Cluster Mikrosystemtechnik
Für e-textiles Anwendungen wie z.B. für Heizflächen, zur Vitaldatenerfassung, zum Ergonomiemonitoring, Beleuchtungen oder für innovative Bedienkonzepte sind textilintegrierte Sensoren und textilkonforme elektronische Bauteile essentiell. Daraus entstehen große Anforderungen bzgl. Tragekomfort, Waschbarkeit, Designfreiheit, Signalstabilität und kostengünstiger Herstellprozesse.
Silicon bietet eine hohe Dehnbarkeit, extrem hohe chemische und mechanische Robustheit und ist damit ideal geeignet zur Integration in dehnbare Textilien. Druck-/Dehnungssensoren, Heizflächen oder Elektroden, die am Fraunhofer ISC hergestellt wurden, lassen sich mittels etablierten Textil-Drucktechniken oder mit Klebeverfahren in unterschiedlichste Bekleidungen und technische Textilien einarbeiten.
Antennen und Signalleitungen in Textilien lassen sich durch Stick- und Stricktechniken realisieren. Schwieriger wird die Verbindung zwischen elektronischen Baugruppen. Konventionelle Kontaktierungsmethoden für e-textiles wie Druckknöpfe, Leitkleber, Crimpen, Löten, Sticken oder Nähen erzeugen oft Probleme wie verminderte Leitfähigkeit, geringe mechanische Zuverlässigkeit sowie ungenügende Waschbarkeit.
Die am Fraunhofer IZM entwickelte Klebetechnologie bietet große Vorteile textile Substrate und elektronische Module in einem Schritt mechanisch und elektrisch zuverlässig miteinander zu verbinden. Die gebondeten Kontakte zeigen sehr gute Zuverlässigkeit bei zyklischer Temperatur- und Feuchtigkeitsbelastung sowie nach der Waschreinigung. Während des non-conductive adhesive (NCA)-Bondprozesses schmelzen der nichtleitende Klebstoff und die optionale thermoplastische Drahtisolierung und werden von den Kontaktstellen weggedrückt. Nach dem Abkühlen härtet der Klebstoff aus und die Module werden in einem Schritt mechanisch und elektrisch verbunden. Im Gegensatz zum Flip-Chip-Lötverfahren ist das Hinzufügen eines Underfills nicht notwendig, da die bereits am Prozess beteiligten Klebstoffe auch diese Funktion übernehmen. Mit der Bonding-Technologie lassen sich verschiedenste textilintegrierte Schaltungen kontaktieren: gestickte, gewebte, gestrickte oder textilbasierte Schaltungen, auch mit (thermoplastischer) Isolierung.
Am Beispiel des BMBF-Projekts „TheraTex“ wird zur therapeutischen Unterstützung von Hemiparese-Patienten ein multisensorisches e-textiles Kleidungsstück entwickelt, das auf SmartIMU-Modulen (IMU = inertial measurement unit) und DES-Sensoren (DES = Dielektrische Elastomer Sensoren) basiert, die mittels NCA-Bonding auf einem textilen Leiterbus kontaktiert und somit in das Textil integriert wurden. Die (mikro-)elektronische Datenverarbeitung und Signalinterpretation erlaubt Aussagen über muskuläre Beanspruchungen und zur Haltung/Bewegung.
Glatte, geschlossene Schaltoberflächen, flexibel und frei verformbar, werden in modernen Bedienoberflächen in Fahrzeugen, aber auch in Maschinenbedienelementen mit hohen Hygieneansprüchen gefordert. Touchpads erfüllen nur einen Teil dieser Anforderungen, insbesondere da sie kaum haptisches Feedback bieten können. Multifunktionale Sensoren auf Basis von neuartigen intelligenten Materialien erlauben es, „unsichtbare“ Schalter und Drucksensoren, die auf Näherung und Berührung reagieren, zu kombinieren.
Je nach Oberflächenanforderung gibt es zwei mögliche Arten der Realisierung. Dielektrische Elastomersensoren (DES) sind kapazitive Sensoren auf Basis von Silikon. Sie bestehen aus stark dehnbaren Sensorfolien, die als kombinierte Druck-, Dehnungs- und Näherungssensoren zur Integration in flexible, gedehnte und weiche Strukturen (z.B. Sitzflächen, Roboterbezüge) eingesetzt werden können. Schaltflächen, die hohen mechanischen und chemischen Einflüssen ausgesetzt sind, können durch piezoelektrische Dünnschichten auf Edelstahlsubstraten als Näherungsund hochempfindliche Drucksensoren realisiert werden. Sie sind extrem flexibel, dünn (0,02 - 0,2 mm), korrosionsstabil und lassen sich direkt als Edelstahlblenden (z.B. Maschinenbedienelemente) mit Sensorfunktion verwenden. Durch die Ergänzung der sensorischen Funktionen mit einer integrierbaren Aktorik kann ein haptisches Feedback erreicht werden. Magnetorheologische Elastomere bestehen aus mit ferromagnetischen Partikeln gefüllten Silikonen, die auf ein äußeres Magnetfeld durch Formänderung oder Änderung der Steifigkeit reagieren. Durch Kombination von kapazitiver Näherungssensorik mit Druckschaltern und krafterzeugenden Elementen lassen sich mit intelligenten Materialien neuartige multifunktionale Schaltelemente sehr dünn, flexibel, elastisch, weitgehend frei formbar und kostengünstig herstellen.