Beschreibung
Drucksensor-Bauteil mit Schlauchanschluß
Die Erfindung betrifft ein Drucksensor-Bauteil mit einem Druch-Anschlußsstück, insbesondere mit einem Schlauchanschlußstück, welches auf der Bestückungsoberseite einer Lei- terplatte montierbar ist. Derartige Bauteile werden aus Platzersparnisgründen bevorzugt oberflächenmontiert (sogen. SMD-Anordnung; SMD = Surface Mounted Design) . Die Druckmessung erfolgt üblicherweise nach dem piezoresistiven Prinzip. Alternativ kann nach kapazitiven Meßprinzipien gearbeitet werden. Als Drucksensor dient in der Regel ein Halbleiterchip, der im allgemeinen aus Silizium besteht. Im Falle der piezoresistiven Messung ist auf der Chipoberfläche eine dünne Siliziummembran angeordnet, die elektrisch mit druckabhängigen Widerständen gekoppelt ist, die ebenfalls im Silizium- substrat ausgebildet und in einer Brückenschaltung geschaltet sind. Der Halbleiterchip umfaßt ebenfalls eine dem Sensor zugeordnete Schaltung zur Verstärkung und Korrektur der Signale und zum Abgleich und zur Kompensation des Sensors.
Zum Messen des Drucks muß zwischen dem zu messenden Medium und dem Drucksensor Kontakt hergestellt werden, d.h. das zu messende Medium muß an den Sensor herangeführt bzw. der herrschende Druck auf den Sensor übertragen werden. Daher ist der Drucksensor in einem einseitig offenen Gehäuse angeordnet, so daß die druckempfindliche Oberfläche des Sensors direkt oder indirekt mit dem zu messenden Medium in Kontakt treten kann. Um Beschädigungen des Drucksensors durch das Medium zu verhindern, ist es üblich, die Oberfläche des Halbleiterchips
mit einem fließfähigen Füllmittel, im allgemeinen einem Kunststoffgel, abzudecken. Das Füllmittel ist so gewählt, daß es den Druck unverfälscht an den Sensor weitergibt.
Handelt es sich bei dem zu messenden Medium um das Medium, welches das Drucksensorbauteil umgibt, kann das offene Drucksensorbauteil als solches verwendet werden. Ist das zu messende Medium nicht gleich dem Umgebungsmedium, muß das zu messende Medium vom Umgebungsmedium getrennt an den Sensor herangeführt werden. Üblicherweise wird hierzu ein mit dem Sensorbauteil verbundenes Schlauchsystem verwendet.
Bisher war es in solchen Fällen üblich, Drucksensoren zu verwenden, die in ein spezielles Gehäuse mit Schlauchanschluß eingebettet waren. Diese Gehäuse sind in der Regel erheblich größer als die entsprechenden Gehäuse für den gleichen Sensor ohne Schlauchanschluß. Dies ist sowohl unter Kostengesichtspunkten als auch im Hinblick auf die spätere Anwendung der Bauteile nachteilig. Die bislang erhältlichen Drucksensorbau- teile mit Schlauchanschluß weisen zudem einen definierten Anschlußdurchmesser auf, der von vornherein festgelegt ist, so daß dem Anwender des Drucksensors hinsichtlich der verwendeten Schlauchverbindung keine Wahlmöglichkeit bleibt.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Drucksensorbauteile mit Schlauchanschluß liegt in der Herstellung der Bauteile. Die Anbringung des Schlauchanschlusses erfolgt erst, nachdem der offene Drucksensor vollständig fertiggestellt und der Halbleiterchip mit Füllstoff abgedeckt ist. Anschließend wird der Schlauchanschluß auf das Drucksensorbauteil aufgeklebt. Es ist also für die Herstellung ein zusätzlicher Schritt, nämlich das Festkleben des Schlauchanschlusses, erforderlich. Zudem muß die Klebeverbindung auf ihre Dichtigkeit geprüft
werden. Diese zusätzlichen Schritte sind zeit- und kostenintensiv.
Die DE-A-4317312 beschreibt einen Drucksensor mit einer in einem Kunststoffgehäuse angeordneten Druckkammer. Die Druckkammer weist einen Rohrstutzen auf, der in ein Anschlußrohr eines Gehäusedeckels eingreift. Es wird beschrieben, daß es bei niedrigen Drücken ausreichen könne, eine Abdichtung zwischen Rohrstutzen und Anschlußrohr mit Vergußmasse zu bewir- ken, die zum Abdecken von Keramikchipkondensatoren verwendet wird.
Au g a b e der Erfindung ist es, ein Drucksensorbauteil mit Schlauchanschluß zu schaffen, das einfach und kostengün- stig herstellbar ist. Die Gehäusegröße sollte sich dabei möglichst klein halten lassen, und zweckmäßig sollte die gleiche Grundgehäuseform verwendet werden können wie für ein entsprechendes offenes Sensorbauteil ohne Schlauchanschluß. Zudem sollte sich das Drucksensorbauteil für den Anschluß von Schläuchen unterschiedlichen Durchmessers eignen.
Die Lösung der Aufgabe gelingt mit dem Drucksensorbauteil gemäß Anspruch 1. Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäße Drucksensorbauteil umfaßt einen Grundkörper, der grundsätzlich einem üblicherweise verwendeten offenen Drucksensorbauteil, d.h. einem Bauteil ohne Schlauchaufsatz, entsprechen kann, und ein zu diesem Grund- körper passendes Druck-Anschlußstück.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß der Grundkörper und das Druck-Anschlußstück mit einem fließfähigen Füllmittel
gegeneinander abgedichtet sind, das ebenfalls zum Befüllen des Chipträgers und zum Abdecken des Halbleiterchips verwendet ist. Der Grundkörper ist bevorzugt einseitig offen ausgestaltet und umfaßt den auf dem Chipträger montierten Halblei- terchip und mit diesem kontaktierte Anschlüsse. Das Druck- Anschlußstück ist vorteilhafterweise auf den Grundkörper aufgesetzt und umschließt die Öffnung im Grundkörper, in dem sich der Halbleiterchip befindet. Dies hat den Vorteil, daß das Befüllen des Chipträgers und damit das Abdecken des Halb- leiterchips und das Abdichten zwischen Grundkörper und Druck- Anschlußstück gemeinsam erfolgen können.
Als fließfähiges Füllmittel dient ein solches, das hinreichend elastisch ist, um Drücke ohne Verfälschung der Meßer- gebnisse an den Drucksensor weiterzugeben. Das Füllmittel sollte gegenüber den üblicherweise zu messenden Medien chemisch weitgehend inert sein und sich einfach handhaben lassen. Bevorzugt ist das Füllmittel ein Kunststoffgel und insbesondere ein Gel auf Silikonbasis.
Wie bereits erwähnt, kann der Grundkörper des Drucksensorbauteils grundsätzlich jede üblicherweise bei auf Leiterplatten montierbaren Drucksensorbauteilen verwendete Form und Ausgestaltung aufweisen. Zweckmäßig umfaßt der Grundkörper einen Chipträger aus Kunststoff, insbesondere aus thermoplastischem Kunststoff, welcher eine im wesentlichen ebene Chipträgerfläche aufweist, auf der der Halbleiterchip mit integriertem Drucksensor angeordnet ist. In die Kunststoffmasse eingebettet befinden sich mehrere Anschlüsse, die seitlich aus dem Chipträger vorstehen. Halbleiterchip und Anschlüsse sind auf übliche Weise miteinander kontaktiert, zum Beispiel durch Bonddrähte. Alternativ kann der Chip auf einem metallischen Anschlußrahmen (Leadframe) mit integrierten Anschlüssen ange-
ordnet sein. Bevorzugt weist der Chipträger an seinen Rändern eine in ihrer Höhe über die Chipoberfläche hinausragende Seitenwandung auf, die den Chipträger umschließt. Diese Seitenwandung begrenzt die Öffnung des Grundkörpers, durch welche das zu messende Medium dem Drucksensor zur Druckmessung zugeführt wird. Die Seitenwandung des Grundkörpers schließt zweckmäßig an ihrem oberen Ende plan ab. Auf diese Seitenwandung wird das Druck-Anschlußstück aufgesetzt.
Das erfindungsgemäße Druck-Anschlußstück ist so ausgestaltet, daß sein Endbereich, der auf der Seitenwandung des Grundkörpers aufliegt, sich gabelt. Anders ausgedrückt, umgreift das dem Grundkörper zugewandte Ende der Außenwand des Druck- Anschlußstückes den oberen Endbereich der Seitentwandung. Ein End- oder Teilbereich des dem Grundkörper zugewandten Endes der Außenwand des Druck-Anschlußstücks verläuft dabei entlang der Außenseite der Seitenwandung des Grundkörpers, ein anderer End- oder Teilbereich des dem Grundkörper zugewandten Endes der Außenwand des Druck-Anschlußstücks verläuft entlang der Innenseite der Seitenwandung des Grundkörpers.
Um eine gute Abdichtung zwischen Grundkörper und Druck- Anschlußstück zu erreichen, ist der Zwischenraum, der sich zwischen dem Ende des Druck-Anschlußstücks, das dem Grundkör- per zugewandt ist, und dem Endbereich der Seitenwandung des Grundkörpers, das dem Druck-Anschlußstück zugewandt ist, befindet, vorzugsweise möglichst vollständig mit dem fließfähigen Füllmittel ausgefüllt, so daß eine gasdichte Abdichtung zwischen Grundkörper und Druckanschlußstück ausgebildet ist.
Die Befüllung des Zwischenraums erfolgt besonders zweckmäßig gleichzeitig mit der Abdeckung des Halbleiterchips. Hierzu wird das fließfähige Füllmittel nach dem Aufsetzen und Befe-
stigen des Druck-Anschlußstücks auf den Grundkörper durch die Öffnung im Druck-Anschlußstück in den Grundkörper-Hohlraum eingeführt. Füllhöhe und Länge der inneren Endbereiche des Druck-Anschlußstücks sind dabei so aufeinander abgestimmt, daß das Füllmittel durch Kapillarkräfte in den Zwischenraum zwischen Druck-Anschlußstück und Seitenteilen des Grundkörpers gezogen wird. Es ist also lediglich ein Füllvorgang notwendig, um den Innenraum des Grundkörpers mit Füllmittel zu versehen und Grundkörper und Druck-Anschlußstück gegeneinan- der abzudichten. Die Herstellung der erfindungsgemäßen Drucksensor-Bauteile ist also außerordentlich einfach und kostengünstig möglich.
Zur Herstellung offener Drucksensor-Bauteile werden bevorzugt Chipträger mit einer entlang der Innenseite der Seitenwandung des Grundkörpers umlaufenden Fließstopkante verwendet. Diese Fließstopkante bewirkt, daß beim Einfüllen das Füllmittel nicht über diese Kante hinaus in Bereiche des Grundkörpers vordringt, die nicht mit dem Füllmittel verunreinigt werden sollen. Auch derartige Grundkörper können im Rahmen der Erfindung verwendet werden. Um sicherzustellen, daß der Zwischenraum zwischen dem Endbereich der Seitenwandung des Grundkörpers und dem Ende des aufgesetzten Druck- Anschlußstückes hinreichend befüllt wird, wird derjenige End- bereich des Druck-Anschlußstückes, der entlang der inneren
Wand der Grundkörper-Seitenteile verläuft, so lang ausgebildet, daß er über die Fließstopkante vorsteht und diese überdeckt. Auf diese Weise können auch im Bereich der Fließstopkante Kapillarkräfte wirksam werden, die das Füllmittel in den Zwischenraum zwischen Druck-Anschlußstück und Grundkörper-Seitenwandung ziehen. Bei entsprechender Anpassung des Druck-Anschlußstücks können also auch die üblichen offenen Drucksensor-Bauteile mit Fließstopkante unverändert für die
erfindungsgemäßen Drucksensor-Bauteile mit Anschluß verwendet werden.
Eine besonders sichere Befestigung des Druck-Anschlußstücks am Grundkörper kann erreicht werden, wenn im Druck- Anschlußstück zwei oder mehr Befestigungsnasen ausgebildet sind, die in entsprechende Befestigungsöffnungen oder Befe- stigungsausnehmungen im Grundkörper einrasten können. Werden nur zwei Befestigungsnasen verwendet, liegen diese vorzugs- weise auf gegenüberliegenden Seiten des Druck-Anschlußstücks. Bevorzugt sind die Befestigungsnasen im Bereich der äußeren Enden des Druck-Anschlußstücks ausgebildet, die im zusammengebauten Zustand entlang der äußeren Seitenwand des Grundkörpers verlaufen. Besonders bevorzugt stehen die Befestigungs- nasen am stirnseitigen Endbereich der äußeren Enden des Druck-Anschlußstücks in Richtung auf den Grundkörper vor. Alternativ ist selbstverständlich ebenfalls möglich, die Befestigungsnasen im Grundkörper anzubringen und die zugehörigen Befestigungsöffnungen oder -ausnehmungen im Druck- Anschlußstück.
Um den Eingriff der Befestigungsnasen in die zugehörigen Befestigungsöffnungen oder -ausnehmungen zu erleichtern, können die Befestigungsnasen in ihrem Randbereich angeschrägt oder gerundet sein.
Das erfindungsgemäße Druck-Anschlußstück ist bevorzugt für den Anschluß eines Schlauches ausgelegt, durch welchen das zu messende Medium dem Drucksensor im Grundkörper zugeführt werden kann. Um die Verwendung unterschiedlicher Schlauchdurch- esser zu ermöglichen, können entweder Sätze von Druck- Anschlußstücken verwendet werden, die sich nur hinsichtlich des zu verwendenden Schlauchdurchmessers unterscheiden. Vorzugsweise wird jedoch ein Druck-Anschlußstück verwendet, das
sich zur Anbringung von Schläuchen unterschiedlicher Durchmesser eignet. Beispielhaft kann ein Druck-Anschlußstück mit einem konisch zulaufenden Stutzen genannt werden, auf den Schläuche unterschiedlicher Durchmesser aufgezogen werden können. Der geeignete Schlauchdurchmesser kann dann entsprechend der jeweiligen Anwendung gewählt werden.
Die Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert werden. Darin zeigen
Figur 1 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Drucksensor-Bauteils ;
Figur 2 eine schematische Ansicht des Grundkörpers des erfindungsgemäßen Drucksensor-Bauteils gemäß
Figur 1 und
Figur 3 schematisch eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Druck- sensor-Bauteils .
Im einzelnen zeigt Figur 1 ein erfindungsgemäßes Drucksensor- Bauteil 1, welches einen Grundkörper 2 und ein Druck- Anschlußstück 8 umfaßt. Der Grundkörper 2 ist auf der Bestük- kungsseite 9 einer Leiterplatte 10 angeordnet. Er beinhaltet einen Chipträger 3 aus thermoplastischem Kunststoff, in dessen Mittelbereich eine Halbleiterchip 4 angebracht ist. Der Halbleiterchip 4 weist einen integrierten Drucksensor und eine zugehörige elektrische Schaltung auf. Beide sind der Über- sichtlichkeit halber nicht dargestellt. Der Drucksensor arbeitet nach dem piezoresistiven System. Der Halbleiterchip 4 ist über Bonddrähte 19 mit den metallischen Anschlüssen 5 elektrisch leitend verbunden. Die Anschlüsse 5 sind zu ihrem
überwiegenden Teil im Chipträger 3 eingebettet. Lediglich ihre Enden sind in gegenüberliegenden unteren seitlichen Bereichen aus dem Grundkörper herausgeführt. Wie Figur 2 zu entnehmen ist, besitzt das erfindungsgemäße Drucksensor-Bauteil je vier Anschlüsse auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Chipträgers 3. Um die Spannungen zwischen Grundkörper 2 und Leiterplatte 10 möglichst gering zu halten, liegen die Anschlüsse 5 nur mit ihren äußersten Enden auf der Leiterplatte auf. Der Verminderung von Spannungen dient auch die dachför- mige Ausgestaltung der Grundkörper-Unterseite. Durch den Abstand des Mittelbereichs des Grundkörpers 2 zur Leiterplatte 10 werden Durchbiegungen der Leiterplatte in geringerem Maße auf den Grundkörper übertragen.
In seiner von der Leiterplatte entfernt liegenden Seite 11 weist der Grundkörper eine einseitige Öffnung 7 auf, die von den Seitenteilen (Seitenwandung) 14 des Grundkörpers 2 begrenzt ist. Durch diese Öffnung 7 wird das zu messende Medium dem Drucksensor zugeführt. Zum Schutz gegen dieses Medium ist der Innenraum der Öffnung 7 des Grundkörpers teilweise mit einem fließfähigen Füllmittel 6, insbesondere mit einem Gel auf Silikonbasis, befüllt. Das Gel bedeckt Halbleiterchip 4, Bonddrähte 19 und den im Innenraum liegenden Teil der Anschlüsse 5 vollständig. Außerdem füllt das Gel den Zwischen- räum zwischen den oberen Endbereichen 13 der Seitenteile 14 und dem auf den Seitenteilen aufliegenden Druck-Anschlußstück 8 nahezu völlig aus.
Das Druck-Anschlußstück 8 umschließt die Öffnung 7 im Grund- körper 2 völlig. Das dem Grundkörper 2 zugewandte Ende 12 des Druck-Anschlußstücks 8 ist gegabelt, so daß eine innere Wand 12a und eine äußere Wand 12b des Endes 12 ausgebildet ist. Äußere und innere Wand umgreifen den oberen Endbereich 13 der
Seitenwandung 14. Die innere Wand 12a des dem Grundkörper 2 zugewandten Endes 12 des Druck-Anschlußstücks 8 ist so lang ausgebildet, daß sie eine an der Innenseite 15 der Seitenwandung 14 des Grundkörpers ausgebildete Fließstopkante 16 über- deckt. Diese Konstruktion ermöglicht das gleichzeitige Befüllen des Innenraums des Grundkörpers 2 und des Zwischenraums zwischen Seitenwandung 14 und Druck-Anschlußstück 8 mit Füllmittel 6. Zum Befüllen wird das Füllmittel 6 durch die Öffnung im Druck-Anschlußstück 8, in diesem Fall einen Anschluß- stutzen für einen Schlauch, in den Innenraum des Grundkörpers 2 eingebracht. Die Füllhöhe wird so gewählt, daß das Füllmittel 6 von unten in den Spalt zwischen Innenwand 15 des Chipträgers 3 und innerem Ende 12a des Druck-Anschlußstücks 8 eindringen kann. Durch Kapillarkräfte wird der Füllstoff in diesem Spalt weiter in die Höhe gezogen, überwindet dabei die Fließstopkante 16, die ohne aufgesetztes Druck-Anschlußstück 8 den Fluß des Füllmittels 6 begrenzen würde, und füllt den Zwischenraum zwischen Druck-Anschlußstück 8 und Grundkörper- Seitenwandung 14 nahezu völlig auf. Auf diese Weise ist es möglich, die Befüllung des Innenraums des Grundkörpers 2 und die Abdichtung zwischen Druck-Anschlußstück 8 und Grundkörper 2 in einem Schritt durchzuführen. Ein zusätzlicher Abdichtschritt ist nicht erforderlich. Der Grundkörper und das Druck-Anschlußstück werden bevorzugt vorher mittels Kleben, Schweißen oder gegenseitigem Eingriff (Klammern) fest miteinander verbunden.
Eine besonders sichere Befestigung des Druck-Anschlußstücks kann erreicht werden, wenn es mit zwei oder mehr Befesti- gungsnasen versehen ist, die in entsprechende Befestigungsöffnungen oder -ausnehmungen im Grundkörper eingreifen. Dies ist beispielhaft in Figur 3 dargestellt. Hier ist schematisch ein Querschnitt durch eine mögliche Ausführungsform eines er-
findungsgemäßen Drucksensor-Bauteils gezeigt. Grundkörper 2 und Druck-Anschlußstück 8 sind stark vereinfacht wiedergegeben, da lediglich eine mögliche Anordnung von Befestigungsnasen und -öff-nungen dargestellt werden soll. Die Querschnitt- sachse ist gegenüber derjenigen in Figur 1 um 90° gedreht.
Das Druck-Anschlußstück 8 weist in seinem unteren stirnseitigen Bereich zwei Befestigungsnasen 17 auf, die in Richtung auf den Grundkörper 2 vorspringen. Im unteren Randbereich des Grundkörpers sind an zwei gegenüberliegenden Außenseiten Be- festigungsausnehmungen 18 vorhanden, in die die Befestigungsnasen 17 im zusammengesetzten erfindungsgemäßen Drucksensorbauteil eingreifen. Um den Eingriff zu erleichtern, können die den Befestigungsausnehmungen zugewandten Seiten der Befe- stigungsnasen gerundet oder angeschrägt sein, wie dies am Beispiel der in Figur 3 linken Befestigungsnase veranschaulicht ist. Die Befestigungsnasen 17 können sich über die gesamte Länge der Seitenwände des Grundkörpers erstrecken oder nur über einen mehr oder weniger großen Teilbereich dieser Seitenwände. In letzterem Fall verhindern die Befestigungsnasen nicht nur ein Abheben des Druck-Anschlußstücks vom Grundkörper, sondern auch ein seitliches Verrutschen des Druck- Anschlußstücks . Die Abdichtung von Druck-Anschlußstück und Grundkörper erfolgt auch in diesem- Fall auf die vorstehend beschriebene Weise.