Sensorik
Poti mit Folie
Sensoren auf Potentiometerbasis sind in vielen Anwendungsbereichen immer noch für die Weg- und Winkelmessung das Mittel der Wahl. Schließlich lassen sich vergleichbare Messgeschwindigkeiten, Linearitätswerte, Auflösungen, Hysteresewerte und Temperaturbereiche sonst nur mit deutlich höherem Aufwand erreichen. Der Einsatzbereich potentiometrischer Lösungen könnte sich jetzt durch neue Folienpotentiometer noch einmal erweitern.
Das Know-how der Folientechnik auf die Weg- und Winkelsensorik zu übertragen haben in den letzten Jahren hauptsächlich Folientastaturhersteller unternommen. Allerdings sind auf diese Weise eher Lösungen entstanden, die der Genauigkeit von Standard-Potentiometern nicht annähernd Paroli bieten können.
Bei Novotechnik hat man sich nun dieser Thematik angenommen und gemein-sam mit einem Partner Lösungen entwickelt, die bezüglich Linearität und Lebensdauer dem bekannten Standard der herkömmlichen Potentiometer sehr nahe kommen.
Die prinzipielle Funktionsweise der linearen Folienpotentiometer der Serie »LFP« ist einfach zu verstehen (Bild 1): Sie bestehen aus einem FR4-Substrat und einer Kollektorfolie, die durch einen Abstandhalter, den Spacer, getrennt sind.
Auf dem FR4-Substrat wird die Widerstandsbahn im Siebdruckverfahren aufgebracht. Auf der gegenüberliegenden Kollektorfolie, ist eine niederohmige Kollektorbahn aufgedruckt. Diese Folie besteht aus einem FR4-Prepreg, das mechanisch sehr belastbar ist. Ein mechanischer Druck, meist durch ein einfaches Druckstück, bringt die Kollektorfolie mit der Widerstandsfolie in Kontakt. Damit ersetzen Kollektorfolie und Druckstück also das klassische Schleifersystem; man erhält auch bei der Folienlösung ein wegproportionales Ausgangssignal.
Mechanischer Aufbau
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Die beschriebene Konstruktion der Folienpotentiometer bringt in der Praxis gleich mehrere Vorteile: So erlaubt es der Aufbau mit FR4-Substraten, Standardverfahren der Potentiometertechnik einzusetzen. Durch bewährte Siebdruckmischungen lassen sich hohe Lebensdauerdaten von mehr als 25 Millionen Zyklen realisieren, das ist mehr als doppelt so viel, wie man bisher von Folienpotentiometern gewohnt ist.
Die dem Druckverfahren mit entsprechenden Schichtdicken nachfolgende Linearisierung sorgt außerdem für Linearitätswerte von typischerweise ±0,4% bei beispielsweise 50 mm Nutzlänge, beziehungsweise ±0,3% bei 500 mm (Bild 2). Damit müssen sich die neuen Folienpotentiometer hinsichtlich ihrer Genauigkeit keineswegs mehr hinter Standard-Potentiometerlösungen verstecken.
Die Folienpotentiometer sind hermetisch dicht verklebt, wodurch Schmutz, Staub, oder Feuchtigkeit nicht eindringen können. Die Anforderungen der Schutzart IP67 werden erfüllt (mit Ausnahme am Stecker). Da die Kollektorfolie aus einem sehr widerstandsfähigen FR4-Prepreg besteht und wie eine Schutzfolie über der Widerstandsschicht angebracht ist, muss man etwa bei der Montage nicht befürchten, das Sensorsystem zu beschädigen. Gleichzeitig eignet sich das Folienpotentiometer für den Einsatz unter Umgebungstemperaturen bis +125 °C.
Die heute am Markt verbreiteten Lösungen auf Basis von Polyesterfolien können auch in diesem Punkt nicht mithalten. Der Aufbau des Messsystems mit einem rigiden Substrat aus FR4 hat zudem den Vorteil, dass kleinere Unebenheiten des Untergrundes oder beispielsweise Staubteilchen keinen Einfluss auf das Messergebnis haben. Bei den heutigen, preiswerten Ausführungen mit einem Aufbau Folie auf Folie ist dies nicht der Fall: Hier können selbst kleinste Staubteilchen auf dem Untergrund zu Verwerfungen in der Folie und dadurch zu Linearitätsfehlern oder gar Kurzschlüssen führen.
Die neuen Folienpotentiometer werden in Standardlängen zwischen 50 mm und 500 mm angeboten. Neben linearen Ausführungen sind auch rotative Systeme herstellbar. Dementsprechend breit gefächert ist das Anwendungsspektrum. Ähnlich wie Schleifer-Potentiometer eignen sie sich etwa für Stellsysteme in PKW- und LKW-Sitzen, Fensterhebern, Cabrioverdecken und Spiegelsystemen, aber auch für die Positionierung von Solarpanels, Robotersystemen, Stellantrieben oder für Anwendungen in der Medizin- und Weltraumtechnik. Dass sie problemlos auch im Ex-Bereich arbeiten, dürfte ebenfalls für viele Applikationen interessant sein. Neben der hier beschriebenen Ausführung mit einem mechanischen Positionierelement kommt noch eine magnetische Variante in Betracht, bei der das Positionierelement aus einem Magneten besteht. Diese Variante wird derzeit bei Novotechnik zur Serienreife entwickelt.
Über den Autor:
Dr. Tobias Eckert ist Leiter Technologiezentrum Potentiometer bei Novotechnik, Ellen-Christine Reiff schreibt für das Redaktionsbüro Stutensee.
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