Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Gedruckte kapazitive Textilsensoren für Näherungsschalter und Tastaturen

In diesem Forschungsvorhaben soll das Basiswissen für die Herstellung dünner gedruckter kapazitiver Sensoren auf textiler Basis geschaffen werden. Im einfachsten Fall besteht die Sensorfläche aus zwei niederohmigen elektrischen Kontaktflächen, zwischen denen sich ein elektrisches Feld ausbildet. Die Kapazität dieses „aufgeklappten“ Kondensators hängt von der Dielektrizitätskonstanten des Stoffes zwischen den Platten ab. Die Annäherung einer Hand, eines Fingers oder Körperteils bzw. Gegenstands oder Hindernisses führt zu einer Änderung der Dielektrizitätskonstanten und dies führt zu einer messbaren Veränderung der Kondensatorkapazität, die über einen Schwingkreis oder eine integrierte Schaltung gemessen und zu Schaltzwecken verwendet wird. Das Projekt beinhaltet die Entwicklung hochleitfähiger Tinten sowie das Drucken entsprechender Sensorflächen mittels Inkjetdruck, die Entwicklung und elektrische Verschaltung eines Elektronikmoduls und dessen Kontaktierung sowie alle notwendigen Prüfungen und die Herstellung von Demonstratoren. Durch dieses IGF-Vorhaben können neue E-Textiles für die Märkte in den Bereichen Automotive, Architektur und Innenausbau sowie in technischen Bereichen (z. B. Verbundwerkstoffe und Filtertechnik) und im Bereich intelligenter Bekleidung (z. B. gedruckte Elektrolumineszenz, „gedrucktes Licht“) als Innovation erschlossen werden. Da kleine und mittelständische Unternehmen dazu weder kapazitäts-, noch geräte- und kostenmäßig in der Lage sind, kann diese Problematik nur im Rahmen eines geförderten FuE-Vorhabens bearbeitet werden und hilft den KMU`s im Wettbewerb zu bestehen.

Ergebniszusammenfassung:

In diesem Forschungsvorhaben wurde das Basiswissen für die Herstellung gedruckter Sensoren und Schalter für Smart Textiles geschaffen. Es wurden elektrisch abgeschirmten Einelektrodensystemen und Interdigitalstrukturen entwickelt, deren Kapazitätsänderung im Bereich von 6-600 pF lag. Die Herstellung der Sensoren erfolgte durch Verdrucken elektrisch leitfähiger Pasten und Drucktinten auf Basis von Silber, Kupfer und Russ.

Die Schaltfunktion konnte mit Elektroden realisiert werden, deren ohmsche Widerstände bei weniger als 1 kOhm/sq liegen, jedoch reicht dies für Schirmelektroden nicht aus. Der Aufbau des Näherungssensors wurde mehrschichtig und vollständig isoliert ausgeführt. Für die elektrische Isolierung der Elektroden wurden Pasten und Tinten auf Basis von textilen Bindemitteln formuliert. Für die elektrische Isolierung der gedruckten Elektroden war eine Schichtdicke von >150µm Bindemittel erforderlich. Zur Erhöhung der Wasser- und Abrasionsbeständigkeit wird das Bindemittel durch Zugabe eines Crosslinkers vernetzt. Der Topcoat übersteht > 100.000 Scheuertouren nach Martindale und ist gegenüber Wasser beständig. Bedingt durch den mehrschichtigen Aufbau geht eine Zunahme der Biegesteifigkeit um bis zu 6 mNcm2 einher. Die elektrische Kontaktierung der Elektroden erfolgt durch mechanisch verankerte metallische Druckknöpfe, die zur Elektrode hin mit einem leitfähigen PU-Kleber versehen sind und eine sichere elektrische Verbindung zur elektronischen Auswerteeinheit sicherstellen. Die Auswertung der Sensorsignale erfolgt durch den integrierten Schalter TTP223-BA6 sowie mittels eines elektronischen Schwingkreises. Durch einen Impedanzwandler konnte das Sensorsignal erfolgreich abgeschirmt werden. Die Signalerfassung und Steuerung der elektronischen Komponente erfolgte über die Programmierung eines M5StackAtom Matrix Mikroprozessors. Alle elektronischen Komponenten sind miniaturisiert und beinhalten einen Schaltausgang zur Ansteuerung elektrischer Komponenten.