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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schutzvorrichtung für ein elektronisches Bauelement, insbesondere für einen Drucksensor, sowie auf ein Sensorbauteil mit einem elektronischen Bauelement und einer derartigen Schutzvorrichtung, das vorzugsweise der Überwachung von elektrochemischen Energiespeichern in der Form von Batterien und Batteriezellen, insbesondere Lithium-Schwefel- und Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge dient. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Sensorbauteils.
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Auf dem technischen Gebiet der Batterietechnik ist es derzeit bekannt, eine Überwachung eines Betriebszustandes einer galvanischen Zelle, besser bekannt als Batteriezelle, beispielsweise auf Lithium-Ionen-Basis insbesondere für Elektrofahrzeuge, anhand der Messung von verschiedenen extern erfassbaren Kenngrößen der Batteriezelle durchzuführen. Als extern erfassbare Kenngrößen können beispielsweise die Spannung der Batteriezelle und deren Temperatur anhand von an der zu überwachenden Batteriezelle angebrachten Sensoren gemessen werden. Im Rahmen der fortschreitenden Entwicklung von Batterien wird es nun immer wichtiger, die Messgenauigkeit derartiger Kenngrößen zu erhöhen sowie bisher noch nicht näher erfassbare Kenngrößen in die Überwachung der Batteriezelle mit einzubeziehen, wie zum Beispiel die Messung von internen Kenngrößen wie Spannung, Temperatur, Druck oder dergleichen, die im Inneren der zu überwachenden Batteriezelle vorliegen. Dabei sind die Bedingungen innerhalb einer Batteriezelle insbesondere angesichts der vermehrten Verwendung von kritischen Medien wie zum Beispiel aggressiven Elektrolyten jedoch für die üblicherweise für entsprechendes Messequipment verwendeten Verpackungsmaterialien wie Moldmasse, PCB, Klebstoffe, Gele und dergleichen nicht unbedingt problemlos geeignet. Dabei kann insbesondere ein Einbringen ungeeigneter Materialien in eine Batteriezelle, beispielsweise durch Einsetzen eines herkömmlichen Drucksensors in die Batteriezelle, aufgrund möglicher unerwünschter chemischer Reaktionen mit dem verwendeten Elektrolyten die Zellstabilität der Batteriezelle stark gefährden. Außerdem kann die Sensorfunktion durch chemische Reaktionen der Sensormaterialien mit dem Elektrolyten der Batteriezelle beeinträchtigt werden, bis hin zum vollständigen Ausfall des Sensors. Als Beispiel für den Aufbau einer derartigen Batteriezelle kann diese unter anderem in Form einer sogenannten Pouch-Zelle vorliegen, bei der zumindest ein Batteriemodul zusammen mit dem entsprechenden Elektrolyt von einer flexiblen Hülle vollständig umhüllt ist, wobei die Batteriekontaktierung aus der Hülle fluiddicht herausgeführt wird. Typische bekannte medienbeständige Sensorkonzepte, wie sie zum Beispiel aus der Fahrzeugtechnik im Bereich des Abgasstrangs oder in einem Getriebeölkreislauf Verwendung finden, sind aufgrund der deutlich abweichenden Chemie eines Batterieelektrolyten in der Regel ungeeignet sowie darüber hinaus mit hohen Kosten verbunden.
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4 zeigt eine bekannte, der
DE 10 2012 216 563 A1 entnommene Lösung zu dem vorhergehend beschriebenen Problem. Darin ist eine Sensorvorrichtung
9 gezeigt, bei der ein Drucksensor
91 in einer offenen Ausnehmung
921 eines Sensorgehäuses
92 eingebaut ist. Ein typisches Messprinzip von derartigen Drucksensoren ist die Messung der Auslenkung einer druckerfassenden Membran, die beispielsweise aus Silizium besteht und durch die eine hermetisch abgeriegelte Kavität (mit einem ovalen Kreis in dem Drucksensor
91 in
4 dargestellt) bereitgestellt wird. Der Drucksensor
91 ist über elektrische Kontakte
911 mit einer elektrischen Leitung
912 gekoppelt, über die das Drucksignal nach außen geführt wird. In der Ausnehmung
921 befindet sich neben dem Drucksensor
91 ein Fluid
93, beispielsweise in der Form eines inkompressiblen Gels, das den Drucksensor
91 zum Schutz vor Partikeln oder Ablagerungen umgibt und die Ausnehmung
921 vollständig ausfüllt, so dass die Membran des Drucksensors
91 zum Schutz vor Partikeln oder Ablagerungen mit dem inkompressiblen Gel überdeckt wird. Die Ausnehmung
921 ist ferner mit einer flexiblen Folie
94 fluiddicht abgeschlossen, so dass kein weiteres Medium zwischen dem Fluid
93 und der flexiblen Folie
94 vorliegt. Die fluiddichte Verbindung zwischen dem Sensorgehäuse
92 und der flexiblen Folie
94 kann dabei durch Laserschweißen, Siegeln beziehungsweise thermisches Fügen oder Kleben erfolgen. Mit einem derartigen Abschluss der Ausnehmung
921 kann dabei erreicht werden, dass weder der Sensor
91 noch die elektrischen Kontakte
91 Wechselwirkungen mit einem Elektrolyten einer galvanischen Zelle eingehen, in der die Sensorvorrichtung
9 zum Einsatz kommt. Die flexible Folie
94 dient dabei dazu um den Drucksensor
91 mit einer Außenumgebung der Sensorvorrichtung
9 zur Übertragung der Messgröße zu koppeln und kann dazu zumindest teilweise ein Material aufweisen, das säureresistent oder lösungsmittelresistent ist. Aufgrund der Flexibilität der flexiblen Folie
94 kann der Druckübertrag in das Sensorgehäuse
92 bei gleichzeitiger Abschirmung des Sensors
91 und der elektrischen Kontakte
911 vor Umwelteinflüssen gewährleistet werden. Durch das Verpacken des Drucksensors
91 mittels der flexiblen Folie
94 in das Sensorgehäuse
92 darf kein kompressibles Medium, wie zum Beispiel Luft, zwischen der flexiblen Folie
94 und der druckerfassenden Membran des Drucksensors
91 vorhanden sein. Das Anbringen der flexiblen Folie
94 sollte also unter Vakuum stattfinden, beziehungsweise der Bereich zwischen der flexiblen Folie
92 und dem Drucksensor
91 sollte evakuiert werden. Die flexible Folie
94 stellt in diesem Fall neben der druckerfassenden Membran des Drucksensors
91 eine Art zweite Membran dar, die mit der druckerfassenden Membran über das inkompressible Fluid
93 gekoppelt ist.
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Ein Sensorgehäuse, wie es der oben genannten Lösung entnommen werden kann, kann jedoch ebenfalls ungeeignete Materialien umfassen, wie zum Beispiel teil- oder vollelastische Kunststoffe oder dergleichen, die bei einem Einbringen des Sensors samt Sensorgehäuse in die Batteriezelle dennoch zu den unerwünschten chemischen Reaktionen führen können. Darüber hinaus ist die Grenzfläche zwischen Metall und Kunststoff bei der Durchführung üblicherweise nicht fluiddicht. Um dem entgegenzuwirken ist es unter anderem aus der
DE 10 2012 209 09 A1 bekannt, ein elektronisches Bauelement wie zum Beispiel einen Drucksensor in einer flexiblen Hülle anzuordnen, die als Schutzvorrichtung für das elektronische Bauelement dient und ausgebildet ist, um das elektronische Bauelement vollständig fluiddicht einzuhüllen, wobei dessen Kontaktierung fluiddicht aus der flexiblen Hülle herausgeführt wird. Der Drucksensor ist dabei innerhalb der Hülle von einem inkompressiblen Gel umgeben, um dieses vor Partikel oder Ablagerungen zu schützen. Wird das elektronische Bauelement nun in der Hülle platziert und das inkompressible Gel eingefüllt, sollte möglichst kein kompressibles Medium, wie zum Beispiel Luft, zwischen der Hülle und dem inkompressiblen Gel beziehungsweise der druckerfassenden Membran des Drucksensors vorhanden sein, um eine möglichst genaue Druckmessung zu erzielen. Auch wenn gewährleistet ist, dass kein kompressibles Medium zwischen der Hülle und dem Drucksensor vorliegt, beispielsweise indem die Hülle vor einen Verschließen evakuiert wird, kann der Einfluss der Beschaffenheit der Hülle auf die Druckmessung unter Umständen nicht vernachlässigbar sein, insbesondere unter der Annahme, dass die typische Dicke bereits der Aluminiumschicht einer als Hülle verwendeten Folie von 20 bis 40µm für eine ausreichende Barrierewirkung notwendig ist. Der Folienbereich direkt über der druckerfassenden Membran des Drucksensors stellt in diesem Fall die zweite Membran dar, die mit der druckerfassenden Membran über das inkompressible Gel gekoppelt ist und dadurch ein Membransystem ausbildet, das modellhaft als Parallelschaltung von zwei Federn betrachtet werden kann. Liegt nun ein äußerer Druck an der Hülle an, werden entsprechend beide Membranen ausgelenkt. Ist dabei jedoch die „Federkonstante" der zweiten Membran nicht vernachlässigbar gegenüber der „Federkonstante" der ersten Membran, muss dieser Unterschied bei der Auswertung des Drucksensorsignals berücksichtigt werden, um eine möglichst akkurate Druckmessung zu erreichen.
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Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben in Versuchen mit der oben beschriebenen Lösung der
DE 10 2012 209 09 A1 festgestellt, dass nicht nur die „Federkonstante“ der durch die Hülle ausgebildeten Membran, auch Hüllmembran genannt, sondern auch mechanische Spannungen in der Hüllmembran die Druckmessungen erheblich verfälschen können. Derartige mechanische Spannungen können unter anderem durch einen Faltenwurf der Hüllmembran bei der Evakuierung und bei der Straffung der Hülle auftreten. Zudem kann der Druckübertrag durch mechanische Veränderung der Hüllmembran beispielsweise bei einer Handhabung des beschriebenen Drucksensorsystems stark beeinflusst werden. Entsprechend kann bei der vorhergehend beschriebenen Lösung davon ausgegangen werden, dass die auf diese Weise bereitgestellte Hüllmembran nicht eindeutig definierbar ist, wodurch eine robuste und reproduzierbare Druckmessung mit dem beschriebenen System nicht verlässlich erzielt werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor dem vorhergehend genannten Hintergrund werden mit der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Schutzvorrichtung für zumindest ein elektronisches Bauelement eines Sensorbauteils zur Anordnung innerhalb eines ein Elektrolytmedium aufweisenden elektrochemischen Energiespeichers, ein verbessertes Sensorbauteil zur Anordnung innerhalb eines ein Elektrolytmedium aufweisenden elektrochemischen Energiespeichers sowie ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Sensorbauteils zur Anordnung innerhalb eines ein Elektrolytmedium aufweisenden elektrochemischen Energiespeichers bereitgestellt. Das Elektrolytmedium stellt dabei ein aggressives Medium dar, vor dem das Sensorbauteil geschützt werden soll. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Erfindungsgemäß stellt die vorliegende Erfindung unter anderem eine Schutzvorrichtung für zumindest ein elektronisches Bauelement eines Sensorbauteils zur Anordnung innerhalb eines ein Elektrolytmedium aufweisenden elektrochemischen Energiespeichers bereit. Die Schutzvorrichtung hat dabei eine zumindest partiell flexible Hülle, ein Gehäuse mit zumindest einer Aussparung zur Aufnahme des elektronischen Bauelements und optional einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung („ASIC“), sowie ein in der Aussparung vorgesehenes inkompressibles Medium, beispielsweise in der Form eines inkompressiblen Gels, Silikonöls oder dergleichen, das das elektronische Bauelement umgibt, also dieses vollständig in sich aufnehmen kann. Das Gehäuse der Schutzvorrichtung ist ferner von der Hülle umgeben, das heißt vollständig durch diese eingeschlossen, und mit dieser verbunden, wodurch die Hülle und das inkompressible Medium im Bereich der Aussparung direkt miteinander in Verbindung stehen. Die direkte Verbindung zwischen der Hülle und dem inkompressiblen Medium bedeutet, dass kein kompressibles Medium zwischen der Hülle und dem inkompressiblen Medium zumindest in dem Bereich der Aussparung vorliegt, insbesondere keine Luft, die eine Übertragung des Drucks in dem Bereich der Aussparung auf das inkompressible Medium verfälschen oder vollständig verhindern würde. Ein elektronisches Bauelement, das insbesondere Teil einer elektrischen beziehungsweise elektronischen Schaltung sein kann, kann entsprechend durch die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung insbesondere durch die Hülle vor einer Wechselwirkung mit einem umgebenden Medium geschützt werden. Der mit dem Gehäuse verbundene Hüllenabschnitt legt dabei eine sogenannte Hüllmembran fest, die mit dem inkompressiblen Medium in Kontakt steht. Mit der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung kann es entsprechend erreicht werden, den Einfluss der Resthülle, das heißt den Einfluss der Abschnitte der Hülle außerhalb der Hüllmembran sowie den Einfluss von Bewegungen und mechanischen Spannungen der Abschnitte der Hülle außerhalb der Hüllmembran, auf die Druckmessung zu minimieren und zu kontrollieren.
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Bei dem elektrochemischen Energiespeicher kann es sich um eine Batterie, eine Batteriezelle beziehungsweise galvanische Zelle oder dergleichen, insbesondere in Gestalt einer elektrochemischen Sekundärzelle, als eine alleinstehende Einheit oder als eine Untereinheit beispielsweise eines sogenannten Batteriepacks oder dergleichen handeln. Der elektrochemische Energiespeicher kann beispielsweise für ein Elektrofahrzeug, Hybridelektrofahrzeug oder dergleichen vorgesehen sein.
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Das Gehäuse der Schutzvorrichtung kann beispielsweise eine Standardverpackung wie zum Beispiel ein Mold- oder Premold-Gehäuse sein. Die Hülle der vorliegenden Erfindung kann dabei aus einem Material bestehen, das keine wesentliche Wechselwirkung mit beispielsweise dem Elektrolyten einer Batterie zulässt und das ferner eine elektrisch isolierte Durchführung mindestens eines elektrischen Leiters zur Ankontaktierung des elektronischen Bauelements durch die Hülle ermöglichen kann. Das Material der Hülle der Schutzvorrichtung kann chemisch beständig bezüglich des Elektrolytmediums sein. Dabei kann das Material der Hülle, das in Kontakt mit dem Elektrolytmedium chemisch wechselwirkungsarm oder wechselwirkungsfrei ist, zumindest eine Außenoberfläche der Hülle bilden. Die Hülle kann partiell oder vollständig flexibel sein oder beispielsweise an einem oder mehreren Randbereichen starr und sonst flexibel sein. Ein starrer Randbereich kann beispielsweise dadurch entstehen, dass zwei Abschnitte der Hülle aneinandergefügt, beispielsweise aneinandergeschweißt sind. Auch kann die Hülle eine starre Nahtstelle aufweisen. Indem die Hülle zumindest partiell flexibel ausgeführt ist, kann die Hülle aufgrund von Druckschwankungen innerhalb des elektrochemischen Energiespeichers verformt werden. Die Hülle kann aus einem folienartigen Material hergestellt sein. Insbesondere kann die Hülle aus einer Folie bestehen oder eine Folie aufweisen. Somit kann durch die Hülle ein folienartiger Beutel gebildet sein, in dem das Gehäuse zusammen mit dem elektronischen Bauteil und dem inkompressiblen Medium aufgenommen werden kann. Bei der Folie kann es sich beispielsweise um eine Kunststofffolie oder eine Metallfolie handeln. Es kann sich um eine beschichtete Folie handeln, vorzugsweise um eine speziell beschichtete Aluminiumfolie, die in ähnlicher Weise für die äußere Verpackung von Batterien verwendet wird. Die Folie kann dabei eine Aluminiumschicht mit einer Dicke von 20–40µm aufweisen, die für die Barrierewirkung für Elektrolytbestandteile beziehungsweise Wasser notwendig sind, und kann ferner mit elektrolytbeständigen thermisch siegelfähigen Materialien mit einer Dicke von 40–80µm beschichtet sein, wobei zwischen den siegelfähigen Materialien und der Aluminiumschicht ein Klebematerial mit einer Dicke von ca. 1µm vorliegt. Beispielsweise kann die Folie dabei eine kunststoffbeschichtete Metallfolie sein, wobei die Metallfolie einseitig oder beidseitig kunststoffbeschichtet sein kann. Dies bietet den Vorteil, dass die Hülle eine chemische Beständigkeit gegenüber dem Elektrolyten, eine gute Formanpassung, gute mechanische Eigenschaften sowie eine elektrisch isolierende Eigenschaft aufweist. Zur Ausbildung der Hülle kann die Folie einmal umgeklappt sein und aufeinanderliegende Ränder der Folie können miteinander verbunden sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Hülle im Bereich der Aussparung mit einem die Aussparung umgebenden Gehäuserand zumindest partiell, vorzugsweise durchgehend, verbunden sein. Das Gehäuse, das vorzugsweise eine einseitig offene Aussparung mit rechteckigem Grundriss, das heißt eine rechteckige Vertiefung, aufweist, hat entsprechend einen Gehäuserand, der die Aussparung umgibt. Dieser Gehäuserand, der eine Aussparungsumrandung darstellt, ist mit der Hülle derart verbunden, dass eine möglichst durchgehende Verbindungsnaht zwischen der Hülle und dem Gehäuserand vorliegt. Vorzugsweise ist dabei die Verbindung zwischen Gehäuse und Hülle, also die Verbindungsnaht zwischen Hülle und Gehäuserand von dem inkompressiblen Medium beabstandet, um einen Kontakt zwischen Verbindungsnaht und inkompressiblem Medium zu verhindern. Ein entsprechender Abstand beträgt vorzugweise zwischen 0,5 und 3mm. Die rechteckige Form der Vertiefung dient unter anderem dazu, den Aufbau der Sensoren zu vereinfachen und um eine einheitliche Orientierung auch bei runder Gehäuseform zu ermöglichen.
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Ferner kann bei der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung eine Kante an dem Gehäuse vorgesehen sein, die die Aussparung umgibt und die die Verbindung zwischen Hülle und Gehäuse von dem inkompressiblen Medium trennt. Eine derartige Kante kann in Form einer Stufe vorliegen, die von der Aussparung weg abwärts ausgebildet ist, so dass eine Verbindung zwischen der Hülle und dem Gehäuse beziehungsweise dem Gehäuserand auf der abgesenkten Stufe vorgesehen ist und dadurch die Verbindung von dem inkompressiblen Medium getrennt ist, um einen Kontakt zwischen einer bei der Verbindung zwischen der Hülle und dem Gehäuse entstehenden Verbindungsnaht und inkompressiblem Medium zu unterbinden. Die Kante ist dabei vorzugsweise eine umlaufende Kante zur Trennung von Verbindungsnaht und inkompressiblem Medium, sodass während eines Verbindungsprozesses keine Vermischung von Medium und Verbindungsnaht stattfindet. Eine Verbindung zwischen Hülle und Gehäuse, also ein Ausbilden einer entsprechenden Verbindungsnaht, kann vorzugsweise durch Heißsiegelung, unter anderem mittels Wärmeintrag erfolgen, wobei Heißsiegellacke, das heißt Dispersion aus Lösungsmittel und Kunststoffpartikeln, ein thermisches Fügen eines thermoplastischen Materials mit einem weiteren Material ermöglicht, welches mit dem Heißsiegellack, wie z.B. Degalan® PM666 der Firma Evonik, beschichtet wird und mit diesem eine Verbindung eingeht. Das thermische Fügen erzielt dabei eine fluidisch dichte Verbindung zwischen den beiden Materialien, die aber nicht zwingend gegenüber einem Elektrolyten chemisch beständig ist. Eine typische Anwendung einer derartigen Heißsiegellackverbindung ist beispielsweise die Verbindung eines Aluminiumdeckels und eines thermoplastischen Joghurtbechers oder aber die Verbindung der Teile einer Blisterverpackung. Alternativ dazu kann bei einer Kombination aus einem thermoplastischen Materials für das Gehäuse und einer entsprechenden Folie als Hülle auf einen Siegellack verzichtet werden, da die Verbindung der Hülle mit dem Gehäuse, also die vorhergehend genannte Verbindungsnaht, auch direkt durch reinen Wärmeeintrag erzielt werden kann. Ein Beispiel für eine mögliche Paarung ist dabei Polypropylen als Siegelmaterial auf der Folie und ein Gehäuse aus Polypropylen. Die Verbindungsnaht, beispielweise erzeugt durch einen vor Einhüllung mit Elektrolytschutzfolie aufgebrachten Siegellack am oberen Gehäuserand, legt dabei die durch die Hülle auszubildende Fläche der Hüllmembran fest, wodurch der Einfluss der Hülle außerhalb der Hüllmembranfläche auf diese minimiert wird.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können zusätzlich oder alternativ bei dem Gehäuse der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung die Ecken und/oder Ränder des Gehäuses abgerundet sein, insbesondere bei zylindersymmetrischer, kubischer oder quaderförmiger Form des Gehäuses. Das bedeutet, dass die außen liegenden Ecken und/oder Ränder des Gehäuses zumindest teilweise abgerundet sein können, wobei die in der Aussparung liegenden Ecken und/oder Ränder davon ausgenommen sind. Eine derartige Abrundung der Außenecken und/oder Außenränder des Gehäuses dient dabei dazu, die Verspannungen der Hülle bei einem Einhüllen des elektronischen Bauelements in die Schutzvorrichtung an sich zu minimieren, da abgerundete Ecken und/oder Ränder zu geringerem Faltenwurf führen und damit weniger mechanische Spannungen in der Hülle erzeugen. Ferner kann durch eine nahezu ideale Anpassung der Hülle an die Form des Gehäuses eine Reduktion von Hohlräumen beziehungsweise eine nahezu vollständige Vermeidung von Hohlräumen erreicht werden, die mitunter ursächlich für unkontrollierte mechanische Verspannungen in dem Hüllbereich über dem elektronischen Bauelement sein können. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform erfährt die Querschnittsgestalt des Gehäuses dadurch im Extremfall eine Linsenform, das heißt eine ovale Ellipsenform, entweder in zylindersymmetrischer Form oder nur in einer Dimension, die entsprechend die vorhergehend genannten Vorteile optimal umsetzt. Das bedeutet, dass bei der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung mit linsenförmigem Gehäuse die Hülle zumindest größtenteils faltenfrei an dem Gehäuse anliegt. Gemäß einer Weiterbildung kann die Hülle eine Prägung aufweisen, die in diese im Vorfeld eingebracht ist und die der Gehäuseform folgt beziehungsweise dieser entspricht. Auch hier ist eine runde Gehäuseform vorteilhaft, da dadurch bei der Prägung der Hülle keine scharfen Ränder vorgesehen werden müssen, wodurch übermäßige Abdünnungen beziehungsweise Ausdünnungen der Hülle an den Stellen vermieden werden können, die den Rändern entsprechen. Eine Prägung der Hülle kann dieser höhere Stabilität verleihen sowie eine faltenfreie Anbringung der Hülle an dem Gehäuse erleichtern.
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Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Sensorbauteil zur Anordnung innerhalb eines ein Elektrolytmedium aufweisenden elektrochemischen Energiespeichers bereitgestellt, das zumindest ein elektronisches Bauelement und eine vorhergehend beschriebene Schutzvorrichtung aufweist, wobei die Schutzvorrichtung das elektronische Bauelement fluiddicht nach außen abdichtet und ein Bereich der Hülle über dem elektronischen Bauelement über das inkompressible Medium mit dem elektronischen Bauelement gekoppelt ist. Das elektronische Bauelement ist dabei vorzugsweise ein Drucksensor, bei dem eine Messung des zu erfassenden Drucks durch die Auslenkung einer druckerfassenden Membran erfolgt, die beispielsweise aus Silizium besteht und durch die eine hermetisch abgeriegelte Kavität bereitgestellt wird. Bei dem erfindungsgemäßen Sensorbauteil ist entsprechend die Hüllmembran, die durch den mit dem Gehäuse verbundenen Hüllabschnitt direkt über der druckerfassenden Membran des Drucksensors angeordnet ist, mit der druckerfassenden Membran über das inkompressible Gel gekoppelt, wodurch ein Membransystem ausgebildet wird, das im Sinne einer Parallelschaltung von zwei Federn betrachtet werden kann. Liegt nun ein äußerer Druck an der Hülle an, wird entsprechend erst die Hüllmembran ausgelenkt, wobei die Auslenkung über das inkompressible Medium an die druckerfassende Membran des Drucksensors übermittelt wird. Da im vorliegenden Fall kein kompressibles Medium zwischen dem inkompressiblen Medium und der Hülle vorliegt, wird die Auslenkung der Hüllmembran unmittelbar an die druckerfassenden Membran übermittelt, wobei lediglich die Materialeigenschaften der Hüllmembran mit einbezogen werden müssen, unter anderem dadurch, dass mechanische Spannungen in der Hüllmembran vermieden werden, die durch Bewegungen der Hülle außerhalb der Verbindungsnaht zwischen Hülle und Gehäuse entstehen können, beispielweise durch ein Handling des Sensorbauteils bei einem Einbau des Sensorbauteils in einen elektrochemischen Energiespeicher.
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Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorbauteils zur Anordnung innerhalb eines ein Elektrolytmedium aufweisenden elektrochemischen Energiespeichers bereitgestellt, das die folgenden Verfahrensschritte aufweist: Bereitstellen zumindest eines elektronischen Bauelements in einer Aussparung in einem Gehäuse; Einbringen eines inkompressiblen Mediums in die Aussparung, das das elektronische Bauelement umgibt; Vorsehen einer Hülle, die das Gehäuse mit elektronischem Bauelement und inkompressiblen Medium umgibt; Evakuierung der Hülle; Spannen der Hülle, und Verbinden der Hülle mit dem Gehäuse so dass die Hülle und das inkompressible Medium im Bereich der Aussparung direkt miteinander in Verbindung stehen. Vorzugsweise erfolgt dabei der Schritt des Verbindens zwischen Hülle und Gehäuse durch Wärmeeintrag und/oder Heißsiegelung, vorzugsweise mittels Heißsiegellack. Das erfindungsgemäße Verfahren wird ferner vorzugsweise unter Vakuum durchgeführt, um sicherzustellen, dass keine Luft bei einem Evakuieren der Hülle zwischen dem inkompressiblen Medium und der Hülle vorliegt. Durch ein derartiges Verfahren kann ein Sensorbauteil mit einem elektronischen Bauelement und einer Schutzvorrichtung wie oben beschrieben hergestellt werden, wobei die vorhergehend erfolgten Erklärungen zu Begriffen, verwendeten Materialien etc. entsprechend Anwendung finden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann ferner den Schritt des Verschließens der Hülle aufweisen, der bei einem Durchführen des Verfahrens unter Vakuum vor dem Spannen der Hülle über das Gehäuse und dem Verbinden der Hülle mit dem Gehäuse erfolgen kann, oder aber im Anschluss an diese Schritte erfolgt, wobei der Schritt des Verschließens der Hülle vorzugsweise durch Wärmeeintrag und/oder Heißsiegelung erfolgt, vorzugsweise mittels Heißsiegellack.
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Vorteile der Erfindung
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Mit der vorhergehend beschriebenen verbesserten Schutzvorrichtung, dem verbesserten Sensorbauteil sowie dem verbessertes Verfahren zur Herstellung dieses Sensorbauteils ist es möglich, den Einfluss der Hülle, also der einhüllenden Folie auf die Druckmessung zu minimieren und zu kontrollieren beziehungsweise im Idealfall ganz zu vermeiden. Die definierte Verbindung der Hülle mit dem Gehäuserand, beispielsweise durch den Heißsiegellack, führt zu einer mechanischen Entkopplung der Hüllmembran von deren Außenbereiche sowie zu einer genauen Definition der Hüllmembranfläche. Die Verwendung einer möglichst dünnen Folie für die Hülle bei einem Aufrechterhalten der notwendigen Barrierewirkung gegenüber dem Elektrolyt minimiert den Einfluss der Hüllmembran auf die Druckmessung ebenfalls indem dadurch die „Federkonstante“ der Hüllmembran reduziert werden kann.
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Mit der vorhergehend beschriebenen verbesserten Schutzvorrichtung, insbesondere mit bei der Schutzvorrichtung mit einem Gehäuse mit abgerundeten Ecken und/oder Rändern kann ein verschwindend geringer Faltenwurf der Hülle und damit weniger mechanische Spannungen in der Hüllfolie erzielt werden. Zudem führt dies zu einer nahezu idealen Anpassung der Hülle an die Form des Gehäuses und damit zu einer Reduktion beziehungsweise vollständigen Vermeidung von potentiellen Hohlräumen, die mitunter ursächlich für unkontrollierte mechanische Verspannungen in der Hülle und insbesondere in der Hüllmembran sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt ein Sensorbauteil gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2a–2f zeigen verschiedene Gestaltungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Sensorbauteils;
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3 zeigt ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren des in 1 gezeigten Sensorbauteils; und
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4 zeigt eine Sensorvorrichtung des Stands der Technik.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein Sensorbauteil 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Das Sensorbauteil 1 weist einen Drucksensor als elektronisches Bauelement 2, der eine Kavität 21 und eine durch diese definierte druckerfassende Membran 22 hat, eine Schutzvorrichtung 3 sowie ein inkompressibles Medium 4 in der Form eines Gels auf. Die Schutzvorrichtung 3 besteht aus einer folienartigen Hülle 31 und einem Gehäuse 32, wobei die Hülle 31 faltenfrei um das Gehäuse 32 herum angelegt ist. Das Gehäuse 32 weist eine einseitig offene Aussparung 321 mit rechteckigem Grundriss auf, auf deren Boden das elektronische Bauelement 2 sowie ein ASIC 5 angeordnet sind. Eine Kontaktierung des elektronischen Bauelements 2 sowie des ASIC 5 ist aus dem genannten Stand der Technik bekannt und zur Vereinfachung in 1 weggelassen.
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Um nun eine Übertragung eines Drucks, der auf die Hülle 31 von außen wirkt, durch das elektronische Bauelement 2 möglichst genau erfassen zu können, steht das inkompressible Medium 4 direkt mit der druckerfassenden Membran 22 und einer Hüllmembran 311 der Hülle 31 in Verbindung, ohne dass zwischen diesen ein kompressibles Medium vorliegt. Die Hüllmembran 311 der Hülle 31 ist der Bereich der Hülle 31, der mit dem inkompressiblen Medium 4 in Verbindung steht und über dem elektronischen Bauelement 2 angeordnet ist. Die Hüllmembran 311 liegt bei der vorliegenden Ausführungsform auf einem Gehäuserand 322 auf, der die Aussparung 321 umgibt. Genauer gesagt weist der Gehäuserand 322 eine umlaufende Kante 323 und eine dahinter verlaufende Abstufung oder abgesenkte Stufe auf, wobei die Hüllmembran 311 auf der Kante 323 aufliegt und damit das inkompressible Medium 4 von der Stufe abtrennt. Die Stufe hinter der Kante 323 dient dazu, eine Verbindung 6 zwischen der Hülle 31 und dem Gehäuse 32 in Form einer Heißsiegelnaht aufzunehmen. Dadurch kann die Hüllmembran 311 definiert bleiben, ohne dass Einwirkungen von außerhalb der Hüllmembran 311 wie zum Beispiel Bewegungen der Hülle 31 außerhalb der Hüllmembran 311 einen Einfluss auf die Hüllmembran 311 haben.
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2a bis 2f zeigen verschiedene Ausführungen des erfindungsgemäßen Sensorbauteils 1. 2a zeigt einen Querschnitt eines Sensorbauteils 1, bei dem die Ecken des Gehäuses 32 abgerundet sind. Dadurch wird ein faltenfreies Anlegen der Hülle 31 an das Gehäuse 32 begünstigt. Die Aussparung 321 behält dabei seinen rechteckigen Grundriss bei, so dass sich an dem Einbau des elektronischen Bauelements 2 nichts gegenüber dem im 1 gezeigten Sensorbauteil 1 ändert. 2b zeigt demgegenüber eine perspektivische Ansicht einer Ausführung des Sensorbauteils 1 in Übereinstimmung mit dem in 1 gezeigten Sensorbauteil 1 mit nicht abgerundeten Ecken oder Rändern. 2c zeigt eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführung des erfindungsgemäßen Sensorbauteils 1, bei dem sowohl die Innenrändern der Aussparung 321 als auch die Außenkränder des Gehäuses 32 vollständig abgerundet sind, so dass sowohl die Außenwandfläche des Gehäuses 32 als auch die Innenwandfläche der Aussparung 321 eine zylindrische Gestalt annehmen. 2d zeigt einen Querschnitt eines Sensorbauteils 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform, bei der die Ecken des Gehäuses 32 soweit abgerundet sind, dass die Gestalt des Gehäuses 32 eine Linsenform annimmt, wodurch ein faltenfreies Anlegen der Hülle 31 an das Gehäuse 32 weiter begünstigt wird. Die Aussparung 321 behält im Wesentlichen ihren rechteckigen Grundriss bei. 2e zeigt eine perspektivische Ansicht eines Beispiels eines Sensorbauteils 1 mit linsenförmigem Gehäuse 32 und rechteckiger Aussparung 321, bei der die Linsenform nur in einer Dimension vorliegt, und 2f zeigt eine perspektivische Ansicht eines weiteren Beispiels eines Sensorbauteils 1 mit linsenförmigem Gehäuse 32 und linsenförmiger Aussparung 321, bei der die Linsenform in zwei Dimensionen vorliegt, wodurch ein faltenfreies Anlegen der Hülle 31 an das Gehäuse 32 noch weiter begünstigt wird.
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3 zeigt ein Ablaufschema eines Verfahrens zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Sensorbauteils 1, wie es 1 entnommen werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren beginnt mit Schritt S1, bei dem das elektronische Bauelement 2 in Form des Drucksensors sowie die ASIC 5 in die Aussparung 321 des Gehäuses 32 platziert werden. Im nachfolgenden Schritt S2 wird die Aussparung 321 bis zum Gehäuserand 322 mit dem inkompressiblen Medium 4 aufgefüllt, vorzugsweise ein Gel, das das elektronische Bauelement 2 und die ASIC 5 vollständig umgibt. Anschließend wird in Schritt S3 eine Verbindung 6 in Form eines Heißsiegellacks auf die Stufe hinter der Kante 323 des Gehäuserands 322 aufgebracht. Der Gehäuserand 322 ist dabei so gestaltet, dass bei ausreichender Breite der Siegelstelle ein hinreichender Abstand der Siegelstelle zum inkompressiblen Medium 4 besteht. Die umlaufende Kante 323 ist zudem dafür vorgesehen, dass die Siegelnaht von dem inkompressiblen Medium 4 getrennt ist, um keine chemische Reaktion zwischen diesen hervorzurufen. Im nachfolgenden Schritt S4 werden zwei Folien auf beiden Seiten des Gehäuses 32 angelegt und anschließend zu der Hülle 31 verbunden, die demnach wie eine Tasche um das Gehäuse 32 angeordnet ist. Anschließend wird im Schritt S5 das Innere der taschenförmigen Hülle 31 evakuiert, um jedes kompressible Medium zwischen der Hülle 31 und dem inkompressiblen Medium 4 zu verhindern. Dabei ist es vorzuziehen, dass das gesamte in 3 gezeigte Verfahren unter Vakuum durchgeführt wird. Im nachfolgenden Schritt S6 wird die Hülle 31 an ihren Außennähten versiegelt, um eine durchgehende Hülle 31 auszubilden, die eine äußere Siegelnaht aufweist. Schließlich wird in Schritt S7 die Hülle 31 definiert gespannt, so dass die Hüllmembran 311 unter einer definierten Spannung steht, die als „Federkonstante“ in die Druckmessung eingeht, und letztendlich die Hülle 31 durch die Verbindung 6 mittels lokaler Erhitzung an dem Gehäuserand 322 mit dem Gehäuse 32 verbunden. Die für die Hülle 31 verwendete Folie kann dabei eine möglichst mechanisch flexible Folie sein. Beispielsweise kann die Dicke eines Aluminiumkerns der Folie reduziert werden, so weit es die Funktion des Schutzes vor dem Elektrolyt zulässt. Der Schritt S6 kann alternativ zu der vorhergehend beschriebenen Reihenfolge auch im Anschluss an Schritt S7 durchgeführt werden.
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Das vorhergehend beschriebene Verfahren kann bei allen Drucksensoren oder generell bei allen Sensoren zur Anwendung in aggressiven Medien Anwendung finden, die mit einer siegelbaren Hülle geschützt werden können.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsformen können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann eine Ausführungsform durch Merkmale einer weiteren Ausführungsform ergänzt werden. Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden, solange das Endergebnis des Verfahrens nicht grundlegend verändert wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012216563 A1 [0003]
- DE 10201220909 A1 [0004, 0005]
