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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine elektrische Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Sensorsystem, die Verwendung einer elektronisch anisotropen Klebstoffverbindung sowie ein Verfahren zur Herstellung der elektrischen Anordnung.
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Im Allgemeinen dienen Substrate als Bauteilträger von elektronischen Bauteilen. Substrate weisen in der Regel eine mehrlagige Struktur auf, wobei auf einer nichtleitenden Basisschicht Leiterbahnen aufgebracht sind. Bekannt sind Substrate mit aufgebrachten Sensorelementen, wobei die Substrate an einem bewegten Maschinenteil angebracht werden, so dass eine Umfeldüberwachung durch die Sensorelemente ermöglicht ist.
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Aus der
DE 10 2010 064 328 A1 , die wohl den nächstkommenden Stand der Technik darstellt, ist ein Sensorsystem zur Umfeldüberwachung an einem mechanischen Bauteil bekannt. Das Sensorsystem umfasst mindestens ein kapazitives Sensorelement. Das mindestens eine kapazitive Sensorelement ist aus einem Schichtaufbau von flexiblen, elektrisch leitfähigen und elektrisch isolierenden Lagen aufgebaut. Elektrisch leitfähige Potenzialflächen einer Lage sind seitlich derart beabstandet über dazwischen liegende isolierende Lagen angeordnet, dass sich elektrische Feldlinien zwischen den leitenden Potenzialflächen herausbilden.
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Offenbarung der Erfindung
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Im Rahmen der Erfindung wird eine elektrische Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, die Verwendung einer elektronisch anisotropen Klebstoffverbindung mit den Merkmalen des Anspruchs 5, ein Sensorsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 6 sowie ein Verfahren zur Herstellung der elektrischen Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 12 vorgeschlagen. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Die elektrische Anordnung umfasst eine erste und eine zweite Baugruppe, wobei die erste Baugruppe ein erstes Substrat und die zweite Baugruppe ein zweites Substrat aufweist. Insbesondere sind auf dem ersten und/oder dem zweiten Substrat, insbesondere auf dem jeweiligen elektrisch leitfähigen Teilbereich, elektronische Bauelemente wie zum Beispiel aktive oder passive elektronische Komponenten anordbar oder angeordnet. Das erste und das zweite Substrat umfassen jeweils mindestens einen elektrisch leitfähigen Teilbereich. Besonders bevorzugt weisen das erste und das zweite Substrat jeweils eine Mehrzahl an voneinander beabstandeten, elektrisch leitfähigen Teilbereichen auf. Insbesondere ist der mindestens eine elektrisch leitfähige Teilbereich des ersten und/oder des zweiten Substrats zur Energie- und/oder Signalübertragung ausgebildet. Vorzugsweise ist der mindestens eine elektrisch leitfähige Teilbereich des ersten und/oder des zweiten Substrats als eine Leiterbahn, zum Beispiel als eine Kupferleiterbahn ausgebildet.
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Der mindestens eine elektrisch leitfähige Teilbereich des ersten Substrats ist mit dem mindestens einen elektrisch leitfähigen Teilbereich des zweiten Substrats mittels einer elektronisch anisotropen Klebstoffverbindung elektrisch und mechanisch verbunden. Somit ist insbesondere eine elektrisch leitende Verbindung des ersten und zweiten Substrats über die elektrisch leitfähigen Teilbereiche mittels der elektronisch anisotropen Klebstoffverbindung bereitgestellt. Das erste und das zweite Substrat und folglich die erste und die zweite Baugruppe sind durch die elektronisch anisotrope Klebstoffverbindung stoffschlüssig miteinander verbunden.
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Insbesondere ist die elektronisch anisotrope Klebstoffverbindung, auch als ACA (anisotropic-conductive adhesive) bekannt, durch einen ausgehärteten Leitklebstoff gebildet. Beispielsweise ist der Leitklebstoff als ein Kunstharz, insbesondere als ein Epoxidharz mit eingebetteten leitfähigen Partikeln ausgebildet. Die leitfähigen Partikel sind z. B. mit Gold beschichtete Polymerkugeln. Bei mehreren voneinander beabstandeten elektrisch leitfähigen Teilbereichen des ersten und zweiten Substrats kann sich der Leitklebstoff insbesondere aufgrund des geringen Füllgehalts der leitfähigen Partikel über alle elektrisch leitfähigen Teilbereiche erstrecken, wobei die überlappend angeordneten Teilbereiche elektrisch leitend verbunden und wobei benachbarte, nicht überlappende Teilbereiche über die elektronisch anisotrope Klebstoffverbindung elektrisch isoliert sind. Dadurch ergibt sich einerseits die gewünschte mechanische Verbindung zwischen den elektrisch leitfähigen Teilbereichen des ersten und zweiten Substrats. Andererseits ist sichergestellt, dass ausschließlich die einander zugeordneten elektrisch leitfähigen Teilbereiche des ersten und zweiten Substrats elektrisch leitend verbunden sind.
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Das erste Substrat ist als eine erste flexible Leiterfolie ausgebildet. Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das zweite Substrat als eine zweite flexible Leiterfolie ausgebildet ist. Unter einer flexiblen Leiterfolie ist insbesondere eine biegsame Leiterfolie zu verstehen. Vorzugsweise umfasst die flexible Leiterfolie mindestens eine Basisfolie sowie den mindestens einen, auf die Basisfolie aufgebrachten elektrisch leitfähigen Teilbereich. Durch den auf die Basisfolie aufgebrachten Teilbereich ist dieser erhaben auf der Basisfolie angeordnet. Dadurch wirkt eine Druckbelastung, die vorzugsweise während des Aushärtens des Leitklebstoffs auf das erste und das zweite Substrat aufgelegt wird, im Bereich der elektrisch leitfähigen Teilbereiche der Substrate, so dass die elektrische und mechanische Verbindung zuverlässig bereitgestellt wird. Die Basisfolie ist insbesondere elektrisch isolierend. Somit bildet die Basisfolie einen Isolator bei mehreren aufgebrachten, voneinander beabstandeten elektrisch leitfähigen Teilbereichen. Beispielsweise ist die Basisfolie aus einem Polyamid, einem Polyimid, einem Polyester, einem Polyethylennaphtalat und/oder aus einem Liquid Crystalline Polymer gefertigt. Vorzugsweise hat die flexible Leiterfolie eine Dicke weniger als 1 mm, insbesondere weniger als 0,5 mm.
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Durch die Biegsamkeit der ersten und zweiten flexiblen Leiterfolie liegt auch bei einer Biegebeanspruchung keine Beschädigung in den Leiterfolien vor, so dass eine lange Lebensdauer der flexiblen Leiterfolien zu erwarten ist. Insbesondere ist die Funktionsfähigkeit, wie zum Beispiel die Energie- und/oder Signalübertragung der flexiblen Leiterfolien auch bei einer gebogenen und/oder geknickten Anbringung langfristig sichergestellt. Auf diese Weise ist beispielsweise ein Einsatz der elektrischen Anordnung im Sensorsystem zur Anformung an die Maschinen bzw. Maschinenteile auch bei komplex geformten dreidimensionalen Maschinenoberflächen erzielbar.
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Die elektronisch anisotrope Klebstoffverbindung erzielt langfristig die elektrische und mechanische Verbindung zwischen den flexiblen Leiterfolien. Ein weiterer bemerkenswerter Vorteil der elektronisch anisotropen Klebstoffverbindung ist eine unmittelbare Kontaktierung der ersten und zweiten flexiblen Leiterfolie. Daraus ergeben sich insbesondere eine kompakte Bauweise und ein geringer Fertigungsaufwand.
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Eine besonders bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass zwei Flächenseiten der flexiblen Leiterfolien überlappend angeordnet sind, derart, dass der mindestens eine elektrisch leitfähige Teilbereich der ersten flexiblen Leiterfolie den mindestens einen elektrisch leitfähigen Teilbereich der zweiten flexiblen Leiterfolie elektrisch kontaktiert. Insbesondere bilden die zwei Flächenseiten die voneinander abgewandten Hauptflächen der jeweiligen flexiblen Leiterfolie. Besonders bevorzugt sind die Hauptflächen als eine Ober- und eine Unterseite der jeweiligen flexiblen Leiterfolie ausgebildet. Durch die überlappende Anordnung liegt ein Überlappungsbereich vor, der eine ausreichende Auflagefläche der flexiblen Leiterfolien zueinander ausbildet. Somit ist insbesondere eine flächige Anbringung des Leitklebstoffs für eine zuverlässige mechanische Verbindung auch bei einer Biegebeanspruchung sowie eine gleichmäßige Druckbeaufschlagung zur sicheren elektrischen Verbindung der flexiblen Leiterfolien umgesetzt.
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Eine bevorzugte konstruktive Umsetzung der Erfindung sieht vor, dass die elektronisch anisotrope Klebstoffverbindung zwischen den elektrisch leitfähigen Teilbereichen der ersten und der zweiten flexiblen Leiterfolie lösbar ausgebildet ist. Auf diese Weise ist eine zerstörungsfreie Trennung der elektrischen und mechanischen Verbindung der elektrisch leitfähigen Teilbereiche und folglich der flexiblen Leiterfolien erzielt. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass zum Beispiel bei einem Funktionsausfall eines elektronischen Bauelements ein Austausch lediglich von der flexiblen Leiterfolie nötig ist, auf der das ausgefallene elektronische Bauelement angebracht ist. Durch den Austausch einzelner flexiblen Leiterfolien ist die elektrische Anordnung reparabel und folglich kein Gesamtaustausch der elektrischen Anordnung nötig, das insbesondere eine Kostenersparnis erzielt.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist die elektronisch anisotrope Klebstoffverbindung mittels Erwärmung der elektronisch anisotropen Klebstoffverbindung lösbar. Insbesondere wird durch die Erwärmung die Viskosität des Leitklebstoffs ausgebildet als ein Schmelzklebstoff herabgesetzt, wodurch die Trennung der elektrischen und mechanischen Verbindung der elektrisch leitfähigen Teilbereiche möglich ist. Vorzugsweise wird die elektronisch anisotrope Klebstoffverbindung für die Trennung mindestens auf die entsprechende Schmelztemperatur des verwendeten Leitklebstoffs erwärmt. Die elektronisch anisotrope Klebstoffverbindung wird zum Beispiel auf mindestens 130 °C, insbesondere auf mindestens 150 °C, im Speziellen auf mindestens 180 °C und/oder höchstens auf 250 °C, insbesondere auf höchstens 220 °C, im Speziellen auf höchstens 200 °C erwärmt. Zum Beispiel erfolgt die Wärmeeinbringung mittels einem Wärmestrahler. Zum Beispiel ist die elektronisch anisotrope Klebstoffverbindung als der Schmelzklebstoff ein Polyamid PA, ein Polyethylen PE, ein amorphes Polyalphaolefin APAO, ein Ethylenvinylacetat-Copolymer EVAC, ein Polyester-Elastomer TPE-E, ein Polyurethan-Elastomer TPE-U oder ein Copolyamid-Elastomer TPE-A.
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Einen weiteren Gegenstand der Erfindung betrifft die Verwendung einer elektronisch anisotropen Klebstoffverbindung in der elektronischen Anordnung zur lösbaren Verbindung von mindestens einem elektrisch leitfähigen Teilbereich der ersten flexiblen Leiterfolie mit mindestens einem elektrisch leitfähigen Teilbereich der zweiten flexiblen Leiterfolie.
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Einen weiteren Gegenstand der Erfindung betrifft das Sensorsystem, das zur Umfeldüberwachung an einer Oberfläche von Maschinen oder Maschinenteilen anordbar ist. Insbesondere ist das Sensorsystem zur Überwachung von Annäherungen und/oder von Kollisionen der Maschinen bzw. der Maschinenteile mit Objekten ausgebildet. Die Maschinen oder Maschinenteile können beispielsweise als ein Fertigungs- oder Montageautomat, insbesondere als ein Industrieroboter bzw. als ein Roboterarm des Industrieroboters ausgebildet sein. Bei den Objekten handelt es sich zum Beispiel um einen Bediener oder Servicepersonal der Maschinen bzw. der Maschinenteile.
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Das Sensorsystem umfasst eine Mehrzahl an elektrisch miteinander verbundenen elektrischen Anordnungen mit der ersten und der zweiten Baugruppe. Unter der Mehrzahl sind mindestens fünf, insbesondere mindestens zehn oder mehr elektrische Anordnungen zu verstehen. Die elektrischen Anordnungen sind mittels weiteren elektronisch anisotropen Klebstoffverbindungen elektrisch und mechanisch miteinander verbunden.
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Die ersten und/oder die zweiten Baugruppen der elektrischen Anordnungen umfassen zur Annäherungs- und/oder Kollisionserkennung Sensorelemente. Besonders bevorzugt sind die Sensorelemente als kapazitive Sensorelemente ausgebildet. Die von dem jeweiligen Sensorelement ausgebildete Kapazität wird bei einer Annäherung und/oder einem Kontakt eines feldverändernden Objekts, wie zum Beispiel eines Menschen, messbar verändert. Insbesondere sind die elektrischen Anordnungen derart ausgebildet und/oder miteinander geschaltet, dass die Sensorelemente in Reihe geschaltet sind. Es ist bevorzugt, dass die Sensorelemente zur Energie- und Signalübertragung elektrisch leitend auf den elektrisch leitfähigen Teilbereichen der ersten und/oder zweiten flexiblen Leiterfolien angeordnet sind.
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Insbesondere umfassen die Sensorelemente zur Erfassung der Kapazität jeweils eine elektronische Schaltung, wobei die elektronische Schaltung die erfasste Kapazität in elektrische Signale umwandelt. Vorzugsweise werden die elektrischen Signale an eine zentrale Auswerteeinrichtung übertragen, die mit dem Sensorsystem koppelbar ist oder die das Sensorsystem umfasst. Insbesondere prüft die zentrale Auswerteeinrichtung, ob bei mindestens einem der Sensorelemente des Sensorsystems eine Veränderung der Kapazität gegenüber einem Referenzwert stattgefunden hat.
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Bei einer Auswertung der Veränderung der Kapazität durch die zentrale Auswerteeinrichtung kann auf die Annäherung bzw. die Kollision mit dem Objekt rückgeschlossen und folglich wirksame Schutzmaßnahmen ausgelöst werden. Vorzugsweise leitet eine übergeordnete Sicherheitssteuerung als Schutzmaßnahme eine Bewegungspause der Maschinen bzw. der Maschinenteile ein.
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Durch die Mehrzahl an elektrischen Anordnungen ist je nach Bedarf eine Größe des Sensorsystems erzielbar, die eine flächendeckende Anordnung an die Oberflächen der Maschinen bzw. Maschinenteile ermöglicht. Durch die Biegsamkeit der flexiblen Leiterfolien ist eine flexible Anformung an komplexe dreidimensionale, insbesondere gekrümmten Oberflächen der Maschinen bzw. Maschinenteile erzielbar. Somit ist eine betriebssichere und frühzeitige Erkennung einer Annäherung oder einer Kollision der bewegten Maschinen bzw. Maschinenteilen mit einem Objekt umgesetzt.
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Bevorzugt ist, dass die Baugruppen von einer der elektrischen Anordnungen mittels der elektronisch anisotropen Klebstoffverbindungen mit den Baugruppen von anderen elektrischen Anordnungen verbunden sind. Insbesondere sind die Baugruppen mittels der elektronisch anisotropen Klebstoffverbindungen zwischen den flexiblen Leiterfolien der elektrischen Anordnungen miteinander verbunden. Auf diese Weise kann eine flexibel anpassbare Sensorhaut bereitgestellt werden.
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Bei einer besonders bevorzugten Umsetzung der Erfindung sind die ersten flexiblen Leiterfolien der elektrischen Anordnungen jeweils mit einer zweiten flexiblen Leiterfolie von einer der anderen elektrischen Anordnungen verbunden. Somit ergibt sich insbesondere eine kontinuierlich abwechselnde Abfolge von ersten und zweiten Baugruppen. Alternativ ist es jedoch ebenso möglich, dass die ersten flexiblen Leiterfolien jeweils entweder mit einer ersten, oder mit einer zweiten flexiblen Leiterfolie von einer der anderen elektrischen Anordnungen verbunden sind. Somit ergibt sich beispielsweise eine kontinuierlich abwechselnde Abfolge von zwei ersten und zwei zweiten Baugruppen. Alternativ kann somit jedoch auch eine diskontinuierliche Abfolge der Baugruppen vorliegen.
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Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform weisen die ersten Baugruppen jeweils mindestens oder genau eines der Sensorelemente auf, wobei die zweiten Baugruppen jeweils als Verbindungsglieder von zwei Baugruppen ausgebildet sind. Insbesondere sind die Sensorelemente elektrisch leitend auf den elektrisch leitfähigen Teilbereichen der ersten flexiblen Leiterfolien aufgebracht. Somit sind die ersten flexiblen Leiterfolien als Träger für die Sensorelemente ausgebildet. Die zweiten Baugruppen sind insbesondere als passive Verbindungsglieder ausgebildet.
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Bei einer zweiten bevorzugten Ausführungsform weisen die ersten und die zweiten Baugruppen jeweils mindestens oder genau eines der Sensorelemente auf. Insbesondere sind die Sensorelemente elektrisch leitend auf den elektrisch leitfähigen Teilbereichen der ersten und der zweiten flexiblen Leiterfolien aufgebracht. Somit sind die ersten und die zweiten flexiblen Leiterfolien als Träger für die Sensorelemente ausgebildet. Vorzugsweise sind die ersten und die zweiten Baugruppen baugleich.
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Ein bevorzugter konstruktiver Aufbau sieht vor, dass die ersten und/oder die zweiten flexiblen Leiterfolien den mindestens einen elektrisch leitfähigen Teilbereich auf genau einer der zwei Flächenseiten umfassen. Durch die einseitige Anordnung des mindestens einen elektrisch leitfähigen Teilbereichs weisen die ersten und/oder die zweiten flexiblen Leiterfolien jeweils genau eine elektrische Kontaktierungsseite für das Sensorelement und/oder für die elektrische und mechanische Verbindung mit den elektrisch leitfähigen Teilbereichen der flexiblen Leiterfolien der anderen Baugruppen auf.
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Bei einem alternativen konstruktiven Aufbau umfassen die ersten und/oder die zweiten flexiblen Leiterfolien auf beiden der zwei Flächenseiten jeweils den elektrisch leitfähigen Teilbereich. Die ersten und/oder die zweiten flexiblen Leiterfolien weisen durch die beidseitige Anordnung des mindestens einen leitfähigen Teilbereichs zwei elektrische Kontaktierungsseiten für das Sensorelement und/oder für die elektrische und mechanische Verbindung mit den elektrisch leitfähigen Teilbereichen der flexiblen Leiterfolien der anderen Baugruppen auf.
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Bevorzugt ist, dass eine der zwei Flächenseiten der ersten und/oder der zweiten flexiblen Leiterfolien als eine Montageseite zur Montage an die Oberfläche der Maschinen bzw. Maschinenteile ausgebildet ist. Besonders bevorzugt ist die Montageseite zumindest abschnittsweise mit einem reversiblen Schnellverschluss, zum Beispiel mit einem Klettverschluss oder mit einer Kleberschicht versehen. Auf diese Weise ist eine zuverlässige und insbesondere lösbare Anordnung der ersten und/oder zweiten flexiblen Leiterfolien und somit der elektrischen Anordnungen auf der Oberfläche der Maschinen bzw. Maschinenteile umgesetzt.
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Einen weiteren Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung der elektrischen Anordnung. In einem ersten Schritt wird eine erste und eine zweite Baugruppe bereitgestellt, wobei die erste Baugruppe eine erste flexible Leiterfolie mit mindestens einem elektrisch leitfähigen Teilbereich und die zweite Baugruppe eine zweite flexible Leiterfolie mit mindestens einem elektrisch leitfähigen Teilbereich umfasst. Beispielsweise sind die erste und/oder die zweite flexible Leiterfolie mittels eines Rolle-zu-Rolle Transferfolienverfahrens, auch als Reel-to-Reel Verfahren bekannt, hergestellt. Insbesondere wird bei dem Transferfolienverfahren die Basisfolie der ersten und/oder zweiten Leiterfolie von einer Rolle abgewickelt und durchläuft ungeschnitten die vorgesehenen Fertigungsvorgänge, wie zum Beispiel das Aufbringen des mindestens einen elektrisch leitfähigen Teilbereichs. Nach dem Durchlauf der Fertigungsvorgänge ist die flexible Leiterfolie fertiggestellt und wird auf einer weiteren Rolle aufgewickelt. In einem Folgeschritt wird die aufgewickelte Leiterfolie je nach Bedarf zugeschnitten. Das Rolle-zu-Rolle Transferfolienverfahren erzielt eine schnelle und preisgünstige Bereitstellung der flexiblen Leiterfolien.
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Es ist bevorzugt, dass Sensorelemente auf der ersten und/oder der zweiten flexiblen Leiterfolie angeordnet werden bzw. sind. Beispielsweise erfolgt die Anordnung der Sensorelemente auf den mindestens einen elektrisch leitfähigen Teilbereich der ersten und/oder zweiten flexiblen Leiterfolie mittels des Flip-Chip Verfahrens. Bei dem Flip-Chip Verfahren wird eine aktive Kontaktierungsseite des Sensorelements direkt an dem mindestens einen elektrisch leitfähigen Teilbereich der ersten und/oder zweiten Leiterfolie montiert.
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In einem weiteren Schritt wird ein elektronisch anisotroper Leitklebstoff bereitgestellt, wobei in einem weiteren Schritt der elektronisch anisotrope Leitklebstoff auf den mindestens einen elektrisch leitfähigen Teilbereich der ersten und/oder der zweiten flexiblen Leiterfolie aufgebracht wird. Vorzugsweise wird der Leitklebstoff zur Bereitstellung der anisotropen Klebstoffverbindung zumindest auf den mindestens einen elektrisch leitfähigen Teilbereich der ersten und/oder der zweiten flexiblen Leiterfolie aufgebracht
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In einem weiteren Schritt wird eine elektrische und mechanische Verbindung zwischen dem mindestens einen elektrisch leitfähigen Teilbereich der ersten flexiblen Leiterfolie mit dem mindestens einen elektrisch leitfähigen Teilbereich der zweiten flexiblen Leiterfolie mittels Druck- und/oder Wärmeeinbringung hergestellt. Insbesondere werden der mindestens eine elektrisch leitfähige Teilbereich der ersten flexiblen Leiterfolie und der mindestens eine elektrisch leitfähige Teilbereich der zweiten flexiblen Leiterfolie zusammengedrückt. Auf diese Weise ist die elektronisch anisotrope Klebstoffverbindung nach der Aushärtung des Leitklebstoffs zwischen den elektrisch leitfähigen Teilbereich des ersten und zweiten Substrats zuverlässig ausgebildet.
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Die vorstehend wiedergegebene Reihenfolge von Verfahrensschritten stellt eine bevorzugte Reihenfolge dar. Andere Verfahrensschritte sowie zusätzliche Verfahrensschritte können ebenfalls zur Anwendung gelangen.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung wird der elektronisch anisotrope Leitklebstoff zum Lösen der elektrischen und mechanischen Verbindung zwischen den elektrisch leitfähigen Teilbereichen der ersten und zweiten flexiblen Leiterfolien erwärmt. Durch die lösbare Verbindung ist ein Austausch von einzelnen flexiblen Leiterfolien mittels Erwärmung erzielt. Somit ist z. B. im Falle einer defekten Leiterfolie oder eines defekten Sensorelements auf einer der Leiterfolien kein Gesamtaustausch des Sensorsystems nötig. Nach dem Entfernen der defekten Leiterfolie kann eine neue flexible Leiterfolie an die Stelle der entfernten Leiterfolie angebracht und gemäß dem zuvor beschriebenen Verfahren mittels der elektronisch anisotropen Klebstoffverbindungen mit den benachbarten flexiblen Leiterfolien verbunden werden. Durch die Austauschbarkeit von einzelnen flexiblen Leiterfolien ist das Sensorsystem reparabel ausgebildet. Auf diese Weise ist stets eine vollflächige Umfeldüberwachung an der Oberfläche der Maschinen bzw. Maschinenteile sichergestellt. Ferner ist eine kostengünstige, schnelle sowie einfache Reparatur des Sensorsystems ermöglicht.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Dabei zeigen:
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1a einen Ausschnitt von einem Sensorsystem in einer Seitenansicht als ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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1b das Sensorsystem aus der 1a in einer Draufsicht;
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2a einen Ausschnitt von dem Sensorsystem in der Seitenansicht als ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2b das Sensorsystem aus der 2a in der Draufsicht;
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3a–3e das Herstellungsverfahren einer elektrischen Anordnung des Sensorsystems.
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Die 1a zeigt in einer schematischen Darstellung einen Ausschnitt von einem Sensorsystem 1 in einer Seitenansicht als ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Sensorsystem 1 ist zur Umfeldüberwachung von insbesondere automatisiert bewegten Maschinen oder Maschinenteilen ausgebildet. Auf diese Weise soll die Gefahr einer Kollision der Maschinen bzw. der Maschinenteile mit einem Objekt wie z. B. einer Person vermieden oder zumindest reduziert werden. Hierfür ist das Sensorsystem 1 an einer Oberfläche der Maschinen oder Maschinenteile anbringbar.
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Das Sensorsystem 1 umfasst eine Mehrzahl an elektrischen Anordnungen 2, wobei in der 1a ein Ausschnitt mit zwei elektrischen Anordnungen 2 gezeigt ist. Die elektrischen Anordnungen 2 weisen jeweils eine erste und eine zweite Baugruppe 3, 4 auf. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfassen die ersten Baugruppen 3 eine erste flexible Leiterfolie 5 sowie ein Sensorelement 6 und die zweiten Baugruppen 4 eine zweite flexible Leiterfolie 7. Die Sensorelemente 6 dienen zur Annäherungs- und/oder Kollisionserkennung der Maschinen bzw. der Maschinenteile mit dem Objekt. Die ersten und die zweiten flexiblen Leiterfolien 5, 7 umfassen jeweils eine Mehrzahl an elektrisch leitfähigen Teilbereichen 8, die zur Energie- und/oder Signalübertragung ausgebildet sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die elektrisch leitfähigen Teilbereiche 8 auf einer von zwei Flächenseiten der flexiblen Leiterfolien 5, 7 angeordnet. Die ersten und die zweiten flexiblen Leiterfolien 5, 7 sind biegsam ausgebildet, so dass eine Verformung, insbesondere eine elastische Verformung der flexiblen Leiterfolien 5, 7 zerstörungsfrei möglich ist. Z. B. kann das Sensorsystem 1 als Sensorhaut auf eine gekrümmte Oberfläche, der Kontur folgend, montiert werden.
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Die elektrischen Anordnungen 2 sind mittels einer elektrischen und mechanischen Verbindung der ersten flexiblen Leiterfolien 5 mit den zweiten flexiblen Leiterfolien 7 miteinander verbunden. Die ersten flexiblen Leiterfolien 5 sind mit den zweiten flexiblen Leiterfolien 7 überlappend angeordnet, derart, dass sich die elektrisch leitfähigen Teilbereiche 8 elektrisch kontaktieren. Die elektrische und mechanische Verbindung der flexiblen Leiterfolien 5, 7 ist mittels einer elektronisch anisotropen Klebstoffverbindung 9 erzielt. Die elektronisch anisotrope Klebstoffverbindung 9 ist durch einen elektronisch anisotropen Leitklebstoff 9 umgesetzt, welcher auf die elektrisch leitfähigen Teilbereiche 8 und auf Zwischenbereiche zwischen den elektrisch leitfähigen Teilbereichen 8 aufgebracht wird und ausgehärtet eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den flexiblen Leiterfolien 5, 7 ausbildet. Durch die Verbindung der elektrischen Anordnungen 2 kann je nach Anzahl und Größe eine flächendeckende Anordnung des Sensorsystems 1 an den Maschinen bzw. Maschinenteilen erzielt werden. Die flexible Ausgestaltung der flexiblen Leiterfolien 5, 7 hat hierbei den Vorteil, dass eine dreidimensionale Oberflächenanformung des Sensorsystems 1 an die Maschinen bzw. Maschinenteile ermöglicht ist.
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Wie in der 1b gut erkennbar ist, die den Ausschnitt des Sensorsystems 1 aus 1a in einer Draufsicht zeigt, sind die Sensorelemente 6 zur Signal- und Energieübertragung auf zumindest einem der elektrisch leitfähigen Teilbereiche 8 der ersten flexiblen Leiterfolien 5 angeordnet. Zum Beispiel sind die Sensorelemente 6 als kapazitive Sensorelemente 6 ausgebildet. Die kapazitiven Sensorelemente 6 bilden elektrische Feldlinien jeweils voneinander unabhängig und/oder mit mindestens einem kapazitiven Sensorelement 6 einer benachbarten ersten Baugruppe 3 aus. Die elektrischen Feldlinien werden bei einer Annäherung und/oder bei einem Kontakt mit einem feldverändernden Objekt, wie zum Beispiel der Person, messbar verändert. Zum Beispiel wandeln in den kapazitiven Sensorelementen 6 integrierte elektronische Schaltungen die gemessene Feldveränderung in elektrische Signale um und übertragen diese an eine zentrale Auswerteeinrichtung des Sensorsystems 1.
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Zur Anbringung des Sensorsystems 1 an die Maschinen bzw. Maschinenteile ist es beispielsweise möglich, dass zumindest die zu den Sensorelementen 6 abgewandten Flächenseiten der ersten flexiblen Leiterfolien 5 als Montageseiten zur Montage an die Oberfläche der Maschinen bzw. Maschinenteile ausgebildet sind. Zum Beispiel sind die Montageseiten mit einer Kleberschicht versehen, um bei der Anbringung an die Oberfläche daran zu haften. Bei dem Einsatz der Kleberschicht ist vorgesehen, dass der Kleber lösbar ausgebildet ist, so dass das Sensorsystem 1 oder Teile hiervon von der Oberfläche bei Bedarf entnommen werden können.
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Die 2a und 2b zeigen einen Ausschnitt des Sensorsystems 1 mit zwei elektrischen Anordnungen 2 als ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfassen sowohl die ersten, als auch die zweiten Baugruppen 3 Sensorelemente 6. Die Sensorelemente 6 sind auf den elektrisch leitfähigen Teilbereichen 8 der ersten bzw. der zweiten flexiblen Leiterfolien 5, 7 aufgebracht. Die zweiten flexiblen Leiterfolien 7 umfassen die elektrisch leitfähigen Teilbereiche 8 auf beiden Flächenseiten. Auf diese Weise ist einerseits die elektrische und mechanische Verbindung mit den ersten flexiblen Leiterfolien 5 mit einer der Flächenseiten, andererseits die Anordnung der Sensorelemente 6 auf der anderen der zwei Flächenseiten ermöglicht.
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Zum Beispiel ist die elektronisch anisotrope Klebstoffverbindung 9 zwischen den flexiblen Leiterfolien 5, 7 mittels Wärmeeinbringung lösbar ausgebildet. Durch die lösbare Ausbildung können einzelne flexible Leiterfolien 5, 7 von den benachbarten, verbundenen Leiterfolien 5, 7 entfernt werden. Somit ist eine Entnahme von einzelnen flexiblen Leiterfolien 5, 7 von dem Sensorsystem 1 zerstörungsfrei möglich. Die Entnahme erfolgt z. B. bei einem defekten Sensorelement 6, bei defekten elektrisch leitfähigen Teilbereichen 8 oder bei einem sonstigen Defekt der zu entnehmenden Leiterfolie 5, 7. Nach der Entnahme der Leiterfolie 5, 7 ist die Anordnung einer neuen, funktionsfähigen flexiblen Leiterfolie 5, 7 möglich. Die elektrische und mechanische Verbindung der anzuordnenden flexiblen Leiterfolie 5, 7 mit den benachbarten flexiblen Leiterfolien 5, 7 wird mittels der elektronisch anisotropen Klebstoffverbindungen 9 bereitgestellt. Auf diese Weise können einzelne flexible Leiterfolien 5, 7 auch bei der Anordnung des Sensorsystems 1 an der Maschine bzw. dem Maschinenteil ausgetauscht werden.
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Die 3a bis 3e zeigen den Ablauf eines Fertigungsverfahrens der elektrischen Anordnungen 2. Wie in 3a dargestellt, werden in einem ersten Schritt die erste und die zweite flexible Leiterfolie 7, 8 der elektrischen Anordnung 2 mit der Mehrzahl der elektrisch leitfähigen Teilbereichen 8 bereitgestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel weisen die erste und die zweite flexible Leiterfolie 7, 8 jeweils auf einer der zwei Flächenseiten die Mehrzahl der elektrisch leitfähigen Teilbereiche 8 auf.
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Wie in der 3b gezeigt, wird der elektronisch anisotrope Leitklebstoff 9 in einem zweiten Schritt auf die elektrisch leitfähigen Teilbereiche 8 der zweiten flexiblen Leiterfolie 7 aufgebracht. Alternativ oder optional ergänzend kann der elektronisch anisotrope Leitklebstoff 9 auf die elektrisch leitfähigen Teilbereiche 8 der ersten flexiblen Leiterfolie 5 aufgebracht werden. Der Leitklebstoff 9 darf sich aufgrund der anisotropen Eigenschaften über die elektronisch leitfähigen Teilbereiche 8 hinaus erstrecken, da lediglich im Bereich zwischen den zugeordneten elektrisch leitfähigen Teilbereichen 8 der ersten und zweiten flexiblen Leiterfolie 5, 7 eine elektrische Verbindung ausgebildet wird. Da die zweite flexible Leiterfolie 7 lediglich auf einer der Flächenseiten die elektrisch leitfähigen Teilbereiche 8 aufweist, sind die Flächenseiten mit den elektrisch leitfähigen Teilbereichen 8 für die Bereitstellung der elektrischen und mechanischen Verbindung zueinander auszurichten. Bei diesem gezeigten Beispiel wird die erste flexible Leiterfolie 5 hierfür um 180° gedreht.
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Wie in 3c dargestellt, werden Endabschnitte der flexiblen Leiterfolien 5, 7 überlappend angeordnet, wobei sich die elektrisch leitfähigen Teilbereiche 8 elektrisch kontaktieren. Zur Bereitstellung der elektrischen und die mechanischen Verbindung wird zwischen den elektrisch leitfähigen Teilbereichen 8 der flexiblen Leiterfolien 5, 7 Druck bis zur Aushärtung des elektronisch anisotropen Leitklebstoffs 9 einbracht. Alternativ oder optional ergänzend wird Wärme eingebracht, um die Klebeigenschaften des elektronisch anisotropen Leitklebstoffs 9, zum Beispiel aufgrund eines zu festen Zustands, zu verbessern. Wie in der 3d gezeigt, kann die Druckeinbringung beispielsweise mittels einer Klemmeinrichtung 10 erfolgen, die die flexiblen Leiterfolien 5, 7 mit Klemmbacken zusammendrückt. Die Wärmeeinbringung erfolgt beispielsweise mittels einem Wärmestrahler. 3e zeigt den ausgehärteten Leitklebstoff 9, mittels diesem die elektrische und mechanische Verbindung zwischen den elektrisch leitfähigen Teilbereichen 8 und folglich zwischen der ersten und der zweiten flexiblen Leiterfolie 5, 7 umgesetzt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010064328 A1 [0003]
