ДАТЧИК С ЕГО КОРПУСОМ
SENSOR WITH ITS HOUSING

Уровень техники
Из DE 10223357 A1 известно устройство измерения давления. Такое устройство измерения давления имеет корпус, в котором расположена подложка или держатель с чувствительным элементом и электрическими контактными выводами. Корпус имеет первую полость, внутри которой заключен чувствительный элемент и которая сообщается с первым каналом подвода давления, образованным первым присоединением для подвода давления, а также вторую полость, которая герметично отделена от первой полости и внутри которой заключены по меньшей мере указанные электрические контактные выводы. Корпус имеет далее третью полость, которая герметично отделена от первой полости и второй полости и сообщается со вторым каналом подвода давления, образованным вторым присоединением для подвода давления.
В настоящее время при разработке датчиков давления стремятся использовать принцип конструирования, сокращенно называемый "CiH" (от англ. "chip-in-Housing", "чип в корпусе"). В соответствии с этим принципом конструирования интегральные схемы (чипы) датчиков непосредственно вклеивают в их корпус из пластмассы. При использовании двух чипов, одним из которых является, например, чувствительный элемент, а другим - отдельный от него электронный компонент в виде микросхемы, такой как специализированная интегральная схема (СИС), существует необходимость в создании многих электрических соединений между чувствительным элементом и электронным компонентом, таким, например, как вышеуказанная СИС. С целью уменьшить, а в идеальном случае полностью исключить нагрузку на электронный компонент со стороны анализируемой среды, подобный принцип конструирования предусматривает размещение электронного компонента и чувствительного элемента в отдельных полостях или камерах. Обе полости должны быть при этом герметично отделены одна от другой во избежание проникновения отработавших газов (ОГ), влаги и других сред из одной из них в другую. В соответствии с современными решениями используют отливаемую под давлением (инжектируемую) в корпус датчика давления выводную рамку, к которой с обеих сторон приклеивают, прежде всего присоединяют микросваркой, схемные элементы. Подобная технология предполагает герметичную заделку выводной рамки в отливаемый под давлением полимерный материал во избежание проникновения, например, влаги. Однако необходимая герметичность закладных деталей для их защиты от взаимодействия с анализируемой средой обычно не достигается. Помимо этого в процессе микросварки возможно воздействие на золотые или позолоченные поверхности выводной рамки, что способствует возникновению коррозионных явлений. В соответствии с современными решениями в качестве дополнительной защитной меры полость, в которой расположен чувствительный элемент, заполняют гелем.
У серийно выпускаемых в настоящее время датчиков, прежде всего датчиков давления, используемых для анализа сред низкого давления, электронный компонент в виде СИС и чувствительный элемент расположены также в пределах одной и той же части корпуса, соответственно в одной и той же полости. Помимо этого чувствительный элемент и электронный компонент, т.е. СИС, принято выполнять на одном и том же кремниевом кристалле. Важное требование, предъявляемое к датчикам нового поколения, прежде всего к датчикам давления нового поколения, состоит в том, что они должны обладать существенно более высокой стойкостью к ОГ, чем датчики предыдущих поколений. При этом было установлено, что легче обеспечить стойкость чувствительного элемента к ОГ, чем электронного компонента, например, СИС. Этим фактором, наряду с необходимым умением соответствовать меняющимся требованиям касательно гибкости компоновки заказных чувствительных элементов с СИС также разнообразного исполнения, обусловлена причина, по которой электронный компонент, прежде всего СИС, и чувствительный элемент следует отделять друг от друга.
В соответствии с этим чувствительный элемент располагают в полости, подверженной воздействию анализируемой среды, прежде всего ОГ, тогда как электронный компонент, т.е. СИС, размещают в другой, отдельной полости, которая не должна подвергаться воздействию анализируемой среды.
В датчиках низкого давления используют два кремниевых кристалла. Один из этих кристаллов служит чувствительным элементом, а другой - электронным компонентом, например, СИС.
Важное требование, предъявляемое к таким вновь разрабатываемым датчикам давления, состоит в том, что они должны обладать существенно более высокой стойкостью к ОГ, чем датчики давления предыдущих поколений. Обычно легче обеспечить стойкость чувствительного элемента к ОГ, чем электронного компонента, например, СИС. Этим фактором, наряду с необходимым умением соответствовать меняющимся требованиям, учитывающим выполнение заказных чувствительных элементов с СИС также разнообразного исполнения, обусловлена причина, по которой чувствительный элемент и электронный компонент, например СИС, следует отделять друг от друга.
Краткое изложение сущности изобретения
В соответствии с предлагаемым в изобретении решением на монтажной плате корпуса датчика, каковой корпус изготавливают прежде всего из пластмассы, размещают электронный компонент, прежде всего СИС, и чувствительный элемент. В предпочтительном варианте электронный компонент, а также чувствительный элемент наклеивают на верхнюю, обращенную к анализируемой среде плоскую сторону монтажной платы. Примерно по середине между чувствительным элементом и расположенным с отступом от него электронным компонентом, например СИС, формируют электрическое соединение, например токопроводящую дорожку. Такое электрическое соединение, служащее токопроводящей дорожкой, в предпочтительном варианте выполняется по MID-технологии (от англ. "Molded Interconnect Devices", "технология изготовления рельефных печатных плат") и может быть выполнено, например, в виде металлизации, имеющей слой золота, нанесенный на основной слой, например на подслой никеля. Выполняемые по MID-технологии металлизации в предпочтительном варианте размещены в углублениях на плоской поверхности монтажной платы корпуса датчика. У изготовленных по MID-технологии печатных плат проводящие рисунки нанесены в виде структурированного металлического слоя на отлитые под давлением трехмерные подложки или основания печатных плат. При изготовлении печатных плат по MID-технологии механические и электрические функции объединены в одной детали, которая сочетает в себе также функции корпуса и подложки или основания печатной платы и в которую интегрированы механические соединительные и фиксирующие элементы и защелкивающиеся фиксаторы. Благодаря этому удается существенно снизить материалоемкость, а также значительно сократить количество отдельных деталей. Помимо этого удается существенно сократить затраты на монтаж различных компонентов и укоротить цепочку взаимосвязанных технологических процессов.
Отдельные углубления под отдельные полосовидные металлизации отделены друг от друга перегородками из полимерного материала монтажной платы. Металлизации в углублениях на плоской поверхности монтажной платы можно также выполнять путем горячего тиснения, путем ультразвуковой металлизации или путем заключения в отлитый под давлением полимерный материал.
Служащие токопроводящей дорожкой металлизации предпочтительно располагать в углублениях на плоской поверхности монтажной платы таким образом, чтобы ширина углублений превышала ширину полосок, форму которых имеют выполняемые по MID-технологии металлизации.
Чувствительный элемент и служащую токопроводящей дорожкой металлизацию соединяют между собой гибким металлическим проводником, присоединяемым к ним микросваркой. При этом одна контактная площадка находится на чувствительном элементе, а другая - на конце служащей токопроводящей дорожкой металлизации. Соответственно, на другом конце служащей токопроводящей дорожкой металлизации имеется контактная площадка, от которой проходит еще один гибкий металлический проводник, ведущий к электронному компоненту, например СИС. Между обеими контактными площадками, расположенными на обоих противоположных концах служащей токопроводящей дорожкой металлизации, имеется достаточное расстояние, и поэтому в данном месте можно технологически надежно помещать клеящий материал, предпочтительно в виде клеевого валика, который не соприкасается с контактными площадками, расположенными на концах служащих токопроводящей дорожкой металлизаций. Такой клеящий материал в виде клеевого валика можно помещать в указанное место до или после выполнения микросварных соединений между концами служащих токопроводящими дорожками металлизаций и гибкими металлическими проводниками, идущими к электронному компоненту или чувствительному элементу.
Клеящий материал, который в предпочтительном варианте нанесен в виде валика на служащую токопроводящей дорожкой металлизацию, размещен между обеими контактными площадками таким образом, что надежно исключается соприкосновение клеящего материала с ними. Благодаря этому контактные площадки не подвергаются механической нагрузке, вследствие чего обеспечивается исключительно надежное электрическое соединение.
Предлагаемое в изобретении решение учитывает то обстоятельство, что при ухудшении сцепления между служащей токопроводящей дорожкой металлизацией и изготовленной из полимерного материала монтажной платой между ними может проникать анализируемая среда, из-за чего более не будет обеспечиваться герметичное отделение друг от друга чувствительного элемента, с одной стороны, и электронного компонента, например СИС, с другой стороны. Учитывая подобное обстоятельство, служащую токопроводящей дорожкой металлизацию размещают в углублениях монтажной платы на несколько приподнятых относительно уровня их дна возвышениях, благодаря чему нанесенный прежде всего в виде клеевого валика клеящий материал между концами служащих токопроводящей дорожкой металлизаций закрывает их также сбоку, образуя боковое уплотнение между металлизациями, каждая из которых служит токопроводящей дорожкой, и материалом монтажной платы. Для дополнительной защиты контактных площадок на концах служащих токопроводящей дорожкой металлизаций, а также самих гибких металлических проводников на обращенную к анализируемой среде сторону изготовленной предпочтительно из полимерного материала монтажной платы можно нанести гель, покрывающий отдельные гибкие металлические проводники и контактные площадки.
Клеящий материал, нанесенный на служащие токопроводящей дорожкой металлизации предпочтительно в виде клеевого валика, не проницаем для анализируемой среды и помимо этого уплотняет относительно друг друга монтажную плату и крышку при их сборке друг с другом, исключая тем самым всякую возможность перетекания анализируемой среды из полости, которая образуется при сборке между собой крышки и монтажной платы и в которой расположен чувствительный элемент, в полость, в которой расположен электронный компонент, например СИС. При этом клеящий материал клеевого валика благодаря своей эластичности обеспечивает особо эффективную компенсацию погрешностей, обусловленных производственными допусками на размеры и сборку корпуса датчика.
В предпочтительном варианте с нижней стороны помещаемой на монтажную плату крышки предусмотрено уплотнительное (поперечное) ребро, которое утоплено в массу клеящего материала, нанесенного предпочтительно в виде клеевого валика, и которое в конечном итоге создает непроницаемое для анализируемой среды уплотнение между полостью, в которой расположен чувствительный элемент, и полостью, в которой расположен электронный компонент (СИС). При монтаже крышки расположенное с ее нижней стороны уплотнительное ребро вдавливается в еще мягкий и пластичный материал клеевого валика, деформируя его и вытесняя его прежде всего в свободные пространства (промежутки) между служащими токопроводящей дорожкой металлизациями и перегородками из материала монтажной платы с образованием в результате непроницаемого для анализируемой среды уплотнения. Уплотнительное ребро с нижней стороны крышки предпочтительно выполнять таких размеров, чтобы оно проникало в клеевой валик на глубину, при которой происходит значительная деформация материала клея клеевого валика и обеспечивается возможность надежного уплотнения относительно друг друга обеих полостей внутри корпуса датчика.
Благодаря предлагаемому в изобретении решению удается создать особо простое и короткое электрическое соединение между чувствительным элементом и электронным компонентом, таким, например, как СИС. Простое и короткое электрическое соединение обладает преимуществами касательно электромагнитной совместимости, потребного монтажного пространства, а также издержек. Помимо этого предлагаемое в изобретении решение позволяет благодаря созданию непроницаемых для анализируемой среды соединений между электронными компонентами и чувствительным элементом обеспечить высокую стойкость образованного из них датчика к ОГ. Еще одно преимущество состоит в механически надежном конструктивном исполнении благодаря наличию по меньшей мере двух микросварных соединений, ведущих к металлизации, представляющей собой токопроводящую дорожку. Герметизация клеевым валиком осуществляется прежде всего вне участков, где расположены контактные площадки, которые, поэтому, не подвергаются механической нагрузке.
Краткое описание чертежей
Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - клеевой валик, который перекрывает служащие токопроводящей дорожкой металлизации между контактными площадками,
на фиг.2 - частично покрывающий металлизацию гель,
на фиг.3 - вид в поперечном сечении монтажной платы с углублениями, которые предназначены для размещения в них служащих токопроводящей дорожкой металлизаций и каждое из которых отделено при этом от другого перегородками из материала монтажной платы,
на фиг.4 - увеличенный вид металлизации,
на фиг.5 - вид монтажной платы в сборе, и
на фиг.6 - окончательно собранный корпус датчика с помещенной на монтажную плату крышкой, закрывающей гель и клеевой валик.
Описание вариантов осуществления изобретения
На фиг.1 показана монтажная плата корпуса датчика, в каковом корпусе расположены чувствительный элемент, а также электронный компонент, например, СИС.
Под показанным на чертеже лишь схематично датчиком 10 подразумевается, например, датчик низкого давления, у которого на общей монтажной плате 14 расположены электронный компонент 16, например СИС, и взаимодействующий с анализируемой средой чувствительный элемент 18. В предпочтительном варианте электронный компонент 16 и чувствительный элемент 18 наклеивают на плоскую поверхность 60 монтажной платы 14 корпуса 12 датчика. Как следует из приведенного на фиг.1 изображения, электронный компонент 16, например СИС, а также чувствительный элемент 18 соединены между собой отдельными, присоединенными методом микросварки гибкими металлическими проводниками 26. Такие гибкие металлические проводники 26 контактируют с противоположными концами токопроводящей дорожки 20, которая может быть образована, например, металлизацией 22. Между отдельными концами служащих токопроводящей дорожкой металлизаций 22, а также гибкими металлическими проводниками 26 образован промежуток, который согласно фиг.1 перекрыт клеевым валиком 28, который пересекает отдельные служащие токопроводящей дорожкой 20 металлизации 22 по их середине. Клеевой валик 28 может, как это показано на фиг.1, иметь проходящую поперечно продольной протяженности монтажной платы 14 канавку, которая более подробно рассмотрена ниже и в которую утапливается уплотнительное (поперечное) ребро 50 крышки 44.
Из приведенного на фиг.1 изображения следует, что каждый из гибких металлических проводников 26, соединенных с чувствительным элементом 18, а также каждый из гибких металлических проводников 26, соединенных с электронным компонентом 16, контактирует с одним из противоположных концов металлизации 22, служащей токопроводящей дорожкой.
Как показано на фиг.2, первая контактная площадка 32 на одном конце служащей токопроводящей дорожкой металлизации 22, а также гибкие металлические проводники 26, ведущие к чувствительному элементу 18, могут быть покрыты гелем 42. Такой гель 42 защищает гибкие металлические проводники 26 и первую контактную площадку 32 с обращенной к анализируемой среде стороны 40 монтажной платы 14 от контакта с этой анализируемой средой, с которой взаимодействует чувствительный элемент 18.
Монтажную плату 14 корпуса 12 датчика в предпочтительном варианте выполняют из полимерного материала, например из полифениленсульфида, представляющего собой термопласт, или полифталамида, также представляющего собой термопласт. В качестве метода изготовления монтажной платы целесообразно использовать метод литья пластмасс под давлением.
На фиг.3 монтажная плата показана в разрезе в зоне клеящего материала, который в предпочтительном варианте нанесен в виде клеевого валика.
Как показано на фиг.3, монтажная плата 14 имеет на участке, который перекрыт клеевым валиком 28 из клеящего материала, свободные пространства 36. Такие свободные пространства 36 отделены друг от друга перегородками 56 из материала монтажной платы 14. Высота перегородок 56, образованных материалом монтажной платы 14, обозначена позицией 58.
В отдельных свободных пространствах 36 находятся пьедесталообразные выступы, на которые, например, могут быть нанесены служащие токопроводящей дорожкой 20 металлизации 22. Служащие токопроводящей дорожкой 20 металлизации 22 могут быть нанесены, например, путем горячего тиснения, путем ультразвуковой металлизации или путем заключения в отливаемый под давлением полимерный материал. В предпочтительном варианте металлизации 22 изготавливаются в процессе изготовления печатной платы по MID-технологии и имеют слоистую структуру, в которой с верхней стороны может присутствовать, например, слой золота, нанесенный на слой никеля.
Согласно фиг.1 и 2 клеевой валик 28 из клеящего материала проходит между концами отдельных служащих токопроводящей дорожкой 20 металлизаций 22.
Клеящий материал при его нанесении в виде клеевого валика 28 затекает в свободные пространства 36, в результате чего служащие токопроводящими дорожками 20 металлизации 22 оказываются и сбоку, т.е. со стороны своих боковых поверхностей (см. позицию 38) заключены в клеящий материал клеевого валика 28 с созданием вследствие этого непроницаемого для анализируемой среды (герметичного) соединения 62, образованного текучим клеящим материалом клеевого валика 28. Благодаря этому образуется уплотнение между той частью корпуса 12 датчика, в которой расположен чувствительный элемент 18, и остальной частью корпуса 12 датчика, в которой находится электронный компонент 16, выполненный в виде СИС.
На фиг.4 в увеличенном масштабе показана служащая токопроводящей дорожкой металлизация.
Как следует из приведенного на фиг.4 изображения, от взаимодействующего с анализируемой средой чувствительного элемента 18 отходит гибкий металлический проводник 26, ведущий к концу служащей токопроводящей дорожкой 20 металлизации 22, и электрически контактирует с ней на этом конце на первой контактной площадке 32.
На противоположном конце служащей токопроводящей дорожкой 20 металлизации 22 расположена вторая контактная площадка 34, от которой отходит еще один гибкий металлический проводник 26, ведущий к не показанному на фиг.4 электронному компоненту 16, например к СИС. Из приведенного на фиг.4 изображения следует, что контактные площадки 32, соответственно 34 между гибкими металлическими проводниками 26 и служащей токопроводящей дорожкой 20 металлизацией 22, разнесены друг от друга на такое расстояние, что между контактными площадками 32 и 34 остается достаточно места для нанесения клеевого валика 28.
Позицией 40 обозначена обращенная к анализируемой среде сторона монтажной платы 14 корпуса 12 датчика.
На фиг.5 монтажная плата 14 показана в сборе с размещенными на ней электронным компонентом 16 с одной стороны и чувствительным элементом 18 с другой стороны. Отдельные гибкие металлические проводники 26, соединяющие электронный компонент 16 с чувствительным элементом 18, равно как и контактные площадки 32, 34, находящиеся на металлизации 22 токопроводящих дорожек 20, которые утоплены в углубления с верхней стороны монтажной платы 14, отделены друг от друга клеевым валиком 28. Позицией 42 обозначен гель, который покрывает половину гибких металлических проводов 26, проходящих от контактных площадок 32 к чувствительному элементу 18.
На фиг.6 показан корпус датчика в сборе с крышкой, соединенной с монтажной платой 14.
Как показано на фиг.6, в собранном состоянии крышки 44 и монтажной платы 14 уплотнительное ребро 50 утоплено в пластически деформируемый материал клеевого валика 28. При утапливании уплотнительного ребра, расположенного с нижней стороны крышки 44, материал клеевого валика 28 деформируется таким образом, что он растекается и проникает в свободные пространства 36, 38 (см. фиг.3), вследствие чего под клеевым валиком 28 образуется непроницаемое для анализируемой среды соединение 62. Такое непроницаемое для анализируемой среды соединение 62, расположенное по середине на плоской поверхности 60 монтажной платы 14, разделяет ограниченное корпусом с установленной на него крышкой пространство на первую полость 46, в которой расположен чувствительный элемент 18, и вторую полость 48, в которой расположен электронный компонент 16, выполненный, например, в виде СИС. Как показано на фиг.3, непроницаемое для анализируемой среды соединение 62 образуется в результате того, что эластично деформируемый материал клеевого валика 28 при утапливании в него уплотнительного ребра 50 заполняет собой свободные пространства 36 рядом со служащими токопроводящей дорожкой 20 металлизациями 22. Таким путем исключается возможность перетекания или проникновения анализируемой среды под клеевым валиком 28 из полости 44, в которой расположен чувствительный элемент 18, в полость 48, в которой расположен электронный компонент 16.
С другой стороны, для создания надежного электрического соединения, которое может быть защищено от воздействия анализируемой среды, гибкие металлические проводники 26, а также первые контактные площадки 32, находящиеся в полости 46, в которой расположен чувствительный элемент 18, дополнительно могут быть, как показано на фиг.6, защищены гелем 42. Благодаря непроницаемому для анализируемой среды соединению 62, показанному на фиг.3, предотвращается перетекание анализируемой среды в полость 48, в которой расположен более восприимчивый к воздействию анализируемой среды электронный компонент 16. Помимо этого благодаря эластичности клеящего материала клеевого валика 28, который ориентирован в основном поперечно продольной протяженности монтажной платы 14 корпуса 12 датчика, обеспечивается компенсация погрешностей, обусловленных производственными допусками на размеры и сборку корпуса 12 датчика 10. Уплотнительное ребро 50 с нижней стороны крышки 44 предпочтительно выполнять таких размеров, чтобы оно проникало в клеевое вещество клеевого валика 28 на глубину, при которой обеспечивается оптимальное растекание эластично деформируемого клеящего материала клеевого валика 28.
Благодаря предлагаемому в изобретении решению, которое рассмотрено выше со ссылкой на фиг.1-6, обеспечивается простое и короткое электрическое соединение между чувствительный элементом 18 и электронным компонентом 16. Малая длина электрического соединения обладает преимуществами с точки зрения электромагнитной совместимости, а также потребного монтажного пространства, что положительно сказывается на производственных расходах. Благодаря предлагаемому в изобретении решению обеспечивается непроницаемое для анализируемой среды соединение 62 внутри корпуса 12 датчика, что соответствует принципу CiH ("чип в корпусе"), поскольку при выполнении электрического соединения может обеспечиваться герметичное отделение друг от друга полости 46, в которой расположен взаимодействующий с анализируемой средой чувствительный элемент с одной стороны и полости 48, в которой расположен более восприимчивый к воздействию анализируемой среды электронный компонент 16 с другой стороны. Таким путем повышается стойкость датчика 10 к воздействию анализируемой среды, прежде всего ОГ. Предлагаемое в изобретении решение в конечном итоге отличается своим механически надежным конструктивным исполнением благодаря наличию лишь двух микросварных соединений на контактных площадках 32 и 34, выполненных на служащей токопроводящей дорожкой 20 металлизации 22. Помимо этого герметизация осуществляется клеящим материалом клеевого валика 28 вне участков, где расположены контактные площадки 32, 34, а именно на концах полосовидных металлизаций 22, служащих токопроводящей дорожкой 20.