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Leiterplattendesign

Kapazitive Sensoren auf PCB – hohe Auflösung zu geringen Kosten

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Drahtlos auslesbarer Low-Cost-Montagesensor

Der Montagesensor, eine Entwicklung in Kooperation mit A. Raymond, ist ein kapazitiver Low-Cost-Sensor, mit dem der Montagezustand von fluidischen Schnellkupplungen in vormontierten Kraftstofftanks drahtlos ausgelesen werden soll. Dazu ist der Sensor, wie in Abbildung 6 zu sehen, als Resonanzschwingkreis mit variabler Kapazität ausgeformt. Der Montagezustand (Kupplung geöffnet oder geschlossen) wird dabei auf die Resonanzfrequenz des Sensors abgebildet, die von einem Lesesystem außerhalb des Kraftstofftanks im Frequenzbereich von 7,4 bis 8,8 MHz drahtlos erfasst und ausgewertet wird. Das erlaubt es den Herstellern erstmalig, geprüfte und während des Montageprozesses online dokumentierte Kraftstofftanks auszuliefern – ein Novum in diesem Bereich.

Abbildung 6: Low-Cost-Montagesensor mit drahtloser Sensorsignalerfassung
Abbildung 6: Low-Cost-Montagesensor mit drahtloser Sensorsignalerfassung
(Bild: HSG-IMAT)
Der hier gezeigte Sensordemonstrator, der ohne zusätzliche aktive oder passive Bauteile und ohne eigene Energieversorgung auskommt, wurde für den Funktionsnachweis unter Verwendung der im Haus vorhandenen MID-Technik entwickelt und später in Leiterplattentechnik abgebildet. Aktuell erfolgt eine Weiterentwicklung der Herstellungstechnologie des Sensors hin zu einem folienbasierten Aufbau.

In ersten Voruntersuchungen wurden dazu am HSG-IMAT unter Verwendung der Heißprägetechnik doppelseitig heißgeprägte Strukturen aus Kupferfolie auf Kunststofffoliensubstrate aufgebracht. Mittels Widerstandsschweißen wurde eine Durchkontaktierung beider Layoutseiten realisiert. Diese Technologie hat das Potenzial, LC-Schwingkreise hoher Güte und damit Montagesensoren mit Einmalfunktion zu günstigen Kosten in kleinen und großen Stückzahlen bei gleichzeitig hoher Reproduzierbarkeit herzustellen. Neben dem Sensor selbst wurden am HSG-IMAT Lesesysteme entwickelt, die es erlauben, den Montagezustand der Sensoren an der fluidischen Schnellkupplung durch die Wand des Kraftstofftanks hindurch auszulesen.

Weitere kapazitive Sensortypen

Neben den gezeigten Beispielen werden am HSG-IMAT weitere Konzepte für leiterplattenbasierte kapazitive Sensoren verfolgt. So gibt es Aktivitäten im Bereich Drehmoment- und Drehwinkel-, Kraft- oder Touch-Sensorik. Leiterplattentechnik ist dabei nur eine der verwendeten Technologien. Darüber hinaus stehen MID- und Drucktechniken im Institut zur Verfügung.

Mit seiner langjähriger Erfahrung im Bereich kapazitiver Sensorik sowie einem breiten Spektrum an Sensoren und Sensorkonzepten bietet HSG-IMAT die Möglichkeit, auf Wünsche bei der Entwicklung kundenspezifischer, kapazitiver Sensoren individuell zu reagieren. Für die verschiedenen Sensorkonzepte werden kontinuierlich neueste am Markt erhältliche Ausleseelektroniken und Schaltkreise evaluiert, um die jeweils optimale Lösung für jeden Sensor zum Einsatz bringen zu können.

Der Sensorentwicklung schließt sich konsequenterweise die Charakterisierung der Zuverlässigkeit an. Dazu stehen am HSG-IMAT verschiedene Möglichkeiten für Lebensdauer- und Zuverlässigkeitsuntersuchungen zur Verfügung:

  • Wärme-Feuchte-Lagerung, auch in Kombination mit Vibrationstest,
  • Temperatur-Schock-Prüfung,
  • Vibrationstests (Shaker),
  • CT-Röntgentomograph,
  • REM.

Begleitend dazu werden abhängig vom jeweiligen Sensor Kompensations- und Linearisierungsalgorithmen entwickelt, um die maximale Leistungsfähigkeit der Sensoren beispielsweise über Temperatur zu erzielen. So entstehen leiterplattenbasierte kapazitive Sensoren mit hoher Auflösung zu geringen Kosten.

Gern entwickeln wir zusammen mit Ihnen oder in Ihrem Auftrag Ihre Ideen oder eines unserer Sensorkonzepte weiter, um den von Ihnen gestellten Anforderungen gerecht zu werden. Sprechen Sie uns einfach an.

* André Bülau ist Leiter der Gruppe Sensoren + Aktoren am Institut für Mikroaufbautechnik der Hahn-Schickard-Gesellschaft (HSG-IMAT).

* Adrian Schwenck ist wissenschaftlicher Mitarbeiter und Themenverantwortlicher für die kapazitive Sensorik der Gruppe Sensoren + Aktoren am HSG-IMAT.

* Prof. Dr. Heinz Kück ist Leiter des HSG-IMAT und des Instituts für Mikrointegration (IFM) der Universität Stuttgart.

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