Werkstoff entwicklung von Sensorschichten mit zusätzlicher Schalterfunktion für Drive-by-Wire Anwend

Drive-by-Wire-Anwendungen werden seit vielen Jahren als bewährte und zuverlässige Lösungen eingesetzt. Dabei handelt es sich um Steuerungssysteme ohne mechanische Verbindung zwischen den Bedienelementen und den Antriebssystemen. Die mechanischen Verbindungseinheiten werden dabei durch elektrische Kabel ersetzt, die nur die Datenübertragung zwischen den verschiedenen Kontrolleinheiten ermöglichen. Dieser Beitrag beschreibt ein Entwicklungsprojekt der Bourns Sensors GmbH auf dem Gebiet Werkstoffdesign von Sensorschichten für Gaspedalanwendungen.

(firmenpresse) - Mit Drive-by-Wire wird mehr Zuverlässigkeit im Bereich Fahrsicherheit und Komfort während der Applikation gewährleistet, weil der Verschleiß mechanischer Elemente deutlich reduziert ist. Es werden hauptsächlich potenziometrische Schaltungen verwendet, bei denen durch Kontakt einer Edelmetallspitze auf elektrisch leitfähigen Schichten ein ohmscher Widerstand abgegriffen wird, der jederzeit die Position des Kontaktaufnehmers beschreibt. Neben der Drosselklappe wird das Gaspedal als ein wesentlicher Bestandteil der Weg-/Winkelsensorik im modernen Motormanagement angesehen.

Werkstoff konzept

Elektrisch leitfähige Schichten für potenziometrische Anwendungen setzen sich aus Kunstharzen (Polymeren, Makromolekülen), leitfähigen Partikeln (Ruße, Kohlenstoffpulver) und Additiven zusammen. Die Rohstoffe werden vermischt, geknetet und gewalzt. Mit Lösungsmitteln kann die notwendige Viskosität eingestellt werden, um mit Siebdruck diesen Widerstandslack auf ein festes Trägermaterial aufzudrucken. Durch thermische Belastung vernetzen die Einbrennlacke zu einer festen Beschichtung. Im Zentrum der Entwicklung steht die Strategie, die bewährte Lack- und Bedruckungstechnik weiterhin einzusetzen und nur durch gezielte Rohstoffveränderungen die neuen technischen Anforderungen zu erfüllen. Damit bleibt die Wertschöpfung innovativer Werkstoffentwicklung im eigenen Unternehmen für neue Produkte erhalten, um fl exibel auf spezifi sche Kundenanforderungen reagieren zu können und eine schnelle Einführung in der Produktion für die Serienfertigung sicherzustellen. In diesem Projekt soll die bereits bekannte Sensorschicht für Gaspedalanwendung mit einer zusätzlichen Schalterfunktion erweitert werden. Durch einen Austausch der leitfähigen Komponenten durch nicht-leitfähige Füllstoffe wird ein weiterer Lack für eine zusätzliche Bedruckung aufgebaut. Eine Kombination von elektrisch leitfähigen und nicht-leitfähigen Bereichen auf der Sensoroberf läche war somit das neue Entwicklungsziel.



Ergebnisse Der erste Schritt bestand darin, eine gezielte Auswahl von kommerziell erhältlichen Füllstoffpartikeln mit nicht-leitfähigen Eigenschaften zu treffen. Die Kompatibilität dieser Füllstoffpartikel mit der Polymermatrix muss stimmen, um eine ausreichende Dispergierung und Verlaufseigenschaften der Lacke zu erhalten. Dabei zeigen Oxidmaterialien die besten Eigenschaften. Die Vernetzungsreaktion der Lackrohstoffe kann leicht mit Thermoanalyse verfolgt und interpretiert werden. Es muss ein Füllgrad gefunden werden, der ein optimales Verhältnis von leitfähigen zu nicht-leitfähigen Eigenschaften der Sensorschicht gewährleistet. Dabei stellen die rheologischen Eigenschaften der unterschiedlichen
Lacke ein wichtiges Kriterium für die Bedruckbarkeit dar.

Nur sehr geringer Abrieb

Es gibt einen Prototyp, der neben schwarzen, leitfähigen Bereichen als ersten Bedruckungsvorgang auch zwei helle, nicht-leitfähige Bereiche aufweist, die als zusätzlicher Druckschritt aufgetragen sind. Die thermische Behandlung dieser Druckreihenfolge ist von großer Bedeutung, um eine gute Haftung, eine hohe Verlässlichkeit und Stabilität der Sensorschichten während der Lebensdauer im Automobil zu erhalten. Wenn der Kontaktnehmer während der Applikation über die nicht-leitfähigen Bereiche fährt, wird ein sehr hoher Kontaktwiderstand als Ausfallkriterium in der Position 1 Grad und 13 Grad detektiert. Dieses Signal wird an die Bordelektronik gesendet, welches als Wegbegrenzung der Schleiferbahn oder als Störimpuls aufgrund eines Fehlverhaltens des Fahrers interpretiert werden kann. Nach vier Millionen Zyklen im Temperaturbereich zwischen -40 und +85 Grad Celsius wird nur ein Abrieb der Schichten kleiner als drei Mikrometer erhalten. Damit wird auch eine Verschleppung nicht-leitfähiger Partikel auf der gesamten Sensorbahn minimiert. Unterschiedliche Schichteigenschaften sind in diesem innovativen Werkstoffkonzept kombiniert, um eine Integration in vorhandene und neue Elektronikanwendungen zu ermöglichen.

Ausblick

Die hier vorgestellte Sensorschicht mit zusätzlicher Schalterfunktion wird aufgrund eines gezielten Werkstoffdesigns bekannter Technologien aufgebaut und erweitert somit das Angebot in der Automobilelektronik. Weitere Funktionalisierungen des Schalter-Layouts lassen sich leicht erzielen. In Zukunft könnte auch ein polymerer Feldeffekttransistor PFET als gedruckte Polymerelektronik realisiert werden, wenn noch weitere Schichten übereinander gedruckt werden. Als Vorteile werden die kostengünstigen Rohstoffe, die technisch einfache Umsetzung mit Siebdruck und die vielfältigen Modifi kationen der Lackvarianten gesehen.Unternehmensinformation / Kurzprofil:
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Datum: 10.03.2008 - 21:14 Uhr
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