Sensorschichten: Werkstoffkombination hält Abrieb unter drei Mikrometer

Schalter gleich mit integriert

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Der richtige Werkstoff erlaubt das Herstellen von Sensorschichten mit integrierter Schalterfunktion. Zusätzliche Bereiche werden dazu mit einer nicht-leitenden Substanz bedruckt. Dabei wird darauf geachtet, dass nicht nur die bewährte Lack- und Bedruckungstechnologie weiter zum Zuge kommen kann, sondern dass auch der Verschleiß niedrig bleibt. Nur so lässt sich die Zuverlässigkeit insbesondere von Drive-by-Wire-Anwendungen sicherstellen.

Drive-by-Wire-Anwendungen werden seit vielen Jahren als bewährte und zuverlässige Technologien im modernen Automobil eingesetzt. Dabei handelt es sich um Steuerungssysteme ohne mechanische Verbindung zwischen Bedienelementen und Antrieben. Statt der mechanischen Verbindungseinheiten kommen elektrische Kabel zum Einsatz, die nur die Datenübertragung zwischen den verschiedenen Kontrolleinheiten ermöglichen. Weil der Verschleiß mechanischer Elemente deutlich reduziert ist, wird so mehr Zuverlässigkeit im Bereich Fahrsicherheit und Komfort während der Applikation gewährleistet. Denn die Sensorik muss über den langen Zeitraum von 10 Jahren bei 500 000 km Fahrleistung stabil und zuverlässig arbeiten, dabei aber kostengünstig sein.

Verwendung finden hauptsächlich potentiometrische Schaltungen, bei denen durch Kontakt einer Edelmetallspitze auf einer elektrisch leitfähigen Schicht ein ohmscher Widerstand abgegriffen wird, der jederzeit die Position des Kontaktaufnehmers beschreibt.
Neben der Drosselklappe wird beispielsweise im modernen Motormanagement das Gaspedal als wesentlicher Bestandteil der Weg-/Winkelsensorik angesehen. Bourns Sensors arbeitet auf dem Gebiet des Werkstoffdesigns an Sensorschichten für Gaspedalanwendungen mit einer zusätzlichen Schalterfunktion.
Rohstoffwahl ist entscheidend
Die Sensorik muss den hohen Beanspruchungen durch Temperaturwechsel und mechanische Störungen standhalten. Nur durch genaue Auswahl funktionalisierter Werkstoffe lassen sich die Anforderungen des Automobilbaus erfüllen. Ein wesentlicher Beitrag zur Werkstoffinnovation ist die Kombination und Modifikation neuer Materialien und deren Anwendung in der applizierten Sensortechnologie.
Elektrisch leitfähige Schichten für potentiometrische Anwendungen setzen sich aus Kunstharzen (Polymeren, Makromolekülen), leitfähigen Partikeln (Ruße, Kohlenstoffpulver) und Additiven zusammen. Die Rohstoffe werden zusammengegeben, geknetet und gewalzt. Mit Lösungsmitteln kann die notwendige Viskosität eingestellt werden, um mittels Siebdruck diesen Widerstandslack auf ein festes Trägermaterial aufzudrucken. Durch thermische Belastung vernetzen die Einbrennlacke zu einer festen Beschichtung.
Um die bewährte Lack- und Bedruckungstechnologie weiter einzusetzen zu können, arbeitet man daran, die neuen technischen Anforderungen nur durch gezielte Rohstoffveränderungen zu erfüllen. Für die Gaspedalanwendung wird hierbei eine zusätzliche Schalterfunktion gewünscht. Durch den Austausch der leitfähigen Komponenten durch nicht-leitfähige Füllstoffe wird ein weiterer Lack für eine zusätzliche Bedruckung aufgebaut. Eine Kombination von elektrisch leitfähigen und nicht-leitfähigen Bereichen auf der Sensoroberfläche stellt somit das neue Entwicklungsziel dar.
Im ersten Schritt geht es darum, eine Auswahl unter den kommerziell erhältlichen Füllstoffpartikeln mit nichtleitfähigen Eigenschaften zu treffen. Die Kompatibilität dieser Füllstoffpartikel mit der Polymermatrix muss stimmen, um eine ausreichende Dispergierung und Verlaufs- eigenschaften der Lacke zu erhalten. Dabei zeigen Oxidmaterialien die besten Eigenschaften. Die Vernetzungsreaktion der Lackrohstoffe kann leicht mittels Thermoanalyse verfolgt und interpretiert werden. Es muss ein Füllgrad gefunden werden, der ein optimales Verhältnis von leitfähigen zu nicht-leitfähigen Eigenschaften der Sensorschicht gewährleistet. Dabei sind die rheologischen Eigenschaften der unterschiedlichen Lacke ein wichtiges Kriterium für die Bedruckbarkeit.
Minimaler Abrieb nach vier Millionen Zyklen
An einem Prototypen (siehe Foto auf der linken Seite) lassen sich neben den schwarzen, leitfähigen Bereichen aus dem ersten Bedruckungsvorgang auch zwei helle, nicht-leitfähige Bereiche erkennen, die in einem zusätzlichen Druckschritt aufgetragen worden sind. Die thermische Behandlung dieser Druckreihenfolge ist von großer Bedeutung, um eine gute Haftung, eine hohe Verlässlichkeit und Stabilität der Sensorschichten während der Lebensdauer im Automobil zu erhalten.
Fährt der Kontaktnehmer während der Applikation über die nicht-leitfähigen Bereiche, wird ein sehr hoher Kontaktwiderstand als Ausfallkriterium in der Position 1° und 13° detektiert. Dieses Signal wird an die Bordelektronik gesendet, welches als Wegbegrenzung der Schleiferbahn oder als Störimpuls aufgrund eines Fehlverhaltens des Fahrers interpretiert werden kann. Nach 4 Mio. Zyklen im Temperaturbereich zwischen -40° und +85 °C liegt der Abrieb der Schichten unter 3 µm. Damit wird auch eine Verschleppung nicht-leitfähiger Partikel auf der gesamten Sensorbahn minimiert.
Unterschiedliche Schichteigenschaften sind in diesem innovativen Werkstoffkonzept kombiniert, um eine Integration in vorhandene und neue Elektronikanwendungen zu ermöglichen.
Die vorgestellte Sensorschicht mit zusätzlicher Schalterfunktion wird aufgrund eines gezielten Werkstoffdesigns auf Basis bekannter Technologien aufgebaut und erweitert somit das Angebot in der Automobilelektronik. Weitere Funktionalisierungen des Schalter-Layouts lassen sich leicht erzielen. In Zukunft könnte auch ein polymerer Feldeffekttransistor (PFET) als gedruckte Polymerelektronik realisiert werden, wenn noch weitere Schichten übereinander gedruckt werden. Vorteile sind die kostengünstigen Rohstoffe, die technisch einfache Umsetzung mittels Siebdruck und die vielfältigen Modifikationen der Lackvarianten.
Magnetschichten kennen keinen Verschleiß
Welches Potenzial die Werkstoffwahl noch bietet, zeigt ein Beispiel aus dem Bereich des Fahrwerks. So lassen sich magnetisch aktive Schichten als Linearwegsensorik für Stoßdämpfer einsetzen. Wichtigster Vorteil von Magnetschichten sind die verschleißfreien Oberflächen, weil das magnetische Feld oberhalb der Sensorschicht kontaktlos gemessen wird und keine Reibung mehr zwischen der Schicht und dem Sensor stattfindet. Dazu lassen sich magnetisch aktive Partikel in die Polymermatrix einarbeiten. Die Erhöhung der Langzeitstabilität der Sensorschichten führt somit wiederum zu mehr Zuverlässigkeit im Bereich der Fahrsicherheit und Komfort während der Applikation. Da die Edelmetallspitze zur Kontaktierung nicht mehr benötigt wird, kann ein kostenoptimiertes Produkt angeboten werden. Des Weiteren sind keine Lötstellen zur Kontaktierung an den Encoderschichten notwendig.
Bourns Sensors; Telefon: 08104/646-801; E-Mail: anneliese.naumann-treckmann@ bourns.com
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