Integration passiver Bauelemente und Sensoren Biegebalken als Sensoren #####

Im Vergleich zu Sensoren, die sich Verfahren wie ASICs auf Siliziumbasis oder Hybridschaltungen auf Keramiksubstraten mit Cermet-Dickschicht bedienen, sind Dickschichtschaltungen auf Leiterplatten...

Integration passiver Bauelemente und Sensoren

Im Vergleich zu Sensoren, die sich Verfahren wie ASICs auf Siliziumbasis oder Hybridschaltungen auf Keramiksubstraten mit Cermet-Dickschicht bedienen, sind Dickschichtschaltungen auf Leiterplatten mittels Leitpolymeren erst am Anfang. Ihnen zugrunde liegen die Erfahrungen mit seriengefertigten eingebetteten Widerständen. Die Möglichkeit, siebgedruckte, passive Komponenten, etwa Biegebalken, in PCB-Zwischenlagen einzubetten, erlaubt eine hohe Packungsdichte bei zuverlässigen Anbindungen an die Leiterbahnen.

Die besonderen Eigenschaften von Leitpolymerschichten mit integrierter Schmierung erlauben es, beinah verschleißfreie potentiometrische Weg- und Winkelaufnehmer zu realisieren. Leitpolymerschichten mit hohem Eichfaktor sind in strukturierten Leiterplatten als Biegebalken mit aufgedruckten Dehnungsmessstreifen verfügbar. Diese erfüllen weit mehr als nur Kraftmessungen. Zuverlässige eingebettete passive Bauelemente komplettieren den Polymer-Hybrid-Sensor. Prinzipiell ist ein elektronischer Sensor eine Einheit, die ein beliebiges physikalisches Signal in ein elektrisches Signal umwandelt. Ein Sensor besteht aus einer Kopplungseinheit mit dem zu messenden Objekt, einer Transformationseinheit, die das Signal umwandelt, und einer Auswerteeinheit, die das Signal zur Weiterverarbeitung normiert. Die jüngsten Entwicklungen, Sensoren zuverlässiger, kostengünstiger und kleiner zu bauen, zeigten folgende Ansätze:

  • Häufigste Lösung: Diskreter Aufbau des Sensors als elektromechanisches Bauteil, über Stecker und Kabel verbunden mit der Auswerte- und Steuerelektronik. Vorteile sind die volle konstruktive Freiheit und die Nähe des Sensors zum Messobjekt. Nachteile sind die hohe Zahl an elektrischen Verbindungsstellen und die hohen Kosten.
  • Sensor mit Hybridschaltung auf Keramikträger. Vorteile: hohe Zuverlässigkeit, Widerstände lassen sich in Dickschichttechnik mit Laserabgleich realisieren. Nachteile: Dickschichttechnik-Prozesse sind zeit- und energieaufwändig, dadurch hohe Prozesskosten; Keramiksubstrat benötigt besonderes Handling.
  • Sensor-ASIC mit Anbindungselektronik. Vorteile: niedrige Stückpreise, hohe Zuverlässigkeit, geringer Platzbedarf. Nachteile: hohe Einmalkosten, lange Entwicklungszeiten, Änderungen und Nachbesserungen sind schwierig.
  • Sensor und Elektronik in die Leiterplatte integriert. Vorteile: hohe konstruktive Freiheit, Sensor nahe an der Auswerteelektronik, Leiterplatte übernimmt mehrere Funktionen gleichzeitig, kurze Entwicklungszeit, hohe Zuverlässigkeit, geringe Startkosten. Nachteil: Die Auswahl der möglichen Lieferanten ist klein.

Dickschicht-DMS mit Biegebalken

Dehnungsmessstreifen (DMS) werden normalerweise auf metallische Biegebalken geklebt. Geschaltet als Wheatstonesche Brücke erhält man ein der auf dem Biegebalken aufgebrachten Kraft proportionales Signal, angegeben in mV/V bei Nominalkraft. Die auf dem Markt befindlichen Werte liegen zwischen 1 mV/V und 4 mV/V. Das bedeutet, um ein 100%-Signal zu erhalten, benötigt man eine 250- bis 1000-fache Verstärkung. Hohe Verstärkungen verlangen mehr Aufwand mit kleinsten Offset-Driften und haben auch höhere Anforderungen an die EMV. Soll eine strukturierte Leiterplatte zum Einsatz kommen, so wird ein Teil der Leiterplatte aus definiertem FR4 durch Freifräsen zum Biegebalken strukturiert (Bild 3). Mittels Finite-Elemente-Analyse werden die Zonen der größten Belastung für den Widerstandsdruck auf der Oberseite und Unterseite (symmetrischer Aufbau sichert kleinen TK des Signals) definiert (Bild 4). Auf diese Weise lassen sich TKWerte für den Offset von unter 100 ppm/K erreichen. Der TK der Empfindlichkeit liegt unter 30 ppm/K.