DE112021005835T5

DE112021005835T5 - Verfahren zum Ausstatten von dreidimensionalen Objekten mit elektrisch leitfähigen Strukturen mit einer geringen Topographie und einer geringen Oberflächenrauheit

Info

Publication number: DE112021005835T5
Application number: DE112021005835.5T
Authority: DE
Inventors: Michael Olk; Driss Chabach; Pascal Schmalen
Original assignee: IEE International Electronics and Engineering SA
Current assignee: IEE International Electronics and Engineering SA
Priority date: 2020-11-06
Filing date: 2021-11-05
Publication date: 2023-09-07
Also published as: WO2022096672A1

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe (10) von strukturierten Elementen (12) aus einem elektrisch leitfähigen Material (22) auf einem Kunststoffmaterialsubstrat (14) umfasst die folgenden Schritte: Bereitstellen (100) eines flachen Substrats (14) aus Kunststoffmaterial, Aufdrucken (102), auf das Kunststoffmaterialsubstrat (14), von Bahnen (20) einer ersten vordefinierten Dicke (t1) und entsprechend einem beabsichtigten Verlauf der strukturierten Elemente (12) aus einem Material mit starker Haftung (AD1, AD2) an sowohl dem Kunststoffmaterialsubstrat (14) als auch dem elektrisch leitfähigen Material (22); Aufdrucken (104) eines Maskierungsmaterials (28) mit der ersten vordefinierten Dicke (t1) direkt auf die Oberfläche (16), wobei das Maskierungsmaterial (28) eine Haftung (AD4) an dem Kunststoffmaterialsubstrat (14) aufweist, die größer als eine Haftung (AD3) an dem elektrisch leitfähigen Material (22) ist; wobei die Haftung (AD1) des Bahnmaterials an dem elektrisch leitfähigen Material (22) größer als die Haftung (AD3) des Maskierungsmaterials (28) an dem elektrisch leitfähigen Material (22) ist; Anwenden (106) eines atmosphärischen Plasmasprühverfahrens, um jede der Bahnen (20) und zumindest einen Abschnitt des Maskierungsmaterials (28) angrenzend an jede jeweilige Bahn (20) mit dem elektrisch leitfähigen Material (22) mit einer zweiten vordefinierten Dicke (t2) abzudecken; und Anwenden (108) eines Reinigungsverfahrens, um das elektrisch leitfähige Material (22) zumindest aus dem Abschnitt des Maskierungsmaterials (28) angrenzend an jede jeweilige Bahn (20) zu entfernen.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe von einem oder mehreren strukturierten Elementen aus einem elektrisch leitfähigen Material auf einem Kunststoffmaterialsubstrat und eine solche Baugruppe, die durch ein solches Verfahren erhalten werden kann.
Hintergrund der Erfindung
Auf vielen technischen Gebieten gibt es Anwendungen, bei denen eine Oberfläche eines dreidimensionalen Objekts mit mindestens einer elektrisch leitfähigen Struktur ausgerüstet sein muss. In manchen Fällen, wie auf dem Gebiet von Kraftfahrzeuganwendungen, können Anforderungen maßgebend sein, dass solche Strukturen, wenn sie nicht im Betrieb sind, für einen Benutzer unauffällig sein sollten. Eine weitere Anforderung kann darin bestehen, dass solche leitfähigen Strukturen nahe einer oberen Dekorfläche des Objekts angeordnet sein müssen, um eine optimale Leistung zu ermöglichen.
Auf dem Gebiet der Kraftfahrzeugtechnik sind typische Anwendungen, für die Vorstehendes gilt, kapazitive Abtastelektroden und elektrische Widerstandsheizungen.
Zum Beispiel ist aus der US 8,330,079 B2 ein Lenkrad bekannt, welches einen Kranz, erste Heizelemente, zweite Heizelemente und ein Steuerteil einschließt. Der Kranz besitzt mit Leder bedeckte Abschnitte und Holzmaserungsabschnitte. Die Oberfläche der mit Leder bedeckten Abschnitte hat eine Wärmeleitfähigkeit, die sich von der Wärmeleitfähigkeit der Oberfläche der Holzmaserungsabschnitte unterscheidet. Jedes erste Heizelement ist innerhalb der Oberfläche des entsprechenden mit Leder bedeckten Abschnitts vorgesehen. Wenn es bestromt wird, stellt jedes erste Heizelement die Oberflächentemperatur des entsprechenden mit Leder bedeckten Abschnitts ein. Jedes zweite Heizelement ist innerhalb der Oberfläche des entsprechenden Holzmaserungsabschnitts vorgesehen. Wenn es bestromt wird, stellt jedes zweite Heizelement die Oberflächentemperatur des entsprechenden Holzmaserungsabschnitts ein. Das Steuerteil steuert die Bestromung der ersten Heizelemente und die Bestromung der zweiten Heizelemente unabhängig voneinander.
Als Beispiel für die Verwendung von kapazitiven Abtastelektroden ist es bekannt, diese für sogenannte Freihanderkennungssysteme (Hands Off Detection Systems, HOD) einzusetzen, bei denen einer oder mehrere Sensoren Informationen darüber bereitstellen, ob ein Fahrer seine Hände auf einem Lenkrad eines Fahrzeugs platziert hat oder nicht. Diese Informationen können als Eingabe einem automatischen Fahrerassistenzsystem (Automatic Driver Assistance System, ADAS), wie einer automatischen Distanzregelung (Adaptive Cruise Control, ACC), bereitgestellt werden, das, basierend auf dem bereitgestellten Sensorsignal, den Fahrer warnen und ihn daran erinnern kann, wieder die Kontrolle über das Lenkrad zu übernehmen. Insbesondere können solche HOD-Systeme als Unterstützung verwendet werden, um eine Anforderung der Wiener Konvention zu erfüllen, dass der Fahrer jederzeit die Kontrolle über sein Fahrzeug behalten muss. HOD Systeme können auch in einem Parkassistenzsystem oder einem ADAS eingesetzt werden, das dafür ausgelegt ist, eine Fahreraktivität bei hoher Geschwindigkeit auszuwerten.
Ein kapazitiver Sensor oder eine kapazitive Abtastvorrichtung, der bzw. die manchmal als elektrischer Feldsensor oder Näherungssensor bezeichnet wird, bezeichnet einen Sensor, der ein Signal erzeugt, das auf den Einfluss des Abgetasteten (einer Person, eines Körperteils einer Person, eines Haustieres, eines Gegenstands usw.) auf ein elektrisches Feld reagiert. Ein kapazitiver Sensor umfasst im Allgemeinen mindestens eine Antennenelektrode, an die ein oszillierendes elektrisches Signal angelegt wird und die daraufhin ein elektrisches Feld in einen Raumbereich nahe der Antennenelektrode ausgibt, während der Sensor in Betrieb ist. Der Sensor umfasst mindestens eine Abtastelektrode, an der der Einfluss eines Gegenstands oder eines Lebewesens auf das elektrische Feld erkannt wird. In manchen kapazitiven (sogenannten „Lademodus-“) Sensoren dient die eine oder dienen die mehreren Antennenelektroden gleichzeitig als Abtastelektroden. In diesem Fall bestimmt die Messschaltung den in die eine oder in die mehreren Antennenelektrode(n) fließenden Strom in Abhängigkeit von einer an diese angelegten oszillierenden Spannung. Die Beziehung zwischen Spannung und Strom ergibt die komplexe Impedanz zwischen der einen oder den mehreren Antennenelektrode(n) und Masse. In einer alternativen Version von kapazitiven Sensoren (kapazitive „Kopplungsmodus“-Sensoren) sind die Sendeantennenelektrode(n) und die Abtastelektrode(n) voneinander getrennt. In diesem Fall bestimmt die Messschaltung den Strom oder die Spannung, der/die in der Abtastelektrode induziert wird, wenn die Sendeantennenelektrode in Betrieb ist.
Die verschiedenen kapazitiven Abtastmechanismen werden in dem technischen Dokument mit dem Titel „Electric Field Sensing for Graphical Interfaces" von J. R. Smith et al., veröffentlicht in IEEE Comput. Graph. Appl., 18(3):54-60, 1998, erläutert. Das Dokument beschreibt das Konzept des Abtastens eines elektrischen Felds, wie es verwendet wird, um berührungslose dreidimensionale Positionsmessungen vorzunehmen, und insbesondere, um die Position einer menschlichen Hand zum Zwecke der Bereitstellung von Eingaben von dreidimensionalen Positionen in einen Computer abzutasten. Innerhalb des allgemeinen Konzepts des kapazitiven Abtastens unterscheidet der Autor zwischen distinkten Mechanismen, die er als „Lademodus“, „Parallelmodus“ und „Sendemodus“ bezeichnet, die verschiedenen möglichen Wegen für den elektrischen Strom entsprechen. Im „Lademodus“ wird ein oszillierendes Spannungssignal an eine Sendeelektrode angelegt, die ein oszillierendes elektrisches Feld gegen Masse aufbaut. Das abzutastende Objekt modifiziert die Kapazität zwischen der Sendeelektrode und Masse. Im „Parallelmodus“ wird ein oszillierendes Spannungssignal an die Sendeelektrode angelegt, die ein elektrisches Feld gegen eine Empfängerelektrode aufbaut, und der an der Empfängerelektrode induzierte Verschiebungsstrom wird gemessen, wodurch der Verschiebungsstrom durch den abgetasteten Körper modifiziert werden kann. Im „Sendemodus“ wird die Sendeelektrode mit dem Körper des Benutzers in Kontakt gebracht, der dann ein Sender relativ zu einem Empfänger wird, und zwar entweder durch direkte elektrische Verbindung oder über eine kapazitive Kopplung. Der „Parallelmodus“ wird alternativ auch als der oben erwähnte „Kopplungsmodus“ bezeichnet.
Die kapazitive Kopplung kann durch Anlegen eines Wechselspannungssignals an eine kapazitive Antennenelektrode und durch Messen des von der Antennenelektrode entweder gegen Masse (im Lademodus) oder, im Kopplungsmodus, in die zweite Elektrode (Empfängerelektrode) fließenden Stroms bestimmt. Dieser Strom kann mittels eines Transimpedanzverstärkers gemessen werden, der an eine Abtastelektrode angeschlossen ist und der einen in die Abtastelektrode fließenden Strom in eine Spannung umwandelt, die proportional zu dem in die Antennenelektrode fließenden Strom ist.
Im Stand der Technik wurde auch vorgeschlagen, kapazitive Sensoren mit Heizvorrichtungen, insbesondere in Fahrzeuglenkrädern und auch in Fahrzeugsitzen, zu kombinieren.
Dies ist beispielhaft in der US 2011/0148648 A1 veranschaulicht, die ein kapazitives Insassen-Abtastsystem für einen Fahrzeugsitz beschreibt. Eine Elektrode ist in einem Sitz nahe einer erwarteten Position eines Insassen zum Abtasten eines Insassen in ihrer Nähe angeordnet. Die Elektrode kann mit einer Sitzheizung integriert sein. Steuerschaltungen steuern die Sitzheizung. Ein Signalgenerator ist an die Elektrode gekoppelt und dafür ausgelegt, eine Vielzahl von Signalen mit einer Vielzahl von Frequenzen an die Elektrode auszugeben. Die Insassenerkennungsschaltungen erkennen Spannungen, die auf die Vielzahl von Signalen mit der Vielzahl von Frequenzen reagieren, und erkennen, basierend auf den erkannten Spannungen, einen Belegungszustand. Eine an die Elektrode gekoppelte LC-Schaltung und die Steuerschaltungen unterdrücken die von den Steuerschaltungen erzeugte Kapazität. Die LC-Schaltung kann eine Gleichtaktdrossel einschließen, um die Effekte von externen Kapazitätseinflüssen zu unterdrücken.
Die WO 92/17344 A1 beschreibt einen elektrisch beheizten Fahrzeugsitz mit einem Leiter, der durch das Durchleiten von elektrischem Strom erwärmt werden kann und der sich in der Sitzfläche befindet, wobei der Leiter auch eine Elektrode eines Sitzbelegungssensors mit zwei Elektroden bildet.
Die WO 95/13204 A1 offenbart ein ähnliches System, bei dem die Schwingungsfrequenz eines an das Heizelement angeschlossenen Oszillators gemessen wird, um den Belegungszustand des Fahrzeugsitzes abzuleiten. Aufwändigere Kombinationen aus Sitzheizung und kapazitivem Sensor sind zum Beispiel in der US 7,521,940 B2 , der US 2009/0295199 A1 und der US 6,703,845 B2 offenbart.
Die US 6,703,845 B2 beschreibt einen Insassensensor. Ein schwingendes oder gepulstes erstes Signal wird an ein Sitzheizungselement angelegt, das mit einer ersten und einer zweiten Impedanz wirkverbunden ist, die das erste Signal von der Stromquelle und -senke zum Heizelement isoliert. In einer anderen Ausführungsform sind eine dritte und eine vierte Impedanz an jeweiligen Knoten mit der ersten und der zweiten Impedanz verbunden, und ein zweites Signal, das im Wesentlichen gleich dem ersten Signal ist, ist betrieblich an die Knoten gekoppelt. In einer anderen Ausführungsform wird das erste Signal an eine Elektrode angelegt und das zweite Signal wird an das Heizelement angelegt, das die Elektrode von einem Einfluss durch den Sitz abschirmt. In einer anderen Ausführungsform wird das erste Signal an eine erste Elektrode angelegt, die von dem Heizelement durch eine zweite Elektrode abgeschirmt ist, die betrieblich an das zweite Signal gekoppelt ist. Die Impedanzen können zum Beispiel durch Induktoren oder elektronische Schalter bereitgestellt sein.
Ferner schlägt die US 2014/0339211 A1 eine Kombinationsheizung vor, die Abtastfähigkeiten einschließt, so dass die Heizung sowohl heizt als auch das Vorhandensein eines Insassen in einem Fahrzeug, die Position eines Insassen oder beides abtastet. Die Kombination aus Heizung und Sensor ist frei von diskreten Komponenten und umfasst: a) eine Heizschicht, eine Abtastschicht oder beides; und b) einen oder mehr Abschnitte zum Anlegen von Strom, einen oder mehr Abschnitte zum Anwenden eines Abtastens oder beides. Die Heizschicht und die Abtastschicht befinden sich innerhalb der gleichen Ebene. Die Heizschicht ist eine Vliesschicht, die eine Vielzahl von metallisierten Fasern umfasst, die willkürlich ausgerichtet sind und die Heizschicht bilden, so dass die Heizschicht bei Anlegen von Strom Wärme bereitstellt. Bei der Vielzahl von Fasern kann es sich um eine Vielzahl von Polymerfasern handeln, die mit einem Metall beschichtet sind, so dass die Vielzahl von mit Metall beschichteten Polymerfasern leitfähig ist.
Es wird ein Verfahren vorgeschlagen, das Schritte des Installierens der Kombination aus Heizung und Sensor in eine Komponente eines Kraftfahrzeugs; (b) des Bereitstellens von Strom für die Kombination aus Heizung und Sensor, so dass eine Heizschicht der Kombination aus Heizung und Sensor Wärme erzeugt; (c) des Bereitstellens eines Signals für die Kombination aus Heizung und Sensor, so dass eine Abtastschicht der Kombination aus Heizung und Sensor ein Signal zum Bestimmen des Vorhandenseins eines Insassen, eines Kontakts zwischen dem Insassen und der Komponente des Kraftfahrzeugs oder beides erzeugt; und (d) des Überwachens des Signals für einen Insassen, für ein Fehlen eines Insassen, für ein Fehlen eines Kontakts zwischen der Komponente und dem Insassen oder eine Kombination davon, umfasst.
Die starken relativen Krümmungen eines Kranzes eines Fahrzeuglenkrads, die in zwei unabhängigen Richtungen einer Oberfläche des Kranzes vorliegen, stellen besonders hohe Ansprüche in Bezug auf das Erfüllen der Anforderung, dass Abtastelektroden und/oder elektrische Widerstandsheizungen für einen Benutzer unauffällig sein sollen. Eine fortlaufende Anforderung für solche Anwendungen besteht natürlich in deren Miniaturisierung.
Trotz einer ausgezeichneten Fähigkeit des Führens einer hohen Stromdichte schließen die vorherrschenden kombinierten Anforderungen im Allgemeinen die Verwendung von herkömmlichen Heizdrähten, wie aus Kupfer gefertigten Drähten, aus, da Drähte ein Padding-Material erfordern, um die Topographie auszugleichen, was zu einem großen Abstand zwischen einer Elektrode und einem oberen Dekor führt.
Im Bestreben, die genannten Anforderungen zu erfüllen, wurden im Stand der Technik Lösungen vorgeschlagen, um Heizungen unauffällig in ein Lenkrad zu integrieren.
Zum Beispiel beschreibt die US 8,278,602 B2 ein Heizelement für ein Lenkrad. Das Heizelement schließt ein Grundmaterial und eine Heizung ein, die auf dem Grundmaterial angeordnet ist, das verformt werden kann, um einen Teil der Heizung aufzunehmen. Ein mit dem Heizelement ausgestattetes Lenkrad ist frei von Vorsprüngen an der Oberfläche, die durch die Heizung verursacht werden. Das Einsetzen einer linearen Heizung verringert Verbindungen zwischen der Heizung und Stromversorgungsleitungen, und es wird eine hohe Verbindungszuverlässigkeit erhalten. Das Lenkrad schließt das Heizelement und die Stromleitungen ein, und Verbindungen zwischen dem Heizelement und den Stromleitungen sind in dem Nabenabschnitt des Lenkrads angeordnet. Das Lenkrad ist mit einem Temperaturdetektor, einer Temperaturdetektorheizung und einem Temperaturregler versehen, und der Detektor und die Detektorheizung sind in dem Nabenabschnitt angeordnet.
Es wurden im Stand der Technik andere Ansätze vorgeschlagen, bei denen Folienheizelemente eingesetzt werden, d. h. Heizelemente mit dem Aussehen einer dünnen flexiblen Folie oder eines dünnen flexiblen Films.
Zum Beispiel beschreibt die Internationale Anmeldung WO 2015/024909 A1 eine Folienheizung für eine Flächenheizung. Die Folienheizung umfasst eine erste und eine zweite spiralförmige widerstandsfähige Heizspur, die in einer ersten bzw. einer zweiten Schicht ausgebildet ist, die einer flachen oder gekrümmten Oberfläche entspricht. Die erste und die zweite spiralförmige widerstandsfähige Heizspur können durch (Rotations-) Siebdrucken, Gravurdrucken, Flexodrucken oder Tintenstrahldrucken einer elektrisch leitfähigen Tinte, gefolgt von einem Härte-/Sinterschritt, hergestellt werden. Jede von der ersten und der zweiten widerstandsfähigen Heizspur hat eine Mitte und mindestens ein äußeres Ende. Eine elektrisch isolierende Schicht ist zwischen der ersten und der zweiten Schicht angeordnet. Die elektrisch isolierende Schicht umfasst eine Öffnung, die einen elektrischen Weg aufnimmt, durch den die erste und die zweite widerstandsfähige Heizspur elektrisch miteinander verbunden sind. Die Folienheizung ist mit dem Betrieb bei einer geringeren Temperatur kompatibel. Auf Grund ihrer Spiralform können die Heizspuren dicht über der gesamten Heizfläche im Wesentlichen ohne Kreuzungen geführt werden. Somit kann eine wesentlich gleichmäßigere Temperaturverteilung erreicht werden.
Andere Lösungen im Stand der Technik schlagen das Kombinieren einer Funktion eines kapazitiven Sensors und einer Heizfunktion in einem folienartigen Element vor.
Zum Beispiel schlägt die WO 2016/096815 A1 einen planaren flexiblen Träger zur Verwendung beim Lenkradheizen und/oder beim Abtasten des Vorhandenseins der Hand (Hände) des Fahrers auf dem Lenkrad vor. Der planare Träger, der zur Montage an einem Kranz eines Lenkrads ohne Falten eingesetzt werden kann, umfasst einen Abschnitt von planarer flexibler Folie von grob rechteckiger Form mit zwei Längsseiten und zwei seitlichen Seiten. Eine Länge B der seitlichen Seiten beträgt das 0,96- bis 1 ,00-fache des Umfangs des Kranzes. Eine Anzahl von N Ausschnitten pro Längeneinheit ist auf jeder der Längsseiten vorgesehen, wobei sich die Ausschnitte einer Seite versetzt relativ zu gegenüberliegenden Ausschnittabschnitten auf der gegenüberliegenden Seite befinden. Das Bestimmen einer optimalen Form und Größe der Ausschnitte wird beschrieben. Ferner wird ein Wärmeträger, eine Heiz- und/oder Abtastvorrichtung und Verfahren zu deren Herstellung beschrieben.
Ein weiterer Ansatz wurde in der internationalen Anmeldung WO 2013/050621 A2 vorgenommen, die elektrisch leitfähige Textilien zum Insassenabtasten und/oder für Heizanwendungen beschreibt, wobei der Sensor und/oder die Heizung von hinten an einer Oberfläche, wie einem Fahrersitz, einem Beifahrersitz, einem Rücksitz, einem Lenkrad, einer Türseite des Innenraums, einem Schalthebel usw. angebracht werden kann.
Eine flexible Heizung und/oder Elektrode umfasst ein gewebtes Textilmaterial mit einer Webkettenrichtung und einer Schussgarnrichtung. Das Textilmaterial umfasst mindestens einen Bereich mit einem niedrigen elektrischen Leitwert und mindestens zwei Bereiche mit einem hohen elektrischen Leitwert. Die mindestens zwei Bereiche mit hohem elektrischem Leitwert grenzen an den mindestens einen Bereich mit niedrigem elektrischem Leitwert an. Mindestens einer der mindestens zwei Bereiche mit hohem elektrischem Leitwert ist mit einer Anschlussklemme der Heizung und/oder Elektrode wirkverbunden, wobei die Anschlussklemme zum Verbinden der Heizung und/oder Elektrode mit einer elektronischen Steuerschaltung dient.
Widerstandsfähige Heizspuren können durch (Rotations-) Siebdrucken, Gravurdrucken, Flexodrucken oder Tintenstrahldrucken einer elektrisch leitfähigen Tinte hergestellt werden und könnten leicht nahe einer Oberfläche eines zu heizenden Objekts integriert werden. Elektrisch widerstandsfähige Tinten haben einen positiven Temperaturkoeffizienten (PTC), was wünschenswert ist, da solche Materialien von sich aus selbstbegrenzend und ohne weiteres im Handel erhältlich sind. Ihre Verwendung für Versorgungsleitungen ist jedoch begrenzt, da erforderliche Schichtwiderstände nur mit Tinten mit einer hohen Silberladung erreichbar sind. Dies hat eine starke Auswirkung auf die Kosteneffizienz und führt ferner zu einer wesentlichen Abnahme der mechanischen Robustheit betreffend den Widerstand gegenüber dem Biegen der gedruckten Leiterbahn, da stark leitende Silbertinten bekanntlich mechanisch fragil sind. Jegliche Kompressions-, Biege- und/oder Dehnungsbelastung, die von einem Bediener bei der Installation oder zum Beispiel von einem Sitzinsassen bei einer Sitzheizvorrichtung aufgebracht werden könnte, kann einen elektrischen Widerstand von einem oder mehreren widerstandsfähigen Heizelementen beeinträchtigen, so dass er sich auf Grund von gebildeten Rissen oder Sprüngen erhöht, was zu einer verringerten Heizenergie führt, derart, dass dies schließlich dazu führen kann, dass die elektrische Heizvorrichtung funktionsuntüchtig wird.
Es sind verschiedene Verfahren aus anderen technischen Gebieten bekannt, bei denen Beschichtungen oder elektrisch leitfähige strukturierte Elemente auf Substraten, wie Kunststoffmaterialien, hergestellt werden. Eines dieser Verfahren ist das Plasmasprühen.
Als Beispiel beschreibt die WO 2015/107059 A1 ein Plasmabeschichtungsverfahren zum Ablagern einer funktionellen Schicht auf einer Oberfläche eines Substrats und eine Vorrichtung zum Ausführen des Beschichtungsverfahrens. Das Plasmabeschichtungsverfahren ermöglicht hohe Beschichtungsgeschwindigkeiten und wird unter normalen atmosphärischen Bedingungen ausgeführt. Dies wird dadurch erreicht, dass ein atmosphärisches Plasma und ein inertes Trägergas verwendet werden, so dass sehr hohe Energien in das Beschichtungsmaterial eingebracht werden können, um eine chemische Reaktion zu starten, und eine steuerbare chemische Reaktion zugelassen wird, während atmosphärischer Sauerstoff in dem Plasma ausgeschlossen wird. Das Beschichtungsmaterial zum Bilden der funktionellen Schicht wird direkt in das Plasma, das in einer Düse erzeugt wird, über eine Zufuhrleitung zugeführt, während Sauerstoff ausgeschlossen wird. Durch Verwendung von Silber als Beschichtungsmaterial können Schichten mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit, eine Wärmeschutzglasur und antibakterielle Beschichtungen hergestellt werden. Als Material für das Substrat wird Glas erwähnt.
Außerdem beschreibt die US 5,891,527 A ein Leiterplattenverfahren, beim dem das Plasmasprühen von leitfähigem Metall verwendet wird. Das Verfahren zum Bilden einer Leiterplatte umfasst die folgenden Schritte: a) Herstellen mindestens einer Oberfläche eines Substrats mit einem Muster, einschließend ausgewählte Bereiche zur Aufnahme von Kupfer und nicht ausgewählte Bereiche, an denen Kupfer nicht haftet, wobei die nicht ausgewählten Bereiche mit einer Schicht von gegenüber Haftung widerstandsfähigem Material mit einer Oberfläche beschichtet werden, die glatt/blank ist, so dass Kupfer nicht daran haften bleibt, wobei das Muster durch selektives Entfernen nur des gegenüber Haftung widerstandsfähigen Materials gebildet wird, wobei die Schicht des gegenüber Haftung widerstandsfähigen Materials ausreichend dünn ist, dass die ausgewählten und nicht ausgewählten Bereiche im Wesentlichen koplanar ohne Nuten oder Rippen, die das Muster definieren, sind; und danach b) Plasmabesprühen der mindestens einen Oberfläche mit Kupfer, um die ausgewählten Bereiche mit Kupfer zu beschichten, während die nicht ausgewählten Bereiche im Wesentlichen frei von Kupfer bleiben. Das Substrat kann aus jedem von einer Vielfalt von typischen Materialien für Leiterplattensubstrate gebildet werden, einschließlich warmausgehärtete Harze, thermoplastische Harze, Keramik und Kombinationen davon.
Ferner schlägt die US 6,965,071 B2 thermisch gesprühte metallische konforme Beschichtungen vor, die als Wärmeverteiler verwendet werden. Das Verfahren des Abführens von Wärme von einer elektronischen Vorrichtung mit einer Einfassung, die aus einem Kunststoffmaterial gefertigt sein kann, und mindestens einer Wärme erzeugenden Quelle, die innerhalb der Einfassung aufgenommen ist, wobei die Einfassung ein oder mehrere Teile aufweist und mindestens eines der Teile eine Außenfläche und eine entgegengesetzte Innenfläche aufweist, umfasst die folgenden Schritte: (a) Bedecken zumindest eines Abschnitts der Innenfläche des einen der Einfassungsteile mit einer konformen metallischen Schicht durch die folgenden Schritte: (i) Bereitstellen eines Zuführmaterials, umfassend ein Metall oder eine Metalllegierung; (ii) Erhitzen des Zuführmaterials von Schritt zu einem geschmolzenen Zustand; (iii) Zerstäuben des Zuführmaterials aus Schritt (ii), während es sich in dem geschmolzenen Zustand befindet; (iv) Sprühen des zerstäubten Zuführmaterials aus Schritt (ii), während es sich in dem geschmolzenen Zustand befindet, auf den Abschnitt der Innenfläche des einen von dem Einfassungsteil, um eine selbsthaftende Beschichtung des Metalls darauf zu bilden; und (v) Verfestigen der Beschichtung aus Schritt (iii), um die konforme metallische Schicht zu bilden; und (b) Anordnen der konformen metallischen Schicht abgedeckt auf dem einen der Einfassungsteile und der Quelle in wärmeübertragender Nachbarschaft zueinander. Die metallische Schicht kann Zinn, Nickel, Kupfer, Zink, Aluminium, Silber oder eine Legierung davon umfassen.
Dann beschreibt die WO 2015/055486 A1 ein Verfahren zum Ermöglichen einer dauerhaften Beschichtung von geschmolzenen Körpern, die aus Kunststoff gefertigt sind, mittels atmosphärischem Plasma. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Herstellen eines geformten Körpers aus einem Verbundwerkstoff, wobei der Verbundwerkstoff mindestens ein thermoplastisches Polymer als Grundmaterial und mindestens Bornitrid als anorganischen Füllstoff umfasst, wobei der Volumenanteil des Füllstoffs 1 bis 50 % des Volumens des geformten Körpers beträgt; und Beschichten zumindest eines Teils des geformten Körpers mit dem Beschichtungsmaterial mittels atmosphärischem Plasma. Ferner wird eine Komponente beschrieben, die einen geformten Körper mit einem Beschichtungsmaterial umfasst, das gemäß einem solchen Verfahren hergestellt werden kann.
Der Artikel von Sampath, S., „Thermal Spray Applications in Electronics and Sensors: Past, Present, and Future", J Therm Spray Tech 19, 921-949 (2010) (https://doi.org/10.1007/s11666-010-9475-2) stellt eine Analyse von künftigen faszinierenden Möglichkeiten für eine thermische Sprühtechnologie in der Welt der Dickfilmsensoren vor.
In dem frei zugänglichen Peer-Review-Kapitel des Buches von Felipe Miranda, Felipe Caliari, Alexei Essiptchouk and Gilberto Pertraconi (5. November 2018), Atmospheric Plasma Spray Processes: From Micro to Nanostructures, Atmospheric Pressure Plasma - from Diagnostics to Applications, Anton Nikiforov and Zhiqiang Chen, IntechOpen, DOI: 10.5772/intechopen.80315 (erhältlich von: https://www.intechopen.com/books/atmospheric-pressure-plasma-fromdiagnostics-to-applications/atmospheric-plasma-spray-processes-from-micro-tonanostructures) wird beschrieben, dass atmosphärisches Plasmaspray in der Lage ist, eine große Vielfalt von Materialien, einschließlich metallischer und feuerfester Materialien, unter atmosphärischem Druck zu verarbeiten. Die Beschichtungseigenschaften werden durch Ablagerung von Beschichtungen mit einer feineren Mikrostruktur verbessert, die für mechanische und thermische Belastungen geeigneter sind als die lamellare Mikrostruktur von herkömmlichen, mit Plasma aufgesprühten Beschichtungen.
Aufgabe der Erfindung
Daher besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe von einem oder mehreren strukturierten Elementen aus einem elektrisch leitfähigen Material auf einem Kunststoffmaterialsubstrat mit einer möglichst großen Strombelastbarkeit, einer geringen Oberflächenrauheit, einer verringerten Neigung, bei einer auftretenden mechanischen Belastung (Biegebelastung oder andere Belastung) Sprünge oder Risse zu bilden, und einer geringen gesamten topographischen Schwankung bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Baugruppe von einem oder mehreren strukturierten Elementen aus einem elektrisch leitfähigen Material auf einem Substrat aus Kunststoffmaterial zu bilden, wobei die strukturierten Elemente die vorstehenden Eigenschaften aufweisen und die Baugruppe eine geringe gesamte topographische Schwankung aufweist.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe von einem oder mehreren strukturierten Elementen aus einem elektrisch leitfähigen Material auf einem Kunststoffmaterialsubstrat gelöst, wobei das Verfahren mindestens die folgenden Schritte umfasst:

- Bereitstellen eines zumindest örtlich flachen Substrats aus Kunststoffmaterial,
- Aufdrucken, auf eine Oberfläche des Kunststoffmaterialsubstrats, einer Bahn oder von Bahnen einer ersten vordefinierten Dicke und entsprechend einem beabsichtigten Verlauf des einen oder der mehreren strukturierten Elemente aus einem Material mit starker Haftung an sowohl dem Kunststoffmaterialsubstrat als auch dem elektrisch leitfähigen Material,
- Aufdrucken eines Maskierungsmaterials mit der ersten vordefinierten Dicke direkt auf die Oberfläche des Kunststoffmaterialsubstrats, wobei das Maskierungsmaterial eine Haftung an dem Kunststoffmaterialsubstrat aufweist, die größer als eine Haftung an dem elektrisch leitfähigen Material ist,

- Anwenden eines atmosphärischen Plasmasprühverfahrens, um die Bahn oder die Bahnen und zumindest einen Abschnitt des Maskierungsmaterials angrenzend an jede jeweilige Bahn mit dem elektrisch leitfähigen Material mit einer zweiten vordefinierten Dicke abzudecken, und
- Anwenden eines Reinigungsverfahrens, um das elektrisch leitfähige Material zumindest aus dem Abschnitt des Maskierungsmaterials angrenzend an jede jeweilige Bahn zu entfernen.

Der Begriff „strukturiertes Element“, wie er in dieser Patentanmeldung verwendet wird, soll insbesondere dahingehend verstanden werden, dass es von einer einfachen Schicht, die auf der Oberfläche des Kunststoffmaterialsubstrats abgelagert ist, verschieden ist. Der Begriff „strukturiertes Element" soll eigentlich als planares Element mit einer beabsichtigten Form verstanden werden, die einen Anteil der Oberfläche des Kunststoffsubstrats abdeckt.
Somit wird jedes der strukturierten Elemente durch das elektrisch leitfähige Material gebildet, das auf einer Bahn oder einer der Bahnen abgelagert wird, indem das atmosphärische Plasmasprühverfahren angewendet wird und der Abschnitt des elektrisch leitfähigen Materials, der auf dem Maskierungsmaterial neben der jeweiligen Bahn abgelagert wurde, entfernt wird.
Es sei hier ferner angemerkt, dass die Begriffe „erste(r/s)“, „zweite(r/s)“ usw. in dieser Anmeldung nur zu Unterscheidungszwecken verwendet werden und in keiner Weise eine Reihenfolge oder eine Priorität anzeigen oder vorwegnehmen sollen.
Eine der Erkenntnisse der Erfindung besteht darin, dass durch Verwendung eines atmosphärischen Plasmasprühverfahrens zur Ablagerung das elektrisch leitfähige Material eine poröse, schwammartige Struktur (3) zeigt, aus der sich eine gewisse Flexibilität in Bezug auf ein Biegen und Strecken ergibt. Ferner können, was die elektrische Leitfähigkeit eines solchen abgelagerten Materials angeht, 40 bis 80 % der elektrischen Leitfähigkeit des jeweiligen Massenmetalls erreicht werden. Infolgedessen kann die Baugruppe viel weniger für die Entwicklung von Sprüngen oder Rissen bei auftretender mechanischer Belastung (Biegebelastung oder andere) anfällig sein, während gleichzeitig die Strombelastbarkeit weitgehend verbessert werden kann.
Das vorgeschlagene Verfahren ersetzt ferner komplexe herkömmliche Maskierungsverfahrensschritte zum Strukturieren, die in Ablagerungsverfahren verwendet werden, wie physikalisches Aufdampfen (Physical Vapor Deposition, PVD) oder Sputtern, durch Aufdrucken von Maskierungsmaterial, das eine geringe Haftung an dem elektrisch leitfähigen Material bereitstellt, das durch das atmosphärische Plasmasprühverfahren abgelagert wurde, um als Ablöselack für den nachfolgenden Reinigungsschritt zu dienen. Druckverfahren sind in vielen Variationen allgemein bekannt und für die Herstellung im industriellen Umfang gut geeignet.
Außerdem kann mit dem vorgeschlagenen Verfahren eine gesamte topographische Schwankung von nur typischerweise bis zu 10 µm erfolgen, wodurch die Baugruppe nahezu unauffällig für einen Benutzer wird. Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht auch die Ablagerung von elektrisch leitfähigem Material entlang der Bahn oder der Bahnen mit einer sehr geringen Oberflächenrauheit, was die vorteilhafte Verwendung der Baugruppe in Hochfrequenzanwendungen (zum Beispiel Radarfrequenz), d. h. in elektromagnetischen Frequenzbereichen, in denen Leistungsverluste in Metallen aufgrund eines Hauteffekts dominieren, ermöglichen kann.
Vorzugsweise beinhaltet der Schritt des Anwendens eines atmosphärischen Plasmasprühverfahrens das Abdecken der Bahn oder der Bahnen mit einem elektrisch leitfähigen Material, welches Kupfer umfasst. Kupfer ist für atmosphärische Plasmasprühanwendungen am besten geeignet und gut erforscht. Strukturierte Elemente aus einem elektrisch leitfähigen Material, das durch ein atmosphärisches Plasmasprühverfahren abgelagert wird, kann 40 bis 80 % der Massenleitfähigkeit von Kupfer erreichen. Somit ist das strukturierte Element um 10 bis 15 mal elektrisch leitfähiger als ein typischer Polymerdickfilmaufdruck. Andere Metalle, die dem Fachmann als geeignet erscheinen, können jedoch auch verwendet werden und können, neben Kupfer oder als Ersatz für Kupfer, Nickel und andere dünne Metallpartikel umfassen.
Insbesondere kann die Baugruppe vorteilhafterweise Teil einer Heizvorrichtung für ein Fahrzeuglenkrad oder einer Abtastvorrichtung für ein Fahrzeuglenkrad, wie eine Freihandvorrichtung (HoD-Vorrichtung), bilden. Es ist jedoch innerhalb des Rahmens der vorliegenden Erfindung auch denkbar, dass die Baugruppe auf anderen technischen Gebieten verwendet werden kann, in denen eine Oberfläche eines dreidimensionalen Objekts mit einer starken Krümmung in einer oder mehr Ausdehnungsrichtungen mit einer oder mehr elektrisch leitfähigen Bahnen als Teil einer elektronischen Vorrichtung ausgerüstet sein muss. Ein Beispiel für solche Vorrichtungen ist unter anderem eine Heizvorrichtung für den Innenraum eines Kraftfahrzeugs für Türverkleidungen und Armaturenbretter.
In bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens umfasst der Schritt des Anwendens eines Reinigungsverfahrens das Anwenden eines Kohlendioxid-Reinigungsverfahrensschritts oder eines mechanischen Bürstschritts. Die Verwendung von Kohlendioxid in seinen verschiedenen Phasen ist ein allgemein bekanntes Verfahren zur effektiven Reinigung von empfindlichen Oberflächen. Die Verwendung eines mechanischen Bürstschritts kann eine kostengünstige Alternative sein.
Vorzugsweise umfasst der Schritt des Aufdruckens einer Bahn oder von Bahnen oder der Schritt des Aufdruckens eines Maskierungsmaterials das Anwenden eines Schritts des Siebdruckens, Rotationssiebdruckens oder Tintenstrahldruckens. Diese Drucktechniken sind schnelle, kostengünstige und äußerst präzise Massenherstellungsverfahren, die geringe Toleranzgrenzen und eine hohe Reproduzierbarkeit erreichen können.
In bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens umfasst der Schritt des Aufdruckens einer Bahn oder von Bahnen das Aufdrucken von Kupfertinte. Dadurch kann die elektrische Leitfähigkeit des strukturierten Elements oder der strukturierten Elemente aus dem elektrisch leitfähigen Material durch einen zusätzlichen elektrischen Weg oder elektrische Wege unterstützt werden.
Elektrisch leitfähige Tinten, die Kupfer umfassen, sind im Handel erhältlich. Im Allgemeinen könnten jedoch andere metallbasierte Tinten eingesetzt werden, die den Fachleuten als geeignet erscheinen.
Vorzugsweise umfasst der Schritt des Anwendens eines atmosphärischen Plasmasprühverfahrens die Verwendung von Metallpulver mit einer durchschnittlichen Abmessung, die zwischen 5 µm und 20 µm liegt. Das Metallpulver kann kugelförmige Teilchen umfassen. In diesem Fall kann sich die durchschnittliche Abmessung auf einen durchschnittlichen Durchmesser (wie ein arithmetisches Mittel oder ein mittlerer Beobachtungswert) der kugelförmigen Teilchen beziehen. Auf diese Weise kann eine gesamte topographische Schwankung der Baugruppe und eine Oberflächenrauheit des elektrisch leitfähigen Materials, das entlang der Bahn oder der Bahnen verläuft, erreicht werden, die für viele Anwendungen ausreichend gering ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Baugruppe von einem oder mehreren strukturierten Elementen aus einem elektrisch leitfähigen Material auf einem Kunststoffmaterialsubstrat bereitgestellt, die durch das hier offenbarte Verfahren erhalten werden kann.
Die Anwendung des offenbarten Verfahrens zur Herstellung der Baugruppe ändert im Wesentlichen elektrische und mechanische Eigenschaften des einen oder der mehr strukturierten Elemente aus einem elektrisch leitfähigen Material, so dass sich die erhaltene Baugruppe von einer solchen Baugruppe, die durch herkömmliche Verfahren erhalten wird, unterscheidet.
Mit dem offenbarten Verfahren erhaltene Baugruppen sind für Kraftfahrzeuganwendungen besonders vorteilhaft. Der Begriff „Kraftfahrzeug“, wie er in dieser Patentanmeldung verwendet wird, ist insbesondere als zur Verwendung in Fahrzeugen geeignet zu verstehen, einschließlich Personenwagen, LKWs, Sattelzügen und Bussen. Der Begriff „Fahrzeug“, wie er in dieser Anmeldung verwendet wird, soll insbesondere so verstanden werden, dass er Personenkraftwagen, LKWs, Zugeinheiten und Busse umfasst.
Vorzugsweise ist das Kunststoffmaterialsubstrat zum größten Teil aus einem Kunststoffmaterial hergestellt, das ausgewählt ist aus einer Gruppe von Kunststoffmaterialien, die durch thermoplastisches Polyurethan (TPU), Polyethylenterephthalat (PET), Polyimid (PI), Polyetherimid (PEI), Polyethylennaphthalat (PEN), Polyoxymethylen (POM), Polyamid (PA), Polyphthalamid (PPA), Polyetheretherketon (PEEK) und Kombinationen von mindestens zweien dieser Kunststoffmaterialien gebildet ist.
Der Begriff „zum größten Teil“, wie er in dieser Anmeldung verwendet wird, versteht sich insbesondere als gleich oder mehr als 50 %, mehr bevorzugt mehr als 70 % und am meisten bevorzugt mehr als 80 % Volumen und soll einen Teil von 100 % einschließen, d. h. das Kunststoffmaterialsubstrat ist vollständig aus dem ausgewählten Kunststoffmaterial gefertigt.
Diese Kunststoffmaterialien können eine leichte Herstellung ermöglichen, und es können auf diese Weise haltbare, kostengünstige elektrisch isolierende Kunststoffmaterialsubstrate mit geringen Fertigungstoleranzen bereitgestellt werden.
Vorzugsweise ist das Kunststoffmaterialsubstrat als planare Folie gebildet. Auf diese Weise kann eine Baugruppe mit einer besonders kompakten Ausführung insbesondere in einer Richtung senkrecht zu der Oberfläche des Kunststoffmaterialsubstrats bereitgestellt werden. Ferner kann ein solches Kunststoffmaterialsubstrat eine Flexibilität in mindestens einer Ausdehnungsrichtung bereitstellen, die für viele Anwendungen ausreichend ist.
Zum Beispiel kann die planare Folie eine längliche rechteckige Form aufweisen. Lange Kanten der planaren Folie können in einer Richtung der mechanischen Belastung, die während der Installation oder des Betriebs erwartet wird, angeordnet werden, und die eine der orthogonalen Richtungen ist parallel zu kurzen Kanten der planaren Folie ausgerichtet. Solche Ausführungsformen sind vorteilhaft für Anwendungen mit einer starken Oberflächenkrümmung einsetzbar, wie in einem Fahrzeuglenkrad.
In solchen Ausführungsformen der Baugruppe beträgt die erste vordefinierte Dicke vorzugsweise 10 µm mit einem vorgegebenen ersten Toleranzbereich. Solche Ausführungsformen der Baugruppe können eine hohe Flexibilität und eine besonders geringe gesamte topographische Schwankung bereitstellen und sehr nahe an einer oberen Dekorfläche des Objekts für einen Benutzer unauffällig angeordnet werden, um eine optimale Leistung zu ermöglichen.
In bevorzugten Ausführungsformen der Baugruppe ist die zweite vordefinierte Dicke zwischen 1 µm und 20 µm mit einem vorgegebenen zweiten Toleranzbereich gewählt. Ein elektrisch leitfähiges Material mit einer zweiten vordefinierten Dicke innerhalb dieses Bereichs kann eine ausreichende Strombelastbarkeit für Heizzwecke bereitstellen, insbesondere für ein Fahrzeuglenkrad oder eine Fahrzeugsitzheizung.
In bevorzugten Ausführungsformen der Baugruppe ist mindestens ein strukturiertes Element aus einem elektrisch leitfähigen Material als Signalleitung einer Zeitbereichsreflektometrie-Messchaltung (TDR) einer Freihanderkennungsvorrichtung eines Fahrzeuglenkrads ausgelegt. Eine Oberflächenrauheit des mindestens einen strukturierten Elements kann bis zu nur 0,4 µm bis 2,0 µm in Bezug auf den allgemein verwendeten Rauheitsamplitudenparameter als arithmetischer Mittelwert, R_a, betragen, und am meisten bevorzugt sogar hinunter bis zu 0,1 µm bis 0,4 µm, was ausgezeichnete Bedingungen für eine Hochfrequenz-Zeitbereichsreflektometriemessung bereitstellt, zum Beispiel zum Bestimmen einer Position oder von Positionen der Hand oder Hände eines Fahrers auf einem Fahrzeuglenkrad durch die Freihanderkennungsvorrichtung.
Vorzugsweise ist das Kunststoffmaterialsubstrat in umkehrbarer Weise in mindestens einer Ausdehnungsrichtung um mindestens 10 % dehnbar. Der Begriff „dehnbar“, wie er in dieser Anmeldung verwendet wird, ist dahingehend zu verstehen, dass das Kunststoffmaterialsubstrat von einem Bediener während der Installation um einen Betrag von mindestens 10 % einer mechanisch unbelasteten Ausdehnungslänge gestreckt werden kann. Durch Einsetzen eines dehnbaren Kunststoffmaterialsubstrats kann ein flexibles elektrisches Heizelement oder eine flexible kapazitive Abtastelektrode besonders vorteilhaft zur Verwendung in Anwendungen mit starken Oberflächenkrümmungen, wie einem Fahrzeuglenkrad, verwendet werden. In solchen Anwendungen kann das elektrische Heizelement auf eine Weise installiert werden, die in einem hohen Maß an eine Oberflächenkontur eines zu heizenden Objekts angepasst ist, und es kann eine ausgezeichnete Wärmeübertragung zum Objekt ermöglicht werden.
Diese und andere Aspekte der Erfindung werden anhand der im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen offensichtlich und durch diese erklärt.
Es soll herausgestrichen werden, dass die Merkmale und Maßnahmen, die in der vorstehenden Beschreibung individuell detailliert angegeben sind, miteinander auf jede technisch bedeutende Weise kombiniert werden können und weitere Ausführungsformen der Erfindung zeigen. Die Beschreibung kennzeichnet und spezifiziert die Erfindung insbesondere in Verbindung mit den Figuren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung von nicht einschränkenden Ausführungsformen anhand der beigefügten Zeichnung, wobei:

1 schematisch das Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe gemäß der Erfindung in einer Querschnittsseitenansicht veranschaulicht,
2 ein mikroskopisches Bild eines Metallpulvers ist, das in erster Linie Kupfer umfasst, zur Verwendung in dem Schritt des Anwendens eines atmosphärischen Plasmasprühverfahrens und
3 ein mikroskopisches Bild des Metalls ist, das durch das Anwenden des atmosphärischen Plasmasprühverfahrens auf das Metallpulver gemäß 1 abgelagert wurde.

In den verschiedenen Figuren sind die gleichen Teile stets mit den gleichen Symbolen oder Bezugszeichen versehen. Somit werden sie normalerweise nur einmal beschrieben.
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
1 veranschaulicht schematisch das Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe 10 gemäß der Erfindung in einer Querschnittsseitenansicht. Es wird hiermit hervorgehoben, dass 1 nicht als maßstabsgetreue Zeichnung angesehen werden kann. Insbesondere wurde ein Verhältnis der Abmessungen der Höhe zu Querabmessungen in der Zeichnungsebene aus Gründen der Veranschaulichung gewählt und muss nicht den tatsächlichen Bedingungen entsprechen.
Die Baugruppe 10 umfasst eine Vielzahl von strukturierten Elementen 12, von denen eines beispielhaft in 1 gezeigt ist, aus einem elektrisch leitfähigen Material 22 auf einem Kunststoffmaterialsubstrat 14. Das Kunststoffmaterialsubstrat 14 kann vollständig aus thermoplastischem Polyurethan (TPU) gefertigt sein und als planare Folie mit einer Dicke ts von 10 µm gebildet sein. In anderen Ausführungsformen kann das Kunststoffmaterialsubstrat 14 zum größten Teil aus einem anderen Kunststoffmaterial gefertigt sein, wie PET, PI, PEI, PEN, POM, PA, PPA, PEEK oder einer Kombination von mindestens zweien dieser Kunststoffmaterialien.
Das Kunststoffmaterialsubstrat 14 hat eine obere Oberfläche 16 und eine entgegengesetzte Bodenfläche. In dieser speziellen Ausführungsform ist die Vielzahl von strukturierten Elementen 12 in Anordnung nur auf der oberen Oberfläche 16 gezeigt, es liegt jedoch im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass die strukturierten Elemente 12 auf beiden Oberflächen des Kunststoffmaterialsubstrats 14 gebildet sein können.
Das Kunststoffmaterialsubstrat 14 kann eine längliche, im Allgemeinen rechteckige Form mit zwei parallelen langen Kanten 18 und zwei parallelen kurzen Kanten, die parallel zu der Zeichnungsebene von 1 verlaufen, und ein großes Seitenverhältnis von mehr als 20 aufweisen. Die langen Kanten 18 des Kunststoffmaterialsubstrats 14 sind in einer Richtung der mechanischen Hauptbelastung angeordnet, die während der Montage oder des Betriebs zu erwarten ist. Die planare Folienform des Kunststoffmaterialsubstrats 14 und die geringe Dicke ts von 10 µm verleihen dem Substrat 14 vorteilhafte Biegeeigenschaften. Außerdem ist durch die Wahl des Materials als TPU das Kunststoffmaterialsubstrat 14 in umkehrbarer Weise in zwei Ausdehnungsrichtungen, die parallel zu den langen Kanten 18 bzw. den kurzen Kanten verlaufen, um einen Betrag von mehr als 10 % dehnbar.
Die Baugruppe 10 kann Teil einer Zeitbereichsreflektometrie-Messschaltung einer Freihanderkennungsvorrichtung eines Fahrzeuglenkrads bilden (nicht gezeigt). Das strukturierte Element 12 kann als Signalleitung der Zeitbereichsreflektometrie-Messschaltung ausgelegt sein, wobei die Signalleitung von einer kurzen Kante des Kunststoffmaterialsubstrats 14 zu der gegenüberliegenden kurzen Kante mäandert. Das große Seitenverhältnis ermöglicht eine einstückige Installation der Signalleitung an einem Fahrzeuglenkrad. Auf Grund der Dehnbarkeit des Kunststoffmaterialsubstrats 14 kann die Signalleitung auf eine Weise installiert werden, die in einem hohen Maße an eine Oberflächenkontur zum Beispiel eines Kranzes des Fahrzeuglenkrads angepasst ist, und es kann ein ausgezeichnetes Messszenarium für eine kapazitive Handerkennung auf dem Lenkrad erreicht werden.
Eine mögliche Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung der Baugruppe 10 gemäß der Erfindung wird nachfolgend beschrieben. Die Baugruppe 10 ist durch die mögliche Ausführungsform des Verfahrens erhältlich, wie es schematisch in 1 veranschaulicht ist.
In einem ersten Schritt 100 des Verfahrens wird das Kunststoffmaterialsubstrat 14, welches vollkommen flach gebaut ist, in einer geeigneten Halterung (nicht gezeigt) bereitgestellt, wobei die obere Oberfläche 16 nach oben weist. In einem nächsten Schritt 102 wird eine Bahn 20 auf die obere Oberfläche 16 des Kunststoffmaterialsubstrats 14 aufgedruckt. Die Bahn 20 entspricht einem beabsichtigten Verlauf des strukturierten Elements 12. Der Schritt 102 des Aufdruckens kann ein Siebdruckverfahren umfassen. Das für das Drucken verwendete Material kann Kupfertinte umfassen und die aufgedruckte Bahn 20 hat eine erste vordefinierte Dicke t₁, für die 10 µm gewählt sein kann. Die erste vordefinierte Dicke t₁ kann einen vorgegebenen ersten Toleranzbereich von ±0,2 µm aufweisen. In jedem Fall wird das Bahnmaterial so ausgewählt, dass es eine starke Haftung AD₂ an dem Kunststoffmaterialsubstrat 14 sowie eine starke Haftung AD₁ an dem elektrisch leitfähigen Material 22 aufweist, das für das strukturierte Element 12 gedacht ist.
In einem weiteren Schritt 104 des Verfahrens wird ein Maskierungsmaterial 28 direkt auf die obere Oberfläche 16 des Kunststoffmaterialsubstrats 14 aufgedruckt. Das aufgedruckte Maskierungsmaterial 28 weist die erste vordefinierte Dicke t₁, für die 10 µm gewählt sein kann, mit dem gleichen vorgegebenen ersten Toleranzbereich auf. Der Schritt 104 des Aufdruckens des Maskierungsmaterials 28 kann das gleiche Siebdruckverfahren sein, wie es für das Aufdrucken der Bahn 20 verwendet wird. Der Schritt 104 des Aufdruckens des Maskierungsmaterials 28 kann jedoch ebenso ein Rotationssiebdruck- oder Tintenstrahldruckverfahren umfassen.
Da das Maskierungsmaterial 28 mit der gleichen Dicke wie die Bahn 20 aufgedruckt wird, nämlich mit der ersten vorgegebenen Dicke t₁, werden obere Oberflächen der Bahn 20 bzw. des Maskierungsmaterials 28 ausgerichtet. In jedem Fall wird das Maskierungsmaterial so gewählt, dass es eine Haftung AD₄ an dem Kunststoffmaterialsubstrat 14 aufweist, die größer als eine Haftung AD₃ an dem elektrisch leitfähigen Material 22 ist, das für das strukturierte Element 12 gedacht ist.
In einem nächsten Schritt 106 wird ein atmosphärisches Plasmasprühverfahren angewendet, um die Bahn 20 und einen Abschnitt des Maskierungsmaterials 28 angrenzend an die Bahn 20 mit dem elektrisch leitfähigen Material 22 abzudecken. Das in dem atmosphärischen Plasmasprühverfahren verwendete Material ist Metallpulver 24. 2 ist ein mikroskopisches Bild des verwendeten Metallpulvers 24, das in erster Linie Kupfer umfassen kann. Das handelsübliche Metallpulver 24 umfasst eine riesige Anzahl an Metallkügelchen 26 mit einer durchschnittlichen Abmessung, die durch einen durchschnittlichen Durchmesser von etwa 15 µm als Mittelwert gegeben ist.
Wieder mit Bezug auf 1 hat das elektrisch leitfähige Material 22 des strukturierten Elements 12 eine zweite vordefinierte Dicke t₂, für die 15 µm gewählt sein kann. In der Querschnittsseitenansicht von 1 ist gezeigt, dass das elektrisch leitfähige Material 22 des strukturierten Elements 12 ein bogenförmiges Dickenprofil mit einer maximalen Dicke t₂ in einem Bereich über der Bahn 20 aufweist. Die zweite vordefinierte Dicke t₂ kann einen vorgegebenen zweiten Toleranzbereich von ±0,25 µm aufweisen. In anderen Ausführungsformen kann die zweite vordefinierte Dicke t₂ so gewählt sein, dass sie im Bereich zwischen 1 µm und 20 µm liegt.
In einem weiteren Schritt 108 wird dann ein Reinigungsverfahren angewendet, um das elektrisch leitfähige Material 22 von dem Abschnitt des Maskierungsmaterials 28 angrenzend an die Bahn 20 zu entfernen. Dies ist möglich, da die Haftung AD₁ des Bahnmaterials an dem elektrisch leitfähigen Material 22 und auch die Haftung AD₂ des Bahnmaterials an dem Kunststoffmaterialsubstrat 14 größer als die Haftung AD₃ des Maskierungsmaterials 28 an dem elektrisch leitfähigen Material 22 ist. ${AD}_{1} \approx {AD}_{2},$
${AD}_{4} > {AD}_{3} und$
${AD}_{1} > {AD}_{3}$
In dieser speziellen Ausführungsform umfasst der Schritt 108 des Anwendens eines Reinigungsverfahrens das Anwenden eines Kohlendioxid-Reinigungsverfahrensschritts. In anderen Ausführungsformen kann der Schritt 108 des Anwendens eines Reinigungsverfahrens einen mechanischen Bürstschritt oder irgendeinen anderen Reinigungsverfahrensschritt umfassen, der dem Fachmann als geeignet erscheint.
3 ist ein mikroskopisches Bild des elektrisch leitfähigen Materials 22, das aus Metall gebildet ist, das durch Anwenden des atmosphärischen Plasmasprühverfahrens auf das in 2 gezeigte Metallpulver 24 abgelagert wurde. Die Morphologie des abgelagerten elektrisch leitfähigen Materials 22 ist durch ein Sintern der Metallkugeln 26 des Metallpulvers 24 gekennzeichnet, wobei elektrische Verbindungen gebildet werden, die eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit bereitstellen. Ferner werden mechanische Verbindungen zwischen den Metallkugeln 26 hergestellt, um eine schwammartige Struktur zu errichten, die eine mechanische Flexibilität im Vergleich zu dem entsprechenden Schüttgut bereitstellt.
Während die Erfindung im Einzelnen in den Zeichnungen und der vorstehenden Beschreibung veranschaulicht und beschrieben wurde, sind eine solche Veranschaulichung und Beschreibung als veranschaulichend oder beispielhaft und nicht als einschränkend anzusehen; die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt.
Es können andere Varianten der offenbarten Ausführungsformen von den Fachleuten bei der Ausführung der beanspruchten Erfindung, durch Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche verstanden und ausgeführt werden. In den Ansprüchen schließt das Wort „umfassend“ andere Elemente oder Schritte nicht aus, und die unbestimmten Artikel „ein“, „eine“ oder „einer“ schließen keine Mehrheit aus, was eine Menge von mindestens zwei ausdrücken soll. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Maßnahmen in sich voneinander unterscheidenden Unteransprüchen aufgeführt sind, weist nicht darauf hin, dass nicht eine Kombination dieser Maßnahmen vorteilhaft genutzt werden kann. Keines der Bezugszeichen in den Ansprüchen soll als den Schutzbereich einschränkend ausgelegt werden.
Liste der Bezugssymbole

10: Baugruppe
12: strukturiertes Element
14: Kunststoffmaterialsubstrat
16: obere Oberfläche
18: lange Kante
20: Bahn
22: elektrisch leitfähiges Material
24: Metallpulver
26: Metallkugel
28: Maskierungsmaterial
ts: Dicke (Substrat)
t1: erste vordefinierte Dicke
t2: zweite vordefinierte Dicke

Verfahrensschritte:

100: Bereitstellen eines Kunststoffmaterialsubstrats
102: Aufdrucken einer Bahn auf die obere Oberfläche
104: Aufdrucken eines Maskierungsmaterials direkt auf die obere Oberfläche
106: Anwenden eines atmosphärischen Plasmasprühverfahrens, um die Bahn mit elektrisch leitfähigem Material abzudecken
108: Anwenden eines Reinigungsverfahrens
AD1: Haftung des Bahnmaterials an dem elektrisch leitfähigen Material
AD2: Haftung des Bahnmaterials an dem Kunststoffmaterialsubstrat
AD3: Haftung des Maskierungsmaterials an dem elektrisch leitfähigen Material
AD4: Haftung des Maskierungsmaterials an dem Kunststoffmaterialsubstrat

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8330079 B2 [0004]
US 2011/0148648 A1 [0010]
WO 9217344 A1 [0011]
WO 9513204 A1 [0012]
US 7521940 B2 [0012]
US 2009/0295199 A1 [0012]
US 6703845 B2 [0012, 0013]
US 2014/0339211 A1 [0014]
US 8278602 B2 [0019]
WO 2015/024909 A1 [0021]
WO 2016/096815 A1 [0023]
WO 2013/050621 A2 [0024]
WO 2015/107059 A1 [0028]
US 5891527 A [0029]
US 6965071 B2 [0030]
WO 2015/055486 A1 [0031]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Electric Field Sensing for Graphical Interfaces“ von J. R. Smith et al., veröffentlicht in IEEE Comput. Graph. Appl., 18(3):54-60, 1998 [0007]
ampath, S., „Thermal Spray Applications in Electronics and Sensors: Past, Present, and Future“, J Therm Spray Tech 19, 921-949 (2010) [0032]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Baugruppe (10) von einem oder mehreren strukturierten Elementen (12) aus einem elektrisch leitfähigen Material (22) auf einem Kunststoffmaterialsubstrat (14), wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte umfasst: - Bereitstellen (100) eines zumindest örtlich flachen Substrats (14) aus Kunststoffmaterial, - Aufdrucken (102), auf eine Oberfläche (16) des Kunststoffmaterialsubstrats (14), einer Bahn (20) oder von Bahnen einer ersten vordefinierten Dicke (t₁) und entsprechend einem beabsichtigten Verlauf des einen oder der mehreren strukturierten Elemente (12) aus einem Material mit starker Haftung (AD₁,AD₂) an sowohl dem Kunststoffmaterialsubstrat (14) als auch dem elektrisch leitfähigen Material (22), - Aufdrucken (104) eines Maskierungsmaterials (28) mit der ersten vordefinierten Dicke (t₁) direkt auf die Oberfläche (16) des Kunststoffmaterialsubstrats (14), wobei das Maskierungsmaterial (28) eine Haftung (AD₄) an dem Kunststoffmaterialsubstrat (14) aufweist, die größer als eine Haftung (AD₃) an dem elektrisch leitfähigen Material (22) ist, wobei die Haftung (AD₁) des Bahnmaterials an dem elektrisch leitfähigen Material (22) größer als die Haftung (AD₃) des Maskierungsmaterials (28) an dem elektrisch leitfähigen Material (22) ist, - Anwenden (106) eines atmosphärischen Plasmasprühverfahrens, um die Bahn (20) oder die Bahnen und zumindest einen Abschnitt des Maskierungsmaterials (28) angrenzend an jede jeweilige Bahn (20) mit dem elektrisch leitfähigen Material (22) mit einer zweiten vordefinierten Dicke (t₂) abzudecken, und - Anwenden (108) eines Reinigungsverfahrens, um das elektrisch leitfähige Material (22) zumindest aus dem Abschnitt des Maskierungsmaterials (28) angrenzend an jede jeweilige Bahn (20) zu entfernen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt (108) zum Anwenden eines Reinigungsverfahrens das Anwenden eines Kohlendioxid-Reinigungsverfahrensschritts oder eines mechanischen Bürstschritts umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Schritt (102) zum Aufdrucken einer Bahn (20) oder von Bahnen oder der Schritt (104) zum Aufdrucken eines Maskierungsmaterials (28) das Anwenden eines Schritts zum Siebdruck, Rotationssiebdruck oder Tintenstrahldruck umfasst.
Verfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Schritt (102) zum Aufdrucken einer Bahn (20) oder von Bahnen das Aufdrucken von Kupfertinte umfasst.
Verfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Schritt (106) zum Anwenden eines atmosphärischen Plasmasprühverfahrens das Verwenden von Metallpulver (24) mit einer durchschnittlichen Abmessung, die zwischen 5 µm und 20 µm liegt, umfasst.
Baugruppe (10) von einem oder mehreren strukturierten Elementen (12) aus einem elektrisch leitfähigen Material (22) auf einem Kunststoffmaterialsubstrat (14), hergestellt durch das Verfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Kunststoffmaterialsubstrat (14) zum größten Teil aus einem Kunststoffmaterial besteht, das aus einer Gruppe von Kunststoffmaterialien ausgewählt ist, die durch thermoplastisches Polyurethan TPU, Polyethylenterephthalat PET, Polyimid PI, Polyetherimid PEI, Polyethylennaphthalat PEN, Polyoxymethylen POM, Polyamid PA, Polyphthalamid PPA, Polyetheretherketon PEEK und Kombinationen von mindestens zweien dieser Kunststoffmaterialien gebildet ist.
Baugruppe (10) nach Anspruch 6, wobei das Kunststoffmaterialsubstrat (14) als flächige Folie ausgebildet ist.
Baugruppe (10) nach Anspruch 6 oder 7, wobei die erste vordefinierte Dicke (t₁) 10 µm mit einem vorgegebenen ersten Toleranzbereich beträgt.
Baugruppe (10) nach irgendeinem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die zweite vordefinierte Dicke (t₂) aus zwischen 1 µm und 20 µm mit einem vorgegebenen zweiten Toleranzbereich ausgewählt ist.
Baugruppe (10) nach irgendeinem der Ansprüche 6 bis 9, wobei mindestens ein strukturiertes Element (12) aus einem elektrisch leitfähigen Material (22) als Signalleitung einer Zeitbereichsreflektometrie-Messschaltung einer Freihanderkennungsvorrichtung eines Fahrzeuglenkrads ausgelegt ist.
Baugruppe (10) nach irgendeinem der Ansprüche 6 bis 10, wobei das Kunststoffmaterialsubstrat (14) in umkehrbarer Weise in mindestens einer Ausdehnungsrichtung um mindestens 10 % dehnbar ist.