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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine textile Elektronikvorrichtung mit einer Mehrzahl an flächigen Textillagen, wobei die Textillagen jeweils mindestens eine Elektronikkomponente und/oder eine elektrische Leiterbahn aufweisen.
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Textile Elektronik und/oder textilbasierte Elektronik, auch Smart Textiles genannt, finden in unterschiedlichen technologischen Gebieten Einsatz. Beispielsweise sind Leiterplatten auf textiler Basis bekannt, die einlagige Systeme bilden und sich über eine Ebene erstrecken.
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Beispielsweise ist aus der Druckschrift
DE 10 2017 214 286 A1 eine textile Bekleidungsvorrichtung bekannt, die ein textiles Gewebe aufweist und mindestens eine auf dem textilen Gewebe verlaufende elektrische Leiterbahn und eine auf dem textilen Gewebe angeordnete Funktionseinheit umfasst. Die Funktionseinheit umfasst eine Kontakteinheit zum Kontaktieren mit der elektrischen Leiterbahn.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine textile Elektronikvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer textilen Elektronikvorrichtung. Bevorzugte und/oder vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Es wird eine textile Elektronikvorrichtung vorgeschlagen. Die textile Elektronikvorrichtung ist beispielsweise als eine textile Sensorvorrichtung, textile Aktorvorrichtung und/oder textile Kleidungsvorrichtung ausgebildet. Die textile Elektronikvorrichtung bildet insbesondere eine elektronische Vorrichtung, beispielsweise zur Ausführung einer Funktion, Datenverarbeitung oder Sensordatenerfassung. Insbesondere ist die textile Elektronikvorrichtung flexibel, biegeschlaff und/oder torsionsschlaff ausgebildet. Die textile Elektronikvorrichtung umfasst eine Mehrzahl an flächigen Textillagen, insbesondere bildet die textile Elektronikvorrichtung eine Mehrlagen- und/oder Mehrschichtvorrichtung umfassend die Textillagen. Beispielsweise ist die textile Elektronikvorrichtung als eine Schichtung einer Vielzahl von flächigen Textillagen ausgebildet.
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Mindestens eine, mehrere oder alle Textillagen umfassen mindestens eine Elektronikkomponente. Alternativ und/oder ergänzend umfassen eine, mehrere oder alle Textillagen eine oder mehrere elektrische Leiterbahnen. Als Elektronikkomponente wird beispielsweise eine elektrische oder elektronische Einheit, insbesondere Funktionseinheit verstanden, insbesondere eine Anschlusseinheit, eine Energieversorgungseinheit, eine Leuchteinheit, eine Sensoreinheit, eine visuelle, akustische und/oder optische Ausgabeeinheit, insbesondere eine Signaleinheit, eine Kommunikationseinheit, beispielsweise ein Mikrofon oder ein Lautsprecher. Ferner kann die Elektronikkomponente beispielsweise ein Halbleiterbauelement bilden, beispielsweise einen Gleichrichter, ein Verstärkerelement, ein Speicherelement, ein Leuchtelement, ein Sensorelement oder ein anderes dem Fachmann sinnvoll erscheinendes Element. Im Speziellen wird bilden Elektrodenflächen eine Elektronikkomponente, wobei die Elektrodenflächen beispielsweise zum Aufbau eines kapazitiven Sensors angeordnet und/oder ausgebildet sind. Insbesondere sind die Elektrodenflächen durch flächenfüllendes Sticken mit einem leitfähigen Garn, durch Aufdrucken mit leitfähigen Tinten oder Paten oder durch Auflaminieren von leitfähigen Textilien oder Folien gebildet. Die elektrische Leiterbahn ist insbesondere als eine elektrische Verbindung ausgebildet.
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Beispielsweise ist die elektrische Leiterbahn zur Verbindung einer oder mehrerer Elektronikkomponenten ausgebildet. Die elektrische Leiterbahn ist insbesondere zur Realisierung einer elektrischen Schaltung, Verkabelung und/oder elektrischen Topologie. Die elektrische Leiterbahn ist beispielsweise zur Energieversorgung und/oder Signalleitung ausgebildet.
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Die Textillagen, insbesondere umfassend die Elektronikkomponente, Elektronikkomponenten, elektrische Leiterbahn und/oder elektrische Leiterbahnen, sind geschichtet, insbesondere gestapelt, angeordnet, wobei das Stapeln und/oder das Schichten in eine Schichtungsrichtung erfolgt und/oder diese vorgibt. Die Schichtungsrichtung ist insbesondere von einer ersten Schicht, beispielsweise einer untersten Elektroniklage zu einer obersten Schicht, insbesondere einer obersten Elektroniklage orientiert. Insbesondere definiert und/oder ergibt sich aus der Schichtungsrichtung eine Höhe der Textilvorrichtung und/oder der gestapelten Textillagen. Mit anderen Worten bilden die Textillagen, bzw. Elektroniklagen, einen Sandwich-Aufbau. Die textile Elektronikvorrichtung umfasst mindestens zwei, insbesondere mindestens zwei und im Speziellen mindestens zehn Textillagen.
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Die textile Elektronikvorrichtung umfasst Sticklinien, wobei die Sticklinien auf einem leitfähigen Fadenmaterial, insbesondere leitfähigen Garn basieren. Die Sticklinien sind durch ein Stickverfahren aufgebracht. Die Sticklinien können krummlinig oder geradlinig, insbesondere verzweigt, ausgebildet sein. Die Anzahl an Sticklinien verlaufend in und/oder durch die Textillagen nimmt für die Textillagen in Schichtungsrichtung ab. Dabei verläuft eine Sticklinie insbesondere durch die Textillagen bzw. Elektroniklagen unter ihnen, wobei Textillagen und/oder Elektroniklagen über ihnen die Sticklinie nicht umfassen und/oder kreuzen. Beispielsweise verläuft eine Sticklinie von einer mittigen Textillage durch die darunterliegenden, wobei die darüber liegenden von der Sticklinie frei sind. Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, Sticklinien so anzubringen, dass nur die darunterliegenden Schichten durch Sticken verbunden und/oder gekreuzt werden. Beispielsweise kommen pro Textillage bzw. Elektroniklage Sticklinien hinzu, so dass für die unterste Schicht eine erste Anzahl an Sticklinien, für die zweite eine zweite Anzahl von Sticklinien und für die dritte eine dritte Anzahl von drei Sticklinien ergibt, wobei erste Anzahl größer zweite Anzahl und zweite Anzahl größer dritte Anzahl gilt.
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Die Erfindung erlaubt es, einen mehrschichtigen Aufbau einer textilen Elektronikvorrichtung bereitzustellen, bei dem Sticklinien aus leitfähigem Fadenmaterial nur darunterliegende Schichten elektrisch verbinden und darüber liegende frei lässt, sodass auf den Ebenen unterschiedliche Komponenten angeordnet werden können, insbesondere verbunden, ohne dass Sticklinienkreuzungen und somit elektrische Kurzschlüsse oder Überbrückungen entstehen. Insbesondere kann so vermieden werden, dass es zu Kreuzungen von elektrischen Sticklinien kommt, die auf unterschiedlichen Lagen angeordnet sind.
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Insbesondere ist es vorgesehen, dass die elektrischen Leiterbahnen in und/oder auf der Textillage angeordnet ist. Die elektrische Leiterbahn ist vorzugsweise als eine Sticklinie ausgebildet. Beispielsweise ist die elektrische Leiterbahn in einem textilen Verfahren, insbesondere Sticken, mit dem leitfähigen Fadenmaterial aufgebracht. Bedingt durch den Stickprozess kann im Speziellen ein Teil der Sticklinie, die die elektrischen Leiterbahnen bildet, durch andere darunterliegende Textillagen verlaufen.
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Insbesondere sind Elektronikkomponenten innerhalb einer Textillage durch die elektrischen Leiterbahnen verbunden, insbesondere durch die Sticklinien aus dem leitfähigen Fadenmaterial.
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Besonders bevorzugt ist es, dass die textile Elektronikvorrichtung mindestens eine elektronische Durchkontaktierung aufweist. Die elektronische Durchkontaktierung ist insbesondere eine elektrische Verbindung zwischen mindestens zwei Textillagen, insbesondere mindestens zwei Elektroniklagen. Beispielsweise umfassen die Textillagen, welche durch die elektrische Durchkontaktierung verbunden werden, Kontaktierungspunkte, wobei die Durchkontaktierung bzw. elektrische Verbindung durch die Kontaktierungspunkte verläuft. Insbesondere ist die Durchkontaktierung als Sticklinie ausgebildet und/oder von einer Sticklinie gebildet. Beispielsweise wird zur Durchkontaktierung eine Sticklinie durch die Kontaktierungspunkte vorgesehen.
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Die Sticklinie zur Durchkontaktierung ist aus dem leitfähigen Fadenmaterial ausgebildet. Die Durchkontaktierung bildet insbesondere eine Spezialform einer elektrischen Leiterbahn, wobei diese Spezialform der elektrischen Leiterbahn über mindestens zwei Ebenen elektrisch verbindet.
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Dieser Ausgestaltung liegt die Überlegung zugrunde, dass so eine textile Elektronikvorrichtung bereitgestellt werden kann, welche elektrische Leiterbahnen innerhalb einer Textillage sowie elektrische Durchkontaktierung über mehrere Textillagen in einem Arbeitsschritt und/oder mittels einem Arbeitsverfahren, beispielsweise Sticken, erzeugen kann.
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Insbesondere bildet die textile Elektronikvorrichtung ein elektronisches Funktionsmodul, insbesondere ein Funktionsmodul mit einer elektronischen Schaltung und/oder welches eine elektronische Schaltung bildet. Das elektronische Funktionsmodul, bzw. die textile Elektronikvorrichtung umfasst eine Vielzahl an Elektronikkomponenten, insbesondere zum Aufbau der elektronischen Schaltung. Die Elektronikkomponenten sind insbesondere auf mindestens zwei Elektroniklagen, insbesondere Textillagen, verteilt. Dieser Ausgestaltung liegt die Überlegung zugrunde, statt einer großflächigen Elektronikvorrichtung bei der alle Elektronikkomponenten in einer Ebene angeordnet sind, eine textile Elektronikvorrichtung vorzuschlagen, bei der die Elektronikkomponenten auf mehrere Elektroniklagen verteilt sind und besonders kleinbauend realisiert werden kann. Insbesondere ist die elektronische Schaltung auf mindestens zwei Elektroniklagen verteilt. Mit anderen Worten ist die elektronische Schaltung bzw. der Signalverlauf, Datenverlauf und/oder elektrische Verbindungen über mehrere Elektroniklagen verteilt.
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Besonders bevorzugt ist es, dass die textile Lage ein Gewirk, ein Gestrick, ein Gewebe oder ein Vlies bildet. Insbesondere ist die Textillage als eine flächige Textillage bzw. flächiger Textilabschnitt ausgebildet. Die Textillage kann insbesondere zumindest partiell metallisch beschichtet ausgebildet sein.
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Insbesondere ist es vorgesehen, dass das leitfähige Fadenmaterial als ein metallbeschichtetes Garn ausgebildet ist, vorzugsweise metallbeschichtetes Polyamidgarn und im Speziellen ein silberbeschichtetes Garn. Das metallbeschichtete Garn kann auf einem Naturgarn basieren oder auf einem Kunststoffgarn.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass mindestens zwei Elektroniklagen, insbesondere Textillagen, im Speziellen alle Elektroniklagen und/oder Textillagen, stoffschlüssig verbunden sind. Die stoffschlüssige Verbindung dient insbesondere dem Verhindern eines Verschiebens von Elektroniklagen zueinander. Die stoffschlüssige Verbindung ist beispielsweise als eine Laminierung ausgebildet. Beispielsweise ist hierzu eine Laminierfolie zwischen zwei Elektroniklagen, insbesondere vor Anbringung der Leiterbahnen in der Ebene und/oder der Durchkontaktierung, eingelegt und anschließend laminiert. Das Laminieren kann insbesondere unter Verwendung eines Schmelzgarns ausgeführt sein. Alternativ und/oder ergänzend ist die stoffschlüssige Verbindung der Elektroniklagen als ein Verkleben, insbesondere ein vollflächiges oder punktuelles Verkleben, ausgebildet.
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Im Speziellen ist es vorgesehen, dass mindestens zwei Elektroniklagen und/oder mindestens zwei Textillagen, im Speziellen alle Lagen, mittels einer Verbindungssticklinie und/oder eine Mehrzahl an Verbindungsstücklinien verbunden sind. Die Verbindungssticklinien sind beispielsweise ähnlich wie bei einer Steppdecke angebracht. Die Verbindungssticklinie basiert insbesondere auf einem nichtleitfähigen Garn, insbesondere ist die Verbindungsstücklinie nach Anbringung aller Leiterbahnen angeordnet und/oder eingebracht.
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Einen weiteren Gegenstand der Erfindung bildet ein Verfahren zur Herstellung einer Elektronikvorrichtung. Das Verfahren sieht vor, dass Textillagen, umfassend jeweils mindestens eine Elektronikkomponente und/oder eine elektrische Leiterbahn, geschichtet werden, wobei Sticklinien aus einem leitfähigen Fadenmaterial angebracht werden, wobei die Anzahl an Sticklinien verlaufend durch die Textillagen in eine Schichtungsrichtung abnimmt. Beispielsweise wird hierzu in einem ersten Schritt auf den Textillagen vor Einbringung der Leiterbahnen und/oder der Durchkontaktierung die Elektronikkomponenten aufgebracht, beispielsweise aufgeklebt oder aufgenäht. Der Aufbau der textilen Elektronikvorrichtung erfolgt insbesondere schrittweise. Zunächst wird eine in Schichtungsrichtung eine unterste Textillage und/oder Elektroniklage angeordnet und die in diese Textillage benötigten Leiterbahnen durch Sticken mit dem leitfähigen Fadenmaterial angebracht. Die so eingebrachten Sticklinien erstrecken sich nur über diese Lage. In einem nächsten Schritt wird über die unterste Textillage eine weitere Textillage und/oder Elektroniklage aufgelegt. Die Leiterbahnen, insbesondere auch Durchkontaktierungspunkte, werden anschließend durch Sticken aufgebracht. Die so eingebrachten Sticklinien, welche die Leiterbahnen in dieser Lage bilden und/oder Durchkontaktierungen zwischen den beiden Textillagen ausbilden, erstrecken sich über die beiden Textillagen. Anschließend kann eine weitere Textillage aufgelegt und Leiterbahnen mit dem leitfähigen Garen gestickt werden, wobei sich diese Sticklinien nun über die drei Lagen erstrecken. Dies kann bis zum Erreichen der gewünschten Lagenanzahl und/oder Unterbringung aller Elektronikkomponenten fortgesetzt werden. Vorzugsweise werden in einem ersten Verfahrensschritt auf eine einzige, erste Textillage Sticklinien aus dem leitfähigen Fadenmaterial aufgebracht und in einem anschließenden zweiten Verfahrensschritt nach Auflegen einer zweiten Textillage auf die erste Textillage Sticklinien aus dem leitfähigen Fadenmaterial auf die erste und die zweite Textillage hindurch aufgebracht.
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Weitere Vorteile, Wirkungen und Ausgestaltungen ergeben sich aus den beigefügten Figuren und deren Beschreibung. Dabei zeigen:
- 1: Beispiel einer textilen Elektronikvorrichtung;
- 2a, b, c: Verfahren zur Herstellung einer textilen Elektronikvorrichtung.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer textilen Elektronikvorrichtung 1, welche beispielsweise eine mehrlagige Leiterplatte, umfassend mehrere Schichten, hier eine erste Elektroniklage 2a und eine zweite Elektroniklage 2b, bildet sowie ein flächiges Dielektrikum 8. Das Dielektrikum 8 ist zwischen der ersten und zweiten Elektroniklage 2a, b angeordnet, um diese, beispielsweise als Elektrodenflächen, voneinander elektrisch isoliert zu beabstanden und insbesondere einen kapazitiven Sensor zu bilden. Die Elektroniklagen 2a und 2b dienen insbesondere als Träger von Elektronikkomponenten 3a, 3b. Die Elektronikkomponenten 3a, b können klassische elektronische Bauteile bilden und/oder umfassen, insbesondere umfassen und/oder bilden die Elektronikkomponenten 3a, b Komponenten aus leitfähigen Materialien, beispielsweise durch Aufdrucken einer leitfähigen Tinte, Aufsticken von leitfähigen Garn oder Auflaminieren einer leitfähigen Folie. Dem Schaltungslayout entsprechend, beispielsweise entsprechend einem Funktionsmodul, werden die Elektronikkomponenten 3a, 3b miteinander verbunden um die Funktion zu ermöglichen. Die elektrischen Verbindungen können sich innerhalb einer Elektroniklage 2a, 2b erstrecken und elektrische Leiterbahnen bilden und/oder sich auf unterschiedliche Schichten beziehen und diese elektrisch verbinden und eine sogenannte Durchkontaktierung 5 bilden. Die textile Elektronikvorrichtung 1 sieht vor, dass die elektrischen Leiterbahnen 4 sowie die Durchkontaktierung 5 durch ein gemeinsames Arbeitsverfahren, hier Sticken, erhalten wurden, wobei das Sticken mit einem leitfähigen Fadenmaterial 6 erfolgt.
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2a zeigt eine ersten Elektroniklage 2a, insbesondere unterste Elektroniklage 2a. Die Elektroniklage 2a umfasst einen Textilabschnitt als Textillage sowie eine Elektronikkomponente 3a und 3b welche mittels einer elektrischen Leiterbahn 4 verbunden sind. Die Elektroniklage 2a ist hier in einem ersten Schritt gezeigt, bei dem die Elektronikkomponenten 3a, 3b auf die Textillage 7 aufgebracht sind, beispielsweise angeheftet oder angeklebt. Durch Sticken mit dem leitfähigen Fadenmaterial 6 wird eine Sticklinie erzeugt, die die elektrischen Leiterbahnen 4 bildet. Ferner ist eine elektrische Durchkontaktierung 8 vorgesehen, die zur elektrischen Kontaktierung und Verbindung mit einer darauf anzuordnenden Elektroniklage 2b ausgebildet ist. Hierzu weist die Elektroniklage 2b ebenso eine Kontaktierung auf, durch die mit dem Fadenmaterial 6 in einem zweiten Schritt gestickt wird und so die Durchkontaktierung 8 hergestellt wird. Insbesondere wird zwischen dem ersten Schritt und im zweiten Schritt beispielsweise eine Laminierfolie im späteren Prozessschritt des Laminierens eingelegt.
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2b zeigt die Elektroniklage 2a aus 2a und eine darüber angeordnete Elektroniklage 2b, welche ebenso eine Textillage 7 sowie Elektronikkomponenten 3c und 3d umfasst. Ferner werden in einem Arbeitsschritt durch Sticken Sticklinien aus dem leitfähigen Fadenmaterial 6 als Leiterbahn 4 generiert, welche in der ersten und zweiten Elektronikebene 2a, 2b verlaufen. Ferner wird zwischen den Kontaktierungspunkten der zweiten und ersten Elektronikebene 2a, 2b eine Durchkontaktierung 8 erzeugt.
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2c zeigte die Elektronikebenen 2a, 2b, wobei eine weitere Elektronikebene 2c über der Elektronikebene 2b angeordnet wird. Auch diese umfasst Elektronikkomponenten 3e und 3f sowie durch Sticken einzubringende elektronische Leiterbahnen 4, welche nicht nur auf der Ebene 2c sondern auch in den darunter liegenden Ebenen 2a, 2b verlaufen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017214286 A1 [0003]
