KUHNT, Winfried (Zeppelinstr. 26, Stuttgart, 70193, DE)
GMELIN, Christoph (Hofgaerten 4 C, Stuttgart, 70597, DE)
KUHNT, Winfried (Zeppelinstr. 26, Stuttgart, 70193, DE)
| Ansprüche 1. Sensoranordnung (1 10) zur Erfassung eines Drucks, insbesondere eines Mediums, wobei die Sensoranordnung (110) mindestens ein Sensorelement (136) zur Erfassung des Drucks aufweist, wobei das Sensorelement (136) zumindest teilweise durch eine Schutzabdeckung (122) abgeschirmt ist, wobei die Sensoranordnung (1 10) weiterhin mindestens ein Heizelement (160) aufweist, wobei die Sensoranordnung (1 10) eingerichtet ist, um mittels des Heizelements (160) einer Kondensation, insbesondere einer Bildung von Abgaskondensat, an der Sensoranord- nung (110), insbesondere an der Schutzabdeckung (122), entgegenzuwirken. 2. Sensoranordnung (1 10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Sensorelement (136) ein Drucksensor (156) ist, wobei der Drucksensor (156) mindestens eine Sensormembran (154) aufweist, wobei die Sensormembran (154) von einer Seite her mit einem Referenzdruck beaufschlagbar ist und von einer entgegengesetzten Seite her mit einem Messdruck beaufschlagbar ist. 3. Sensoranordnung (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorelement (136) eine Sensormembran (154) und ein mit der Sensormembran (154) verbundenes Festland (1 18) umfasst, wobei das Heizelement (160) ganz oder teilweise auf mindestens einem der folgenden Elemente angeordnet ist: der Sensormembran (154); dem Festland (1 18); einem die Sensormembran (154) und/oder das Festland (118) aufnehmenden Substrat (142), insbesondere einem Keramiksubstrat und/oder einem Gehäuseteil, insbesondere einem Gehäusespritz- teil. 4. Sensoranordnung (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Heizelement (160) eingerichtet ist, um das Sensorelement (136), insbesondere eine Sensorfläche (158) des Sensorelements (136), im wesentlichen homogenen zu beheizen. 5. Sensoranordnung (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorelement (136) mindestens einen Messwiderstand umfasst, insbesondere mindestens einen Dehnungswiderstand, und/oder eine Widerstandsbrückenschal- tung, wobei der Messwiderstand und/oder die Widerstandsbrückenschaltung zumindest teilweise Bestandteil des Heizelements (160) sind. 6. Sensoranordnung (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensoranordnung (1 10) weiterhin eine Auswerteschaltung (140) umfasst, wobei die Auswerteschaltung (140) zumindest teilweise räumlich getrennt von dem Sen- sorelement (136) angeordnet ist und wobei das Heizelement (160) eingerichtet ist, um zumindest das Sensorelement (136) zu beheizen. 7. Sensoranordnung (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schutzabdeckung (122) ein Gel (124) umfasst, insbesondere eines oder mehrere der folgenden Gele: ein Dimethylsiloxangel; ein Fluorsilikongel; ein Perfluorpolye- ther. 8. Sensoranordnung (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensoranordnung (1 10) eingerichtet ist, um die Betriebstemperatur zu erfassen und eine Heizleistung des Heizelements (160) zu steuern und/oder zu regeln. 9. Sensoranordnung (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensoranordnung (1 10) eingerichtet ist, um eine Heizleistung des Heizelements (160) derart zu steuern und/oder zu regeln, dass die Betriebstemperatur eine vor- gegebene Maximaltemperatur, insbesondere einem Maximaltemperatur zwischen 90 0C und 150 0C, vorzugsweise eine Maximaltemperatur von 100 0C, nicht überschreitet. 10. Sensoranordnung (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensoranordnung (1 10) eingerichtet ist, um die Betriebstemperatur um 2 K bis 15 K, vorzugsweise um 4 K bis 6,5 K, oberhalb der Umgebungstemperatur einzustellen. 1 1. Sensoranordnung (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensoranordnung (1 10) mindestens einen Anschlusskontakt (1 12) umfasst, wobei das Heizelement (160) eingerichtet ist, um den Anschlusskontakt (1 12) zu heizen. |
Titel
Sensoranordnung zur Erfassung eines Drucks
Stand der Technik
Insbesondere im Automobilbereich, jedoch auch in anderen Bereichen, werden, Bauelemente eingesetzt, die einen oder mehrere Sensoren zur Erfassung bestimmter Eigenschaften von Medien umfassen. Die Erfindung wird nachfolgend im Wesentlichen beschrieben unter Bezugnahme auf Drucksensoren, insbesondere mikromechanische
Drucksensoren, wie sie beispielsweise zur Erfassung von Saugrohrdrücken, Ladedrücken sowie als Differenzdrucksensoren für Partikelfilter eingesetzt werden. Derartige Drucksensoren werden beispielsweise in Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 74-76 sowie Seiten 128-130 beschrieben. Die Erfindung ist jedoch grundsätzlich nicht auf Drucksensoren beschränkt, so dass beispielsweise auch Sensoren für andere Messgrößen erfindungsgemäß modifiziert werden können.
Insbesondere Drucksensoren, jedoch auch andere Arten von Sensorelementen, weisen typischerweise einen Sensorchip auf, welcher durch ein Gel vor korrosiven Me- dien, wie beispielsweise Abgasen, Luft oder Wasserdampf, geschützt wird. In einzelnen Anwendungsfällen kann es jedoch trotz dieses Schutzes durch ein hochbeständiges Gel aufgrund einer Diffusion von Abgas durch das Gel zu einer Ansammlung von Abgaskondensat im Bereich des Sensorchips kommen, beispielsweise in Kavernen zwischen dem Chip, Bonddrähten und dem Gel. Dies kann zu Bondablösungen oder Leiterbahnkorrosion und damit bis hin zum vollständigen Ausfall der Sensorelemente führen.
Offenbarung der Erfindung
Es wird daher eine Sensoranordnung zur Erfassung eines Drucks, insbesondere eines
Mediums vorgeschlagen, welche die Nachteile bekannter Sensoranordnungen zumin- dest weitgehend vermeidet. Insbesondere bietet die Sensoranordnung eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit, eine erhöhte Langzeitstabilität und eine im Vergleich zu herkömmlichen Bauelementen verringerte Ausfallrate.
Die Sensoranordnung dient der Erfassung eines Drucks, insbesondere des Mediums.
Grundsätzlich könnte, alternativ oder zusätzlich, auch wenigstens eine andere Eigenschaft des Mediums erfasst werden. Diese wenigstens eine Eigenschaft des Mediums kann beispielsweise eine physikalisch Eigenschaft und/oder chemisch messbare Eigenschaft des Mediums sein. Insbesondere kann es sich dabei um eine Temperatur, eine Geschwindigkeit, einen Fluss, eine Zusammensetzung oder ähnliche physikalische und/oder chemisch messbare Eigenschaften des Mediums handeln. Das Medium kann insbesondere ein flüssiges und/oder gasförmiges Medium sein. Insbesondere kann die Sensoranordnung zur Erfassung eines Drucks eines Gases, beispielsweise eines Abgases, eingesetzt werden.
Die Sensoranordnung umfasst mindestens ein Sensorelement zur Erfassung des Drucks. Das Sensorelement kann beispielsweise eine oder mehrere Sensorflächen umfassen, welche bei direktem oder indirektem Kontakt mit dem Medium eingerichtet sind, um alleine oder in Zusammenwirkung mit weiteren Bauelementen der Sensoran- Ordnung den Druck des Mediums qualitativ oder quantitativ zu erfassen. Bezüglich der
Ausgestaltung des Sensorelements kann beispielsweise auf den oben genannten Stand der Technik verwiesen werden, insbesondere die in Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 74-76 sowie Seiten 128-130 beschriebenen mikromechanischen Drucksensoren. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Arten von Sensorelementen grundsätzlich einsetzbar.
Dabei ist das Sensorelement zumindest teilweise durch eine Schutzabdeckung abgeschirmt. Die Abschirmung kann beispielsweise gegenüber dem Medium, dessen Druck erfasst werden soll, selbst erfolgen und/oder gegenüber einem anderen Medium, bei- spielsweise einem korrosiven und/oder in anderer Weise aggressiven Medium, beispielsweise Feuchtigkeit, Öl oder Kraftstoff. Die Schutzabdeckung kann beispielsweise die genannte Sensorfläche umfassen, beispielsweise eine Sensormembran. Die Sensorfläche kann beispielsweise vollständig oder teilweise durch die Schutzabdeckung bedeckt sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Schutzabdeckung jedoch auch, wie unten noch näher ausgeführt wird, einen oder mehrere Anschlusskontakte schützen, beispielsweise bedecken. Unter einer Schutzabdeckung soll dabei allgemein ein EIe- ment verstanden werden, welches eingerichtet ist, um ein Vordringen von aggressiven Medien zu dem abgeschirmten Teil des Sensorelements zumindest zu verlangsamen, beispielsweise im Vergleich zu einem ungeschützten Teil um mindestens einen Faktor 1000, vorzugsweise um mindestens einen Faktor 10000. Wie unten ausgeführt wird, kann die Schutzabdeckung insbesondere mindestens ein Gel umfassen, welches das
Sensorelement ganz oder teilweise bedeckt, beispielsweise mindestens eine Sensorfläche des Sensorelements und/oder mindestens einen Anschlusskontakt des Sensorelements. Ein Vorteil eines Gels als Schutzabdeckung und/oder Bestandteil der Schutzabdeckung liegt insbesondere darin, dass ein Gel einen Druck übertragen kann, was insbesondere in Drucksensoren vorteilhaft ist.
Die Sensoranordnung weist weiterhin mindestens ein Heizelement auf. Die Sensoranordnung ist eingerichtet, um mittels des Heizelements einer Kondensation an der Sensoranordnung entgegenzuwirken. Insbesondere kann einer Kondensation von Be- standteilen des Mediums entgegengewirkt werden, beispielsweise einer Bildung von
Abgaskondensat. Insbesondere kann der Kondensation an der Schutzabdeckung entgegengewirkt werden, also an einer Oberfläche der Schutzabdeckung und/oder in einem Inneren der Schutzabdeckung. Insbesondere kann die Sensoranordnung eingerichtet sein, um mittels des Elements die Betriebstemperatur des Sensorelements ge- genüber der Umgebungstemperatur zu erhöhen. So kann beispielsweise die Druckerfassung bei einer gegenüber der Umgebungstemperatur erhöhten Betriebstemperatur durchgeführt werden. Beispielsweise kann das Heizelement einen oder mehrere Heizwiderstände aufweisen. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Ausgestaltungen der Heizelemente denkbar.
Wie oben dargestellt, kann das Sensorelement insbesondere ein Drucksensor sein, der mindestens eine Sensormembran aufweist. Beispielsweise kann es sich dabei um eine Halbleiter-Membran handeln, welche beispielsweise durch ein Ätzverfahren aus einem Chip-Festland herausgeätzt wurde. Die Sensormembran kann beispielsweise von einer Seite her mit einem Referenzdruck beaufschlagbar sein und von einer entgegengesetzte Seite her mit einem Messdruck.
So kann das Sensorelement insbesondere eine Sensormembran und ein mit der Sensormembran verbundenes Festland umfassen, wobei das Heizelement ganz oder teil- weise auf mindestens einem der folgenden Elemente angeordnet ist: der Sensormembran; dem Festland; einem die Sensormembran und/oder das Festland aufneh- menden Substrat, beispielsweise einem einen Sensorchip mit der Sensormembran und dem Festland aufnehmenden Substrat, insbesondere einem Keramiksubstrat und/oder einem Gehäusespritzteil.
Das Heizelement kann insbesondere eingerichtet sein, um das Sensorelement, insbesondere eine Sensorfläche des Sensorelements, im wesentlichen homogen zu beheizen. Auf diese Weise kann beispielsweise sicher gestellt werden, dass die Messung des Sensorelements, also die Erfassung des Drucks und/oder der wenigstens einen anderen Eigenschaft des Mediums, nicht durch Temperatur-Inhomogenitäten innerhalb des Sensorelements gestört wird. So kann beispielsweise die Sensoranordnung derart eingerichtet sein, dass eine räumliche Temperaturschwankung über das Sensorelement hinweg, insbesondere eine Sensorfläche des Sensorelements hinweg, nicht mehr als 1 Grad beträgt, insbesondere nicht mehr als 0,5 Grad.
Das Heizelement kann als separates, von der sonstigen Sensorfunktion des Sensorelements unabhängiges Element ausgestaltet sein, beispielsweise, wie oben beschrieben, in Form eines oder mehrerer Heizwiderstände, welche auf und/oder innerhalb der Sensormembran und/oder anderen Elementen der Sensoranordnung angeordnet sein können. Alternativ oder zusätzlich können als Heizelement jedoch auch Elemente der Sensoranordnung verwendet werden, welche ohnehin in der Sensoranordnung vorhanden sind. So kann das Sensorelement, insbesondere im Falle eines Drucksensors, beispielsweise mindestens einen Messwiderstand umfassen, insbesondere mindestens einen Dehnungswiderstand, beispielsweise mindestens einen piezoresistiven Widerstand. Diese mindestens eine Dehnungswiderstand kann beispielsweise auf einer Sensormembran angeordnet sein und/oder in eine derartige Sensormembran integriert sein. Alternativ oder zusätzlich zu einem oder mehreren Dehnungswiderständen kann auch eine Widerstandsbrückenschaltung vorgesehen sein, beispielsweise eine Wheatstone-Brücke. Ein oder mehrere Dehnungswiderstände können in diese Widerstandsbrückenschaltung integriert sein, wobei der Widerstand dieses Dehnungswider- Stands über die Widerstandsbrückenschaltung erfasst werden kann. Der Messwiderstand und/oder die Widerstandsbrückenschaltung können ganz oder teilweise Bestandteil des Heizelements sein. In diesem Fall können beispielsweise der Messwiderstand und/oder die Widerstandsbrückenschaltung ganz oder teilweise mit einem Heizstrom beaufschlagt werden, um die gewünschte und oben beschriebene Beheizung des Sen- sorelements zu erreichen. Diese Beheizung kann beispielsweise auch getaktet erfolgen, so dass beispielsweise Messfunktionen des Sensorelements nicht gestört werden. Die Sensoranordnung kann weiterhin eine Auswerteschaltung umfassen. Unter einer Auswerteschaltung ist dabei eine elektronische Schaltung zu verstehen, welche eingerichtet ist, um Signale des Sensorelements aufzunehmen und vollständig oder teilweise zu verarbeiten und/oder weiterzuleiten. Alternativ oder zusätzlich kann die Auswerteschaltung weitere Funktionen übernehmen, beispielsweise Ansteuerfunktionen für das Sensorelement. Die Auswerteschaltung kann insbesondere eine oder mehrere Schnittstellen umfassen, über welche Signale der Sensoranordnung weitergeleitet und/oder abgefragt werden können. Auch eine Energieversorgung des Sensorelements kann über die Auswerteschaltung gewährleistet werden. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Auswerteschaltung zumindest teilweise räumlich getrennt von dem Sensorelement angeordnet ist, wobei das Heizelement eingerichtet ist, um zumindest das Sensorelement zu beheizen, vorzugsweise ausschließlich das Sensorelement. So können die Auswerteschaltung und das Sensorelement beispielsweise auf einem Substrat ange- ordnet werden, beispielsweise einem Kunststoff- und/oder Keramiksubstrat und/oder einem Gehäusespritzteil, wobei die Anordnung räumlich getrennt erfolgen kann. Die Verbindung zwischen der Auswerteschaltung und dem Sensorelement kann beispielsweise durch Drähte und/oder Leiterbahnen erfolgen. Das Heizelement kann insbesondere derart eingerichtet sein, dass ausschließlich das Sensorelement beheizt wird, wo- hingegen die Auswerteschaltung beispielsweise von dem Heizelement im wesentlichen unbeeinflusst sein soll. Grundsätzlich kann die Auswerteschaltung jedoch auch von dem Heizelement mit beheizt werden.
Wie oben dargestellt, kann die Schutzabdeckung beispielsweise mindestens ein Gel umfassen oder sogar vollständig aus mindestens einem Gel bestehen. Unter einem
Gel ist dabei eine Form von Materie zu verstehen, welche zum Zwecke eines Aufbrin- gens auf die zu schützende Stelle der Sensoranordnung verformbar ist, um sich beispielsweise einer Oberflächenkontur anzupassen. Das Gel kann insbesondere in einem weichen, verformbaren Zustand verbleiben, kann grundsätzlich auch nach dem Aufbringen ausgehärtet werden. Das Gel kann beispielsweise Medien-dichte oder Medien-abweisende Eigenschaften aufweisen, beispielsweise eine Feuchtedichtigkeit und/oder eine Öldichtigkeit. Besonders bevorzugt ist es, wenn das Gel eine oder mehrere der folgenden Substanzen umfasst: ein Dimethylsiloxangel, ein Fluorsilikongel, ein Perfluorpolyether. Derartige Gele haben sich in der Elektrotechnik zum Schutz von Bauelementen, insbesondere gegenüber korrosiven Umgebungsmedien, als vorteilhaft erwiesen. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Sensoranordnung ist diese Sensoranordnung eingerichtet, um eine Betriebstemperatur zu erfassen und eine Heizleistung des Heizelements zu steuern und/oder zu regeln. Zum Zwecke der Erfassung der Be- triebstemperatur kann beispielsweise die Sensoranordnung einen oder mehreren
Temperaturfühler umfassen. Beispielsweise können einen oder mehrere Temperaturfühler direkt oder indirekt mit dem Sensorelement verbunden sein, beispielsweise einer Sensorfläche des Sensorelements, insbesondere einer Sensormembran. Beispielsweise können derartige Temperaturfühler direkt oder indirekt auf die Membran aufgebracht werden und/oder in diese integriert werden. Beispielsweise können die Temperaturfühler einen oder mehrere Temperaturwiderstände umfassen. Auch andere Arten von Temperaturfühlern sind jedoch grundsätzlich einsetzbar. Die Sensoranordnung kann beispielsweise eine elektronische und/oder programmtechnisch eingerichtete Steuerung und/oder Regelung umfassen, welche, beispielsweise unter Verarbeitung der Sig- nale des mindestens einen Temperaturfühlers, den Betrieb des Heizelements steuert und/oder regelt, beispielsweise um die Betriebstemperatur auf einen bestimmten Wert oder innerhalb eines bestimmten Wertebereichs einzustellen und/oder zu regeln. Derartige Vorrichtungen sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt.
Die Sensoranordnung kann insbesondere eingerichtet sein, um eine Heizleistung des
Heizelements derart zu steuern oder zu regeln, dass die Betriebstemperatur eine vorgegebene Maximaltemperatur, insbesondere eine Maximaltemperatur zwischen 90 0 C und 150 0 C, vorzugsweise eine Maximaltemperatur von 100 0 C, nicht überschreitet. Alternativ oder zusätzlich kann die Sensoranordnung auch eingerichtet sein, um die Be- triebstemperatur um 2 Kelvin bis 15 Kelvin, vorzugsweise um 4 Kelvin bis 6,5 Kelvin, oberhalb der Umgebungstemperatur einzustellen und/oder zu regeln. Insbesondere kann die Betriebstemperatur um mindestens 4 Kelvin oberhalb der Umgebungstemperatur gewählt werden, vorzugsweise um mindestens 4-10 Kelvin oberhalb der Umgebungstemperatur.
Die Schutzabdeckung kann, wie oben dargestellt, das Sensorelement ganz oder teilweise gegenüber dem Medium und/oder anderen Medien, beispielsweise korrosiven Medien, abschirmen. Wie oben dargestellt, kann diese Abschirmung beispielsweise einen Teil des Sensorelements umfassen, welcher beispielsweise eine Sensorfläche um- fasst. So kann beispielsweise die Sensorfläche direkt oder indirekt abgeschirmt werden. Alternativ oder zusätzlich können jedoch auch andere Teile des Sensorelements durch die Schutzabdeckung abgeschirmt werden, beispielsweise ein oder mehrere Anschlusskontakte. In diesem Fall, jedoch auch in anderen Fällen, ist es bevorzugt, wenn die Sensoranordnung mindestens einen Anschlusskontakt umfasst, wobei das Heizelement eingerichtet ist, um den Anschlusskontakt zu heizen. Der Anschlusskontakt kann insbesondere mindestens eine intermetallische Phase umfassen, beispielsweise eine Au-AI-intermetallische Phase umfassen. Derartige intermetallische Phasen können beispielsweise auftreten, wenn ein Bonddraht auf ein Kontaktpad aufgebracht wird, beispielsweise ein Gold-Bond auf ein Aluminium-Kontaktpad. Derartige intermetallische Phasen sind in der Regel besonders anfällig gegenüber Korrosionen, beispielsweise galvanische Korrosionen. Durch Heizung der Anschlusskontakte können derartige Korrosionen zumindest teilweise vermieden werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen
Figuren 1 A und 1 B eine Detaildarstellung eines Anschlusskontakts einer Sensoranordnung; und
Figur 2 ein schematisches Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung in Draufsicht.
Ausführungsbeispiele
In den Figuren 1 A und 1 B ist, zur Verdeutlichung der oben beschriebenen Problematik einer Korrosion von Sensoranordnungen durch Abgase oder andere aggressive Medien, ein Teil einer Sensoranordnung 110 gezeigt. Dabei zeigt Figur 1 A exemplarisch einen Anschlusskontakt 1 12 der Sensoranordnung 1 10, in welchem ein Bonddraht 114 aus Gold auf ein Kontaktpad 1 16 aus Aluminium aufgebracht ist. Das Kontaktpad 116 ist auf einem Festland 118 eines Silizium-Chips 120 aufgebracht und dient zur Kontak- tierung eines in den Figuren 1A und 1 B nicht dargestellten Sensorelements.
Zum Schutz des Anschlusskontakts 1 12 vor Korrosion, insbesondere durch Abgase, ist die in den Figuren 1 A und 1 B dargestellte Anordnung durch eine Schutzabdeckung
122 in Form eines Gels 124 geschützt, welches den Anschlusskontakt 112 vorzugsweise vollständig umgibt. Verschiedene Arten von Gelen 124 sind bekannt und werden in der Praxis verwendet, insbesondere in der Automobiltechnik. So werden beispielsweise Dimethylsiloxangele als reiner Feuchteschutz verwendet. Für höhere Anforde- rungen, insbesondere für eine erhöhte Öl- und Kraftstoffbeständigkeit, werden Fluorsilikongele verwendet, welche insbesondere ein verringertes Quellverhalten aufweisen. Für eine beste Langzeitbeständigkeit und einen hohen Schutz werden schließlich Perfluorpolyether verwendet. Derartige Gele 124 sind dem Fachmann aus der Elektrotechnik grundsätzlich bekannt.
Allerdings hat es sich gezeigt, dass sich in der Praxis in manchen Bereichen, hier insbesondere im Bereich des Übergangs zwischen dem Gold-Bonddraht 1 14 und dem A- luminium-Kontaktpad 116, Hohlräume 126 ausbilden können. In Figur 1 B ist eine vergrößerte Darstellung des in Figur 1 A mit A bezeichneten Bereichs gezeigt, aus der ei- ner dieser Hohlräume 126 in vergrößerter Darstellung hervorgeht. Trotz des hochbeständigen Gels 124 kann es in einzelnen Anwendungsfällen durch Diffusion von Abgas durch das Gel 124 zu einer Ansammlung von Abgaskondensat in den Hohlräumen 126, welche üblicherweise als kleine Kavernen zwischen dem Chip 120, den Bonddrähten 1 14 und dem Gel 124 ausgebildet sind, kommen. Diese Diffusion ist in Figur 1 B durch die Wassermoleküle 128 angedeutet. Alternativ oder zusätzlich zu Wasser- molekülen können auch andere Substanzen diffundieren, beispielsweise ionische Substanzen, Gase, Flüssigkeiten oder Ähnliches.
Eindiffundierte Wassermoleküle 128 und andere schädliche Substanzen, insbesondere eine Ansammlung von Abgaskondensat in den Hohlräumen 126, kann jedoch zu einer Korrosion insbesondere der Anschlusskontakte 1 12 führen. Beispielsweise bildet sich am Übergang zwischen den Bonddrähten 114 und den Kontaktpads 1 16 in vielen Fällen eine intermetallische Phase 130, beispielsweise eine Gold-Aluminiumintermetallische Phase. Insbesondere in diesem Bereich kann das Kondensat, welches in Figur 1 B symbolisch mit der Bezugsziffer 132 bezeichnet ist, zu einer galvanischen Korrosion führen. Die Korrosion ist in Figur 1 B symbolisch mit der Bezugsziffer 134 bezeichnet. Diese Vorgänge können bis hin zu Bondablösungen oder Leiterbahnkorrosion und damit bis hin zum vollständigen Ausfall der Bauelemente führen. Insbesondere bei starker Abgasbeaufschlagung, beispielsweise durch Abgasrückführung oder bei der Messung des Differenzdrucks für Dieselpartikelfilter, reichen somit unter Umständen die gewählten Schutzmaßnahmen zur Vermeidung von Korrosion, beispielsweise durch Schutzgele (Gel 124), durch verwendete stabile Materialien (beispielsweise Gold-Bonddrähte 114) nicht aus, um eine Korrosion vollständig zu verhindern.
Eine Kondensation flüchtiger Abgas-Bestandteile, beispielsweise von Wasserdampf aus dem Abgas, tritt jedoch vorzugsweise an der kältesten Stelle auf dem Weg innerhalb der Sensoranordnung, beispielsweise dem Weg hin zu einem Sensorelement, auf. Eine Grundidee der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einen Sensorchip und/oder ein Sensorelement zumindest teilweise während des Betriebes aufzuheizen, dadurch eine Beheizung des Sensorchips bzw. Sensorelements eine Kondensation von Abgaskondensat im Gel 124 oder in den Hohlräumen 126 an der Chipoberfläche oder an den Bonddrähten wirksam vermeiden kann.
In Figur 2 ist daher eine erfindungsgemäße Sensoranordnung 110 dargestellt, bei welcher ein Sensorelement 136 in Form eines Sensorchips 138 getrennt von einer Auswerteschaltung 140 angeordnet ist. Die Auswerteschaltung 140 kann beispielsweise einen oder mehrere integrierte Schaltkreise (ICs) umfassen. Auch das Sensorelement
136 kann ganz oder teilweise als integrierter Schaltkreis ausgestaltet sein, insbesonde- re, wie oben dargestellt, als Sensorchip 138. Sensorchip 136 und Auswerteschaltung 140 sind in diesem Ausführungsbeispiel auf ein Substrat 142 aufgebracht, beispielsweise ein Keramiksubstrat und/oder ein Kunststoffsubstrat. Das Substrat 142 weist einen Messbereich 144 und einen Auswertebereich 146 auf. Der Messbereich 144 ist teilweise mit dem zu messenden Medium direkt oder indirekt in Kontakt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Sensoranordnung 110 zur Erfassung eines Drucks eines Abgases ausgestaltet. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Messgrößen mit dieser oder anderen Sensoranordnungen 1 10 erfassbar. Der Auswertebereich 146 ist jedoch durch ein Trennelement 148 vom Messbereich 144 getrennt und vorzugsweise nicht mit dem Druck beaufschlagt. Beispielsweise kann das Trennelement 148 eine oder mehrere Kleberaupen oder Klebeflächen umfassen. Auf diese Weise kann beispielsweise die Auswerteschaltung 140 vor aggressiven Abgasen und/oder Feuchtigkeit geschützt werden. Der Auswertebereich 146 kann beispielsweise in einer Schaltungskammer und/oder einem Gehäuse der Sensoranordnung 110 angeordnet wer- den, deren bzw. dessen Innenraum nicht mit dem Abgas beaufschlagt wird und durch das Trennelement 148 geschützt wird. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Auswerteschaltung 140 durch eine Schutzabdeckung 122 in Form eines Gels 124 geschützt sein. Beispielsweise kann ein Kunststoff rahmen 150 auf dem Substrat vorgesehen sein, welcher mit dem Gel 124 ausgefüllt wird.
Das Substrat 142, beispielsweise das Keramiksubstrat, kann durch Substratkontaktierungen 152 mit weiteren Bauelementen verbunden werden, so dass beispielsweise weitere Teile der Auswerteschaltung 140 außerhalb des Substrats 142 angeordnet sein können. So kann die Auswerteschaltung 140 auch mehrere Bauelemente umfassen, welche auf dem Substrat 142 oder außerhalb des Substrats 142 angeordnet sein können, beispielsweise in einem Gehäuse der Sensoranordnung 110, welches in Figur 2 nicht dargestellt ist. Die Auswerteschaltung 140 kann auch ganz oder teilweise auf der gegenüberliegende Seite des Substrats 142 angeordnet sein und/oder ganz oder teilweise in das Substrat 142 integriert werden. Nicht dargestellt in Figur 2 sind zudem Leiterbahnen, welche beispielsweise die Substratkontaktierungen 152 mit der Auswerteschaltung 140 verbinden und/oder die Auswerteschaltung 140 mit dem Sensorelement 136. Auch eine direkte Verbindung zwischen dem Sensorelement 136 und den Substratkontaktierungen 152 ist möglich.
Das Sensorelement 136 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel den Sensorchip
138 auf, welcher beispielsweise ganz oder teilweise als Silizium-Sensorchip ausgestal- tet ist und welcher ein Festland 1 18 und eine, beispielsweise durch ein Ätzverfahren hergestellte, Sensormembran 154 aufweist. Auf und/oder in der Sensormembran 154 können beispielsweise ein oder mehrere Dehnungswiderstände angeordnet sein, welche in Figur 2 nicht dargestellt sind, beispielsweise piezoelektrische Dehnungswider- stände. Das Sensorelement 136 wirkt als Drucksensor 156, indem die als Sensorfläche
158 wirkende Oberfläche der Sensormembran 154 mit einem Druck beaufschlagt wird. Über eine Öffnung im Substrat 142 kann die Sensormembran 154 von einer entgegengesetzten Seite mit einem Referenzdruck beaufschlagt werden, beispielsweise über ein Referenzdruckrohr. Andere Ausgestaltungen sind grundsätzlich möglich. Durch ei- ne Durchbiegung der Sensormembran 154 aufgrund der Druckdifferenz zwischen dem
Messdruck, welcher von der Sensorfläche 158 her auf die Sensormembran 154 einwirkt, und dem Referenzdruck, welcher von der Unterseite her auf die Sensormembran 154 einwirkt, biegt sich diese Sensormembran 154, was wiederum durch die Dehnungswiderstände erfasst werden kann und beispielsweise mittels einer Widerstands- brückenschaltung ausgewertet werden kann. Alternativ zu der in Figur 2 gezeigten
Darstellung mit lediglich einem Sensorelement 136 sind auch Sensoranordnungen 110 mit einer Mehrzahl von Sensorelementen 136 möglich, welche dieselbe Eigenschaft eines Mediums und/oder unterschiedliche Eigenschaften eines Mediums erfassen können.
Wiederum ist auch das Sensorelement 136 in Figur 2 durch eine Schutzabdeckung 122 in Form eines Gels 124 geschützt. Wiederum kann beispielsweise ein Kunststoffrahmen 150 vorgesehen sein, welcher eine Ausbreitung des Gels 124 in unerwünschte Bereiche auf dem Substrat 142 verhindern kann.
Bei Drucksensoren 156, in welchen die Auswerteschaltung 140 und der Sensorchip 138 integriert in einem Bauelement vorgesehen ist, kann bereits eine Verlustleistung der Auswerteschaltung 140 zu einer Erwärmung der Sensoranordnung 1 10 um 4 bis circa 6,5 Kelvin wirken. Bei zukünftigen Sensorgenerationen wie beispielsweise der in Figur 2 dargestellten Sensoranordnung 1 10, bei welchen der Sensorchip 138 und die
Auswerteschaltung 140 getrennt voneinander angeordnet sind, um beispielsweise auch digitale Signale bereitstellen zu können, ist jedoch eine geringere Erwärmung des Sensorchips 138 zu verzeichnen. Um dennoch die oben beschriebene Wirkung der Aufheizung des Sensorelements 136 und damit eine Vermeidung von Kondensation zu bewirken, insbesondere bei Sensoranordnungen 110, bei welchen lediglich ein Bruchteil der Stromaufnahme in Wärme umgewandelt wird, und bei welchen somit per se das Risiko von Bondablösungen oder Korrosion erhöht ist, wird erfindungsgemäß daher vorgeschlagen ein oder mehrere Heizelemente 160 in die Sensoranordnung 110 zu integrieren.
Diese Heizelemente 160 können beispielsweise zusätzliche Heizwiderstände umfassen, welche beispielsweise auf dem Festland 1 18 angeordnet sein können, beispielsweise um die Sensormembran 154 herum. Alternativ oder zusätzlich ist jedoch auch eine Anordnung auf der Sensormembran 154 und/oder auf einem Chip-Träger, beispielsweise dem Substrat 142, insbesondere einem Keramiksubstrat, möglich, und/oder eine Anordnung auf dem Gelrähmchen 150 und/oder einem Gehäusespritzteil. Wiederum alternativ oder zusätzlich kann auch eine Brückenschaltung, beispielsweise eine Widerstandsbrückenschaltung, welche Teil des Sensorelements 136 ist, selbst als Heizelement 160 und/oder als Teil dieses Heizelements 160 eingesetzt werden. Die Sensoranordnung kann beispielsweise eingerichtet sein, um, insbesondere gesteuert/geregelt, eine Betriebstemperatur des Sensorelements 136 derart einzustellen, dass diese um beispielsweise 4 bis 10 Kelvin gegenüber der Umgebungstemperatur erhöht ist. Um mit der Betriebstemperatur die maximale Spezifikation des Sensorchips 138 nicht zu überschreiten, kann die Heizleistung auch oberhalb von 100 0 C oder einer anderen Maximaltemperatur abgeschaltet werden und/oder die Heizleistung kann generell geregelt werden.