Organische Leiterplatte, Getriebe mit einer organischen Leiterplatte und Herstellungsverfahren zum Herstellen einer organischen Leiterplatte

Vorgeschlagen wird eine organische Leiterplatte mit einem mehrere Lagen umfassenden organischen Substrat und einem Drucksensor, ein Getriebe mit einer organischen Leiterplatte sowie ein Herstellungsverfahren zum Herstellen einer organischen Leiterplatte.

Unter anderem im Bereich der Fahrzeugtechnik kommen vermehrt Sensoren zum Einsatz. Beispielsweise bilden diese Sensoren eine Grundlage für die Funktion unterschiedlichster Systeme. Für den Betrieb eines Getriebes ist zum Beispiel die Kenntnis eines aktuellen Druckwerts des Getriebeöls innerhalb des Getriebegehäuses wichtig. Hierfür kommen unterschiedliche Sensor-Konzepte zum Einsatz.

Bei auf dem Piezo-Effekt beruhenden Drucksensoren wird beispielsweise ein durch eine Verformung eines piezo-elektrischen Elements hervorgerufenes elektrisches Signal als Maß für den auf das Piezo-Element wirkenden Druck herangezogen. Weiter kommen auch kapazitive Drucksensoren zum Einsatz, bei denen beispielsweise ein keramisches Substrat mit einer aus einem Metall gebildeten Elektrodenschicht versehen ist und in Gegenüberstellung zu dieser eine meist ebenfalls keramische Membran angeordnet ist, die auch mit einer Elektrodenschicht versehen ist. Bei einer Auslenkung der Membran ändert sich mithin eine Kapazität eines durch die beiden Elektrodenschichten gebildeten Plattenkondensators. Als weitere Option können auch Sensoren mit sogenannten Dehnungsmessstreifen zum Einsatz kommen. Bei diesen sind der oder die Dehnungsmessstreifen ebenfalls auf einer Membran angeordnet, deren druckbedingte Deformation mittels der Dehnungsmessstreifen erfasst und in Kenntnis der mechanischen Eigenschaften der Membran in den anliegenden Druck umgerechnet werden kann. Schließlich werden auch Sensoren mit elektroaktiven Polymeren eingesetzt, wobei die elektroaktiven Polymere durch ein Gehäuse von der Getriebeöl-Umgebung mit ihren teilweise aggressiven Umwelteigenschaften geschützt werden müssen.

Aufgrund seines Gehäuses ist der Platzbedarf der genannten Sensoren vorgegeben und kann somit nicht anwenderspezifisch modifiziert werden. Außerdem sind die meisten der genannten Sensoren bzw. ihre Gehäuse starr und somit unflexibel. An sich flexible organische Leiterplatten mit einem oder mehreren der genannten Sensoren verlieren daher zumindest teilweise ihre Flexibilität und gewinnen durch den Platzbedarf der Sensoren an Größe.

Die Aufgabe ist es daher, eine organische Leiterplatte mit einem Drucksensor vorzuschlagen, die im Vergleich zu einer organischen Leiterplatte mit aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren verbessert ist und insbesondere mehr Flexibilität und/oder eine kleinere Baugröße aufweist. Des Weiteren ist es die Aufgabe, ein Getriebe mit einer derartigen organischen Leiterplatte sowie ein Herstellungsverfahren zum Herstellen einer derartigen organischen Leiterplatte vorzuschlagen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Organische Leiterplatte mit einem Drucksensor gemäß Patentanspruch 1 , ein Getriebe mit einer organischen Leiterplatte gemäß Patentanspruch 12 und ein Herstellungsverfahren zum Herstellen einer organischen Leiterplatte gemäß Patentanspruch 14. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der folgenden Beschreibung sowie der Figuren.

Vorgeschlagen wird eine organische Leiterplatte mit einem mehrere Lagen umfassenden organischen Substrat und zumindest einem in die Zwischenlagen des organischen Substrats eingebetteten polymeren Drucksensor zur Messung des Drucks eines Fluids. Dabei umfasst der Drucksensor eine Polymerfolie und zwei Elektrodenschichten, wobei die Elektrodenschichten an den gegenüberliegenden Außenflächen der Polymerfolie angeordnet sind. Die beiden Elektrodenschichten mit der dazwischenliegenden Polymerfolie bilden einen Kondensator. Bei Anlegen eines äußeren Drucks auf den Drucksensor verformt sich die Polymerfolie und damit ändert sich die Kapazität des Kondensators. Über eine Messung der Kapazität des Kondensators beziehungsweise mit der Kapazität des Kondensators zusammenhängenden elektrischen Eigenschaften des Kondensators kann der äußere Druck bestimmt werden. Damit eine solche Messung durchgeführt werden kann ist der Drucksensor mittels Elektroden an elektrisch leitende Innenlagen des organischen Substrats angebunden. Schließlich schließt eine Trennmembran den Drucksensor von dem die organische Leiterplatte umgebenden Fluidraum mediendicht ab. So wird gewährleistet, dass der Drucksensor nicht mit den teilweise aggressiven Fluiden in Kontakt kommt, die sich im Fluidraum befinden. Dadurch, dass ein polymerer Drucksensor in die organische Leiterplatte eingebettet ist, ist auch die Flexibilität der organischen Leiterplatte gegeben. Durch das Einbetten des polymeren Drucksensors in die organische Leiterplatte kann zudem auf ein Gehäuse für den Drucksensor verzichtet werden, so dass auch hier keine Flexibilität verloren geht. Zudem ist mit einem solchen eingebetteten Drucksensor eine besonders platzsparende Bauweise möglich.

Vorteilhafterweise ist die Polymerfolie aus Silikon gebildet. Silikon ist dabei ein flexibles Material und hält starken Beanspruchungen Stand.

Es ist von Vorteil, wenn die Elektrodenschichten aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere Ruß oder Graphitpaste, gebildet sind. Dieses elektrisch leitfähige Material ist auf beiden Außenflächen der Polymerfolie angeordnet. Zudem sind Ruß oder Graphitpaste sehr flexibel, beeinträchtigen damit nicht die Flexibilität des Drucksensors und halten auch häufigen Verformungen Stand. Alternativ oder zusätzlich zum elektrisch leitfähigen Material können die Elektrodenschichten aus einem mit leitfähigen Partikeln gefülltem Polymer gebildet sein. Als leitfähigen Partikel kommen dabei insbesondere Graphen oder Kohlenstoffnanoröhren in Betracht. Auch in diesem Fall ist die Flexibilität gewährleistet. Besonders vorzugsweise ist das Polymer, das mit den leitfähigen Partikeln gefüllt ist, das gleiche Material wie die Polymerfolie. Dann sind die Eigenschaften hinsichtlich Flexibilität und Temperaturausdehnung von den Elektrodenschichten und der Polymerfolie gleich, wodurch das Auftreten von Spannungen zwischen den Elektrodenschichten und der Polymerfolie unterdrückt wird.

Vorteilhaft ist es, wenn die Trennmembran aus Metall gebildet ist. Geeignetes Metall kann dabei den im Fluidraum befindlichen aggressiven Fluiden Stand halten. Eine dünne Trennmembran aus Metall besitzt zudem auch die bevorzugte Flexibilität und kann den Druck des Fluids wohldefiniert an den Drucksensor weiterleiten. Dadurch, dass die Trennmembran von einem angelegten Druck selbst unter Spannung gesetzt wird, ist der an den Drucksensor weitergeleitete Druck in der Regel kleiner als der Druck, den das Fluid auf die Trennmembran ausübt.

Vorteilhafterweise weist die Trennmembran eine dreidimensionale Struktur auf, wobei die dreidimensionale Struktur insbesondere Sicken im Randbereich der Trennmembran umfasst. Durch die dreidimensionale Struktur wird die Weitergabe des von dem Fluid ausgeübten Drucks an den Drucksensor weiter beeinflusst. Sind im Randbereich der Trennmembran Sicken angeordnet, dann tritt eine Verformung der Trennmembran bevorzugt in diesem Bereich auf und der innere Bereich der Trennmembran, der den Druck an den Drucksensor weitergibt, bewegt sich planparallel, was eine noch besser definierte Weitergabe des Drucks bedingt.

Es ist von Vorteil, wenn die Elektroden als Mikro-Vias, durch Sintern, Löten und/oder mittels Leitkleber ausgebildet sind. Ein Via ist dabei eine Durchkontaktierung (Vertical Interconnect Access). Die genaue Ausgestaltung der Elektroden hängt dabei unter anderem von den leitenden Schichten der organischen Leiterplatte und von der Ausgestaltung der Elektrodenschichten des Drucksensors ab.

Vorteilhaft ist es, wenn die organische Leiterplatte einen Rahmen, insbesondere aus Epoxy, umfasst, zum Fixieren und/oder Vorspannen des Drucksensors. Mittels des Rahmens wird der Drucksensor also in den Zwischenlagen des organischen Substrats fixiert, so dass sich der Drucksensor an einer vorgegebenen Position in der organischen Leiterplatte befindet. Ein Vorspannen des Drucksensors verbessert zudem die Reaktion des Drucksensors auf sich ändernde Drücke, so dass eine noch genauere Messung der Drücke ermöglicht wird.

Vorteilhafterweise umfasst die organische Leiterplatte einen Druckkanal, der den Fluidraum fluidisch mit der Trennmembran verbindet. Über diesen Druckkanal gelangt Fluid zur Trennmembran, so dass der Druck des Fluids an der Trennmembran anliegt.

Es ist von Vorteil, wenn die organische Leiterplatte einen Druckvermittler zur Übertragung des Drucks von der Trennmembran auf den Drucksensor umfasst. Der an der Trennmembran anliegende Druck des Fluids wird über diesen Druckvermittler auf den Drucksensor übertragen. Ein möglicher Druckvermittler ist dabei ein Bolzen, wobei die Länge und der Querschnitt des Bolzens nach Bedarf angepasst werden können. Ein weiterer möglicher Druckvermittler ist ein, vorzugsweise weitgehend inkompressibles, Vermittlungsfluid, das den Druck von der Trennmembran gleichmäßig an den Drucksensor weitergibt.

Vorteilhaft ist es, wenn auf der organischen Leiterplatte eine mit dem Drucksensor verbundene Auswerteeinheit zum Auswerten der elektrischen Eigenschaften des Drucksensors integriert ist. Diese elektrischen Eigenschaften können direkt die Kapazität des Drucksensors aber auch von der Kapazität des Drucksensors abhängige elektrische Eigenschaften sein. Da die Kapazität oder die von der Kapazität abhängigen elektrischen Eigenschaften des Drucksensors mit dem am Drucksensor anliegenden Druck korreliert sind, dient die Auswerteeinheit dem Bestimmen des auf den Drucksensor wirkenden Drucks. Eine Integration der Auswerteeinheit auf der organischen Leiterplatte bedingt zudem eine kleinere und kompaktere Bauform.

Vorteilhafterweise ist die Auswerteeinheit dazu ausgebildet, aus den elektrischen Eigenschaften des Drucksensors den im Fluidraum herrschenden Fluiddruck zu bestimmen. Dies erfolgt auf Grund der ausgewerteten elektrischen Eigenschaften des Drucksensors, insbesondere mittels einer Kennlinie. Die Kennlinie ist dabei eine Zuordnung der elektrischen Eigenschaft des Drucksensors, beispielsweise der Kapazität des Drucksensors, zu dem im Fluidraum herrschenden Fluiddruck. In dieser Kennlinie sind die mechanischen Daten und Wirkungen der Trennmembran und des Druckvermittlers sowie die Verformung des Drucksensors auf Grund des Drucks und die Abhängigkeit der Kapazität des Drucksensors auf Grund dieser Verformung schon enthalten, es müssen also keine komplizierten Berechnungen durchgeführt werden.

Des Weiteren wird ein Getriebe mit einer organischen Leiterplatte nach der vorangegangenen Beschreibung vorgeschlagen. Die organische Leiterplatte ist dabei zum Messen von zumindest einem in einem Getriebeinnenraum herrschenden Fluiddruck ausgebildet. Die organische Leiterplatte bietet darüber hinaus Flexibilität sowie eine geringe Baugröße. Die organische Leiterplatte kann daher an vielen Stellen im Getriebe eingesetzt werden und es ist möglich, die Baugröße, und damit auch das Gewicht, des Getriebes zu verringern.

Es ist von Vorteil, wenn auf der organischen Leiterplatte eine Getriebesteuereinheit zum Steuern von zumindest einer Getriebefunktion integriert ist. Diese Getriebefunktion ist dabei vorzugsweise von einem mittels des Drucksensors gemessenen im Getrieberaum herrschenden Fluiddrucks abhängig. Der Fluiddruck wird dabei von dem Drucksensor gemessen und von der Auswerteeinheit ausgewertet. Das Ergebnis dieser Auswertung wird direkt an die Getriebesteuereinheit weitergeleitet, so dass diese gesamte Elektronik in einer organischen Leiterplatte integriert ist. Neben einer geringen Baugröße ist hierbei auch von Vorteil, dass die Anzahl der externen elektrischen Kontakte, die vom teilweise aggressiven Fluid abgeschirmt sein müssen, verringert ist.

Ferner wird ein Herstellungsverfahren zum Herstellen einer organischen Leiterplatte nach der vorangegangenen Beschreibung vorgeschlagen. Dabei wird der Drucksensor beim Aufbau des organischen Substrats als funktionale Einheit in die Zwischenlagen des organischen Substrats eingebettet. Insbesondere wird zunächst zumindest eine Lage des organischen Substrats aufgebaut. Auf diese zumindest eine Lage wird der Drucksensor, vorzugweise in einem Rahmen, aufgesetzt. Um den Drucksensor herum werden sodann eine oder mehrere den Drucksensor umschließende Zwischenlagen aufgebaut. Schließlich wird zumindest eine weitere Lage aufgebaut, die den Drucksensor nach oben hin abschließt.

Vorteilhaft ist es, wenn die aufgebaute organische Leiterplatte vorgegebenen Fluiddrücken ausgesetzt wird und die elektrischen Eigenschaften des Drucksensors bei diesen vorgegebenen Fluiddrücken zur Erzeugung einer Kennlinie verwendet werden. Die fertig aufgebaute organische Leiterplatte wird also mit den vorgegebenen Fluiddrücken kalibriert. Dabei ist es möglich, für jede organische Leiterplatte eine eigene Kennlinie zu erzeugen, oder eine für eine bestimmte organische Leiterplatte ermittelte Kennlinie für die weiteren identisch aufgebauten organischen Leiterplatten zu verwenden. Mittels der Kennlinie wird dann im Betrieb der organischen Leiterplatte aus den elektrischen Eigenschaften des Drucksensors der herrschende Fluiddruck berechnet.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele einer organischen Leiterplatte mit einem Drucksensor anhand einer Zeichnung näher dargestellt. Darin zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer organischen Leiterplatte mit einem eingebetteten Drucksensor und

Fig. 2 einen Längsschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer organischen Leiterplatte mit einem eingebetteten Drucksensor.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer organischen Leiterplatte 1 mit einem eingebetteten Drucksensor 2. Die organische Leiterplatte 1 umfasst dabei eine Mehrzahl an Lagen 3. In eine der Zwischenlagen 4 des organischen Substrats ist der Drucksensor 2 eingebettet. Dabei ist es auch denkbar, dass sich der Drucksensor 2 über mehrere Zwischenlagen 4 erstreckt. Der Drucksensor 2 weist dabei eine Polymerfolie 5 auf, die bevorzugt aus Silikon besteht. Auf den beiden gegenüberliegenden Außenflächen der Polymerfolie 5 sind dabei zwei Elektrodenschichten 6 angeordnet. Die Elektrodenschichten 6 können dabei beispielsweise aus einem leitfähigen Material, wie zum Beispiel Ruß oder Graphitpaste, bestehen, können aber auch aus einem mit leitfähigen Partikeln gefülltem Polymer gebildet sein. Als leitfähige Partikel kommen dabei beispielsweise Graphen oder Kohlenstoffnanoröhrchen in Betracht. Besonders bevorzugt ist das Polymer der Elektrodenschicht 6 das gleiche Material wie die Polymerfolie 5, so dass sich Effekte durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten auf ein Minimum reduzieren.

Die Elektrodenschichten 6 sind mittels Elektroden 7 an elektrisch leitende Innenlagen 8 des organischen Substrats angebunden. Die Elektroden 7 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Mikro-Vias ausgebildet, können aber auch durch Sintern, Löten und/oder mittels Leitkleber gebildet werden. Über die Elektroden 7 werden elektrische Eigenschaften des Drucksensors 2, insbesondere die Kapazität des durch die beiden Elektrodenschichten 6 und die Polymerfolie 5 gebildeten Kondensators oder von dieser Kapazität abhängige elektrische Eigenschaften bestimmt. Da bei Ausübung eines Drucks auf den Drucksensor 2 eine Verformung der Polymerfolie 5 auftritt, die eine Änderung der Kapazität des Drucksensors 2 zur Folge hat, lässt sich über die gemessenen elektrischen Eigenschaften des Drucksensors 2 der auf den Drucksensor wirkende Druck bestimmen.

Vorzugsweise wird zur Bestimmung des Drucks eine Kennlinie aufgenommen, die den außen herrschenden Druck mit der gemessenen elektrischen Eigenschaft des Drucksensors 2 in Zusammenhang bringt. Anhand dieser Kennlinie kann dann im Betrieb der organischen Leiterplatte 1 mit dem Drucksensor 2, ohne größere Berechnungen, von den gemessenen elektrischen Eigenschaften des Drucksensors 2 auf den außen anliegenden Druck geschlossen werden.

In der Figur nicht gezeigt ist eine optionale, aber bevorzugte Auswerteeinheit, die die elektrischen Eigenschaften des Drucksensors 2 auswertet und über die Kennlinie den außen anliegenden Druck bestimmt.

Der Drucksensor 2 selbst ist in einem Rahmen 9, vorzugsweise aus Epoxy, fixiert und vorgespannt. Durch das Fixieren befindet sich der Drucksensor 2 stets an einer vorbestimmten Position. Das Vorspannen des Drucksensors 2 verbessert dabei die Genauigkeit der Bestimmung des außen anliegenden Drucks.

Über eine Trennmembran 10 ist der Drucksensor 2 von dem die organische Leiterplatte 1 umgebenden Fluidraum 11 mediendicht abgeschlossen. Die Trennmembran 10 ist dabei vorzugsweise aus Metall gebildet. Sie umfasst in ihrem Randbereich Sicken 12, die ihr eine dreidimensionale Struktur verleihen. Hierdurch wird die Verformung der Trennmembran 10 beim Einwirken eines Drucks an die Randbereiche der Trennmembran 10 verlagert. Im zentralen Bereich der Trennmembran 10 erfolgt bei einwirkendem Druck eine vorwiegend planparallele Verschiebung.

Der Druck des die organische Leiterplatte 1 umgebenden Fluidraums 11 wird dabei über einen Druckkanal 13 an die Trennmembran 10 geleitet. Die Trennmembran 10 leitet diesen Druck dann mittels eines Druckvermittlers 14, der hier als Bolzen ausgebildet ist, an den Drucksensor 2 weiter. Der Bolzen kann dabei in seiner Länge und seinem Querschnitt an die benötigten Bedingungen angepasst werden.

Figur 2 zeigt einen Längsschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer organischen Leiterplatte 1 mit einem eingebetteten Drucksensor 2. Im Vergleich zum Ausführungsbeispiel der Figur 1 weist die Trennmembran 10 dieses Ausführungsbeispiels keine Sicken 12 auf.

Des Weiteren ist der Druckvermittler 14 nicht als Bolzen, sondern als vorzugsweise inkompressibles Vermittlungsfluid ausgestaltet. Hierdurch wird der Druck von der Trennmembran 10 besonders gleichmäßig auf den Drucksensor 2 übertragen.

Eine mögliche Anwendung einer organischen Leiterplatte 1 mit einem eingebetteten Drucksensor 2 ist in einem hier nicht dargestellten Getriebe. Der Drucksensor 2 misst dann den in einem Getriebeinnenraum herrschenden Fluiddruck. Vorteilhafterweise ist auf der organischen Leiterplatte noch eine Getriebesteuereinheit integriert, die in Abhängigkeit vom gemessenen Fluiddruck eine oder mehrere Funktionen des Getriebes steuert.

Der vorgeschlagene Gegenstand ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können weitere Ausführungsformen von dem Fachmann aus der vorstehenden Beschreibung und im Rahmen der Patentansprüche abgeleitet werden. Insbesondere können die anhand der verschiedenen Ausführungsbeispiele beschriebenen Einzelmerkmale auch in anderer Weise miteinander kombiniert werden.

Bezugszeichenliste

1 organische Leiterplatte

2 Drucksensor 3 Lage

4 Zwischenlage

5 Polymerfolie

6 Elektrodenschicht

7 Elektrode 8 elektrisch leitende Innenlage

9 Rahmen

10 Trennmembran

11 Fluidraum

12 Sicke 13 Druckkanal

14 Druckvermittler