Integration passiver Bauelemente und Sensoren
Biegebalken als Sensoren #####
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Frank Dietrich
Im Unterschied zu den Biegebalken mit DMS, wo die Krafteinleitung üblicherweise zu Verformungen im Mikrometerbereich führt, liegen die Verformungen an Biegebalken auf FR4-Basis im Millimeterbereich. Dies ermöglicht die Verwendung als Kurzwegaufnehmer. Der Sensor ist wie ein Potentiometer als passive Komponente bereits verwendbar (Bild 5). Das Sensorprinzip benötigt im Vergleich zum Potentiometer keinen bewegten Schleifkontakt. Die Strukturierung von vier »FR4-Zungen« erlaubt den einfachen Aufbau eines x-y-Joysticks. Kurzwegaufnehmer mit integriertem Federelement können Tastschalter zu sensiblen Tastern machen, bei dem der Bediener über Weg und Gegenkraft im Mensch-Maschine-Regelkreis besser eingebunden wird. (mc)
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Bei potentiometrischen Weg- und Winkelsensoren in Leitpolymertechnik handelt es sich bezogen auf Stückzahlen immer noch um die am häufigsten angewendeten Lösungen für Weg- und Winkelmessung. Bei solchen Sensoren genügt es, die Interaktion zwischen dem dynamischen Kontaktschleifer und der Leitpolymerschicht zu beherrschen, dann handelt es sich um ein extrem einfach aufgebautes passives Bauteil mit fast unschlagbaren Features. So sind nur zwei Komponenten zur Signaltransformation nötig, nämlich die auf die Leiterplatte siebgedruckte Potentiometer- und Kollektorbahn sowie Schleifer. Die Signalverstärkung ist 1, das bedeutet, dass kein Verstärker nötig ist, um das Ausgangssignal im Bereich von 0% bis 100% auszugeben. Außerdem ist es ein rein passives System ohne EMV-Probleme. Weitgehend von der Versorgungsspannung unabhängig ist das ratiometrische System, der Temperaturkoeffizient des Ausgangssignals (Spannungsteiler) liegt unter 15 ppm/K. Bei entsprechendem Substratmaterial (Polyimid) sind Umgebungstemperaturen bis +180 °C erlaubt, bei richtiger tribologischer Paarung Schleifer-Polymerschicht arbeiten quasi verschleißfreie Gleitpartner.
Als Beispiel sei ein Höhenstandssensor (Abstand Rad-Chassis) für Range Rover und Cadillac angeführt (Bild 1). Das Bauteil soll 200 Millionen Lebensdauerzyklen bei einer Genauigkeit von 0,5% durchstehen, bei Temperaturen bis +170 °C und Schwingungen und Stößen bis 40 g. Bei einer jährlichen Menge von 1,5 Millionen Stück ergab sich eine Feldausfallrate von 15 ppm/Jahr.
Insbesondere bei der Mensch-Maschine-Schnittstelle kommen Potentiometer entweder als analoge Sollwertgeber oder auch als Encoder (Inkrementalgeber) zum Einsatz. Hier bietet sich eine in die Leiterplatte integrierte Lösung an. Voraussetzungen für die Polymerschichten sind Robustheit gegen Reflowlöten und gegen Hot-Air-Levelling. Sind diese Anforderungen erfüllt, dann kann der Potentiometerdruck direkt auf die Leiterplatte erfolgen. Ein herkömmliches, auf die Leiterplatte lötbares Potentiometer besteht im Durchschnitt aus fünf bis sieben Einzelteilen. Dient die Leiterplatte als ein Element des Potentiometers, bleiben nur noch drei Teile (Bild 2). Da die Leitpolymerschicht beinah verschleißfrei ist, kann sie auch als Gleitlager dienen, um die axiale Abstützung zu erhalten. Dies hilft, robuste Toleranzen zu realisieren und Bauteile einzusparen.
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