Automotive-Sensoren von Vishay Die Evolution von Transmissionssensoren

In jedem modernen Auto steckt eine schwindelerregende Vielfalt an Elektronik. Dem vorangegangen ist ein langer Weg von mechanischen hin zu robusten, hochgenauen elektronischen Bauelementen. Betrachten wir am Beispiel der Transmissionssensoren von Vishay, wie sich diese weiterentwickelt haben.

Von: Jim Toal, Director, Optoelectronics Business Marketing, Vishay Intertechnology Americas
    
Die ersten optischen Lichtschranken bzw. Transmissionssensoren im Automobil bestanden aus einem Sender und einem Detektor, beides diskrete Bauteile in bedrahteten Gehäusen, die in eine Leiterplatte eingelötet wurden (Bild 1). Sender und Detektor standen einander gegenüber, und wenn sich ein Gegenstand dazwischen schob, änderte sich der Ausgangsstrom des Detektors (Photodiode oder Phototransistor). Ein Controller registrierte diese Änderung und löste eine entsprechende Aktion aus: Ein Motor wurde gestartet oder gestoppt, eine Anzeige leuchtete auf oder erlosch. 

Es war schwierig, die beiden diskreten Bauteile (Sender und Empfänger) mit der nötigen Genauigkeit zu positionieren. Eines saß vielleicht ein bisschen höher als das andere oder in einem etwas anderen Winkel, die Anschlussdrähte konnten sich während des Betriebs oder schon beim Einbau verbiegen usw. Das war insofern ein Problem, als dass der Ausgangsstrom des Detektors von Leiterplatte zu Leiterplatte variierte. Der Controller war darauf programmiert, bei einem bestimmten Signalpegel eine bestimmte Aktion auszulösen – doch wegen der ungenauen Positionierung empfing er unter Umständen ein falsches Signal. 

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Schritt für Schritt

Die Entwicklung der Transmissionssensoren von Vishay

Der erste Evolutionssprung: zwei Bauteile in einem Gehäuse

Ein Evolutionssprung fand statt, als Vishay erstmals die beiden diskreten Bauteile in einem gemeinsamen Kunststoffgehäuse unterbrachte, wodurch eine exakte Ausrichtung gewährleistet war (Bild 2). Diese Bauweise erforderte mehrere Gehäuseversionen mit unterschiedlichen Abständen zwischen Sender und Empfänger, mit Photodioden- oder Phototransistor-Ausgang und mit unterschiedlich gebogenen Anschlüssen für horizontale oder vertikale Schlitze. 

Der nächste Schritt: Serien TCPT und TCUT1300X01

Kunden aus der Automobilindustrie verlangten jedoch nach einem Transmissionssensor, der höhere Betriebstemperaturen vertragen und AEC-Q101-qualifiziert sein sollte. Das Verbundmaterial, aus dem das Gehäuse für den Sender und den Detektor bestand, begrenzte die maximal zulässige Betriebstemperatur. Mit Hilfe von Techniken, wie sie beim Origami angewandt werden, entwickelte Vishay einen kundenspezifisch geformten, Lead-Frame-basierten Sensor mit linsenlosen Sender- und Detektor-Chips. Dieser neue Sensor zeichnete sich durch eine sehr exakte Chip-Platzierung aus, hatte eine Spaltbreite von 3 mm und war für eine maximale Betriebstemperatur von 105 °C (zuvor 85 °C) ausgelegt. 

Der Orwellschen Theorie folgend, nach der ein Detektor gut ist, zwei aber besser sind, entwickelte Vishay danach einen Transmissionssensor mit zwei Phototransistoren (Bild 3). Dank der zwei Phototransistoren konnte dieser Sensor nicht nur die Anwesenheit eines Gegenstandes erkennen, sondern auch dessen Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit. Dadurch war es möglich, eine wichtige Information zu erfassen, die von elektronischen Stabilitätskontrollsystemen (ESC) benötigt wird: den Steuerrad-Drehwinkel. Diese Sensorbauweise bietet mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen „Schlitzschaltern“:

•    Engere Toleranzen für die Gehäuseabmessungen und die Kontaktpads 
•    Engere Toleranzen für die optische Achse
•    Größere Gestaltungsfreiheit beim mechanischen Design durch breiteren und optimierten Spalt 
•    Verbesserte Co-Planarität der Kontaktpads für exaktere Leiterplattenmontage