-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Sensors und den Sensor.
-
Aus der
DE 10 2007 060 931 A1 ist ein Sensor mit einer verkapselten Sensorschaltung bekannt, die auf einem Substrat in Form einer Leiterplatte mit einer elektrischen Beschaltung gehalten und über Bond-Drähte mit der elektrischen Beschaltung verschalten ist.
-
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung die bekannte elektronische Baugruppe zu verbessern.
-
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
-
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines Sensors, der eingerichtet ist, eine physikalische Größe basierend auf einem von der physikalischen Größe abhängigen Geberfeld zu messen, die Schritte Verschalten einer Sensorschaltung zum Erfassen des Geberfeldes und zum Ausgeben eines vom Geberfeld abhängigen Sensorsignals auf einem Verdrahtungsträger, Anordnen eines die Sensorschaltung einhüllenden Gehäuses auf dem Verdrahtungsträger, und Füllen des Gehäuses mit einer mechanischen Entkopplungsmasse.
-
Dem angegebenen Verfahren liegt die Überlegung zugrunde, dass die Sensorschaltung zum Ausgeben des vom Geberfeld abhängigen Sensorsignals keinerlei anderen physikalischen Feldern ausgesetzt werden sollte, die die Messung verfälschen könnten. Derartige die Messung verfälschende physikalische Felder können beispielsweise Kraftfelder sein, die zu mechanischen Spannungen an den Messaufnehmern der Sensorschaltung führen. Daher sollte zumindest der Teil der Sensorschaltung, der die Messaufnehmer enthält, vor derartigen, die Messung verfälschenden Kraftfeldern geschützt werden. Gegebenenfalls können auch nur die Messaufnehmer als Sensorschaltung angesehen werden.
-
Um diesen zuvor genannten Schutz vor den die Messung verfälschenden Kraftfeldern zu erreichen, könnte die Sensorschaltung in einer mechanischen Entkopplungsmasse verkapselt werden, die dann die Kraftfelder aufnimmt und vermeidet, dass diese die Sensorschaltung erreichen. Daher sollte die mechanische Entkopplungsmasse so weich wie möglich sein, um die Kraftfelder optimal aufnehmen zu können. Anderseits muss die mechanische Entkopplungsmasse jedoch eine bestimmte Festigkeit besitzen, um beim Verarbeiten beziehungsweise Auftragen auf den Verdrahtungsträger nicht wegzufließen. Die Vereinigung dieser beiden Eigenschaften in einer mechanischen Entkopplungsmasse erhöht deren Kosten, da gängige mechanische Entkopplungsmassen, wie beispielsweise Silikonvergüsse rheologisch modifiziert sein müssen, um die ausreichende Festigkeit beim Verarbeiten auf dem Verfrahtungsträger bereitstellen zu können.
-
Hier greift das angegebene Verfahren mit der Überlegung an, die Entkopplungsmasse nicht frei auf dem Verdrahtungsträger, sondern in einem Gehäuse zu verarbeiten, das die Sensorschaltung einhaust. Wird die Entkopplungsmasse in dieses Gehäuse eingebracht, halten seine Wände die Entkopplungsmasse fest und hindern sie daran wegzufließen. In diesem Fall muss die mechanische Entkopplungsmasse dann nicht rheologisch modifiziert werden, so dass als mechanische Entkopplungsmasse auch günstigere Materialien verwendet werden können. Auf diese Weise können die Herstellungskosten des mit dem angegebenen Verfahren hergestellten Sensors reduziert werden.
-
In einer Weiterbildung des angegebenen Verfahrens ist das Gehäuse aus einem Metall gefertigt. Dieser Weiterbildung liegt die Überlegung zugrunde, das Gehäuse nicht nur bei der Herstellung zum Halten der mechanischen Entkopplungsmasse, sondern auch im normalen Betrieb des Sensors als Schirmelement zum Abschirmen elektromagnetischer Störstrahlen zu verwenden und so die elektromagnetische Verträglichkeit, EMV genannt und die Robustheit gegenüber elektrostatischer Entladung, ESD genannt, zu erhöhen.
-
Dazu wird das Gehäuse zweckmäßigerweise in einer besonderen Weiterbildung des angegebenen Verfahrens mit einer Leiterbahn des Verdrahtungsträgers kontaktiert, die so gewählt werden sollte, dass durch die oben genannten elektromagnetischen Strahlen entstehende Störsignale an der Sensorschaltung vorbeigeleitet werden.
-
Dazu kann die Leiterbahn in einer bevorzugten Weiterbildung des angegebenen Verfahrens auf ein Bezugspotential gelegt werden. Dieses Bezugspotential könnte beispielsweise Masse oder die Erdung sein, da diese in gängigen Schaltungen ohnehin vorgegeben werden muss.
-
Das Gehäuse kann prinzipiell beliebig aufgebaut sein und sollte an das Herstellungsverfahren angepasst werden. Vorzugsweise kann das Gehäuse zunächst auf den Verdrahtungsträger aufgebracht und danach mit der mechanischen Entkopplungsmasse ausgegossen werden. Dazu sollte das Gehäuse eine Öffnung aufweisen, die für eine besonders einfache Durchführung des angegebenen Herstellungsverfahrens auf der dem Verdrahtungsträger gegenüberliegenden Seite des Gehäuses angeordnet sein sollte. Über diese Öffnung kann die mechanische Entkopplungsmasse nach dem Aufbringen des Gehäuses auf den Verdrahtungsträger in einfacher Weise in das Gehäuse eingebracht werden.
-
Dabei kann die Öffnung mit einem Gitter verschlossen sein, so dass einerseits die mechanische Entkopplungsmasse, wenn sie viskos genug ist, in einfacher Weise in das Gehäuse eingebracht werden kann, andererseits jedoch eine gute Abschirmwirkung gegenüber elektromagnetischer Störstrahlung während des Betriebs des mit dem angegebenen Verfahren hergestellten Sensors erreicht wird. Dazu sollte das Gitter zweckmäßigerweise ebenfalls aus einem Metall ausgebildet werden und kann dabei einstückig mit dem Gehäuse ausgebildet sein.
-
In einer besonderen Weiterbildung des angegebenen Verfahrens wird das Gehäuse mit dem mechanischen Enkopplungsmaterial derart befüllt, dass das Gitter vom mechanischen Entkopplungsmaterial freigelegt bleibt. Alternativ könnte das Gehäuse mit dem mechanischen Enkopplungsmaterial auch solange befüllt werden, bis das Gitter vom mechanischen Enkopplungsmaterial eingeschlossen ist. Da als mechanisches Entkopplungsmaterial prinzipbedingt ein Material verwendet werden soll, dass bei der Verarbeitung möglichst fließfähig ist, ist der Einschluss des Gitters durch das mechanische Entkopplungsmaterial besonders günstig, da hier ein einfacher Materialfluss gegeben ist.
-
Abschließend kann der Verdrahtungsträgers und das mit dem mechanischen Entkopplungsmaterial befüllte Gehäuse in einer Schutzmasse verkapselt werden, um eine dauerhafte Beständigkeit gegenüber Umwelteinflüssen zu erreichen. Diese Schutzmasse kann aufgrund der mechanischen Entkopplungsmasse optimal auf ihre Schutzfunktion hin ausgewählt werden, weil die mechanische Entkopplungsmasse sämtliche mechanischen Beanspruchungen, beispielsweise aufgrund von Wärmebewegungen von der Sensorschaltung fernhält.
-
Mit dem angegebenen Verfahren wird auch eine besonders platzsparender Sensor hergestellt, weil das Gehäuse vermeidet, dass sich die mechanische Entkopplungsmasse aufgrund ihrer Fließfähigkeit auf dem Verdrahtungsträger ausbreitet. Diese platzsparende Wirkung kann noch weiter gesteigert werden, wenn der Sensor im Rahmen eines sogenannten Area Array Package ausgeführt wird, im Rahmen dessen eine Schnittstelle zur Ausgabe des Sensorsignals am Verdrahtungsträger nicht seitlich sondern an einer dem Gehäuse gegenüberliegenden Seite angeordnet wird. Hier können die elektrischen Anbindungsmöglichkeiten zu einer übergeordneten Schaltungsebene beispielsweise durch Lötkugeln oder Lötflächen realisiert werden.
-
Um den Bauraum weiter zu reduzieren könnten beispielsweise auch elektronische Komponenten, auch Peripheriebeschaltung genannt, aus der übergeordneten Schaltungsebene in den angegebenen Sensor mit auf den Verdrahtungsträger integriert werden.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Sensor zum Messen einer physikalischen Größe basierend auf einem von der physikalischen Größe abhängigen Geberfeld eine Sensorschaltung zum Erfassen des Geberfeldes und zum Ausgeben eines vom Geberfeld abhängigen Sensorsignals, einen Verdrahtungsträger, auf dem die Sensorschaltung verschaltet ist, ein die Sensorschaltung einhausendes Gehäuse, und eine in dem Gehäuse aufgenommene und die Sensorschaltung verkapselnde mechanische Entkopplungsmasse.
-
Der angegebene Sensor kann dabei vorzugsweise mit einem angegebenen Verfahren hergestellt werden.
-
Der angegebene Sensor kann beispielsweise ein Raddrehzahlsensor, ein Inertialsensor, ein Airbagbeschleunigungsensor sein. Derartige Sensoren werden beispielsweise zur Erfassung der Rückführgrößen in Fahrzeugregelsystemen, wie beispielsweise im Airbag, in der Fahrwerksregelung, im elektronischen Stabilitätsprogramm, ESP genannt, in der Roll-Over Erkennung, in der Front- und Seitenaufprallerkennung, eingesetzt.
-
Zudem kann der angegebene Sensor als internes elektronisches Bauteil beispielsweise in Form einer SMD-Komponente (SMD = Surface-mounted device) oder als Satellitenkomponente ausgeführt werden, die an einer beliebigen Stelle in ihrer Endapplikation verbaut und beispielsweise über ein Datenkabel an die höhere Verdrahtungsebene angeschlossen wird. Diese Endapplikation kann beispielsweise ein Fahrzeug sein, wobei die höhere Verdrahtungsebene in dem Fahrzeug beispielsweise eine Steuereinrichtung, wie beispielsweise eine Motorsteuerung sein kann.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Fahrzeug einen angegebenen Sensor, insbesondere zur Erfassung von Fahrdynamikdaten, wie die Querbeschleunigung und die Gierrate des Fahrzeuges.
-
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden, wobei:
-
1 eine schematische Ansicht eines Fahrzeuges mit einer Fahrdynamikregelung,
-
2 eine schematische Ansicht eines Inertialsensors aus 1,
-
3 eine schematische Ansicht eines alternativen Inertialsensors aus 1, und
-
4 eine schematische Ansicht eines weiter alternativen Inertialsensors aus 1 zeigen.
-
In den Figuren werden gleiche technische Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen und nur einmal beschrieben.
-
Es wird auf
1 Bezug genommen, die eine schematische Ansicht eines Fahrzeuges
2 mit einer an sich bekannten Fahrdynamikregelung zeigt. Details zu dieser Fahrdynamikregelung können beispielsweise der
DE 10 2011 080 789 A1 entnommen werden.
-
Das Fahrzeug 2 umfasst ein Chassis 4 und vier Räder 6. Jedes Rad 6 kann über eine ortsfest am Chassis 4 befestigte Bremse 8 gegenüber dem Chassis 4 verlangsamt werden, um eine Bewegung des Fahrzeuges 2 auf einer nicht weiter dargestellten Straße zu verlangsamen.
-
Dabei kann es in einer dem Fachmann bekannten Weise passieren, dass das die Räder 6 des Fahrzeugs 2 ihre Bodenhaftung verlieren und sich das Fahrzeug 2 sogar von einer beispielsweise über ein nicht weiter gezeigtes Lenkrad vorgegebenen Trajektorie durch Untersteuern oder Übersteuern wegbewegt. Dies wird durch an sich bekannte Regelkreise wie ABS (Antiblockiersystem) und ESP (elektronisches Stabilitätsprogramm) vermieden.
-
In der vorliegenden Ausführung weist das Fahrzeug 2 dafür Drehzahlsensoren 10 an den Rädern 6 auf, die eine Dreh-zahl 12 der Räder 6 erfassen. Ferner weist das Fahrzeug 2 einen Inertialsensor 14 auf, der Fahrdynamidaten 16 des Fahrzeuges 2 erfasst aus denen beispielsweise eine Nickrate, eine Wankrate, eine Gierrate, eine Querbeschleunigung, eine Längsbeschleunigung und/oder eine Vertikalbeschleunigung in einer dem Fachmann an sich bekannten Weise ausgegeben werden kann.
-
Basierend auf den erfassten Drehzahlen 12 und Fahrdynamikdaten 16 kann ein Regler 18 in einer dem Fachmann bekannten Weise bestimmen, ob das Fahrzeug 2 auf der Fahrbahn rutscht oder sogar von der oben genannten vorgegebenen Trajektorie abweicht und entsprechen mit einem an sich bekannten Reglerausgangssignal 20 darauf reagieren. Das Reglerausgangssignal 20 kann dann von einer Stelleinrichtung 22 verwendet werden, um mittels Stellsignalen 24 Stellglieder, wie die Bremsen 8 anzusteuern, die auf das Rutschen und die Abweichung von der vorgegebenen Trajektorie in an sich bekannter Weise reagieren.
-
Der Regler 18 kann beispielsweise in eine an sich bekannte Motorsteuerung des Fahrzeuges 2 integriert sein. Auch können der Regler 18 und die Stelleinrichtung 22 als eine gemeinsame Regeleinrichtung ausgebildet und optional in die zuvor genannte Motorsteuerung integriert sein.
-
In 1 ist der Inertialsensor 14 als externe Einrichtung außerhalb des Reglers 18 gezeigt. In einem solchen Fall spricht man von einem als Satelliten ausgebildeten Inertialsensor 14, der im Rahmen der 4 an späterer Stelle näher erläutert werden soll. Im Rahmen der 2 ist der Inertialsensor 14 jedoch als SMD-Bauteil ausgeführtes elektronisches Bauteil ausgeführt, das beispielsweise in ein Gehäuse des Reglers 18 mit integriert werden kann.
-
Der Inertialsensor 14 umfasst mindestens ein mikroelektromechanisches System 26, MEMS 26 genannt, als Messaufnehmer, hier zwei MEMS 26, die in an sich bekannter Weise ein von den Fahrdynamikdaten 16 abhängiges, nicht weiter dargestelltes Signal über Bonddrähte 28 an eine Signalauswerteschaltungen 30 in Form einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung 30, ASIC 30 (engl: application-specific integrated circuit) genannt ausgeben. Die ASIC 30 kann dann basierend auf dem empfangenen, von den Fahrdynamikdaten 16 abhängigen Signal die Fahrdynamikdaten 16 erzeugen.
-
Die MEMSs 26 und die ASIC 30 sind auf einem Verdrahtungsträger in Form einer Leiterplatte 32 getragen und mit verschiedenen, auf der Leiterplatte 32 ausgeformten elektrischen Leitungen 34 elektrisch kontaktiert. Alternativ kann die Leiterplatte 32 auch als Leadframe ausgebildet sein, worauf aber der Kürze halber nicht weiter eingegangen werden soll. Von den Leitungen 34 ist in 2 lediglich eine einzige Leitung 34 im Schnitt zu sehen. Die Kontaktierung kann dabei direkt, beispielsweise über eine an sich bekannte FlipChip-Verbindung oder, wie in 2 gezeigt, über einen Bonddraht 28 erfolgen.
-
Die MEMSs 26 und die ASIC 30 können ferner von einem mechanischen Entkopplungsmaterial 36, umhüllt sein, das beispielsweise als Silikonverguss ausgeführt sein kann. Das mechanische Entkopplungsmaterial kann wiederum gemeinsam mit den MEMSs 26 und der ASIC 30 in einer Schutzmasse in Form eines Spritzpressmaterials 38, wie beispielsweise einem Epoxidharz 38 verkapselt sein. Das Spritzpressmaterial 38 könnte damit allein bereits als Gehäuse des Inertialsensors 14 dienen und die darin aufgenommenen Schaltungskomponenten schützen.
-
Schließlich sind an dem als SMD-Bauteil ausgebildeten Inertialsensor 14 entsprechende Kontaktmöglichkeiten, wie in 2 gezeigte Lotkugeln 40 zur elektrischen Kontaktierung mit einem Schaltkreis des Reglers 18 vorgesehen und somit als Schnittstelle 41 dienen. Alternativ könnten die Kontaktmöglichkeiten des als SMD-Bauteil ausgebildeten Inertialsensors 14 aber als an sich bekannte Gull-Wing-Lötanschlüsse oder J-Lead-Lötanschlüsse ausgebildet sein, wenn die Leiterplatte 32 beispielsweise als Leadframe ausgebildet ist.
-
Zur Herstellung des Intertialsensors 14 wird zunächst die Sensorschaltung 42 aus den MEMSs 26 und den ASIC 30 über die Bonddrähte 28 auf der Leiterplatte 32 verschaltet. Danach wird auf die Leiterplatte 32 ein Gehäuse 44 aus Metall aufgesetzt und mit einer der Leiterbahnen 34 beispielsweise durch Verlöten, Verschweißen oder Verkleben elektrisch kontaktiert. Das Gehäuse 44 weißt eine erste Öffnung 46 auf, die über die Sensorschaltung 42 gestülpt wird. Eine zweite Öffnung 48 ist bodenseitig auf der der Sensorschaltung 42 gegenüberliegenden Seite angeordnet und als Gitter 48 ausgebildet. Über dieses Gitter 48 wird dann das mechanische Entkopplungsmaterial 36 in den Innenraum des Gehäuses 44 eingefüllt, das dann wiederrum verhindert, dass das mechanische Entkopplungsmaterial 36 wegfließt. Im Rahmen der 2 wird das mechanische Entkopplungsmaterial 36 von der Sensorschaltung 42 aus gesehen bis unterhalb des Gitters 48 in das Gehäuse eingefüllt. Abschließend wird das Gehäuse 44 auf der Leiterplatte 32 in dem Spritzpressmaterial 38 eingehaust, dass dann ebenfalls durch das Gitter 48 in den Innenraum des Gehäuses 44 eindringen muss.
-
Alternativ kann das Gehäuse mit der mechanischen Entkopplungsmasse 36 wie in 3 gezeigt aber auch soweit aufgefüllt werden, dass das Gitter 48 mit eingehüllt wird. Dann muss das Spritzpressmaterial 38 nicht durch das Gitter 48 gedrückt werden.
-
In 4 ist der Inertialsensor 14 als Satellit ausgeführt und kann unabhängig vom Regler 18 in dem Fahrzeug 2 an einer beliebigen Stelle angeordnet werden.
-
Im Rahmen der 4 ist die Schnittstelle 41 als Steckverbinder 50 ausgeführt und in einem Steckergehäuse 52 eingehaust. In diesem Steckergehäuse 52 kann formschlüssig ein nicht gezeigter Stecker eines nicht gezeigten Datenkabels aufgenommen werden, das die erfassten Fahrdynamikdaten 16 zu nächsthöheren Verarbeitungsebene, in diesem Fall den Regler 18 leitet.
-
Im Rahmen der Ausführung des Inertialsensor 14 als Satellit wird das Gehäuse 44 in besonders günstiger Weise zusätzlich als Abschirmblech verwendet und hält elektromagnetische Störstrahlungen, die nicht durch ein anderweitiges Gehäuse gedämpft werden können, von der Sensorschaltung 42 fern.
-
Zudem ist der Inertialsensor 14 noch in einer zusätzlichen Schutzmasse 53 eingehaust, die den Inertialsensor 14 vor Umwelteinflüssen, wie Verwitterung schützt.
-
Auf der Leiterplatte 32 können nun ferner noch zusätzliche Bauelemente 54 angeordnet werden, die angefangen von passiven Bauelementen zur Filterung der Signale innerhalb des Inertialsensors 14 bis hin zur signalverarbeitenden Einrichtungen, im Rahmen derer sogar Regelungsaufgaben übernommen werden können, alle möglichen elektronischen Bauelemente umfassen können. Damit ist insbesondere der als Satellit ausgebildete Inertialsensor 14 in kostengünstiger Weise beliebig an spezielle Kundenwünsche anpassbar, weil nach der Bestückung der Leiterplatte 32 alle restlichen Fertigungsschritte wieder standartisiert durchgeführt werden können.
-
Je nach Bedarf können diese zusätzlichen Bauelemente 54 jedoch mit dem gleichen Vorteil auch in dem als elektronisches Bauelement ausgeführten Inertialsensor 14 der 2 verbaut werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102007060931 A1 [0002]
- DE 102011080789 A1 [0029]