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Biegebalken als Kraftindikator und Kurzwegaufnehmer - Polyscope

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SENSORIK
SENSOR AUF DEM BOARD
www.polyscope.ch
Der Biegebalken kann Kurzweg- und Drucksensoren ersetzen
Intelligente Leitpolymere
Biegebalken als Kraftindikator
und Kurzwegaufnehmer
Der Leiterplattenspezialist Würth Elektronik integriert den Biegebalken als Sensor
in die Leiterplatte und öffnet PCB (Printed Circuit Boards) industrielle
Anwendungsfelder wie zum Beispiel Warenwirtschafts- und Erkennungssysteme.
Möglich wurde die technische Innovation
durch die hauseigenen Leitpolymere, also
Pasten für polymere Dickschichten, mit denen sich die notwendige Applikationsintelligenz auf die speziell dafür strukturierte Platine packen lässt. Die Pionierlösung aus einer
Hand zeichnet sich durch ein hohes Lösungspotenzial aus und eignet sich für zahlreiche
neue kundenspezifische Applikationen wie
etwa Belegungs- und Erkennungssysteme in
Warenwirtschaftssystemen.
Während bisherige Biegebalken auf einfache Funktionen wie etwa reine Kraftmessung beschränkt waren, hat Würth Elektronik die ehemals limitierte Technik komplett
erneuert und ausgeweitet. Mit den auf das
Basismaterial aufgedruckten Dehnungsmessstreifen (DMS) und der Integration von
Sensor und Elektronik auf der Leiterplatte
überwinden die Biegebalken die Schwächen
herkömmlicher kapazitiver Sensoren für Belegungssysteme, wie etwa mangelnde Robust-
heit gegenüber Umwelteinflüssen. Daher bietet sich der Biegebalken mit Polymer-DMS zur
Anwendung bei besonderen Anforderungen
hinsichtlich Temperatur, Feuchtigkeit und Industrieatmosphäre wegen seiner Robustheit
besonders an.
Diese Biegebalken, die in jede Leiterplatte (DK, ML, HDI, starrflex) integrierbar sind,
werden allgemein als Kurzwegaufnehmer
und Kraftindikatoren genutzt und ermöglichen so auch integrierte Drucksensoren. Die
besondere Technik, den Polymer-Hybrid als
siebgedruckte, passive Komponente in PCBZwischenlagen einzubetten, erlaubt eine
hohe Packungsdichte bei zuverlässigen Anbindungen an die Leiterbahnen.
Polymer-Dickschicht-Systeme für
individuelle Kundenlösungen
Der entscheidende Schritt zu dieser weiteren Integrationsstufe ist die bei Würth Elektronik entwickelte und geheime Leitplastik-
paste. Erst durch den Einsatz von neuartigen
Leitpolymeren und anderen Polymeren mit
gezielten elektrischen Merkmalen ist es gelungen, passive Bauelemente auf die Leiterplatte aufzudrucken und Sensoren in die
Leiterplatte zu integrieren. Diese Technik ermöglicht die Entwicklung individueller Kundenlösungen, die u. a. Platz und Volumen
sowie Fertigungsaufwendungen deutlich reduzieren können. Der Entwicklungs- und
Kostenaufwand sinkt bei gleichzeitig verbesserter Robustheit der Endanwendung.
Frank Dietrich, Leiter FLATcomp Systeme
bei Würth Elektronik und Entwickler der speziellen «smart conductive»-Polymer-Paste, betont: «Der Kunde erhält nicht die Paste in dem
Sinne, sondern die ausgehärtete Dickschicht,
weshalb wir richtigerweise von Dickfilmen
oder PTF (Polymere Thick Film) sprechen.
Wir gehen vermehrt auf diese Dickschichtvariante, weil hier eine grosse Vielfalt an Widerständen besteht, und werden zukünftig viele
Polyscope 10/09
SENSOR AUF DEM BOARD
SENSORIK
DigitalspeicherOszilloskope
Serie TDS1000B & TDS2000B
Peter Tiefenbach,
Leiter Polymertechnologie FLATcomp, und
Frank Dietrich, Leiter
FLATcomp Systeme
bei Würth Elektronik
(rechts)
passive Komponenten auf die Leiterplatte
siebdrucken.»
Beim Polymer-DMS erzeugt die Dickschicht einen besonders stressempfindlichen
Dickschichtwiderstand, wodurch Ausgangssignale erreicht werden, die fünfzigmal höher
liegen als die Signale eines konventionellen
DMS und deshalb nur noch einer geringen Verstärkung bedürfen. Damit generiert
Würth Elektronik einen Dickschicht-DMS
auf der Leiterplatte, sodass sich Sensor und
Auswerteelektronik auf engstem Raum in die
mechanisch strukturierte Leiterplatte integrieren lassen.
Die Vorteile dieser Integration übertreffen
alle anderen bisherigen Herangehensweisen,
den Sensorbereich zu verbessern: Der Designer geniesst hohe konstruktive Freiheit und
hat kürzere Entwicklungszeiten; der Sensor
ist nahe der Auswerteelektronik platziert;
die Leiterplatte kann mehrere Funktionen
gleichzeitig übernehmen; die Lösung besitzt
Firmenprofil
Die Würth Elektronik Unternehmensgruppe ist
eine selbstständige Tochter der Würth-Gruppe und
Hersteller von Leiterplatten, passiven und elektromechanischen Bauteilen sowie elektronischen
Baugruppen in Einpresstechnik. Neben eigenen
F&E-Anstrengungen ist Würth Elektronik auch in
zahlreichen externen Forschungsgemeinschaften
wie etwa KRAFAS oder TIPS aktiv. Mit Würth Solar
reiht sich darüber hinaus der Grossserienhersteller
von CIS-Photovoltaikmodulen und Anbieter kompletter Solarstromsysteme in die Unternehmensgruppe ein. Würth Elektronik ist international tätig
und beschäftigt rund 6000 Mitarbeiter.
Polyscope 10/09
hohe Zuverlässigkeit und erfordert geringere
Startkosten.
Die Integration voranzutreiben lohnt sich
hier besonders. Denn über 80 Prozent aller
Bauteile sind passive Bauteile, die mehr als
35 Prozent der verfügbaren Fläche und über
25 Prozent aller Lötstellen beanspruchen. Mit
der Reduzierung der Lötstellenanzahl verbessern sich die Zuverlässigkeit und Robustheit
der Produkte.
Dickschicht-DMS mit Biegebalken
brauchen keine Verstärkung
Dehnungsmessstreifen werden normalerweise
auf metallische Biegebalken geklebt. Gestaltet
als Wheatstone´sche Brücke erhält man ein
Signal, das dem proportionalen Wert der auf
den Biegebalken wirkenden Kraft entspricht.
Bei den sich auf dem Markt befindenden
DMS erhält man Werte zwischen 1 mV/V und
4 mV/V. Das bedeutet in der Praxis, dass das
Signal 250- bis 1000-mal verstärkt werden
muss, um genutzt werden zu können. Zusätzlich zieht eine hohe Verstärkung Nebeneffekte
wie Driften und EMV-Störungen nach sich.
Hingegen beim zum Patent angemeldeten
gedruckten Polymer-DMS mit strukturierter
Leiterplatte nutzt man die TK-Kompensation der Wheatstone´schen Brücke und die
Paarung FR4 zum Leitpolymer. Das dadurch
gewonnene Signal ist rund fünfzigmal höher
als beim herkömmlichen DMS. Daraus folgt,
dass nur noch eine geringe Verstärkung notwendig ist. In vielen Fällen kann auf die Signalverstärkung ganz verzichtet werden, was
Kosteneinsparung, höhere Zuverlässigkeit
und Reduzierung der Störgrössen bedeutet.
Wie bei einem gedruckten Widerstand
Leistungsmerkmale
P
Bandbreite von 40 MHz, 60 MHz,
100 MHz und 200 MHz
P
Echtzeit-Abtastrate bis zu 2 GS/s
P
2 oder 4 Kanäle
P
Bequem austauschbare Datenträger dank der USB-Schnittstelle
an der Vorderseite
P
Nahtlose Computeranbindung
über die USB-Geräteschnittstelle mit Hilfe der PC-Software
NI SignalExpress®
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FFT-Standard bei allen Modellen
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SENSORIK
SENSOR AUF DEM BOARD
wird die Anwendung robuster. Diese Art Sensor kann auch als Kurzwegaufnehmer oder
zusammen mit einer Membrane als Drucksensor eingesetzt werden. Ebenso ist es möglich, mit diesem Leiterplattenelement einfache
Endschalter kostengünstig und störungsfreier
zu ersetzen.
Peter Tiefenbach, Leiter Polymertechnologie FLATcomp bei Würth Elektronik, sagt:
«Die Leiterplatte wird zum Sensor und übernimmt Funktionen. Das ist der wesentliche
Unterschied: Die Leiterplatte wird nicht mehr
nur als Träger elektronischer Komponenten
oder als Verbindungselement genutzt; vielmehr wird sie heute als wertvolles System
begriffen, das zusätzliche Aufgaben übernehmen kann.»
Anwendung der Biegebalkentechnik
für Belegsysteme
Die Integration der beschriebenen neuen
Aufgaben in die Leiterplatte hat die ersten Praxistests bestanden. Felderprobungen
und Serienfreigaben für kundenspezifische
Lösungen erfolgten bereits. Ein typisches Anwendungsfeld sind Belegsysteme für Warenwirtschaftssysteme in jedwedem Umfeld. Im
Falle von hochfrequentierten Regalen in Kaufhäusern, die mehrmals am Tag umgeschlagen
werden, ist es wichtig zu wissen, wann und
wie viele Einheiten noch im Regal sind. Mit
den Platinen inklusive sensorischem Biegebalken liefert Würth Elektronik eine komfortable und preisgünstig herstellbare Lösung
mit individuellen und universellen Gestaltungsmöglichkeiten, je nachdem mit wie vielen Einheiten man etwa die Regale belegen
will. Diese Grundidee ist zwar nicht neu,
scheiterte aber bisher an einer zuverlässigen
und noch dazu bezahlbaren Sensorik.
Ein Kunde testete ein System von Würth
Elektronik, bei dem der Sensor bereits ab 5,6
Gramm ein Signal an einen Zentralrechner
mit der Quasi-Botschaft «ich bin leer» schickt.
Wo Mitarbeiter früher die vielen langen Regale abliefen, überprüften und nachfüllten,
erhalten sie jetzt mit der Systemlösung von
Würth Elektronik eine knappe elektronische
Meldung.
Kapazitive Systeme geben gegenüber diesen quantitativen Angaben nur die Aussagen
«voll» oder «leer» bzw. «ja/nein». Und in einem
feuchten Umfeld, etwa einem Getränkeautomaten oder Kühlschrank, würden sie aus
physikalischen und anderen Gründen nicht
zuverlässig funktionieren.
Beim Biegebalken macht man sich die Funktionsweise der Wheatstone´schen Brücke zunutze
Problemlösung dank verbindlicher
Kundennähe
Bisher ist die Technologie fast nur Insidern
bekannt und wartet trotz der Vorteile auf den
Durchbruch. Tiefenbach sagt dazu: «Viele
Kunden sind ja erst einmal noch gar nicht
über die technischen Möglichkeiten informiert, schätzen die eigenen Problematiken
falsch ein, wollen sie von uns mit obsoleten
Techniken gelöst haben oder fragen gar ein
Produkt nach, das nicht ihre tatsächliche Fragestellung beantwortet. Dank unserer Lösungskompetenz und Kundennähe sehen wir
die tatsächliche Problematik und erarbeiten
eine Lösung, die der Kunde oft vorher nicht
für möglich hielt.»
Besondere Wettbewerbsvorteile geniesst
Würth Elektronik beim Entwickeln der kundenspezifischen Systeme nicht nur wegen
der intelligenten Pasten, die den grossen Unterschied machen, sondern auch, weil man
auf die Infrastruktur mit moderner Maschinenausstattung zurückgreifen und Komplettlösungen nahe am Kunden entwickeln und
liefern kann.
«
Die Leiterplatte fährt in den Trocknungs- oder
Einbrennprozess ein, um die Paste auszuhärten
Infoservice
Würth Elektronik GmbH & Co. KG
Salzstrasse 21, DE-74676 Niedernhall
Tel. 0049 7940 946 0, Fax 0049 7940 946 400
info@we-online.de, www.we-online.de
Polyscope 10/09
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Bereiche für Gas oder Flüssigkeit von 100 mg/h bis 30 kg/h
Sehr kleine kompakte Bauform (Einbaulänge wie MFC)
Sehr schnelle und stabile Regelung mit integrierter Pumpe/Ventil
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Kraftmessbolzen ATB-Z
– Messbereich von 1 bis 1000 KN
– Wiederholgenauigkeit < 0,5 %
– Schutzklassen IP 54 oder IP 67
– Temperaturbereich bis 120 °C möglich
Polyscope 10/09
Sicherheitslichtgitter
MS2800 & MS4800
Der Schlüssel zur einfachen
Maschinensicherheit
Die neuen All-In-One-Sicherheitslichtgitter MS2800 und
MS4800 sind außergewöhnlich einfach auszuwählen,
anzubringen und einzurichten. Darüber hinaus sparen
sie Kosten bei der Entwicklung, Lagerhaltung und
Wartung und das bei praktisch allen Anwendungen,
die eine Berührungslose Schutzeinrichtung erfordern.
Omron Electronics AG
Sennweidstr. 44, 6312 Steinhausen
Tel: +41 (0) 41 7481313 info.ch@eu.omron.com
www.industrial.omron.ch
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