Würth Elektronik Dehnungsmessstreifen in der Leiterplatte

Per Siebdruck erzeugte Polymer-Dickschichten lassen sich auf Innenlagen drucken und in Leiterplatten einbetten. Eine besonders stressempfindliche Leitplastik-Paste ermöglicht die Herstellung von Dehnungsmessstreifen, die in Leiterplatten integriert werden können.

Die Integration gedruckter Dehnungsmessstreifen (DMS) in die Leiterplatte ermöglicht es, Biegebalken direkt aus dem Basismaterial auszuführen, das auch als Schaltungsträger für die Auswerteelektronik dient. Die geschützte Sensor-Anordnung in der Leiterplatte erhöht die Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen, z.B. Temperatur oder Feuchtigkeit. Der entscheidende Schritt zu dieser Integration in die Leiterplatte gelang Würth Elektronik (www.we-online.de) mit dem Entwickeln neuer leitfähiger Polymere und anderer Polymere mit gezielten elektrischen Eigenschaften. Das Aufdrucken und Einbetten passiver Bauelemente und Sensoren in Leiterplatten spart Platz, Volumen und senkt außerdem die Gesamtkosten.

Übliche Dehnungsmessstreifen werden in Brückenschaltung auf metallische Biegebalken geklebt. Sie geben ein Signal ab, das dem proportionalen Wert der auf den Biegebalken wirkenden Kraft entspricht – mit einer Empfindlichkeit von 1 bis 4 mV/V. Dieses Signal muss um den Faktor 250 bis 1000 verstärkt werden, um es auswerten zu können. Eine derart hohe Verstärkung führt jedoch dazu, dass die Anordnung empfindlich auf Drift und elektromagnetische Störungen reagiert. Beim Leiterplatten-Biegebalken – z.B. eine aus dem Basismaterial gefräste Zunge – mit gedruckten Polymer-DMS (siehe auch Dietrich, F.: Sensor-Elemente in Leiterplatten. Elektronik automotive 2008, H. 5, S. 30) werden die DMS-Elemente gegenüberliegend angeordnet, so dass eine Polymerschicht gedehnt und die andere gestaucht wird. Das so gewonnene Signal ist rund 50 Mal höher als bei herkömmlichen DMS, wodurch in vielen Fällen auf eine Signalverstärkung verzichtet werden kann. Diese Sensor-Bauart kann auch als Kurzwegaufnehmer oder zusammen mit einer Membran als Drucksensor eingesetzt werden. Ebenso ist es möglich, mit diesem Leiterplattenelement einfache Endschalter kostengünstig und störungsfreier zu ersetzen.

Diese Sensor-Integration in die Leiterplatte hat nun die ersten Praxistests bestanden und erhielt bereits die Serienfreigabe. Ein typisches Anwendungsfeld sind Sensoren für Warenwirtschaftssysteme, zur Belegungserkennung in Regalfächern, um zu wissen, ob und wie viele Einheiten noch im Regal sind. Die von Würth Elektronik hergestellte Leiterplatte mit integriertem Biegebalken ermöglicht eine komfortable und preisgünstig herstellbare Sensorik, die sich individuell und universell anpassen lässt – je nachdem, mit wie vielen Einheiten man die Regale belegen will. Im Test konnte ein solches Sensor-Element ein „Leer“-Signal an den Steuerrechner senden, sobald die es belastende Masse kleiner als 5,6 g war.