DE102015100297A1

DE102015100297A1 - Flexible elektrische Leiterstruktur

Info

Publication number: DE102015100297A1
Application number: DE102015100297.3A
Authority: DE
Inventors: Carmen Diegel; Peter Seidl; Sebastian Gepp; Thomas Weik
Original assignee: Individual
Current assignee: Schreiner Group GmbH and Co KG
Priority date: 2014-07-09
Filing date: 2015-01-12
Publication date: 2016-01-14
Also published as: US20160014884A1; AU2015285996A1; EP3167696A1; AU2015285996B2; DE112015003190A5; DE202014103821U1; US10098223B2; WO2016004921A1

Abstract

Vorrichtung zur Integration in eine elektrische Schaltung, umfassend – eine Trägerschicht (12’), die mit einer Release-Schicht ausgebildet ist, – mindestens eine flexible Isolationsschicht (14’, 32), die nach einem Druckverfahren hergestellt ist, – mindestens eine flexible elektrische Leiterstruktur (20’, 34), die nach einem Druckverfahren auf die Isolationsschicht (14) aufgebracht ist, wobei die Isolationsschicht (14’, 32) und die Leiterstruktur (20’, 34) eine flexible Einheit bilden, die zerstörungsfrei von der Trägerschicht (12’) ablösbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Integration in eine elektrische Schaltung, die eine Isolationsschicht aufweist, auf der eine elektrische Leiterstruktur aufgebracht ist.
Derartige Vorrichtungen sind in vielfältiger Weise aus der Praxis bekannt und können durch Anbindungen an weitere Komponenten, beispielsweise an eine Messschaltung, eine Spannungsquelle, einen Sensor oder dergleichen in eine komplexere elektrische Schaltung integriert werden. Bei der Herstellung wird bisher beispielsweise ein Substrat als Isolationsschicht verwendet, auf die die Leiterstruktur aufgedruckt werden kann. Das Substrat kann eine Leiterplatte sein oder auch ein flexibler Film, wie die unter den Markennamen Flexfoil, Kapton, Ito-Film und Melinex vertriebenen Produkte. Das Substrat wird zur Ausbildung der Leiterstruktur mit einer elektrisch leitenden Farbe bedruckt, die leitfähige Bestandteile wie Silber, Kupfer, leitfähige Polymere, Graphit, Graphene oder dergleichen umfassen kann. Alternativ können die Leiterstrukturen auch nach einem Ätzverfahren, nach einem Aufdampfverfahren oder einem Stanzverfahren hergestellt werden. Wenn die Isolationsschicht aus einer Folie oder aus Papier gefertigt ist, kann zudem eine Klebeschicht vorgesehen sein, so dass die mit der elektrischen Leiterstruktur versehene Vorrichtung selbstklebend ist und, wie beispielsweise ein RFID-Etikett, auf einem Untergrund, insbesondere einem Gerät, einem Leihbuch oder dergleichen, fixiert werden kann.
Bisher ist das Aufbringen von elektrischen Leiterstrukturen unter Verwendung von Druckverfahren, insbesondere eines Siebdruckverfahrens, auf spezielle Substrate begrenzt. Bei Substraten, die weitere Funktionalitäten erfüllen müssen, wie beispielsweise das Aufsaugen von Feuchtigkeit, ist es nicht möglich, elektrische Leiterstrukturen aufzudrucken. Die Grenzen für die Bedruckbarkeit sind insbesondere dadurch gegeben, dass eine Untergrundstruktur eine durchgängige leitfähige Bedruckung nicht zulässt, dass das betreffende Substrat keine hinreichende Wärmebeständigkeit hat, um einen Trocknungsprozess zerstörungsfrei zu überstehen, dass das Substrat keine hinreichende Oberflächenspannung für einen Druckprozess hat, dass das Substrat hinsichtlich seiner Form, seiner Krümmung und/oder seiner Grammatur für ein Druckverfahren ungeeignet ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Integration in eine elektrische Schaltung zu schaffen, die eine flexible elektrische Leiterstruktur aufweist und auf vielfältig ausgebildete Substrate transferiert werden kann.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird also eine Vorrichtung zur Integration in eine elektrische Schaltung vorgeschlagen, umfassend

– eine Trägerschicht, die mit einer Release-Schicht ausgebildet ist,
– mindestens eine flexible Isolationsschicht, die nach einem Druckverfahren hergestellt ist,
– mindestens eine flexible elektrische Leiterstruktur, die nach einem Druckverfahren auf die Isolationsschicht aufgebracht ist,

Mit der Vorrichtung nach der Erfindung wird also eine Einheit bereitgestellt, die von der Trägerschicht lösbar ist und die über entsprechende Anschlussstellen mit weiteren elektrischen Bauelementen verbunden werden kann. Durch die flexible Ausbildung der Isolationsschicht und der Leiterstruktur kann diese Einheit hinsichtlich ihrer Form an vielfältig ausgebildete Substrate angepasst werden. Damit können auch Substrate, die für einen direkten Druckprozess ungeeignet sind, mit einer leitfähigen Struktur versehen werden, ohne dass das Substrat, auf das die Einheit aus der Isolationsschicht und der Leiterstruktur übertragen wurde, beeinträchtigt werden würde.
Erfindungsgemäß wird zudem eine Vorrichtung zur Integration in eine elektrische Schaltung vorgeschlagen, umfassend

– mindestens eine flexible Isolationsschicht, die nach einem Druckverfahren hergestellt ist,
– mindestens eine flexible elektrische Leiterstruktur, die nach einem Druckverfahren auf die Isolationsschicht aufgebracht ist,

Diese Vorrichtung kann nach ihrer Fertigung direkt verwendet werden, d.h. sie muss nicht mehr von einer Trägerschicht gelöst werden.
Das Bauelement, mit dem die elektrische Leiterstruktur verbunden werden kann, kann ein komplexer elektrischer Schaltkreis oder auch nur ein einfaches elektrisches Bauelement, wie eine Spannungsquelle sein. Insbesondere kann die elektrische Leiterstruktur mit einer Auswerteeinheit verbunden werden, wobei dann die elektrische Leiterstruktur eine Sensorstruktur sein kann, mit der bestimmte Messgrößen ermittelt werden können, beispielsweise ein Feuchtigkeitsgrad oder eine Temperatur.
Die Trägerschicht stellt einen Interimsdruckträger dar, der nur bei der Herstellung der Vorrichtung von Bedeutung ist. Die Einheit aus der Isolationsschicht und der Leiterstruktur ist zur Integration in die elektrische Schaltung von der Trägerschicht ablössbar. Um dies zu gewährleisten, ist die Trägerschicht mit der Release-Schicht ausgebildet, die an die auf die Trägerschicht aufgebrachte Druckschicht grenzt. Die Haftung zwischen der Druckschicht und der Release-Schicht ist also gering.
Bei einer speziellen Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung ist die Isolationsschicht auf die Trägerschicht aufgedruckt (Downcoat).
Insbesondere besteht die flexible Isolationsschicht aus einem elektrisch isolierenden Lack, der einen filmbildenden Charakter aufweist, der durch Siebdruckparameter (Siebstärke, Maschenzahl) und die Lackzusammensretzung (Chemie) einstellbar ist. Die Form bzw. der Grundriss der Isolationsschicht kann frei gewählt werden, das heißt die Isolationsschicht kann flächig, streifenförmig und/oder gitterförmig ausgebildet sein oder auch jede andere drucktechnisch erzeugbare Formen haben.
Vorzugsweise ist die Isolationsschicht aus einem Lack gebildet, der ein modifizierter Lack sein kann. Grundsätzlich ist die Isolationsschicht aber nicht auf derartige Lacke beschränkt. Vielmehr können grundsätzlich Lacke eingesetzt werden, die mit einer hinreichenden Dicke gedruckt werden können und die selbst bedruckbar sind. Lacke, die modifiziert sind, können beispielsweise unter Verwendung von UV-Licht ausgehärtet werden.
In Abhängigkeit vom jeweiligen Anwendungsfall kann die Isolationsschicht eine hohe mechanische Festigkeit aufweisen oder auch fragil ausgebildet sein. Um bestimmte Bereiche mit einer höheren mechanischen Festigkeit und Stabilität auszubilden, kann die Isolationsschicht zumindest bereichsweise mehrlagig ausgebildet sein. Dies bedeutet, dass in den mehrlagig ausgebildeten Bereichen mehrere Druckschichten übereinander ausgebildet sind.
Die flexible Leiterstruktur kann aktive und/oder passive elektrische bzw. elektronische Bauelemente umfassen. Die Bauelemente können nach dem Drucken der Leiterstruktur mit dieser verbunden werden, beispielsweise verklebt werden, oder auch beim Druckvorgang selbst hergestellt werden.
Die Isolationsschicht und die elektrische Leiterstruktur sind jeweils vorzugsweise nach einem Siebdruckverfahren hergestellt. Auch die elektrische Leiterstruktur kann jede drucktechnisch denkbare Form annehmen. Hierzu wird vorzugsweise eine leitfähig Druckmasse eingesetzt, die Silber, Kupfer, Kohlenstoffverbindungen, insbesondere Karbon, eine leitfähige Polymerdruckfarbe, Graphene und/oder leitfähige Farben auf Nanobasis enthält.
Die Vorrichtung nach der Erfindung kann mehrere flexible elektrische Leiterstrukturen aufweisen, die durch eine flexible Isolationsschicht voneinander getrennt sind. Die voneinander getrennten elektrischen Leiterstrukturen können also bei einer Projektion senkrecht zur Trennisolationsschicht sich kreuzende Linien darstellen (Crossover). Damit kann auf beiden Seiten der flexiblen Isolationsschicht eine Funktionalität realisiert sein. Beispielsweise kann durch die beiden elektrischen Leiterstrukturen, die voneinander getrennt sind, jeweils ein Nässedetektor realisiert sein.
Die elektrischen Leiterstrukturen, die also eine mehrlagige Leiterstruktur bilden, können elektrisch voneinander getrennt sein oder auch elektrisch miteinander verbunden sein. Um eine elektrische Verbindung der beiden Leiterstrukturen, die durch die Isolationsschicht voneinander getrennt sind, zu schaffen, kann eine so genannte Durchkontaktierung realisiert sein. Hierbei ist die Isolationsschicht mit mindestens einer Ausnehmung versehen, die als winziges Loch angesehen werden kann und die von der Druckmasse von mindestens einer der Leiterstrukturen ausgefüllt ist. Beim Drucken der Isolationsschicht wird also mindestens eine Stelle ausgespart, die bei einem nachfolgenden Druckprozess für die Leiterstruktur mit der Druckmasse der Leiterstruktur ausgefüllt wird, so dass eine elektrische Verbindung zu der auf der anderen Seite der Isolationsschicht angeordneten Leiterstruktur hergestellt wird. Es ist kein separater Prozess zum Herstellen der Aussparung erforderlich, da diese beim Drucken der Isolationsschicht im Prozess erzeugt wird.
Die Vorrichtung nach der Erfindung kann beispielsweise ein Streifen sein, der zur Detektion von Nässe nutzbar ist. Hierzu wird aufgrund der Nässe an der Leiterstruktur ein Kurzschluss erzeugt, der von einer entsprechenden Auswerteeinheit weiterverarbeitet werden kann. Der Streifen, der beidseits eine elektrische Leiterstruktur aufweisen kann, wird beispielsweise bereichsweise mit einem saugfähigen Stoff (Vlies, Tissue oder dergleichen) verbunden, beispielsweise über eine aufgedruckte oder in anderer Form aufgebrachte Klebeschicht. Ein Nässesensor kann beispielsweise als Detektor zur Erkennung von Inkontinenz verwendet werden.
Wenn der oben genannte Aufbau mit mehreren Leiterstrukturen gewählt wird, der nach dem so genannten Crossover-Verfahren aufgebrachte Leiterbahnen aufweist, die sich in einem Winkel von etwa 90° schneiden, kann ein Dehnungssensor bereitgestellt werden, der sensitiv für zwei Raumrichtungen ist, da sich der elektrische Widerstand einer Leitung mit deren Geometrie, d.h. mit ihrer Länge, ihrer Höhe und ihrer Breite ändert.
Der durch die Vorrichtung gebildete Indikator bzw. Sensor kann mit einer Auswerteeinheit verbunden sein. Ein Anschlussbereich für die Auswerteeinheit kann durch mehrlagigen Aufbau der Isolationsschicht(en) verstärkt sein. Denkbar ist es auch, dass die Vorrichtung nach der Erfindung mit einem Bauelement verbunden wird, das mit einer Auswerteeinheit drahtlos kommunizieren kann.
Das eigentliche Endprodukt der Vorrichtung nach der Erfindung besteht lediglich zumindest aus einer flexiblen Isolationsschicht und zumindest einer flexiblen elektrischen Leiterstruktur. Es ist damit kein separates bedruckbares Substrat erforderlich, das mit einer Leiterstruktur versehen werden soll. Vielmehr kann die Baueinheit eigenständig oder in Verbindung mit einem beliebigen Substrat betrieben werden.
Die Geometrie der Leiterstruktur und der Isolationsschicht ist durch das Druckverfahren bestimmt, gemäß dem die Vorrichtung nach der Erfindung hergestellt wird.
Der gesamte Druckaufbau bei der Herstellung erfolgt von unten nach oben, d.h. Lage auf Lage. Damit ist der Druckaufbau auch für einen Endlosprozess geeignet, bei dem die Druckbahn nicht gewendet wird.
Die elektrische Leiterstruktur kann durch eine zusätzliche Druckschicht abgedeckt sein oder auch offen liegen. Durch die einzelnen Druckschichten kann die Flexibilität der Vorrichtung gezielt beeinflusst werden. Insbesondere kann die Einheit aus der Leiterstruktur und der Isolationsschicht bei Bedarf sehr fragil gestaltet sein und insbesondere bei einer Manipulation selbstzerstörend sein. Bei der Produktion und Verarbeitung bildet die Trägerschicht eine Verstärkung.
Denkbar ist es, die Vorrichtung mittels eines Hotmelt-Verfahrens auf ein Substrat zu übertragen. Ebenfalls ist es denkbar, die Vorrichtung nach der Erfindung bei der Herstellung weiterer Bauteile mit Kunststoff zu hinterspritzen und so in eine bestimmte Form zu bringen. Die Verformbarkeit der Einheit aus der Isolationsschicht und der Leiterstruktur kann durch entsprechende Einstellung der Druckschichten hinsichtlich Geometrie, Werkstoff und dergleichen erfolgen.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.
Ausführungsbeispiele der Vorrichtung nach der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
1 eine Draufsicht auf eine Vorrichtung nach der Erfindung, die als Inkontinenzsensor ausgebildet ist;
2 einen Schnitt durch die Vorrichtung nach 1 entlang der Linie II-II in 1;
3 eine Draufsicht auf eine alternative Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung, die als Dehnungssensor ausgebildet ist, und
4 einen Schnitt durch die Vorrichtung nach 3 entlang der Linie IV-IV in 3.
In den 1 und 2 ist ein Feuchtigkeits- bzw. Nässesensor 10 zur Überwachung der Inkontinenz einer Person dargestellt. Der Sensor 10 ist als flexibler Streifen ausgebildet, der beispielsweise auf eine eigens hierfür ausgelegte Hose der Person aufgeklebt werden kann. Der Sensor 10, der in der Zeichnung in seinem Zustand nach der Fertigung dargestellt ist, umfasst eine Trägerschicht 12, die als Release-Folie, d.h. als Folie mit einer Release-Schicht ausgebildet ist und ein Interims-Druckträger ist. Auf die Trägerfolie 12 ist nach einem Siebdruckverfahren eine Isolationsschicht 14 aufgebracht, die aus auf Polyurethanbasis hergestelltem Lack besteht, der mittels UV-Strahlung ausgehärtet ist. Die Isolationsschicht 14 weist eine hohe Flexibilität auf.
Auf der Isolationsschicht 14 ist eine aus zwei elektrischen Leitern 16 und 18 gebildete Leiterstruktur 20 aufgedruckt, die ebenfalls flexibel ausgebildet ist. Die Leiterstruktur 20 ist aus einer auf Kupferbasis hergestellten leitfähigen Druckmasse gebildet.
Um die von der Release-Schicht zerstörungsfrei ablösbare Einheit aus der Isolationsschicht 14 und der Leiterstruktur 20 an einem Substrat, beispielsweise der Hose der Person befestigen zu können, ist auf der Leiterstruktur 20 eine Klebeschicht 22 ausgebildet, die ebenfalls nach einem Druckverfahren aufgebracht sein kann. Zum Schutz der Klebeschicht vor der Montage kann eine Abdeckschicht 24 vorgesehen sein, die ebenfalls als so genannten Release-Folie ausgebildet ist.
In den 3 und 4 ist ein Dehnungssensor 30 dargestellt, der entsprechend der Ausführungsform nach den 1 und 2 eine Trägerschicht 12’ aufweist, die als Interims-Druckträger dient, auf den bei der Herstellung zunächst eine Isolationsschicht 14’ angeordnet wird. Die Isolationsschicht 14’ ist aus einem of Polyurethanbasis hergestellten Lack gebildet und nach einem Siebdruckverfahren auf die Trägerschicht 12’ aufgebracht.
Auf die Isolationsschicht 14’ ist eine elektrische Leiterstruktur 20’ nach einem Siebdruckverfahren aufgebracht, die aus einer Vielzahl von parallel angeordneten, streifenförmigen Leitern besteht, die aus einer silberhaltigen Druckmasse gebildet sind. Auch die Leiterstruktur 20’ weist eine hohe Flexibilität auf.
Auf die Leiterstruktur 20’ ist eine zweite Isolationsschicht 32 aufgedruckt, und zwar ebenfalls nach einem Siebdruckverfahren und durch Aufbringen einer Polyurethan-Druckmasse.
Auf der der elektrischen Leiterstruktur 20’ angewandten Seite der Isolationsschicht 32 ist eine zweite flexible elektrische Leiterstruktur 34 aufgedruckt, die aus streifenförmigen elektrischen Leitern besteht, welche rechtwinklig zu den Streifen der elektrischen Leiterstruktur 20’ verlaufen.
Um eine elektrische Verbindung zwischen der elektrischen Leiterstruktur 34 und der elektrischen Leiterstruktur 20’ zu schaffen, ist in der Isolationsschicht 32 eine Aussparung 36 ausgebildet, die durch Aussparen der entsprechenden Stelle beim Drucken der Isolationsschicht 32 erzeugt ist. Die Aussparung 36 ist mit der Druckmasse der zweiten elektrischen Leiterstruktur 34 ausgefüllt, so dass die elektrische Verbindung zwischen den beiden Leiterstrukturen 34 und 20’ realisiert ist.
Entsprechend der Ausführungsform nach den 1 und 2 weist der Dehnungssensor 30 eine Klebstoffschicht 22’ auf, die ebenfalls nach einem Siebdruckverfahren aufgebracht ist und die mittels einer Abdeckung 24’ geschützt ist. Zur Montage wird die Abdeckschicht 24’, die als Release-Folie ausgebildet ist, abgezogen, so dass der Dehnungssensor 30 über die Klebstoffschicht 22’ an einem Substrat befestigt werden kann.
Sowohl die elektrischen Leiterstrukturen 20’ und 34 des Dehnungssensors 30 als auch die Leiter 16 und 18 der elektrischen Leiterstruktur 20 des Nässedetektors nach den 1 und 2 können mit einer entsprechenden, geeigneten Auswerteeinheit verbunden werden.

Claims

Vorrichtung zur Integration in eine elektrische Schaltung, umfassend – eine Trägerschicht (12), die mit einer Release-Schicht ausgebildet ist, – mindestens eine flexible Isolationsschicht (14, 14’, 32), die nach einem Druckverfahren hergestellt ist, – mindestens eine flexible elektrische Leiterstruktur (20, 20’, 34), die nach einem Druckverfahren auf die Isolationsschicht (14) aufgebracht ist, wobei die Isolationsschicht (14, 14’, 32) und die Leiterstruktur (20, 20’, 34) eine flexible Einheit bilden, die zerstörungsfrei von der Trägerschicht (12) ablösbar ist.
Vorrichtung zur Integration in eine elektrische Schaltung, umfassend – mindestens eine flexible Isolationsschicht (14), die nach einem Druckverfahren hergestellt ist, – mindestens eine flexible elektrische Leiterstruktur (20), die nach einem Druckverfahren auf die Isolationsschicht (14) aufgebracht ist, wobei die Isolationsschicht (14) und die Leiterstruktur (20) eine substrat- und trägerfreie, flexible Einheit bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (14, 14’, 32) und/oder die Leiterstruktur (20, 20’, 34) nach einem Siebdruckverfahren hergestellt sind/ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Klebeschicht (22) zum Befestigen an einem Substrat, die vorzugsweise mit einer Abdeckung (24) versehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (14, 14’, 32) aus einem Lack gebildet ist, der vorzugsweise ein modifizierter Lack ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht zumindest bereichsweise mehrlagig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterstruktur (20, 20’, 32) aus einer leitfähigen Druckmasse gebildet ist, die Kupfer, Silber, eine Kohlenstoffverbindung, eine leitfähige Polymerstruktur, Graphene und/oder eine leitfähige Farbe auf Nanobasis umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolatiosschicht (32) zwischen zwei elektrischen Leiterstrukturen (20’, 34) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen den beiden Leiterstrukturen (20’, 34) angeordnete Isolationsschicht (32) mindestens eine Aussparung (36) aufweist, über die die beiden Leiterstrukturen (20’, 34) elektrisch miteinander verbunden sind, wobei die Aussparung (36) von mindestens einer Leiterstruktur (34) ausgefüllt ist.