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Die Erfindung betrifft eine Anordnung für eine textile elektronische Schaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Textile elektronische Schaltungen sind bekannt. Diese werden insbesondere dort eingesetzt, wo elektronische Funktionen in Verbindung mit der Handhabung, Verarbeitung und dem Umgang mit textilen Materialien und daraus gefertigten Gegenständen, wie insbesondere Kleidungsstücken, erforderlich sind. Ein Beispiel hierfür sind insbesondere RFID-Antenneneinrichtungen im Textil oder die Positionierung von bestimmten Sensoriken darin.
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Gemäß dem Stand der Technik wird bei bekannten textilen elektronischen Schaltungen ein elektronisches Bauelement, beispielsweise ein Halbleiterchip, auf einem textilen Substrat positioniert. Das textile Substrat enthält einen in das Gewebe eingewebten leitfähigen Faden mit einem bestimmten Verlauf. Das elektronische Bauelement wird mit dem eingewebten Faden kontaktiert, sodass nun durch den leitfähigen Faden das textile Substrat als Träger für das elektronische Bauelement die elektronische Schaltung realisiert. Der leitfähige Faden kann beispielsweise als RFID-Antenne fungieren, sodass die gesamte Anordnung aus textilem Substrat, elektronischem Bauelement und RFID-Antenne einen textilen so genannten RFID-Tag bildet.
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Derartige textile elektronische Schaltungen sind jedoch in verschiedener Hinsicht nachteilig. Ein eingewebter elektrisch leitender Faden modifiziert eine vorhandene textile Struktur und lässt sich nicht in beliebiger Weise mit jeder gegebenen textilen Grundstruktur vereinbaren. Die so gebildeten textilen Substrate lassen sich dann nicht in beliebiger Weise für Kleidungsstücke, Funktionstextilien usw. nutzen, wie das für die bekannten, nicht modifizierten Textilien der Fall ist. Zudem weisen die elektrisch leitfähigen Fäden andere mechanische Eigenschaften als die übrigen Fäden des Textils auf, sodass es mitunter zum Bruch der eingewebten Leiterstrukturen kommen kann. Schließlich müssen bei der Fertigung des Textils, insbesondere beim Web- oder Strickvorgang, zusätzlich leitfähige Fäden vorgehalten werden, was den Fertigungsprozess des Textils in der Regel verkompliziert. Außerdem können vorhandene Textile nicht oder nur sehr aufwändig auf diese Weise funktionell nachgerüstet werden.
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Es besteht somit die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, die genannten Nachteile zu beseitigen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einer Anordnung für eine textile elektronische Schaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Anordnung für eine textile elektronische Schaltung zeichnet sich aus durch ein textiles Substrat mit einer als elektrisch leitfähige Schicht auf das textile Substrat aufgebrachten leitfähigen Struktur mit mindestens einer Antennenanordnung und mindestens einem mit der leitfähigen Struktur kontaktierten und auf dem textilen Substrat befestigten elektronischen Bauteil.
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Erfindungsgemäß ist somit die leitfähige Struktur nicht Teil der Textilstruktur des textilen Substrats selbst, sondern als zusätzliche Beschichtung auf das textile Substrat aufgebracht, wobei mindestens ein elektronisches Bauteil mit dieser leitfähigen Struktur kontaktiert und dabei auf dem textilen Substrat befestigt ist. Durch diese Konfiguration ist es insbesondere möglich, gegebene Textile entsprechend mittels der Beschichtung nachzurüsten und zu einem Träger für eine entsprechende elektronische Schaltung in einfacher Weise auszubilden.
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Die leitfähige Struktur beinhaltet mindestens eine Antennenanordnung. Hierdurch wird das textile Substrat zusammen mit dem darauf angeordneten elektronischen Bauelement zu einem Mittel für eine drahtlose Datenübertragung.
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Zweckmäßigerweise besteht das textile Substrat aus einem engmaschigen, gering dehnbaren Textil, insbesondere einem Gewebe, Gewirke und/oder Gestricke. Hierdurch werden Dehnungsbrüche oder nicht leitfähige Lücken in der leitfähigen Struktur bei einer beibehaltenen Flexibilität der gesamten Anordnung vermieden.
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Das gering dehnbare Gewebe ist insbesondere ein Kunstfaser- oder Naturfasergewebe oder ein Polyester-Taft.
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Bei einer Ausführungsform besteht die leitfähige Struktur aus einer verfestigten Paste oder einem Pulver, bestehend aus einem Binder und einem Anteil aus elektrisch leitfähigen Partikeln.
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Die leitfähige Struktur ist bei einer Ausführungsform als eine gedruckte Struktur, insbesondere eine Siebdruckstruktur, oder als eine Thermotransferdruckstruktur auf dem textilen Substrat aufgebracht.
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Möglich ist auch eine Variante, bei der die leitfähige Struktur eine schablonierte Pulverauftragsstruktur ist. Hierbei ist das textile Substrat mit einem Pulver beaufschlagt worden, das durch eine Schablone auf das Substrat aufgebracht worden ist, wobei sich hierdurch die leitfähige Struktur ausbildet.
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Bei einer weiteren Ausführungsform ist die leitfähige Struktur eine versinterte Struktur, insbesondere eine Lasersinterstruktur. Hierbei ist die leitfähige Struktur mittels Einwirkung eines Laserstrahls zu entsprechenden Leiterbahnen versintert worden.
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Es können praktisch beliebige elektronische Bauteile mit der leitfähigen Struktur kombiniert werden. Bei verschiedenen Ausführungsformen ist das mindestens eine elektronische Bauteil ein RFID-Chip, ein BLE-Chip (d.h. ein so genannter Bluetooth Low Energie-Chip für eine Bluetooth-Funktionalität), ein oder mehrere Sensoren und/oder eine Batterie. Möglich ist auch ein Anzeigebauteil, wie beispielsweise eine LED oder ein Display.
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Je nach Ausführungsform ist das mindestens eine elektronische Bauteil über eine Lötverbindung, eine elektrisch leitfähige Klebverbindung, eine Induktionslötverbindung, eine Induktionsklebverbindung und/oder eine Ultraschallschweißverbindung mit der leitfähigen Struktur verbunden und kontaktiert.
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Die Anordnung der textilen elektronischen Schaltung als bei einer Ausführungsform als ein textiler Datenträger, insbesondere ein textiler Funkdatenträger, ausgebildet.
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Als weitere Ausgestaltung kann die textile elektronische Schaltung mit einer aufgeklebten textilen Deckschicht überdeckt sein.
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Ergänzend kann das mindestens eine elektronische Bauteil und/oder dessen Kontaktierung mit einer flexiblen Abdeckung, insbesondere einem Silikondom, überzogen sein. Die gesamte Anordnung gewinnt hierdurch an mechanischer Widerstandsfähigkeit.
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Schließlich kann bei einer Variante das textile Substrat und/oder die textile Deckschicht eine außenseitige hydrophobe Beschichtung aufweisen. Hierdurch wird ein Wasser- und Wetterschutz realisiert.
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Bei einer Ausführungsform weist mindestens eines der in der Schaltung angeordneten elektronischen Bauteile eine Funkschnittstelle auf. Dadurch wird ein getrennter Funkchip als ein separates elektronisches Bauteil eingespart. Diese kann natürlich in eine MCU oder ein sonstiges Bauteil integriert sein.
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Die vorgenannte Anordnung ist insbesondere zur Verwendung als eine drahtlose textile Sensoreinrichtung vorgesehen. Auch ist eine Verwendung als drahtloser textiler Speicher und/oder als drahtloser textiler Transponder möglich.
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Die vorgenannte Anordnung ist außerdem zur Verwendung als eine drahtlose textile Anzeigeeinrichtung vorgesehen.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Zur Verdeutlichung dienen die beigefügten 1 bis 5. Es werden für gleiche oder gleichwirkende Teile dieselben Bezugszeichen verwendet.
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Es zeigt:
- 1 einen beispielhaften Grundaufbau,
- 1a einen beispielhaften erweiterten Grundaufbau,
- 2 einen beispielhaften Aufbau eines textilen Dualfrequenz-RFID-Labels,
- 3 einen beispielhaften Aufbau eines textilen UHF-RFID Datenloggers,
- 4 eine Darstellung des Datenloggers aus 3 im Querschnitt,
- 4a eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels mit einem Displaybauteil mit integrierter Funkschnittstelle,
- 4b eine Darstellung eines Auführungsbeispiels mit einem Sensorbauteil mit integrierter Funkschnittstelle,
- 5 eine beispielhafte Darstellung eines RFID-Labels mit einer textilen Deckschicht und einer hydrophoben Beschichtung im Schnitt,
- 6 eine beispielhafte Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines RFID-Chips mit einer flächigen Antennenanordnung.
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1 zeigt einen beispielhaften Grundaufbau der erfindungsgemäßen Anordnung. Vorgesehen ist ein textiles Substrat 1 mit einer leitfähigen Struktur 2. Ein Teil der leitfähigen Struktur ist als eine Antenne 4 ausgebildet. Vorgesehen ist weiterhin ein RFID-Chip 6. Anstelle des RFID-Chips 6 kann natürlich auch ein äquivalenter Chip vorgesehen sein, der mit der Antenneneinrichtung zusammenwirken kann.
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Möglich kann anstelle des RFID-Chips natürlich auch ein beliebiges elektronisches Bauteil, dass nicht zur eigentlichen Signalverarbeitung dient, in der Schaltung vorgesehen sein. Das elektronische Bauteil kann beispielsweise ein einzelner Akku sein, der über die Antenne 4 induktiv aufgeladen wird.
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1a zeigt einen beispielhaften erweiterten Grundaufbau der erfindungsgemäßen Anordnung. Die Anordnung enthält das textile Substrat 1 mit der leitfähigen Struktur 2 und mehreren elektronischen Bauelementen 3. Die leitfähige Struktur bildet hier zum einen den Abschnitt für die Antenne 4 sowie weitere Leiterbahnen 5 aus. Die elektronischen Bauelemente 3 sind hier im Einzelnen als der RFID-Chip 6, einen Sensor 6a, beispielsweise einem Magnetfeldsensor oder einem Temperatursensor, und einen weiteren Integrierten Schaltkreis 7 ausgeführt, der beispielsweise ein Speicherchip sein kann.
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Ist nur ein elektronische Bauteil vorhanden, so kann dieses eine integrierte Funkschnittstelle aufweisen. So können beispielsweise entsprechend integrierte Schaltungen als elektronisches Bauteil vorgesehen sein. Möglich sind hier beispielsweise Displays und/oder Sensoriken mit Funkschnittstelle, die als Ganzes und als einziges Bauteil entsprechend auf dem Substrat angeordnet ist.
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Als textiles Substrat wird zweckmäßigerweise ein Gewebe verwendet, das möglichst engmaschig ist und sich nur wenig dehnen lässt. Die Engmaschigkeit sichert dabei eine hinreichend durchgängige Oberflächenstruktur ohne Unterbrechungen und Löcher. Die geringe Dehnfähigkeit verhindert in den Grenzen der Dehnbarkeit der leitfähigen Beschichtungen ein Strecken der Leiterbahnen mit der Gefahr eines Bruches. Ansonsten wird an das Gewebe als solches keine weitere Anforderung gestellt. Es versteht sich, dass das Gewebe elektrisch isolierend ist.
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In Betracht kommen als Gewebe für das textile Substrat PES- oder sonstige Kunstfasern, aber auch Baumwollstoffe oder andere Naturfasern. PES steht hierbei als Abkürzung für Polyester. Möglich ist auch die Verwendung von Taft beispielsweise aus Polyester und/oder Polyamid. Derartige Gewebe können auch zur Abdeckung der Anordnung verwendet werden. Sie können auch zusätzlich hydrophob beschichtet sein.
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Die leitfähigen Strukturen 2 bestehen beispielsweise aus einer Paste oder einem Pulver. Die Paste und das Pulver sind nachträglich verfestigt. Vorgesehen sind hier Mischungen aus einer Binderkomponente und einer Komponente aus leitfähigen Partikeln, beispielsweise aus Silber oder Kupfer. Die Paste oder das Pulver werden über einen Siebdruck, einen Pulverauftrag, ein selektives Lasersintern, einen Thermotransferdruck oder dergleichen andere additive Verfahren auf das textile Substrat aufgetragen und später verfestigt.
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Die elektrisch leitfähige Beschichtung hat den Vorteil einer effizienteren und damit kostengünstigeren Fertigung. Zusätzlich ist das Aufbringen von elektronischen Bauelementen einfacher.
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Von Bedeutung ist dabei die Homogenität der geschaffenen Beschichtung in Abhängigkeit von den Eigenschaften des Textilsubstrates. Bei einem zu inhomogenen, insbesondere mit niedriger Fadendichte, einer unebenen Oberfläche oder großen Maschen wird die elektrische Leitfähigkeit bzw. der Flächenwiderstand der Beschichtung ungünstig beeinflusst. Bedeutsam ist außerdem die Kantenschärfe der gefertigten Struktur. Eine hohe Kantenschärfe sichert eine hinreichend gute Isolation zwischen den Leiterbahnen bei geringen Abständen und definiert somit die Größe der minimal fertigbaren Strukturen. Es ist jedoch möglich, bei Beachtung der entsprechenden Randbedingungen die fertigbaren Strukturen möglichst klein auszuführen, sodass insbesondere eine Direktbestückung eines gehäuselosen ICs auf einen Footprint mit einer Lücke im mittleren bis niedrigen 3-stelligen µm-Bereich möglich ist.
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Des Weiteren hat die Homogenität der Beschichtung durch ihre veränderten elektrischen Parameter insbesondere einen wesentlichen Einfluss auf die Eigenschaften der gefertigten Funkantenne und damit auf die Performance und/oder Reichweite des Funkdatenträgers. Die Antenne ist optimiert bezüglich der erforderlichen Resonanzfrequenz und der Eingangsimpedanz, welche im Wesentlichen von der verwendeten Geometrie (Dipollänge, Schichtdicke usw.) abhängen und an den verwendeten Chip angepasst sind.
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Die leitfähigen Strukturen verbinden die elektronischen Bauteile 3 miteinander elektrisch leitend und bilden gleichzeitig die Antennenanordnung 4 aus. Die Antennenanordnung kann als RFID-HF, RFID-UHF, RFID-NFC, RFID-Dualfrequenz, als eine BLE-Antenne oder eine sonstige Antenne ausgebildet sein.
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Die elektronischen Bauelemente 3 sind beispielsweise mittels eines Reflow-Lötens oder einer elektrisch leitfähigen Klebverbindung auf die leitfähigen Strukturen 2 aufgesetzt. Neben oder anstatt der bereits genannten Bauelemente können ebenfalls auch Batterieelemente aufgesetzt sein. Möglich ist weiterhin auch eine flexible Abdeckung der gesamten oder teilweisen Anordnung, wie weiter unten noch genauer erläutert wird.
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2 zeigt einen beispielhaften Aufbau eines textilen Dualfrequenz-RFID-Labels. Das Label besteht auch hier aus den Grundkomponenten textiles Substrat 1, leitfähige Strukturen 2 und elektronisches Bauelement 3. Im hier vorliegenden Fall bestehen die leitfähigen Strukturen 2 aus einer Dualfrequenz-RFID-Antennenanordnung mit deiner RFID-UHF-Antenne 8 und einer HF- oder NFC-Antennenanordnung 9. Diese sind entsprechend der benutzten elektromagnetischen Übertragungsfrequenzen unterschiedlich ausgestaltet. Als elektronisches Bauelement ist im hier vorliegenden Beispiel ein RFID-Dual-Chip 10 vorgesehen, der entweder als HF/UHF-Chip oder NFC/UHF-Chip ausgeführt ist.
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Die Realisierung der leitfähigen Strukturen, die Gestaltung des textilen Substrates sowie die Befestigung des Chips entsprechen den in Bezug auf 1 genannten Lösungen.
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3 zeigt einen beispielhaften Aufbau eines textilen UHF-RFID Datenloggers. Dieser weist ebenfalls das textile Substrat 1, die leitfähigen Strukturen 2 und elektronische Bauelemente 3 auf. Als leitfähige Struktur ist hier eine UHF-RFID-Antenne 11 vorgesehen, zusammen mit den entsprechenden Leiterbahnen. Die elektronischen Bauelemente 3 umfassen im hier vorliegenden Beispiel eine Batterie 12, einen Sensor 13 und einen UHF-RFID-Chip 14. Zusätzlich ist ein Loch 15 zum Anhängen des Datenloggers an einen Gegenstand vorgesehen.
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4 zeigt eine Darstellung des Datenloggers aus 3 im Querschnitt. Die Batterie 12 ist im hier vorliegenden Fall als eine siebgedruckte Anordnung auf das textile Substrat, genauer gesagt, auf die darauf befindliche leitfähige Struktur 2 und somit die Antenne 11 aufgebracht. Der UHF-RFID-Chip 14 ist mittels einer leitfähigen Klebverbindung mit der leitfähigen Struktur 2 kontaktiert und auf dem textilen Substrat befestigt. Der Sensor 13 ist dann verlötet. Als textiles Substrat 1 wird ein Polyester-Taft-Gewebe verwendet.
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Als elektronische Bauelemente können auch Steuerungselemente und/oder Anzeigen verwendet werden. So können beispielsweise externe Geräte direkt oder indirekt angesteuert werden, während als Anzeigeelemente LED oder Displays in verschiedenen Ausführungen auf dem Textilen Substrat befestigt und kontaktiert werden können.
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Die 4a und 4b zeigen entsprechende Beispiele. 4a zeigt ein textiles Substrat 1 mit einer leitfähigen Struktur 2, die abschnittsweise als Antennenanordnung 4 ausgeführt ist. Das textile Substrat enthält in 4a ein Display 19, das im hier vorliegenden Beispiel als eine Siebensegment-Anzeige ausgeführt ist. Das Display enthält intern eine Funkschnittstelle, beispielsweise eine RFID-Schnittstelle oder eine Bluetooth-Schnittstelle. Sie kann somit direkt über die Antennenanordnung 4 direkt ohne ein weiteres Bauteil mit externen Geräten kommunizieren.
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4b zeigt ein textiles Substrat 1 mit einer leitfähigen Struktur 2, die ebenfalls abschnittsweise als Antennenanordnung 4 ausgeführt ist. Das textile Substrat enthält in 4b einen Sensor 20 mit einer internen Funkschnittstelle. Diese kann ebenfalls eine RFID- oder Bluetooth-Schnittstelle sein. Der Sensor 20 kann somit direkt über die Antennenanordnung 4 direkt ohne ein weiteres Bauteil mit externen Geräten kommunizieren. Der Sensor 20 kann an sich ein Sensor für beliebige Messgrößen sein. Möglich ist hier insbesondere ein Näherungssensor, der beispielsweise die Anwesenheit einer Person registriert, oder ein Lagesensor, die die Position eines Objektes im Raum erfasst. Zusammen mit dem textilen Substrat kann der Sensor mit äußeren textilen Oberflächen verbunden, beispielsweise vernäht oder verklebt, werden.
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Die Ausführungsbeispiele aus den 4a und 4b sind beispielsweise im Automobilbau und dort bei der Innenausstattung von Fahrzeugen sehr vorteilhaft. So können beispielsweise Näherungssensoren in Sitzpolster oder im Himmel des Fahrzeugs integriert werden, und es ist auch möglich diese auf dem Armaturenbrett aufzukleben oder in anderer Weise zu befestigen. Die Näherungssensoren können zum Beispiel die Personenanzahl im Fahrzeug und die Besetzung der verfügbaren Sitzkapazitäten erfassen und über die Funkverbindung an den Bordcomputer des Fahrzeugs übermitteln, der daraufhin die Einstellung der Fahrzeugscheinwerfer anpasst.
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5 zeigt eine beispielhafte Darstellung eines RFID-Labels mit einer textilen Deckschicht und einer hydrophoben Beschichtung. Das textile Substrat 1 besteht in dem hier gegebenen Beispiel aus einem PES-Gewebe. Dieses ist mit der leitfähigen Struktur 2 in der vorher beschriebenen Weise versehen. In diesem Beispiel ist als elektronisches Bauelement 3 ein RFID-Chip, insbesondere ein RFID-Dual-Chip mittels ICP mit der leitfähigen Struktur verklebt. Der RFID-Chip ist mit einer flexiblen Einhausung 15a, beispielsweise mit einem Silikon-Dom, überdeckt. Die gesamte Anordnung aus leitfähiger Struktur 2 und elektronischem Bauelement 3 mit flexibler Einhausung 15a ist mit einer Kleberschicht 16 überdeckt. Diese Kleberschicht bildet einerseits ein Vergussmaterial für die auf dem textilen Substrat befindliche elektronische Schaltung und fixiert andererseits eine Deckschicht 17, die die gesamte elektronische Schaltung überdeckt. Die Kleberschicht ist bei einer vorteilhaften Gestaltung als eine elastische Schicht ausgeführt. Die Deckschicht 17 kann dabei aus dem gleichen Textilmaterial wie das textile Substrat bestehen, im hier vorliegenden Beispiel somit ein PES-Gewebe sein.
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Zusätzlich ist diese gesamte Anordnung beidseitig mit einer hydrophoben Beschichtung 18 versehen.
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6 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer flächigen leitfähigen Struktur 2, die mit einem elektronischen Bauteil, insbesondere mit einem RFID-Chip 6 als Antenne fungieren kann. 6 zeigt beispielhaft, dass die leitfähige Struktur nicht nur als schmale Leiterbahn, sondern auch hinreichend flächig auf das textile Substrat 1 aufgebracht sein kann und ebenfalls als Antenne wirksam ist.
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Derartige Anordnungen können somit je nach Erfordernis anwendungsorientiert gestaltet werden. Deren Anwendungen erstrecken sich beispielsweise in den medizinischen Bereich, insbesondere in den Bereich medizinischer Sensortechnik und medizinischer Funktionstextilien. Möglich ist auch eine Verwendung im Bereich der Bekleidung, beispielsweise für ein Zusammenwirken der elektronischen Schaltung auf dem textilen Träger mit einem im Bereich der Bekleidung mitgeführten Kommunikationsendgerät. Schließlich sind die genannten Anordnungen auch für Funktionstextilien und Funktionsbekleidung verwendbar.
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Die erfindungsgemäße Anordnung wurde anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Im Rahmen fachmännischen Handelns sind weitere Ausgestaltungen möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- textiles Substrat
- 2
- leitfähige Struktur
- 3
- elektronisches Bauelement
- 4
- Antenne
- 5
- Leiterbahn
- 6
- RFID-Chip
- 6a
- Sensor
- 7
- Integrierter Schaltkreis
- 8
- RFID-UHF-Antenne
- 9
- HF- oder NFC-Antennenanordnung
- 10
- RFID-Dual-Chip
- 11
- UHF-RFID-Antenne
- 12
- Batterie
- 13
- Sensor
- 14
- UHF-RFID-Chip
- 15
- Loch
- 15a
- flexible Einhausung
- 16
- Kleberschicht
- 17
- Textile Deckschicht
- 18
- Hydrophobe Beschichtung
- 19
- Displayelement mit integrierter Funkschnittstelle
- 20
- Sensor mit integrierter Funkschnittstelle
