WO2021190896A1 - Gassensor für ein fahrzeug - Google Patents

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WO2021190896A1
WO2021190896A1 PCT/EP2021/055454 EP2021055454W WO2021190896A1 WO 2021190896 A1 WO2021190896 A1 WO 2021190896A1 EP 2021055454 W EP2021055454 W EP 2021055454W WO 2021190896 A1 WO2021190896 A1 WO 2021190896A1
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WO
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sensor
gas
sensor chip
protective cap
partially
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PCT/EP2021/055454
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English (en)
French (fr)
Inventor
Stephen Setescak
Stephan Heinrich
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Vitesco Technologies GmbH
Original Assignee
Vitesco Technologies GmbH
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
    • G01N33/0027—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector
    • G01N33/0036—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector specially adapted to detect a particular component
    • G01N33/0047—Organic compounds
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/22—Fuels; Explosives

Definitions

  • the present invention relates to a gas sensor for a vehicle, such as a hydrocarbon sensor for detecting the hydrocarbon content in a tank ventilation system.
  • Gas sensors that can detect the content of certain components in gas mixtures are sensitive and sensitive to contamination such as particles or dust. Such impurities can passivate, poison, impair the functionality of the gas sensor or even lead to a total failure of the functionality of the gas sensor.
  • the structural design of the gas sensors also poses a risk that auxiliary materials, such as sealing or potting compounds, adhesives, passivating or insulating layers, impair the functionality of the gas sensor during operation can. Due to differences in temperature or potential, certain components of the auxiliary materials can creep and impair or even damage the sensitive sensor element. Although care can be taken during the design and selection of the materials that this risk is reduced as far as possible, it is often not possible to completely exclude it, especially when it comes to sealing or potting compounds for bonded connections, which may contain oil to increase elasticity which can tend to creep.
  • FIGS. 1 and 2 show exemplary configurations of gas sensors which are known from the prior art.
  • the gas sensor 10 of FIG. 1 has a carrier element 12 and a sensor chip 20 which is arranged on the carrier element 12 and is designed to measure a gas and to generate a sensor signal.
  • the gas sensor 10 is designed to quantitatively detect the content of a specific component of a gas mixture.
  • the Sensor chip 20 comprises a first sensor chip section 22 on which a sensor element 23 is arranged, and a second sensor chip section 24, which is formed integrally with first sensor chip section 22 and on which at least one electronic component 25 for evaluating the signals generated by sensor element 23 is arranged. Consequently, the sensor element 23 is electrically connected by means of an electrical conductor arranged on the sensor chip 20 (not explicitly shown in FIG. 1).
  • the first sensor chip section 22 and the second sensor chip section 24 are shown separated from one another by a vertical dashed line.
  • the at least one electronic component 25 is electrically connected to at least one electrical conductor 28 arranged on the carrier element 12 by means of at least one electrical connecting wire 26.
  • a sealing compound 30 is provided which at least partially surrounds the electrical connecting wire 26.
  • the sealing compound 30, which can be, for example, a silicone gel or epoxy resin, is therefore also at least on the sensor chip 20, in particular on the second sensor chip area 24. B. due to temperature and electrical potential differences that components of the sealing compound 30 detach therefrom and crawl along the direction indicated by the dashed arrow 15 (see FIG. 1), get in the direction of the sensor element 23 and contaminate it, which can have a detrimental effect on the functionality of the sensor element 23.
  • a protective cap 40 (see FIG. 2) which encloses the entire sensor chip 20.
  • the protective cap 40 comprises an opening 42 which is closed by means of a semipermeable membrane 44.
  • the membrane 44 is designed to be permeable to the gas to be measured, but to be impermeable to other solid constituents in the gas, such as dust and particles.
  • the sealing compound 30 is located within the measurement gas space 41 defined by the protective cap 40 and can continue to creep in the direction of the sensor element 23, which has already been found to be disadvantageous with regard to the configuration according to FIG. 1.
  • the present invention is essentially based on the idea of providing a gas sensor, which has a sensor chip arranged on a carrier element, with a protective cap in such a way that the protective cap is arranged at least partially on the sensor chip in such a way that any electrical connections between the sensor chip and the carrier element and the associated sealing compound is arranged outside the protective cap.
  • a gas sensor which has a sensor chip arranged on a carrier element, with a protective cap in such a way that the protective cap is arranged at least partially on the sensor chip in such a way that any electrical connections between the sensor chip and the carrier element and the associated sealing compound is arranged outside the protective cap.
  • a gas sensor for a vehicle which has a carrier element, one on the carrier element arranged sensor chip, which is designed to measure a gas and to generate a sensor signal and has a first sensor chip section on which a sensor element is arranged, and a second sensor chip section formed integrally with the first sensor chip section, on which at least one electronic component is arranged, and a Has protective cap, which is arranged at least partially on the second sensor chip portion in such a way that the protective cap at least partially encloses the first sensor chip portion to form a gas space.
  • the protective cap has an opening which is at least partially closed by means of a semipermeable membrane which is designed to enable gas exchange between the gas space and the environment.
  • the protective cap is preferably arranged at least partially on the carrier element.
  • the protective cap is thus arranged at least partially on the carrier element and at least partially on the second sensor chip in such a way that the protective cap at least partially encloses the first sensor section to form the gas space.
  • a part of the second sensor chip section advantageously remains free from the protective cap, via which an electrical connection to the carrier element can then be established by means of electrical connecting lines, such as bonding wires, for example.
  • the protective cap is furthermore arranged at least partially on the first sensor chip area.
  • the protective cap is thus located completely on the sensor chip and completely surrounds the sensor element to form the gas space.
  • a part of the second sensor chip section advantageously remains free from the protective cap, via which an electrical connection to the carrier element can then be established by means of electrical connecting lines, such as bonding wires.
  • the protective cap is arranged both on the carrier element and on the first sensor chip section and the second sensor chip section.
  • the gas sensor preferably also has at least one electrical connection line, which electrically connects the at least one electronic component to at least one electrical conductor arranged on the carrier element, and a sealing compound which at least partially encloses the at least one electrical connection line and is arranged completely outside the gas space. Due to the corresponding structural design of the protective cap, it is now possible to arrange the sealing compound or potting compound, which at least partially encloses the electrical connection line, completely outside the gas space, which at least partially reduces the risk of components of the sealing compound creeping onto the sensor element.
  • the protective cap is arranged on the second sensor section by means of a material fit or a form fit.
  • the protective cap is preferably attached to the second sensor section by means of an adhesive or a sealing compound.
  • the membrane is preferably arranged opposite the sensor element. This allows the gas to be measured to flow directly onto the sensor element.
  • the sensor chip is preferably constructed as a micromechanical system that is processed and structured in layers on a semi-conductive crystal substrate, such as silicon, for example.
  • the layer structure creates electrical components and sensors that together make up the microsystem.
  • the gas-sensitive or gas-reactive layer is located on an etched-free thin membrane made of silicon base material.
  • the gas sensor according to the invention is designed to detect hydrocarbons coming from a fuel tank of the vehicle are out of gas.
  • the gas sensor can be arranged in a tank ventilation system of the vehicle for this purpose in order to quantitatively and / or qualitatively record the hydrocarbons emitted from the vehicle's fuel tank and to transmit the corresponding measured values to a controller assigned to an internal combustion engine of the vehicle.
  • the gas sensor according to the invention furthermore has a housing which delimits an interior of the housing in that the carrier element together with the sensor chip and protective cap are arranged.
  • the housing has an opening which is at least partially closed with a filter layer which is designed to keep solids from entering the housing interior and to enable gas exchange between the environment and the housing interior.
  • a filter layer is additionally provided in addition to the membrane, which can offer additional protection against contamination of the sensor element.
  • the filter layer is preferably an open-pore laminate or a close-meshed grid, the clear mesh size being adapted to the application or the degree of contamination to be expected.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view through a gas sensor known from the prior art
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view through a further gas sensor known from the prior art
  • 3 shows a schematic sectional view through a gas sensor according to the invention
  • FIG. 4 shows a schematic perspective sectional view through a preferred embodiment of a gas sensor according to the invention.
  • micromechanical system includes a sensor with an evaluation unit produced using typical semiconductor processes.
  • the dimensions of the semiconductor are preferably in the range of micrometers [pm].
  • FIG. 3 shows a sectional view through a gas sensor 100 according to the invention.
  • the protective cap 140 has an opening 142 which is at least partially closed by means of a semipermeable membrane 144 which is designed to enable gas exchange between the gas space 141 and the environment.
  • the protective cap 140 is furthermore arranged at least partially on the carrier element 110. This means that the protective cap 140 is supported both on the carrier element 110 and on the second sensor chip section 124 and extends partially around the sensor element 123 arranged on the first sensor chip section 122 to form the gas space 141.
  • a separation between the first sensor chip section 122 and the second sensor chip section 124 is identified by means of the vertical dashed line.
  • these are integral sections of the sensor chip 120, which are arranged in extension to one another and together form the sensor chip 120.
  • the protective cap 140 is also arranged at least partially on the first sensor chip section 122 in such a way that the protective cap 140 is arranged completely on the sensor chip 120 and surrounds the sensor element 123.
  • the gas sensor 100 according to FIG. 3 also has at least one electrical connection line 126, which electrically connects the at least one electronic component 125 to at least one electrical conductor 128 arranged on the carrier element 110, and a sealing compound 130 at least partially enclosing the at least one electrical connection line 126 which is arranged completely outside the protective cap 140 and consequently also outside the gas space 141.
  • the at least one connecting line 126 is preferably at least one connecting wire, such as a bonding wire, for example.
  • the at least one electronic component 125 can be, for example, a transistor, resistor, a capacitor 125A, a resistor 125B, an evaluation circuit or any type of user-specific integrated circuit arranged on the sensor chip 120.
  • the sealing compound 130 at least partially enclosing the at least one electrical connection line 126 is, for example, a silicone gel or an epoxy resin.
  • the arrow 115 indicates a necessary creep length for components of the sealing compound 130, such as, for example, oil, in order to be able to creep up to the sensor element 123. If one compares the necessary creep distance in the embodiment of FIG. 1 known from the prior art (see arrow 15 in FIG. 1) with the creep distance in the embodiment according to the invention in FIG the creeping distance in FIG. 3 is significantly increased and it is therefore clearly more difficult for the constituents originating from the sealing compound 130 to reach or crawl at all to the sensor element 123.
  • the protective cap 140 thus forms a mechanical separating layer between the sensitive sensor element 123 and the evaluation area or second sensor chip section 124, where the sealing compound 125 is arranged.
  • the gas sensor 100 is preferably a micromechanical system (MEMS: microelectromechanical system), which consists of a carrier element 110 formed from a semiconductor substrate and the sensor chip 120.
  • MEMS microelectromechanical system
  • the protective cap 140 is preferably arranged on the second sensor chip section 124 and the carrier element 110 by means of a material bond, such as an adhesive.
  • a material bond such as an adhesive.
  • a form fit or a force fit can also be provided in order to mechanically arrange the protective cap 140 on the carrier element 110 and the second sensor chip section 124.
  • the semipermeable membrane 144 which closes the opening 142 formed in the protective cap 140, has typical open structure widths of less than 50 ⁇ m and has filter properties suitable for the degree of contamination to be expected.
  • FIG. 4 shows a perspective sectional view through a further gas sensor 100 according to the invention.
  • the gas sensor 100 of FIG. 4 has a housing 150 which delimits a housing interior 151 in which, as already shown in FIG Sensor chip 120, protective cap 140 and sealing compound 130 are arranged.
  • the housing 150 has a Opening 152, which is at least partially closed with a filter layer 154, which is designed to keep solids from getting into the interior of the housing 151 and to enable gas exchange between the environment and the interior of the housing 151.
  • the filter layer 154 can contribute to preventing the sensor element 123 from becoming soiled.
  • the filter layer 154 and the membrane 144 two devices are provided which protect the sensor element 123 from contamination, the protective cap 140 at the same time being able to contribute to increasing the above-mentioned creeping distance for components creeping out of the sealing compound 130.
  • the gas sensor 10 By means of the gas sensor 10 according to the invention, harmful creeping of pollutants via the sensor chip 120 to the sensor element 123 can at least partially be avoided, with the sensor element 123 being protected from particles and solids at the same time by means of the membrane 144 and the filter layer 144. The service life of the entire sensor can thus be at least partially extended.
  • the protective cap 140 together with the housing 150 forms a mold for the sealing compound 130. Furthermore, any gap between the protective cap 140 and the sensor chip 120 is sealed by means of the sealing compound 130.
  • the degree of freedom for selecting the material for the sealing compound 130 can be increased, since the creep behavior of the selected material for the sealing compound 130 plays a subordinate role by reducing the risk of creeping by means of the present invention.
  • more cost-effective and chemically more stable materials can be selected for the sealing compound 130.
  • the gas sensor 100 is preferably a gas sensor for detection provided in a tank ventilation system of a vehicle the hydrocarbons emitted from the vehicle's fuel tank.
  • the gas sensor 100 can be a thermal gas sensor, catalytic gas sensor or semiconducting metal oxide sensor.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor (100) für ein Fahrzeug, der ein Trägerelement (110), einen auf dem Trägerelement (110) angeordneten Sensorchip (120), der zum Vermessen eines Gases und zum Erzeugen eines Sensorsignals ausgebildet ist und einen ersten Sensorchipabschnitt (122), auf dem ein Sensorelement (123) angeordnet ist, und einen mit dem ersten Sensorchipabschnitt (122) integral gebildeten zweiten Sensorchipabschnitt (124) aufweist, auf dem zumindest ein elektronisches Bauteil (125) angeordnet ist, und eine Schutzkappe (140), die zumindest teilweise auf dem zweiten Sensorchipabschnitt (122) derart angeordnet ist, dass die Schutzkappe (140) den ersten Sensorchipabschnitt (122) zum Bilden eines Gasraums (141) zumindest teilweise umschließt, wobei die Schutzkappe (140) eine Öffnung (142) aufweist, die mittels einer semipermeablen Membran (144) zumindest teilweise geschlossen ist, die dazu ausgebildet ist, einen Gasaustausch zwischen dem Gasraum (141) und der Umgebung zu ermöglichen.

Description

Beschreibung
Gassensor für ein Fahrzeug
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor für ein Fahrzeug, wie beispielsweise einen Kohlenwasserstoffsensor zum Erfassen des Kohlenwasserstoffgehalts in einer Tankentlüftungsanlage.
Gassensoren, die den Gehalt von bestimmten Bestandteilen in Gasgemischen erfassen können, sind sensitiv und empfindlich gegenüber Verschmutzungen, wie beispielsweise Partikel oder Staub. Solche Verunreinigungen können die Funktionsweise des Gassensors passivieren, vergiften, beeinträchtigen oder sogar bis zu einem Totalversagen der Funktionalität des Gassensors führen. Neben der Verschmutzung während des Betriebs oder Lagerung geht bei solchen Gassensoren auch vom strukturellen Aufbau der Gassensoren eine Gefahr aus, dass durch Hilfsstoffe, wie beispielsweise Dichtungs- bzw. Vergussmassen, Kleber, Passivier- oder Isolierungsschichten, die Funktionalität des Gassensors während des Betriebs beeinträchtigt werden kann. Dabei kann es durch Temperatur- oder Potentialunterschiede dazu kommen, dass bestimmte Bestandteile der Hilfsstoffe kriechen und das empfindliche Sensorelement beeinträchtigen oder sogar beschädigen können. Obwohl schon bei der Konstruktion und Auswahl der Materien darauf geachtet werden kann, dass diese Gefahr weitestgehend reduziert wird, ist ein vollständiger Ausschluss davon oftmals nicht möglich, insbesondere wenn es um Dichtungs- oder Vergussmassen von Bondverbindungen geht, die zur Steigerung der Elastizität Öl enthalten können, welches dazu neigen kann, zu kriechen.
Die Fig. 1 und Fig. 2 zeigen beispielhafte Ausgestaltungen von Gassensoren, die aus dem Stand der Technik bekannt sind. Der Gassensor 10 der Fig. 1 weist ein Trägerelement 12 und einen auf dem Trägerelement 12 angeordneten Sensorchip 20 auf, der zum Vermessen eines Gases und zum Erzeugen eines Sensorsignals ausgebildet ist. Insbesondere ist der Gassensor 10 dazu ausgebildet, den Gehalt eines bestimmten Bestandteils eines Gasgemischs quantitativ zu erfassen. Der Sensorchip 20 umfasst einen ersten Sensorchipabschnitt 22, auf dem ein Sensorelement 23 angeordnet ist, und einen mit dem ersten Sensorchipabschnitt 22 integral gebildeten zweiten Sensorchipabschnitt 24, auf dem zumindest ein elektronisches Bauteil 25 zur Auswertung der vom Sensorelement 23 erzeugten Signale angeordnet ist. Folglich ist das Sensorelement 23 mittels einem auf dem Sensorchip 20 angeordneten elektrischen Leiters (nicht explizit in der Fig. 1 gezeigt) elektrisch verbunden. In der Fig. 1 sind der erste Sensorchipabschnitt 22 und der zweite Sensorchipabschnitt 24 durch eine vertikale gestrichelte Linie voneinander getrennt dargestellt.
Mittels zumindest einem elektrischen Verbindungsdraht 26 ist das zumindest eine elektronische Bauteil 25 mit zumindest einem auf dem Trägerelement 12 angeordneten elektrischen Leiter 28 elektrisch verbunden. Zum Schutz des Verbindungsdrahts 26 ist eine Dichtungsmasse 30 vorgesehen, die den elektrischen Verbindungsdraht 26 zumindest teilweise umgibt. Wie aus der Fig. 1 ersichtlich befindet sich die Dichtungsmasse 30, die beispielsweise ein Silikongel oder Epoxidharz sein kann, somit auch zumindest auf dem Sensorchip 20, insbesondere auf den zweiten Sensorchipbereich 24. Während des Betriebs des Gassensors 10 kann es z. B. aufgrund von Temperatur- und elektrischen Potentialunterschieden dazu kommen, dass sich Bestandteile der Dichtungsmasse 30 daraus lösen und entlang der mittels dem gestrichelten Pfeil 15 (siehe Fig. 1 ) angegebenen Richtung kriechen, in Richtung des Sensorelements 23 gelangen und dieses verschmutzen können, was sich nachteilig auf die Funktionalität des Sensorelements 23 auswirken kann.
Um das Sensorelement 23 zumindest teilweise vor Verunreinigungen, wie beispielsweise Partikel und Staub, zu schützen, ist aus dem Stand der Technik weiterhin bekannt, zusätzliche eine Schutzkappe 40 vorzusehen (siehe Fig. 2), die den gesamten Sensorchip 20 umschließt. Die Schutzkappe 40 umfasst eine Öffnung 42, die mittels einer semipermeablen Membran 44 verschlossen ist. Die Membran 44 ist dazu ausgebildet, für das zu vermessende Gas durchlässig zu sein, jedoch für andere feste Bestandteile im Gas, wie beispielsweise Staub und Partikel, undurchlässig zu sein. Wie aus der Fig. 2 hervorgeht, befindet sich die Dichtungsmasse 30 innerhalb des von der Schutzkappe 40 definierten Messgasraums 41 und kann weiterhin in Richtung des Sensorelements 23 kriechen, was sich bereits im Hinblick auf die Ausgestaltung gemäß Fig. 1 als nachteilig herausgestellt hat.
Weitere aus dem Stand der Technik bekannte Sensoren sind aus US 9 595479 B2, US 2018/0238753 A1 , US 10 197 462 B2 und US 6 401 544 B2 bekannt.
In Anbetracht des Standes der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Gassensor bereitzustellen, bei dem die Gefahr von Verschmutzungen des Sensorelements zumindest teilweise reduziert ist und welcher auch bei langen Betriebszeiten zuverlässig genaue Messergebnisse liefern kann.
Diese Aufgabe wird mit einem Gassensor gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der vorliegenden Erfindung liegt im Wesentlichen der Gedanke zugrunde, einen Gassensor, der einen auf einem Trägerelement angeordneten Sensorchip aufweist, mit einer Schutzkappe derart zu versehen, dass die Schutzkappe zumindest teilweise auf den Sensorchip derart angeordnet ist, dass etwaige elektrische Verbindungen zwischen Sensorchip und Trägerelement sowie die dazugehörige Dichtungsmasse außerhalb der Schutzkappe angeordnet sind. Dadurch kann die Gefahr des Kriechens von Bestandteilen der Dichtungsmasse der elektrischen Verbindungsdrähte hin zum Sensorelement zumindest teilweise reduziert werden, da die potentielle Kriechstrecke deutlich vergrößert ist. Das Vorsehen einer semipermeablen Membran in der Schutzkappe kann die Verschmutzung des auf den Sensorchip vorhandenen Sensorelements zusätzlich zumindest teilweise reduzieren.
Gemäß eines ersten Aspekts der vorliegenden Erfindung ist folglich ein Gassensor für ein Fahrzeug offenbart, der ein Trägerelement, einen auf dem Trägerelement angeordneten Sensorchip, der zum Vermessen eines Gases und zum Erzeugen eines Sensorsignals ausgebildet ist und einen ersten Sensorchipabschnitt, auf dem ein Sensorelement angeordnet ist, und einen mit dem ersten Sensorchipabschnitt integral gebildeten zweiten Sensorchipabschnitt aufweist, auf dem zumindest ein elektronisches Bauteil angeordnet ist, und eine Schutzkappe aufweist, die zumindest teilweise auf dem zweiten Sensorchipabschnitt derart angeordnet ist, dass die Schutzkappe den ersten Sensorchipabschnitt zum Bilden eines Gasraums zumindest teilweise umschließt. Dabei weist die Schutzkappe eine Öffnung auf, die mittels einer semipermeablen Membran zumindest teilweise geschlossen ist, die dazu ausgebildet ist, einen Gasaustausch zwischen dem Gasraum und der Umgebung zu ermöglichen.
Bevorzugt ist die Schutzkappe ferner zumindest teilweise auf dem Trägerelement angeordnet. In einer derartigen bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gassensors ist die Schutzkappe somit zumindest teilweise auf dem Trägerelement und zumindest teilweise auf dem zweiten Sensorchip derart angeordnet, dass die Schutzkappe den ersten Sensorabschnitt zum Bilden des Gasraums zumindest teilweise umschließt. In vorteilhafter Weist bleibt ein Teil des zweiten Sensorchipabschnitt frei von der Schutzkappe, über den dann eine elektrische Verbindung mit dem Trägerelement mittels elektrischer Verbindungsleitungen, wie beispielsweise Bonddrähte, hergestellt werden kann.
In einer alternativen bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gassensors ist die Schutzkappe ferner zumindest teilweise auf dem ersten Sensorchipbereich angeordnet. In einer derartigen alternativen bevorzugten Ausgestaltung befindet sich die Schutzkappe somit vollständig auf dem Sensorchip und umgibt das Sensorelement zum Bilden das Gasraums vollständig. Auch hier bleibt in vorteilhafter Weist ein Teil des zweiten Sensorchipabschnitt frei von der Schutzkappe, über den dann eine elektrische Verbindung mit dem Trägerelement mittels elektrischer Verbindungsleitungen, wie beispielsweise Bonddrähte, hergestellt werden kann. Es kann außerdem erfindungsgemäß sein, wenn die Schutzkappe sowohl auf dem Trägerelement als auch auf dem ersten Sensorchipabschnitt und dem zweiten Sensorchipabschnitt angeordnet ist. Vorzugsweise weist der Gassensor ferner zumindest eine elektrische Verbindungsleitung, die das zumindest eine elektronische Bauteil mit zumindest einem auf dem Trägerelement angeordneten elektrischen Leiter elektrisch verbindet, und eine die zumindest eine elektrische Verbindungsleitung zumindest teilweise umschließende Dichtungsmasse auf, die vollständig außerhalb des Gasraums angeordnet ist. Durch die entsprechende strukturelle Ausgestaltung der Schutzkappe ist es nunmehr möglich, die die elektrische Verbindungsleitung zumindest teilweise umschließende Dichtungsmasse bzw. Vergussmasse vollständig außerhalb des Gasraums anzuordnen, wodurch die Gefahr des Kriechens von Bestandteilen der Dichtungsmasse auf das Sensorelement zumindest teilweise reduziert ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gassensors ist die Schutzkappe auf dem zweiten Sensorabschnitt mittels Stoffschluss oder Formschluss angeordnet. Vorzugsweise ist die Schutzkappe auf dem zweiten Sensorabschnitt mittels eines Klebers oder einer Dichtmasse angebracht.
In bevorzugter Weise ist die Membran dem Sensorelement gegenüberliegend angeordnet. Dadurch kann das zu vermessende Gas direkt auf das Sensorelement strömen.
Vorzugsweise ist der Sensorchip als mikromechanisches System aufgebaut, das auf einem halbeleitenden Kristall-Substrat, wie beispielsweise Silizium, in Schichten prozessiert und strukturieren ist. Durch den Schichtaufbau werden elektrische Bauteile und Sensoren gebildet, die gemeinsam das Mikrosystem ergeben.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung befindet sich die gassensitive oder gasreaktive Schicht auf einer freigeätzten dünnen Membran aus Silizium-Grundmaterial.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der erfindungsgemäße Gassensor dazu ausgebildet, Kohlenwasserstoffe zu erfassen, die aus einem Kraftstofftank des Fahrzeugs ausgegast sind. Beispielsweise kann hierzu der Gassensor in einer Tankentlüftungsanlage des Fahrzeugs angeordnet sein, um die aus dem Kraftstofftank des Fahrzeugs ausgasenden Kohlenwasserstoffe quantitativ und/oder qualitativ zu erfassen und die entsprechenden Messwerte einer Steuerung zu übermitteln, die einer Brennkraftmaschine des Fahrzeugs zugeordnet ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der erfindungsgemäße Gassensor ferner ein Gehäuse auf, das ein Gehäuseinneres begrenzt, indem das Trägerelement samt Sensorchip und Schutzkappe angeordnet sind. Dabei weist das Gehäuse eine Öffnung auf, die mit einer Filterschicht zumindest teilweise verschlossen ist, die dazu ausgebildet ist, Feststoffe davon abzuhalten, ins Gehäuseinnere zu gelangen, und einen Gasaustausch zwischen der Umgebung und dem Gehäuseinneren zu ermöglichen.
In einer derartigen vorteilhaften Ausgestaltung ist zusätzlich neben der Membran eine Filterschicht vorgesehen, das zusätzlichen Schutz vor Verschmutzungen des Sensorelements bieten kann. Bei der Filterschicht handelt es sich vorzugsweise um ein offenporiges Laminat oder ein engmaschiges Gitter, wobei die lichte Maschenweite auf den Anwendungsfall oder zu erwartenden Verschmutzungsgrad angepasst ist.
Weitere Merkmale und Aufgabe der Erfindung werden dem Fachmann durch Ausüben der vorliegenden Lehre und Betrachten der Zeichnungen ersichtlich, in denen:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht durch einen aus dem Stand der Technik bekannten Gassensor zeigt,
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht durch einen weiteren, aus dem Stand der Technik bekannten Gassensor zeigt, Fig. 3 eine schematische Schnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Gassensor zeigt, und
Fig. 4 eine schematische perspektivische Schnittansicht durch eine bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Gassensors zeigt.
Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung umfasst der Begriff „mikromechanisches System“ ein mit typischen Flalbleiterprozessen erzeugter Schichtaufbau hergestellten Sensor mit Auswerteeinheit. Vorzugsweise liegen die Abmessungen des Halbleiters im Bereich von Mikrometern [pm].
Die Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Gassensor 100. Der Gassensor 100 weist, wie bereits in Bezug auf die Fig. 1 erläutert, ein Trägerelement 110, einen auf dem Trägerelement 110 angeordneten Sensorchip 120, der zum Vermessen eines Gases und zum Erzeugen eines Sensorsignals ausgebildet ist und einen ersten Sensorchipabschnitt 122, auf dem ein Sensorelement 123 angeordnet ist, und einem mit dem ersten Sensorchipabschnitt 122 integral gebildeten zweiten Sensorchipabschnitt 124 auf, auf dem zumindest eines elektronisches Bauteil 125 angeordnet ist, und eine Schutzkappe 140 auf, die zumindest teilweise auf dem zweiten Sensorchipabschnitt 124 derart angeordnet ist, dass die Schutzkappe 140 den ersten Sensorchipabschnitt 122 zum Bilden eines Gasraums 141 zumindest teilweise umschließt. Die Schutzkappe 140 weist eine Öffnung 142 auf, die mittels einer semipermeablen Membran 144 zumindest teilweise geschlossen ist, die dazu ausgebildet ist, einen Gasaustausch zwischen dem Gasraum 141 und der Umgebung zu ermöglichen.
In der in der Fig. 3 gezeigten Ausgestaltung des Gassensors 100 ist die Schutzkappe 140 ferner zumindest teilweise auf dem Trägerelement 110 angeordnet. Das heißt, dass sich die Schutzkappe 140 sowohl auf dem Trägerelement 110 als auch auf dem zweiten Sensorchipabschnitt 124 abstützt und sich teilweise um das auf dem ersten Sensorchipabschnitt 122 angeordnete Sensorelement 123 zum Bilden des Gasraums 141 erstreckt. In der Fig. 3 ist eine Trennung zwischen dem ersten Sensorchipabschnitt 122 und dem zweiten Sensorchipabschnitt 124 mittels der vertikalen gestrichelten Linie gekennzeichnet. Insbesondere handelt es sich dabei um integrale Abschnitte des Sensorchips 120, die in Verlängerung zueinander angeordnet sind und gemeinsam den Sensorchip 120 bilden.
In einer alternativen Ausgestaltung kann es jedoch weiterhin erfindungsgemäß sein, dass die Schutzkappe 140 auch zumindest teilweise auf dem ersten Sensorchipabschnitt 122 derart angeordnet ist, dass die Schutzkappe 140 vollständig auf dem Sensorchip 120 angeordnet ist und das Sensorelement 123 umgibt.
Der Gassensor 100 gemäß Fig. 3 weist ferner zumindest eine elektrische Verbindungsleitung 126, die das zumindest eine elektronische Bauteil 125 mit zumindest einem auf dem Trägerelement 110 angeordneten elektrischen Leiter 128 elektrisch verbindet, und eine die zumindest eine elektrische Verbindungsleitung 126 zumindest teilweise umschließende Dichtungsmasse 130 auf, die vollständig außerhalb der Schutzkappe 140 und folglich auch des außerhalb Gasraums 141 angeordnet ist. Die zumindest eine Verbindungsleitung 126 ist vorzugsweise zumindest ein Verbindungsdraht, wie beispielsweise ein Bonddraht.
Das zumindest eine elektronische Bauteil 125 kann beispielsweise ein auf dem Sensorchip 120 angeordneter Transistor, Widerstand, ein Kondensator 125A, ein Widerstand 125B, eine Auswerteschaltung oder jegliche Art von anwenderspezifischem integriertem Schaltkreis sein.
Die die zumindest eine elektrische Verbindungsleitung 126 zumindest teilweise umschließende Dichtungsmasse 130 ist beispielsweise ein Silikongel oder ein Epoxidharz. In der Fig. 3 kennzeichnet der Pfeil 115 eine notwendige Kriechlänge für Bestandteile der Dichtungsmasse 130, wie beispielsweise Öl, um bis zum Sensorelement 123 kriechen zu können. Vergleicht man die notwendige Kriechdistanz bei der aus dem Stand der Technik bekannten Ausgestaltung der Fig. 1 (siehe Pfeil 15 in der Fig. 1) mit der Kriechdistanz bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Fig. 3 kann erkannt werden, dass durch das Vorsehen der Schutzkappe 140 die Kriechdistanz bei der Fig. 3 deutlich vergrößert ist und es somit für die aus der Dichtungsmasse 130 stammenden Bestandteile deutlich erschwert ist, überhaupt bis zum Sensorelement 123 zu gelangen bzw. zu kriechen. Die Schutzkappe 140 bildet somit eine mechanische Trennschicht zwischen dem sensitiven Sensorelement 123 und dem Auswertebereich bzw. zweiten Sensorchipabschnitt 124, wo die Dichtungsmasse 125 angeordnet ist.
Bevorzugt handelt es sich bei dem Gassensor 100 um ein mikromechanisches System (MEMS: microelectromechanical System), das aus einem aus einem Flalbleitersubstrat gebildeten Trägerelement 110 und dem Sensorchip 120 besteht.
Die Schutzkappe 140 ist vorzugsweise mittels Stoffschluss, wie beispielsweise eines Klebers, auf dem zweiten Sensorchipabschnitt 124 und dem Trägerelement 110 angeordnet. Alternativ können natürlich auch ein Formschluss oder ein Kraftschluss vorgesehen werden, um die Schutzkappe 140 mechanisch auf dem Trägerelement 110 und dem zweiten Sensorchipabschnitt 124 anzuordnen.
Die semipermeable Membran 144, die die in der Schutzkappe 140 gebildete Öffnung 142 verschließt, weist typische offene Strukturweiten von weniger als 50 pm auf und hat für den zu erwartenden Verschmutzungsgrad geeignete Filtereigenschaften.
Die Fig. 4 zeigt eine perspektivische Schnittansicht durch einen weiteren erfindungsgemäßen Gassensor 100. Der Gassensor 100 der Fig. 4 weist ein Gehäuse 150 auf, das ein Gehäuseinneres 151 begrenzt, in dem, wie in der Fig. 3 bereits gezeigt, das Trägerelement 110 samt Sensorchip 120, Schutzkappe 140 und Dichtungsmasse 130 angeordnet sind. Das Gehäuse 150 weist dabei eine Öffnung 152 auf, die mit einer Filterschicht 154 zumindest teilweise geschlossen ist, die dazu ausgebildet ist, Feststoffe davon abzuhalten, ins Gehäuseinnere 151 zu gelangen, und einen Gasaustausch zwischen der Umgebung und dem Gehäuseinneren 151 zu ermöglichen.
Die Filterschicht 154 kann zusätzlich zu der in der Schutzkappe 140 vorhandenen Membran 144 dazu beitragen, dass das Sensorelement 123 davor bewahrt wird, zu verschmutzen. Somit sind mit der Filterschicht 154 und der Membran 144 zwei Vorrichtungen vorgesehen, die das Sensorelement 123 vor Verschmutzung schützt, wobei zugleich die Schutzkappe 140 dazu beitragen kann, die oben genannte Kriechdistanz für aus der Dichtungsmasse 130 kriechende Bestandteile zu vergrößern.
Mittels des erfindungsgemäßen Gassensors 10 ist ein schädliches Kriechen von Schadstoffen über den Sensorchip 120 bis hin zum Sensorelement 123 zumindest teilweise vermeidbar, wobei gleichzeitig mittels der Membran 144 und der Filterschicht 144 ein Schutz des Sensorelements 123 vor Partikeln und Festkörpern ermöglicht ist. Damit kann die Lebensdauer des gesamten Sensors zumindest teilweise verlängert werden. Außerdem ist es gemäß der Fig. 4 bevorzugt, dass die Schutzkappe 140 zusammen mit dem Gehäuse 150 eine Gießform für die Dichtungsmasse 130 bildet. Ferner wird mittels der Dichtmasse 130 jeglicher Spalt zwischen der Schutzkappe 140 und dem Sensorchip 120 abgedichtet.
Zudem kann durch das Anordnen der Dichtungsmasse 130 außerhalb der Schutzkappe 140 der Freiheitsgrad zur Auswahl des Materials für die Dichtungsmasse 130 vergrößert werden, da das kriechverhalten des ausgewählten Materials für die Dichtungsmasse 130 durch das Verringern der Kriechgefahr mittels der vorliegenden Erfindung eine untergeordnete Rolle spielt. Somit können kostengünstigere und chemisch stabilere Materialien für die Dichtungsmasse 130 ausgewählt werden.
Bevorzugt handelt es sich bei dem Gassensor 100 um einen in einer Tankentlüftungsanlage eines Fahrzeugs vorgesehenen Gassensor zur Erfassung der aus dem Kraftstofftank des Fahrzeugs ausgasenden Kohlenwasserstoffe. Alternativ kann der Gassensor 100 ein thermischer Gassensor, katalytischer Gassensor oder halbleitender Metalloxidsensor sein.

Claims

Patentansprüche
1 . Gassensor (100) für ein Fahrzeug, mit: einem Trägerelement (110), einem auf dem Trägerelement (110) angeordneten Sensorchip (120), der zum Vermessen eines Gases und zum Erzeugen eines Sensorsignals ausgebildet ist und einen ersten Sensorchipabschnitt (122), auf dem ein Sensorelement (123) angeordnet ist, und einen mit dem ersten Sensorchipabschnitt (122) integral gebildeten zweiten Sensorchipabschnitt (124) aufweist, auf dem zumindest ein elektronisches Bauteil (125) angeordnet ist, und einer Schutzkappe (140), die zumindest teilweise auf dem zweiten Sensorchipabschnitt (122) derart angeordnet ist, dass die Schutzkappe (140) den ersten Sensorchipabschnitt (122) zum Bilden eines Gasraums (141 ) zumindest teilweise umschließt, wobei die Schutzkappe (140) eine Öffnung (142) aufweist, die mittels einer semipermeablen Membran (144) zumindest teilweise geschlossen ist, die dazu ausgebildet ist, einen Gasaustausch zwischen dem Gasraum (141 ) und der Umgebung zu ermöglichen.
2. Gassensor (100) nach Anspruch 1 , wobei die Schutzkappe (140) ferner zumindest teilweise auf dem Trägerelement (110) angeordnet ist.
3. Gassensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schutzkappe (140) ferner zumindest teilweise auf dem ersten Sensorchipbereich (122) angeordnet ist.
4. Gassensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit: zumindest einer elektrischen Verbindungsleitung (126), die das zumindest eine elektronische Bauteil (125) mit zumindest einem auf dem Trägerelement (110) angeordneten elektrischen Leiter (128) elektrisch verbindet, und einer die zumindest eine elektrische Verbindungsleitung (126) zumindest teilweise umschließenden Dichtungsmasse (130), die vollständig außerhalb des Gasraums (141 ) angeordnet ist.
5. Gassensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schutzkappe (140) auf dem zweiten Sensorchipabschnitt (124) mittels Stoffschluss oder Formschluss angeordnet ist.
6. Gassensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Membran (144) dem Sensorelement (123) gegenüberliegend angeordnet ist.
7. Gassensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensorchip (120) als mikromechanisches System aufgebaut ist, das ein mit typischen Halbleiterprozessen erzeugter Schichtaufbau hergestellter Sensor mit Auswerteeinheit ist.
8. Gassensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Membran (144) eine offen Struktur von weniger als 50 pm aufweist, um einen Gasaustausch zu gewährleisten.
9. Gassensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gassensor (100) dazu ausgebildet ist, Kohlenwasserstoffe zu erfassen, die aus einem Kraftstofftank des Fahrzeugs ausgegast sind.
10. Gassensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit: einem Gehäuse (150), das ein Gehäuseinneres (151) begrenzt, in dem das Trägerelement (110) samt Sensorchip (120) und Schutzkappe (140) angeordnet sind, wobei das Gehäuse (150) eine Öffnung (152) aufweist, die mit einer Filterschicht (154) zumindest teilweise geschlossen ist, die dazu ausgebildet ist, Feststoffe davon abzuhalten, ins Gehäuseinnere (151 ) zu gelangen, und einen Gasaustausch zwischen der Umgebung und dem Gehäuseinneren (151) zu ermöglichen.
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