sensoroberfläche von dem fluiden Medium überströmbar ist bzw. im Einsatz überströmt wird. Dies kann, wie aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise dadurch realisiert werden, dass der Sensorträger ganz oder teilweise als Flügel ausgestaltet ist, welcher eingerichtet ist, um im Einsatz der Sensoranordnung in eine Strömung des fluiden Mediums hineinzuragen. Beispielsweise kann dieser Flügel in einem Bypass eines Steckfühlers angeordnet sein, in welchem diese von einer von einem Hauptstrom des fluiden Mediums abgezweigten Teilströmung überströmt wird. Dabei kann der Flügel beispielsweise beidseitig von dem fluiden Medium überströmt werden, so dass insgesamt der Flügel einen vergleichsweise geringen Druckabfall in dem strömenden fluiden Medium bewirkt. Auch andere Anordnungen, in welchen die Sensorfläche von dem fluiden Medium überströmt wird, sind jedoch grundsätzlich denkbar.
Wie oben dargestellt, ist dabei der Sensorträger zumindest teilweise als Multilayeraufbau ausgestaltet. Insbesondere sollte derjenige Teil des Sensorträgers, welcher mit dem Sensorchip verbunden ist, als derartiger Multilayeraufbau ausgestaltet sein. Wie oben dargestellt, weist dieser Multilayeraufbau mindestens zwei Substratschichten und elektrische Strukturen in mindestens zwei verschiedenen Schichtebenen des Multilayeraufbaus auf. Die elektrischen Strukturen können, wie oben dargestellt, beispielsweise elektrische Leiterbahnen, Durchfüh- rangen, elektrische Bauelemente, Kontaktpads oder andere Arten elektrischer Strukturen umfassen.
Der Sensorchip kann dabei insbesondere in einer Vertiefung des Multilayeraufbaus angeordnet sein. Beispielsweise kann diese Vertiefung, abgesehen von erforderlichen Toleranzen und Luftspalten, beispielsweise in ihren lateralen Abmessungen den Abmessungen des
Sensorchips entsprechen. Beispielsweise kann diese Vertiefung rechteckig ausgestaltet sein.
Die Vertiefung kann insbesondere mindestens einen Freischnitt in der obersten Schicht des Multilayeraufbaus umfassen. Unter einem Freischnitt ist dabei eine Anordnung zu verstehen, bei welcher in der Schicht vor oder nach der Montage des Multilayeraufbaus eine entsprechende Öffnung erzeugt wird. Derartige Öffnungen lassen sich beispielsweise durch Laserschneiden, Fräsen, Sägen, Ätzen oder ähnliche Techniken leicht erzeugen. Vorzugsweise ist nicht nur die oberste Schicht des Multilayeraufbaus, also die Schicht, welche dem strömenden fluiden Medium zuweist, sondern auch mindestens eine weitere, tiefer liegende Schicht des Multilayeraufbaus, beispielsweise auch die zweite und dritte, auf die oberste Schicht folgende Schicht, mit einem derartigen Freischnitt zur Erzeugung der Vertiefung versehen. Die Vertiefung kann sich dementsprechend über die oberste Schicht sowie gegebenenfalls über weitere Schichten in die Tiefe des Multilayeraufbaus hinein erstrecken. Die vorgeschlagene Sensoranordnung weist gegenüber den bekannten Sensoranordnungen eine Vielzahl von Vorteilen auf. So können die benötigen elektrischen Strukturen auf den einzelnen Schichten des Multilayeraufbaus kostengünstig im Nutzen parallel realisiert werden. Dies kann beispielsweise vor dem Verbinden der einzelnen Schichten zu dem
Multilayeraufbau, beispielsweise mittels eines Verklebens, eines Laminierens oder ähnlicher Verbindungstechniken, erfolgen. Die Vertiefung kann problemlos an die Abmessungen und die Form des Sensorchips angepasst werden und ist grundsätzlich frei wählbar.
Die elektrischen Strukturen des Multilayeraufbaus können auch bei der Montage als Hilfestellung verwendet werden. So können diese als Parserstrukturen mittels einer Bilderkennung zur Positionserkennung für einen Kleberauftrag bei einer Montage des Sensorchips auf dem Multilayeraufbau sowie für einen Setzprozess des Sensorchips mit einer ausreichenden Positionierungsgenauigkeit eingesetzt werden. Die Ausrichtung und Positionierung des Sensorchips kann an die Randbedingungen in der Ebene der Schichten des Multilayeraufbaus frei angepasst werden.
Die Vertiefung zur Aufnahme des Sensorchips, welche auch als Kaverne bezeichnet werden kann, lässt sich durch das oben beschriebene Freischneiden der Schichten des Vielschich- taufbaus leicht realisieren, im Gegensatz zu beispielsweise bekannten Spritzgießprozessen und/oder Fräsprozessen. Die Anzahl der für diese Vertiefung freizuschneidenden Schichten des Multilayeraufbaus kann beispielsweise durch die Höhe des Sensorchips und die Stärke der einzelnen Schichten, unter Berücksichtung von Zwischenschichten wie beispielsweise Klebeschichten, bestimmt werden. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Sensoroberfläche im Wesentlichen bündig mit einer Oberfläche des Multilayeraufbaus angeordnet ist. Unter „im Wesentlichen bündig" können dabei auch Abweichungen von einer bündigen Anordnung, beispielsweise um nicht mehr als 20%, vorzugsweise nicht mehr als 10% oder um nicht mehr als 5%, der Höhe des Sensorchips toleriert werden. Die Vertiefung für die Sensorchipaufnahme kann dabei, wie oben beschrieben, aus mindestens einem oder mehre- ren Schichten bestehen. Die Freischnitte bzw. Ausschnitte für diese Vertiefung können vor dem Verbinden der einzelnen Schichten zu dem Multilayeraufbau in die einzelnen Schichten eingebracht werden.
Durch diesen Vielschichtaufbau lässt sich auf die Verwendung von Blechtaschen oder Kunststoffteilen, wie sie üblicherweise in Heißfihnluftmassenmessern eingesetzt werden, als Sensorträger vorzugsweise vollständig verzichten. Insgesamt kann die Sensoranordnung und insbesondere der Sensorträger damit sehr kompakt ausgestaltet werden. Um die Kompaktheit der Sensoranordnung weiter zu erhöhen, kann auch eine gegebenenfalls vorhandene elektrische Ansteuer- und Auswerteschaltung zur Ansteuerung und Auswertung des Sensorchips bzw. der Sensoranordnung ganz oder teilweise in dem Multilaye- raufbau integriert sein. So kann die Ansteuer- und Auswerteelektronik beispielsweise vollständig in dem Multilayer integriert sein. Alternativ kann jedoch auch lediglich ein Teil dieser Ansteuer- und Auswertelektronik in dem Multilayer vorhanden sein, wohingegen weitere Teile, beispielsweise Teile, welche elektrische Bauteile mit höherem Raumbedarf umfassen, extern realisiert sein können beispielsweise in übrigen Bestandteilen der Sensoranordnung und/oder innerhalb einer externen Ansteuerung. Die Verwendung der Multi- layeranordnung für die Auswerteelektronik als Sensoraufnahme kann unter Nutzung bereitgestellter elektrischer Strukturen in der Multilayerstruktur erfolgen, beispielsweise entsprechender Leiterbahnen, Durchführungen, Anschlusskontakte, Durchkontaktierungen oder Ähnlichem, sowie gegebenenfalls unter Verwendung aufgebrachter und/oder eingebrachter elektrischer Bauelemente, wie beispielsweise passive oder aktive elektrische Bauelemente. Diese Strukturen können auch zwischen den einzelnen Schichten untergebracht sein, wobei beispielsweise die Höhe der Leiterbahnen und/oder elektrischen Strukturen zusätzlich zu den Höhen der einzelnen Schichten und Schichtverklebungen bzw. Schichtverbindungen bei der Dimensionierung des Multilayeraufbaus zu berücksichtigen ist.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beziehen sich auf die Verbindung zwischen dem Sensorelement und dem Multilayeraufbau. Eine bevorzugte Form der Verbindung ist dabei das Kleben unter Verwendung mindestens eines Klebstoffs. Dieser Klebstoffkann als isolierender Klebstoff ausgestaltet sein oder kann auch ganz oder teilweise als leitfähiger Klebstoff ausgestaltet sein, beispielsweise um elektrische Verbindungen zwischen elektrischen Strukturen auf dem Multilayeraufbau und dem Sensorchip herzustellen. Alternativ oder zusätzlich kann auch ganz oder teilweise eine Verbindung mittels herkömmlicher Verbindungstechniken, beispielsweise mittels Drahtbonding, erfolgen.
Bei einem derartigen Verbinden mittels einer Klebetechnik besteht in vielen Fällen die Schwierigkeit, dass bestimmte Flächen des Sensorelements und/oder des Multilayeraufbaus nicht mit Klebstoff kontaminiert werden dürfen. Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn bei der mechanischen Anbindung des Sensorelements an den Multilayeraufbau, beispielsweise innerhalb der Vertiefung, unter Umständen lediglich ein Teil der Anbindungs- fläche auf dem Sensorelement und/oder innerhalb der Vertiefung fixiert werden darf.
Dementsprechend wird vorgeschlagen, bei einer Verklebung des Sensorchips mit dem Multilayeraufbau den Multilayeraufbau mit mindestens einer Fließsperre in Form mindestens einer Aussparung in dem Multilayeraufbau auszustatten. Diese Aussparung kann insbeson- dere in Form mindestens eines Grabens ausgestaltet sein und kann verhindern, dass, außer der zumindest einen Teilfläche des Sensorchips bzw. des Multilayeraufbaus, aufweicher die Verklebung stattfinden soll, weitere Flächen verklebt werden.
Diese Aussparung kann beispielsweise mindestens eine obere oder tiefer gelegene Schicht des Multilayeraufbaus teilweise oder vorzugsweise vollständig durchsetzen. Diese durchsetzte Schicht kann beispielsweise eine oberste Schicht des Multilayeraufbaus sein, oder, wenn der Sensorchip in einer Vertiefung des Multilayeraufbaus angeordnet ist, die Schicht des Multilayeraufbaus, welche den Boden der Vertiefung bildet.
Die Aussparung kann beispielsweise als Freischnitt ausgestaltet sein und kann beispielsweise wiederum vor dem Verbinden der einzelnen Schichten des Multilayeraufbaus in die entsprechenden Schichten eingebracht werden, beispielsweise wiederum durch entsprechende Freischneideverfahren, wie beispielsweise Fräsen, Sägen, Bohren, Laserschneiden oder Ahnliches. Die Fließschneide kann beispielsweise als Graben ausgestaltet sein und kann grundsätzlich beliebig geformt sein.
Derartige Fließsperren sind auch in einem Nutzen im großtechnischen Maßstab kostengünstig realisierbar. Die Fließsperre kann in der Formgebung an das Bauteil, insbesondere an das Sensorelement, und an dessen Positionierung angepasst werden. Die Fließsperre ist bei einer Oberflächenmontage auf dem Multilayeraufbau als Anbindung an einen Layer einer Zwischenschicht realisierbar.
Die Fließsperre kann insbesondere genutzt werden, um zu verhindern, dass sich aufgrund einer vollflächigen Verklebung auch in weiteren, unerwünschten Flächen mechanische
Spannungen in der Sensoranordnung aufbauen. Weiterhin kann auch die Kontamination sensitiver Bereiche durch den Klebstoff und/oder einen Haftvermittler verhindert werden.
Vor allem bei flächigen Anbindungen ist die partielle Flächennutzung über die Menge des
Klebstoffs oder die Prozessparameter in der Regel nur unzureichend beherrschbar. Die genannten Fließsperren zwischen der Teilfläche als Anbindungsfläche und der weiteren, freizulassenden Flächen definieren die Flächengeometrie zwischen dem Sensorchip und der
Anbindungsfläche.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, welche ebenfalls der Verbesserung der Verklebung zwischen Sensorchip und Multilayeraufbau dient, weist der Multilayeraufbau mindestens ein Reservoir zur Aufnahme überschüssigen Klebstoffs beim Verkleben des Sensorchips mit dem Multilayeraufbau auf. Dieses Reservoir kann insbesondere eingesetzt werden, wenn der Multilayeraufbau eine Vertiefung zur Aufnahme des Sensorchips auf- weist. In diesem Fall kann das Reservoir insbesondere innerhalb dieser Vertiefung angeordnet sein. Das Reservoir kann beispielsweise als Graben, Bohrung oder sonstige Nut oder Aufnahme in dem Multilayeraufbau realisiert sein, beispielsweise im Boden der Vertiefung. Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn das Reservoir durch eine Überdimensionierung eines Freischnitts zur Erzeugung der Vertiefung in mindestens einer tiefer gelegenen Schichtebene des Multilayeraufbaus relativ zum Freischnitt in mindestens einer höher angeordneten Schichtebene des Multilayeraufbaus hergestellt ist. Ein derartiges Reservoir lässt sich technisch besonders einfach erzeugen, da die Freischnitte in den einzelnen Schichtebenen beispielsweise vor dem Verbinden der Schichtebenen zum Multilayeraufbau hergestellt werden. Wird beispielsweise eine rechteckige Vertiefung zur Aufnahme des Sensorchips verwendet, so kann beispielsweise in der tiefsten Schichtebene, welche noch einen Freischnitt zur Erzeugung der Vertiefung umfasst, dieser Freischnitt als Rechteck mit einer zumindest in einer Dimension höheren Kantenlänge als der bzw. die Freischnitte in darüberliegenden Schichtebenen ausgestaltet sein. Auf diese Weise bildet sich in dieser Schichtebene um den Sensorchip herum vorzugsweise ein - beispielsweise umlaufender - Kanal, in welchen beispielsweise flüssiger überschüssiger Klebstoff beim Einbringen des Sensorchips in die Vertiefung ausweichen kann. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise Dosierungstoleranzen beim Dosieren des Klebstoffs vor dem Aufbringen des Sensorchips ausgleichen. Die Toleranzen der Sensoranordnungen, welche durch derartige Variationen des Herstellungsprozesses bedingt sind, lassen sich hierdurch minimieren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfol- genden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen
Figur IA eine perspektivische Darstellung eines Teils einer erfindungsgemäßen Sensoran- Ordnung;
Figur IB eine Schnittdarstellung durch die Sensoranordnung gemäß Figur IA;
Figur 2 eine Schnittdarstellung eines zu Figur IB alternativen Ausfuhrungsbeispiels einer Sensoranordnung;
Figur 3 A eine schematische perspektivische Darstellung der Aufklebung eines Sensorchips auf einen Multilayeraufbau mit lediglich teilweiser Verklebung; Figur 3B eine Schnittdarstellung der Anordnung gemäß Figur 3 A mit einer Fließsperre; und
Figur 4 eine Schnittdarstellung eines zu Figur 3B alternativen Ausfuhrungsbeispiels einer Sensoranordnung mit einer Fließsperre in einer Vertiefung zur Aufnahme des Sensorchips.
In den Figuren IA und IB ist ein erstes Ausfuhrungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung 110 in Teildarstellung gezeigt. Dabei zeigt Figur IA eine perspektivische Darstellung eines Sensorträgers 112 der Sensoranordnung 110, wohingegen Figur IB eine Schnittdarstellung durch diesen Sensorträger 112 entlang einer virtuellen, in Figur IA mit der Bezugsziffer 114 bezeichneten Schnittlinie zeigt. Auf beide Darstellungen wird im Folgenden Bezug genommen.
Der Sensorträger 112 kann beispielsweise als Messflügel ausgestaltet sein, welcher in die Strömung eines fluiden Mediums hineinragt. Das fluide Medium ist in beiden Figuren symbolisch mit der Bezugsziffer 116 bezeichnet. Beispielsweise strömt dieses fluide Medium mit einer in den Figuren mit der Bezugsziffer 118 bezeichneten Strömungsrichtung, wobei sinngemäß die Strömungsgeschwindigkeit auch verschwindend klein bis hin zu null sein kann.
Die Sensoranordnung 110 weist weiterhin einen Sensorchip 120 auf. Dieser Sensorchip 120 kann beispielsweise als Siliziumchip ausgestaltet sein und kann auf einer dem strömenden fluiden Medium 116 zuweisenden Sensorfläche 122 beispielsweise Sensorstrukturen aufweisen. Diese Sensorstrukturen können beispielsweise ein oder mehrere Heizwiderstände, einen oder mehrere Temperaturfühler oder Ähnliches aufweisen. Beispielsweise kann der Sensorchip 120 gemäß einem der aus dem eingangs beschriebenen Stand der Technik bekannten Sensorchips entsprechen.
Der Sensorträger 112 ist dabei erfmdungsgemäß als Multilayeraufbau 124 ausgestaltet. Dieser Multilayeraufbau kann, wie aus Figur IB erkennbar ist, eine Mehrzahl von Substratschichten 126 umfassen. Diese Substratschichten können beispielsweise aus Substraten mit Kunststoffmaterialien, Keramikmaterialien oder anderen Materialien oder Verbundmateria- lien oder Materialkombinationen hergestellt sein. Diese können beispielsweise mittels
Klebeschichten 128 miteinander verklebt sein und können in unterschiedlichen Schichtebenen, beispielsweise auf jeweils einer oder mehreren Oberflächen der Substratschichten 126, elektrische Strukturen 130 aufweisen. Diese elektrischen Strukturen 130 sind in Figur IB lediglich angedeutet. Diese elektrischen Strukturen 130 können beispielsweise Leiterbahnen, Durchführungen, Durchkontaktierungen, Kontaktpads, elektrische Bauelemente aktiver und/oder passiver Art oder andere Arten elektrischer Strukturen oder Kombinationen der genannten und/oder anderer Elemente umfassen, welche beispielsweise genutzt werden können, um eine Ansteuer- und Auswerteschaltung 132 der Sensoranordnung 110 ganz oder teilweise in dem Multilayeraufbau 124 zu realisieren. Diese Ansteuer- und Auswerteschaltung 132 kann beispielsweise elektrische Bauelemente 134 umfassen, welche in Figur IB ebenfalls lediglich symbolisch angedeutet sind und welche beispielsweise auf der Vorderseite 136 und/oder auf der Rückseite 138 des Multilayeraufbaus 124 aufgebracht sein können.
Der Sensorchip 120 ist in dem in den Figuren IA und IB dargestellten Ausführungsbeispiel in einer Vertiefung 140 in dem Multilayeraufbau 124 angeordnet. Diese Vertiefung ist, wie in Figur IB erkennbar, in Form von rechteckigen Freischnitten 142 in dem Multilayeraufbau 124 ausgestaltet. Diese Freischnitte 142, welche in dem dargestellten Ausführungsbeispiel rechteckig ausgestaltet sind und im Wesentlichen an die Form des Sensorchips 120 ange- passt sind, können beispielsweise vor dem Verbinden der einzelnen Substratschichten 126 zu dem Multilayeraufbau 124 in diese Substratschichten 126 eingeschnitten werden. Anschließend können die Substratschichten 126 entsprechend zu dem Multilayeraufbau 124 laminiert werden.
Vor dem Einbringen des Sensorchips 120 kann ein Klebstoff 144 in die Vertiefung 140 eingebracht werden, das heißt beispielsweise auf die Bodenfläche der Vertiefung 140, welche durch die oberste, nicht freigeschnittene Schicht (in Figur IB die dritte Schicht, von der Vorderseite 136 her betrachtet). Anschließend kann der Sensorchip 120 auf diesen Klebstoff 144 aufgebracht werden, so dass der Sensorchip 120 mit dem Multilayeraufbau 124 verklebt ist. Auch eine andere Art von Verbindungstechnik kann vorgesehen sein. Weiterhin können, zusätzlich zu einem Klebstoff 144, auch noch andere Stoffe eingebracht werden, beispielsweise ein Haftvermittler.
Da der Klebstoff 144 beim Einbringen des Sensorchips 120 nach den Seiten ausweichen muss, ist in Figur 2 ein zu Figur IB ähnliches Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 110 gezeigt, welches ein derartiges Ausweichen ermöglicht oder erleichtert. Dieses Ausführungsbeispiel kann grundsätzlich analog zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur IB ausgestaltet sein, so dass in weiten Teilen auf die obige Beschreibung verwiesen werden kann. Im Unterschied der Ausführungsform in Figur IB weist die Vertiefung 140 in dem Ausfüh- rungsbeispiel gemäß Figur 2 jedoch ein Reservoir 146 zur Aufnahme überschüssigen Klebstoffs auf. Dieses Reservoir ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel beispielsweise als umlaufende Rinne bzw. als umlaufender Hohlraum in der, von der Vorderseite 136 her betrachteten, zweiten Substratschicht 126 des Multilayeraufbaus 124 aufgebaut. Dieser Hohlraum wird dadurch erzeugt, dass der Freischnitt in dieser zweiten Schnitt größer dimensioniert ist als der Freischnitt in der darüberliegenden, der Vorderseite 136 zuweisenden ersten Substratschicht 126. Auch andere Ausgestaltungen des Reservoirs 146 sind grundsätzlich denkbar und können alternativ oder zusätzlich eingesetzt werden. Beispiels- weise kann das Reservoir 146 Gräben, Rinnen, Nuten, Bohrungen oder Ähnliches am
Boden der Vertiefung 140 aufweisen. Die dargestellte Ausführungsform des Reservoirs 146 gemäß Figur 2 lässt sich jedoch technisch besonders einfach realisieren, da diese lediglich eine größere Dimensionierung des zweiten Freischnitts erfordert, bevor die Substratschichten 126 zu dem Multilayeraufbau 124 verbunden werden.
Es sei daraufhingewiesen, dass der Aufbau der Ausführungsbeispiele in den Figuren IA und IB sowie in Figur 2 lediglich beispielhaft zu verstehen ist. So kann die Vertiefung 140, im Gegensatz zu den hier dargestellten Freischnitten in zwei Substratschichten 126, auch lediglich einen Freischnitt in einer Schicht oder in mehr als zwei Schichten umfassen. Wei- terhin ist aus den Figuren IB und 2 erkennbar, dass die Sensoroberfläche 122 des Sensorchips 120 leicht zurückgesetzt ist gegenüber der Oberfläche der Vorderseite 136. Dies ist nicht zwingend erforderlich. So ist es beispielsweise aus strömungstechnischen Gründen auch möglich, diese Sensoroberfläche 122 bündig mit der Vorderseite 136 des Multilayeraufbaus 124 auszugestalten.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen betreffen, wie oben erläutert, Details der Verkle- bung mittels des Klebstoffs 144. So sind in den Figuren 3 A und 3B sowie in Figur 4 zwei Ausführungsbeispiele gezeigt, welche keine vollflächige Klebung des Sensorchips 120 mit dem Multilayeraufbau 124 beinhalten, sondern lediglich eine teilflächige Verklebung.
Dabei zeigt Figur 3A eine perspektivische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer Sensoranordnung 110 mit Teilverklebung, wohingegen Figur 3B wiederum, ähnlich zu Figur IB, eine Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie 114 in Figur 3 A zeigt.
Diese Ausführungsform trägt der Tatsache Rechnung, dass bei verschiedenen Sensoranordnungen 110, insbesondere Sensoranordnungen mit Sensorchips 120 in Form mikromechanischer Sensoren, die Einleitung mechanischer Spannungen sowie die Kontamination sensitiver Bereiche durch den Klebstoff 140 und/oder einen Haftvermittler nicht erlaubt ist. Insbesondere bei flächigen Anbindungen ist die partielle Flächennutzung über die Menge und/oder die Prozessparameter jedoch nur unzureichend beherrschbar.
Daher ist in dem Ausfuhrungsbeispiel gemäß den Figuren 3A und 3B lediglich eine Teilflä- che 148 als nutzbarer Bereich und als Anbindungsfläche mit dem Multilayeraufbau 124 verklebt. Die übrigen Flächen des Sensorchips 120 sind hingegen freitragend und nicht an den Sensorträger 112 angebunden.
Um zu verhindern, dass, bereits beim Aufbringen des Klebstoffs 144 und/oder später beim Aufsetzen des Sensorchips 120, Klebstoff 144 auf die übrigen, außerhalb der Anbindungsfläche 148 gelegenen Flächen des Sensorelements 120 gelangt, ist in dem in Figur 3 A und 3B dargestellten Ausführungsbeispiel eine Fließsperre 150 in Form eines Grabens 152 vorgesehen. Diese Fließsperre 150 ist beispielsweise durch einen Freischnitt in der obersten und/oder in weiteren Substratschichten 126 des Multilayeraufbaus 124 realisiert. Dieser Freischnitt lässt sich beispielsweise wiederum vor dem Verbinden der Substratschichten 126 zu dem Multilayeraufbau 124 verzeugen. Die Fließsperre 150 wirkt als Fließgrenze für den Klebstoff 144 und/oder den Haftvermittler. Die Breite und/oder die anderen Dimensionen wie beispielsweise die Tiefe, der Fließsperre 150 können an die Randbedingungen angepasst werden, beispielsweise die Dimensionen des Sensorchips 120, die Menge und/oder die Viskosität des Klebstoffs 144 oder ähnliche Randbedingungen. Die Breite der Fließsperre 150 kann beispielsweise 0,7 mm betragen und deren Tiefe 0,3 mm. Auch andere Dimensionierungen sind jedoch grundsätzlich möglich. Falls die Breite bei einer gegebenen Dicke der Substratschichten 126 nicht in ausreichendem Abstand realisierbar ist, lassen sich weitere Substratschichten 126 des Multilayeraufbaus 124 nutzen. Allgemein sollte der mindestens eine Graben 152 der Fließsperre 150 beispielsweise parallel zu den gewünschten Begrenzungslinien der Anbindungsfläche 148 verlaufen.
Während das Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 3A und 3B eine Sensoranordnung 110 zeigt, in welcher der Sensorchip 120 auf die Vorderseite 136 des Multilayeraufbaus 124 aufgebracht ist, zeigt Figur 4 ein analoges Ausführungsbeispiel, welches ähnlich zu dem Ausfuhrungsbeispiel in den Figuren IA und IB ausgestaltet ist. Wiederum ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Vertiefung 140 in Form von Freischnitten 142 in den obersten Substratschichten 126 des Multilayeraufbaus 124 vorgesehen. Für die möglichen Ausgestaltungen dieser Vertiefung 140 kann auf die Beschreibung der obigen Ausführungsbeispiele verwiesen werden.
Analog zu dem Ausführungsbeispiel in den Figuren 3 A und 3B ist jedoch wiederum lediglich eine Teilfläche 148 als Anbindungsfläche über einen Klebstoff 144, gegebenenfalls mit einem Haftvermittler, an den Boden der Vertiefung 140 angebunden. Analog zu dem Ausführungsbeispiel in den Figuren 3A und 3B ist wiederum mindestens eine Fließsperre 150 vorgesehen, beispielsweise wiederum in Form eines Grabens 152, welche beispielsweise am Boden der Vertiefung 140 vorgesehen sein kann und welche verhindert, dass Klebstoff 144 und/oder Hartvermittler auf Flächen des Sensorchips 140 und/oder des Multilayerauf- baus 124 gelangt, wo diese unerwünscht sind. Die Fließsperre 150 lässt sich auch beispielsweise mit einem oder mehreren Reservoirs 146 kombinieren, beispielsweise dem in Figur 2 gezeigten Ausfuhrungsbeispiel eines Reservoirs 146. Auf diese Weise lassen sich die Teilflächen 148, welche als Anbindungsfläche genutzt werden sollen, exakt definieren, wobei überschüssiger Klebstoff 144 in das mindestens eine Reservoir 146 entweichen kann, ohne in unerwünschte Bereiche zu gelangen. Insofern bietet die erfindungsgemäße Ausfuhrungsform ein hohes Maß an Prozessstabilität und Reproduzierbarkeit der damit hergestellten Sensoranordnungen 110.

Claims

Ansprüche
1. Sensoranordnung (110) zur Bestimmung wenigstens eines Parameters eines mit einer
Strömungsrichtung (118) strömenden fluiden Mediums (116), insbesondere einer durch ein Strömungsrohr strömenden Ansaugluftmasse einer Brennkraftmaschine, wobei die
Sensoranordnung (110) mindestens einen Sensorchip (120) zur Bestimmung des wenigstens einen Parameters mit mindestens einer Sensoroberfläche (122) aufweist, wobei die Sensoranordnung (110) einen Sensorträger (112) aufweist, wobei der Sensorchip (120) derart mit dem Sensorträger (112) verbunden ist, dass die Sensoroberfläche (122) von dem fluiden Medium (116) überströmt wird, wobei der Sensorträger (112) zumindest teilweise als Multilayeraufbau (124) ausgestaltet ist, wobei der Multilayeraufbau (124) mindestens zwei Substratschichten (126) und elektrische Strukturen (130) in mindestens zwei verschiedenen Schichtebenen des Multilayeraufbaus (124) aufweist.
2. Sensoranordnung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Sensorchip
(120) mit dem Multilayeraufbau (124) auf zumindest einer Teilfläche (148) verklebt ist, wobei der Multilayeraufbau (124) mindestens eine Fließsperre (150) in Form mindestens einer Aussparung, insbesondere in Form mindestens eines Grabens, aufweist, um eine Verklebung weiterer Flächen zu verhindern.
3. Sensoranordnung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Aussparung mindestens eine obere oder tiefer gelegene Schicht des Multilayeraufbaus (124) vollständig durchsetzt.
4. Sensoranordnung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensorchip (120) in einer Vertiefung (140) des Multilayeraufbaus (124) angeordnet ist.
5. Sensoranordnung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Vertiefung (140) mindestens einen Freischnitt in der obersten Substratschicht (126) des Multi- layeraufbaus (124) und vorzugsweise in mindestens einer weiteren Substratschicht
(126) des Multilayeraufbaus (124) umfasst.
6. Sensoranordnung (110) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensorchip (120) flächig auf einer Aufnahmefläche einer tieferliegenden Schicht des Multilayeraufbaus (124) fixiert ist.
7. Sensoranordnung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Multilayeraufbau (124), insbesondere eine Vertiefung (140) zur Aufnahme des Sensorchips (120), mindestens ein Reservoir (146) zur Aufnahme überschüssigen Klebstoffs bei einem Verkleben des Sensorchips (120) mit dem Multilayeraufbau (124) aufweist.
8. Sensoranordnung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Reservoir (146) durch eine Überdimensionierung eines Freischnitts in mindestens einer tiefer gelegenen Substratschicht (126) des Multilayeraufbaus (124) relativ zu mindestens einer höher angeordneten Substratschicht (126) des Multilayeraufbaus (124) erzeugt ist.
9. Sensoranordnung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensor- Oberfläche (122) im Wesentlichen bündig mit einer Oberfläche des Multilayeraufbaus
(124) angeordnet ist.
10. Sensoranordnung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensoranordnung (110) eine elektrische Ansteuer- und Auswerteschaltung (132) zur Ansteue- rung und/oder Auswertung des Sensorchips (120) aufweist, wobei die Ansteuer- und
Auswerteschaltung (132) zumindest teilweise in dem Multilayeraufbau (124) integriert ist.
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