Werkstoffdesign von magnetisch aktiven Schichten für die Linearwegsensorik

Von Dr. Oliver Senkel und Johann Jahrstorfer, Bourns Sensors GmbH, Sauerlach

Als Kernbestandteil für Sensoranwendungen im Automobil steht die Drive-by-Wire-Technik. Die mechanischen Verbindungseinheiten werden dabei durch elektrische Kabel ersetzt, die nur die Datenübertragung zwischen den verschiedenen Kontrolleinheiten ermöglichen.


Bei potenziometrischen Schaltungen wird durch Kontakt einer Edelmetallspitze auf elektrisch leitfähigen Schichten ein ohmscher Widerstand abgegriffen, der jederzeit die Position des Kontaktaufnehmers beschreibt. Die heutigen Werkstoffe für Potenziometer sind steigenden Anforderungen im Bereich Automobil, Maschinenbau und Anlagentechnik ausgesetzt. Die Lebensdauer, der Verschleiß der Sensorschicht und das Langzeitverhalten der polymeren Werkstoffe sind bei hohen Beanspruchungen begrenzt, weil der Kontaktnehmer während der Applikation immer weiter in die Schicht eindringt und den Werkstoff zerstört. Es müssen neue innovative Werkstoffkonzepte herangezogen werden.

Dieser Beitrag schildert ein Entwicklungsprojekt aus dem Hause Bourns Sensors GmbH. Als Aufgabenstellung soll das Werkstoffdesign polymerer, magnetisch aktiver Werkstoffe für den
Einsatz im Bereich der Linearwegsensorik im Mittelpunkt stehen. Es könnte beispielsweise der Einsatz in einer Stoßdämpferanwendung gesehen werden. Es werden kommerziell erhältliche Rohstoffe und einfache technische Mittel zur Realisierung des Entwicklungsziels herangezogen.


Werkstoffkonzept

Elektrisch leitfähige Schichten für potenziometrische Anwendungen setzen sich aus Kunstharzen (Polymeren, Makromolekülen), leitfähigen Partikeln und Additiven zusammen.
Die Rohstoffe werden zusammengegeben, geknetet und gewalzt. Mit Lösungsmitteln wird die notwendige Viskosität realisiert, um mit Siebdruck diesen Widerstandslack auf ein festes Trägermaterial aufzudrucken. Durch thermische Belastung vernetzen die Einbrennlacke zu einer festen Beschichtung. Im Zentrum der bisherigen 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 Hause für neue Produkte erhalten, um flexibel auf spezifische Kundenanforderungen zu reagieren. Damit ist auch von der Produktionsseite eine schnelle Einführung in die Serienfertigung leicht möglich, weil nur durch kleine Veränderungen oder geringe Optimierungen der vorhandenen Prozesstechnik die neuen Werkstoffeigenschaften berücksichtigt werden können.

Es soll der Übergang von bekannten, elektrisch leitfähigen, zu magnetischen aktiven Sensorschichten vollzogen werden. Die Polymermatrix bleibt erhalten. Nur die aktiven Füllstoffe sollen ausgetauscht werden. Der wichtigste Vorteil von Magnetschichten sind verschleißfreie Oberflächen, weil das magnetische Feld oberhalb der Sensorschicht kontaktlos gemessen wird und keine Reibung mehr zwischen der Schicht und dem Sensor stattfindet. Die Erhöhung der Langzeitstabilität von Sensorschichten führt somit zu mehr Zuverlässigkeit im Bereich Fahrsicherheit und Komfort während der Applikation. Da die Edelmetallspitze zur Kontaktierung nicht mehr benötigt wird, kann ein kostenoptimiertes Produkt angeboten werden. Des weiteren sind keine Lötstellen zur Kontaktierung an den Encoderschichten notwendig.


Ergebnisse

Der erste Schritt ist eine gezielte Auswahl von kommerziell erhältlichen Füllstoffpartikeln mit magnetischen Eigenschaften zu treffen. Die Kompatibilität der magnetisch aktiven Füllstoffpartikel mit der Polymermatrix muss stimmen, um eine ausreichende Dispergierung und Verlaufseigenschaften der Lacke zu erhalten. Die Vernetzungsreaktion der Lackrohstoffe kann leicht mit einer Thermoanalyse verfolgt und interpretiert werden. Es muss ein Füllgrad gefunden werden, der ein optimales Verhältnis von magnetischen und mechanischen Eigenschaften der Encoderschicht gewährleistet. Ein hoher Füllgrad an Magnetpartikeln in der Polymermatrix ist für eine hohe Koerzitivfeldstärke (Hystereseeigenschaft) notwendig, um die Entmagnetisierung durch externe Störfelder im Automobil auszuschließen und somit eine stabile Funktion über einen langen Anwendungszeitraum zu gewährleisten.

Als Substratmaterialien zur Bedruckung werden thermostabile Keramiken eingesetzt. Damit eine ausreichende Schichtdicke erzielt werden kann, wird mit Schablonendruck das gewünschte Layout mit dem Lack auf den festen Träger aufgerakelt und thermisch ausgehärtet. Es entsteht eine chemikalien- und feuchtigkeitsresistente Encoderschicht mit sehr guter Haftung auf dem Trägermaterial für den Einsatz in der Automobilelektronik. Die schützende Kunstharzmatrix verhindert Feuchtigkeitsaufnahme und Korrosion der Magnetpartikel.

Im nächsten Schritt muss die Sensorschicht mit wechselnder Magnetisierungsrichtung aufmagnetisiert werden. Die Encoderschichten sind dann durch eine abwechselnde entgegengesetzte Polarisierung mit einer Polbreite im Bereich von einigen Millimetern charakterisiert. Durch die parallele Anordnung zweier benachbarter Encoderstreifen wird unter Verwendung von handelsüblichen magnetoresistiven AMRSensoren die Position und Weglänge der zurückgelegten Strecke mit dem Encoderstreifen bestimmt. Es entstehen stabile Ausgangsspannungen am Sensor ohne Amplituden- oder Phasenfehler, die auf ein homogenes Magnetfeld im Werkstoff hindeuten. Die absolute Position wird durch ein zweites phasenverschobenes Referenzsignal in dem parallelen Magnetstreifen generiert. Die Quotientenbildung von Cosinus- und Sinussignal beider Encoderschichten nach dem bereits bekannten Nonius- Verfahren liefert die Absolutangabe zur linearen Wegmessung.


Ausblick

Die hier vorgestellten Magnetschichten werden aufgrund eines gezielten Werkstoffdesigns bekannter Techniken aufgebaut und ermöglichen somit, das Angebot von innovativen Sensoren kundenorientiert in der Automobilelektronik zu vergrößern. Diese werkstoffwissenschaftliche Entwicklung trägt zur technischen Weiterentwicklung der Sensortechnik bei. In Zukunft sollen noch weitere Kombinationen neuer Lackrohstoffe getestet werden. Weiterhin müssen die Prozessparameter wie Viskosität, Einbrennbedingungen und Schichtdicke für die Serienfertigung optimiert werden. Es wird eine Erweiterung der vorhandenen Technik zu komplexen Layouts für die Winkelsensorik vorgeschlagen.


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Quelle: Elisabeth Klock Verlag / pressbot.net

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06.09.2007 - 16:07 Quelle: pressbot.net | Gelesen: 366 X