Zuverlässigere Sensoren durch Belüftung

Experten gehen davon aus, dass sich bis 2020 über eine Billion Sensoren in intelligenten Elektronikgeräten im Einsatz befinden und dort zum Beispiel Aufgaben wie das Sammeln von Daten in Echtzeit übernehmen. Das Spektrum an Sensoren reicht von Feuchtigkeitssensoren und Gasmeldern für Industrie-Anwendungen bis hin zu Beschleunigungssensoren für seismische Geräte. Die von einem elektronischen Gerät gelieferten Daten können jedoch nur so verlässlich sein wie die zum Aufnehmen der Daten verwendeten Sensoren.

Viele intelligente Geräte verrichten ihre Aufgaben in anspruchsvoller Umgebung. Unwetter, eindringende Feuchtigkeit, Partikel oder andere Schadstoffe, Kondensation, Hochdrucksprays, Erschütterung und Vibration können die Leistungsfähigkeit des Sensors negativ beeinflussen. Falls der Sensor auf dem Gerätegehäuse montiert ist, muss er diesen rauen Umgebungsbedingungen widerstehen können. Befindet sich der Sensor im Inneren des elektronischen Gerätes, ist er besser vor Umwelteinflüssen geschützt, jedoch immer noch Temperatur- und Druckunterschieden im Gehäuse ausgesetzt.

Zum Schutz empfindlicher Elektronik und um eine zuverlässige Abdichtung zu gewährleisten, entwickeln viele Ingenieure Sensorgehäuse aus robusten Materialien und langlebigen Dichtungen. Wasserdichte Gehäuse garantieren jedoch nicht unbedingt einen lang anhaltenden Schutz sowie eine zuverlässige Leistungsfähigkeit. Denn wenn die Entwicklung Druckunterschiede nicht berücksichtigt, können im Laufe der Zeit Lecks am Gehäuse entstehen.

Mögliche Ursachen für Lecks

Entwickler übersehen häufig das natürliche Phänomen der Gasexpansion und -kontraktion. Da sich die Temperatur innerhalb und außerhalb des Sensorgehäuses durch elektronische Zyklen und Wetteränderungen ständig ändert, dehnt sich die Luft im Gehäuse aus oder zieht sich zusammen und es entstehen Druckunterschiede. Das Gehäuse versucht die Druckunterschiede auszugleichen, indem es Luft einzieht oder ausstößt. Dieses Verhalten bezeichnen Fachleute häufig als „atmen“. Die allgemeine Gasgleichung beschreibt die Beziehung von Temperatur, Druck und Volumen als PV = nRT, wobei P der Druck ist, V das Volumen, n die Menge des Materials, R die universelle Gaskonstante und T die Temperatur.

W. L. Gore & Associates

Bei einem vollständig luftdichten Gehäuse ändert sich der interne Druck positiv oder negativ. Positiver Druck erzeugt ein Aufblähen des Gehäuses, negativer ein Vakuum. Beide Fälle belasten die Dichtungen kontinuierlich, was zu vorzeitiger Ermüdung führen kann. Herrscht Unterdruck im Gehäuse, können durch eine beschädigte Dichtung Feuchtigkeit und Partikel in das Gehäuse eindringen. Dies kann zu Korrosion und eventuell zum Ausfall der Elektronik führen.

Die Temperaturunterschiede außerhalb des Sensorgehäuses können sehr groß sein, ob im Tagesverlauf oder während eines plötzlichen Gewitters. So ist zum Beispiel die Luft in einem Sensorgehäuse auf einem Solarpanel an einem Sommertag sehr heiß. Hochdrucksprays zum Säubern der Solarpanele erzeugen jedoch einen plötzlichen Temperaturabfall im Gehäuseinneren. Dies kann einen Druckunterschied von über 137,9 mbar (2,0 psi) im Gehäuse bewirken und damit im Laufe der Zeit zu einer Beschädigung selbst robustester Dichtungen führen.

Schutz vor Druckunterschieden

Über die Jahre haben Ingenieure zahlreiche Methoden zum Vermeiden von Druckunterschieden entwickelt. Eine Öffnung am Gehäuse oder ein Pfad zum Austausch der Luft gleicht zwar Druckunterschiede aus, durchbricht aber das Schutzkonzept des Systems und erlaubt dadurch das Eindringen von Schmutz, Staub, Wasser und sogar Insekten in das Gehäuse, was die Elektronik beschädigen kann.

Für viele Ingenieure ist eine hermetische Abdichtung des Gehäuses die sicherste Methode zum Schutz der Elektronik. Jedoch erfordert diese Art der Versiegelung den ausschließlichen Einsatz von völlig undurchlässigen Gehäusematerialien. Das bedeutet, dass keine Komponenten aus Plastik zum Einsatz kommen dürfen. Für die meisten Anwendungen ist diese Möglichkeit unrealistisch, da dadurch das Gewicht der Gehäuse sowie die Kosten steigen. Sind Kabel in das Gehäuse einzuführen, wird eine hermetische Abdichtung unmöglich. Die dazu notwendigen Adapter oder Durchführungen sind eine mögliche Eintrittsstelle für Feuchte und Partikel, da Umwelteinflüsse, Alterung und Druckunterschiede sie beschädigen können.

Dehnungsstress durch Vergussmasse

Eine weitere Möglichkeit ist die Nutzung von Vergussmasse. Diese kann jedoch für die Leiterplatten Dehnungsstress verursachen und sie möglicherweise verformen. Wie bei einer hermetischen Abdichtung ist der Einsatz von Vergussmasse nicht immer möglich, da sie Reparaturen oder den Austausch der Elektronik verhindert. Zudem ist Vergussmasse teuer und schwer und erfordert im Herstellungsprozess spezielle Schritte.

Andere häufig genutzte Optionen sind stärkere und robustere Dichtungen oder zusätzliche Verschraubungen. Diese Lösungen beheben zwar akute Leckagen und Kontaminationsprobleme, wirken jedoch nur kurzfristig und versagen meist irgendwann, da sie nicht das grundsätzliche Problem der Druckunterschiede angehen. Das Gerät ist dann einfach nur luftdichter und teurer in der Herstellung, ohne eine Lösung für die eigentliche Ursache des Problems zu bieten.

Druckausgleich ohne Leistungskompromisse

Belüftungselemente aus expandiertem Polytetrafluoroethylen (ePTFE) ermöglichen hingegen einen kontinuierlichen Druckausgleich bei gleichzeitiger Abdichtung vor Umwelteinflüssen. Bei ePTFE handelt es sich um eine mikroporöse, chemisch stabile Membran, die von Grund auf wasserdicht ist. Seine Mikrostruktur aus Knoten und Fibrillen ist offen genug, damit Gasmoleküle inklusive Luftfeuchtigkeit einfach durchtreten können. Die Öffnungen sind jedoch so klein, dass Flüssigkeiten und Partikel nicht passieren können. ePTFE widersteht UV-Strahlen und verhält sich zuverlässig über einen weiten Temperaturbereich. Dadurch eignet es sich für den Einsatz in anspruchsvollen Umgebungen, in denen Sensoren häufig zu finden sind.

Einen Vergleich der verschiedenen Möglichkeiten für Schutzgehäuse während eines Temperaturabfalls und der daraus resultierenden Unterdrucksituation zeigt Bild 1. Die gepunktete grüne Linie bei -75 mbar (-1,09 psi) ist der geschätzte Punkt, an dem ein Vakuum stark genug ist, um eine Leckage in einem abgedichteten Gehäuse zu erzeugen. Die violette Linie repräsentiert ein hermetisch abgeschlossenes Metallgehäuse, das trotz der Druckunterschiede eine Abdichtung gewährleisten kann. Die rote Linie steht für ein typisches Metall- oder Plastikgehäuse mit Dichtungen gemäß IP67. Dieses widersteht anfangs einem Vakuumdruck von bis zu -70 mbar (-1,02 psi).

Ein Druckanstieg beschädigt die Dichtungen und es treten Leckagen auf. Zusätzlich erhöht sich durch Alterung über die Zeit sukzessive der Druckverformungsrest, was die Dichtungen auch bei geringeren Druckunterschieden beeinträchtigt. Die hellblaue Linie in Bild 1 kennzeichnet ein belüftetes Gehäuse, das Druckunterschiede schnell ausgleicht. Dies vermeidet, dass der Druck im Gehäuse den Wert von -35 mbar (-0,51 psi) überschreiten kann und verringert so die Belastung für die Gehäusedichtung.

Bild 1: Druck kann dazu führen, dass Dichtungen unbelüfteter Gehäuse versagen. Ein belüftetes Gehäuse hingegen gleicht den Druck aus, bevor dieser einen Punkt erreicht, an dem die Dichtungen Schaden nehmen. W. L. Gore & Associates

Die Struktur von ePTFE verbessert die Zuverlässigkeit von elektronischen Geräten durch kontinuierlichen Druckausgleich. Dadurch beseitigt das Material das Problem der Druckunterschiede. Belüftungselemente aus ePTFE senken die Herstellungskosten, da weniger Verschraubungen erforderlich sind und Zusatzkonstruktionen für Gehäuse, Dichtungen und O-Ringe entfallen (Bild 2). Dadurch erfahren die Dichtungen eine geringere Belastung, was die Alterung verlangsamt und somit die Produktlebensdauer verlängert.

Das richtige Belüftungselement

Eine hohe Zuverlässigkeit ist für jedes Produkt wichtig. Die Entscheidung für das richtige Belüftungselement erfordert mehr als nur die Auswahl eines Bauteils aus einem Katalog. Belüftungselemente gibt es in zahlreichen Formen, Materialien und Größen sowie mit unterschiedlich hohen Werten bezüglich Luftdurchfluss und Widerstandsfähigkeit. Deshalb sollten Entwickler die Mikrostruktur der ePTFE-Membran je nach Anwendung auswählen. Dazu gehören maximaler Luftdurchfluss, IP-Schutzklasse, Temperaturextreme, geforderte Standards für das Gehäuse sowie dessen Volumen. Die IP-Schutzklasse des Geräts bestimmt den Schutzgrad gegen das Eindringen von Wasser und Partikeln. Diese Schutzklasse muss auch die Belüftungsmembran erfüllen. Die Umgebungsbedingungen beeinflussen zudem die Art der Integration sowie die Positionierung des Belüftungselementes.

Bild 2: Die Struktur des Materials ePTFE verbessert die Zuverlässigkeit von elektronischen Geräten, wie zum Beispiel Sensoren, durch kontinuierlichen Druckausgleich. W. L. Gore & Associates

Sobald eine mögliche Belüftungslösung ausgewählt ist, sollten die Techniker gemeinsam mit den Ingenieuren des Herstellers verifizieren, dass das Vent in der spezifischen Anwendung zuverlässig funktioniert. Der Prozess beginnt mit der Kalkulation der Druckveränderungen im Gehäuse unter Berücksichtigung von Temperaturen und anderen Umwelteinflüssen sowie mit verschiedenen Vents. Reale Performance-Tests beinhalten die Messung des Luftdurchflusses durch das Gerät sowie Klimakammerzyklen und Installationskompatibilität. Nach diesen und ähnlichen Tests sollte der Hersteller in der Lage sein, das Entwicklerteam des Kunden beim Bestimmen der richtigen Installationsmethode zu unterstützen. Dazu gehören Schweißen, Kleben, Einschrauben oder Einrasten. Auch die Größe des Belüftungselements und die Konstruktionsmaterialien, wie zum Beispiel Plastik oder Metall, sollte das Team gemeinsam bestimmen.

Ein nicht getestetes und unsachgemäß in das Gehäuse integriertes Vent kann sich zum schwächsten Glied des Systems entwickeln und einen Ausfall des Gehäuses oder der Elektronik im Inneren verursachen. Das geeignete ePTFE-Vent für den Druckausgleich verbessert dagegen die Geräteleistung, indem es vermeidet, dass Partikel und Flüssigkeiten eindringen. Gleichzeitig ermöglicht das Belüftungselement das Austreten von diffundierter Feuchtigkeit. Daraus resultieren eine längere Produktlebensdauer, geringere Gesamtkosten und eine höhere Markenintegrität.

(hb)