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Sensorgehäuse So leben richtig belüftete Sensoren länger

| Autor / Redakteur: Gary Chan* / Dipl. -Ing. Ines Stotz

Bereits in vier Jahren sollen mehr als eine Billion Sensoren in über 25 Milliarden elektronischen Geräten enthalten sein. Deren Daten bilden die Basis für das Internet der Dinge. Damit sie auch in anspruchsvollen Umgebungen über lange Zeiträume hinweg funktionieren, sind geeignete Belüftungslösungen gefragt.

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Sensoren müssen vor vielfältigsten Umweltbedingungen geschützt werden. Das ist gar nicht so einfach. Belüftungselemente können eine Lösung sein.
Sensoren müssen vor vielfältigsten Umweltbedingungen geschützt werden. Das ist gar nicht so einfach. Belüftungselemente können eine Lösung sein.
(Bild: W. L. Gore & Associates)

Ob an Straßen, Häusern oder Stromleitungen: Intelligente Geräte für das Internet der Dinge werden häufig in anspruchsvollen Umgebungen installiert. Dort können sie durch Feuchtigkeit, Schmutz, Temperaturextreme oder Erschütterungen beschädigt werden. Aus diesem Grund müssen die Hersteller sie entsprechend robust konstruieren.

Doch nicht nur das Gehäuse und die Elektronik im Inneren sollten möglichst langfristig intakt bleiben, sondern auch die integrierten Sensoren. Befinden sich diese außen am Gerät, müssen sie denselben extremen Bedingungen widerstehen. Im Inneren des Gehäuses sind sie zwar besser vor Umwelteinflüssen geschützt, aber immer noch hohen Temperatur- und Druckunterschieden ausgesetzt.

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Mögliche Schutzmaßnahmen

Für den Schutz der Sensoren gibt es verschiedene Alternativen. Dazu gehört eine vollständige Abdichtung des Gehäuses durch robuste Materialien oder langlebige Dichtungen. Doch selbst eine hermetische Abdichtung des Gehäuses berücksichtigt keine Druckunterschiede, die über längere Zeiträume hinweg zu Leckagen führen können. Zudem dürfen für diese Versiegelung nur völlig undurchlässige Materialien verwendet werden. Ein Grund, warum zum Beispiel Plastik ausscheidet.

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Weil aber die Gehäuse dadurch schwer und teuer werden, ist diese Variante für die meisten Anwendungen nicht umsetzbar. Zudem lässt sich ein Gehäuse gar nicht vollständig abdichten, wenn Durchführungen oder Adapter integriert werden müssen. Zudem: Alterung, Umwelteinflüsse und Druckunterschiede steigern die Gefahr, dass sie beschädigt werden können – und öffnen so langfristig eine Eintrittsstelle für Schmutz, Staub, Wasser und sogar Insekten.

Die Nutzung von Vergussmasse führt möglicherweise zu Dehnungsstress für die Leiterplatten, so dass sie sich verformen1. Außerdem ist sie teuer, schwer und erfordert im Herstellungsprozess eine darauf spezialisierte Ausstattung. Da sie eine Reparatur oder den Austausch der Elektronik verhindert, lässt sie sich ohnehin nur in Ausnahmefällen verwenden.

Weitere Möglichkeiten bilden stärkere und robustere Dichtungen oder zusätzliche Verschraubungen. Damit lassen sich zwar kurzfristig Leckagen und Kontaminationsprobleme beheben, diese Lösungen versagen aber meist über längere Zeiträume aufgrund der Druckunterschiede.

Eine Öffnung am Gehäuse oder eine andere Möglichkeit zum Austausch der Luft gleicht zwar die Druckunterschiede aus, doch können damit ebenfalls Partikel und Feuchtigkeit in das Gehäuse eindringen und die Elektronik beschädigen.

Druckausgleich ohne Kontamination

Die Herausforderung lautet also: kontinuierlicher Druckausgleich bei gleichzeitiger Abdichtung gegenüber der Umwelt, um Kontaminationen zu vermeiden. Dies ermöglichen bislang ausschließlich Belüftungselemente aus expandiertem Polytetrafluoroethylen (E-PTFE).

Diese einzigartige mikroporöse Membran ist von Natur aus wasserdicht. Die Struktur aus Knoten und Fibrillen erlaubt den Austausch von Gasmolekülen und Luftfeuchtigkeit. Dabei sind die Öffnungen aber so klein, dass keine Partikel oder Flüssigkeiten durchkommen. Das Material funktioniert zuverlässig in einem weiten Temperaturbereich und bleibt auch gegen UV-Strahlen sowie die allermeisten Chemikalien widerstandsfähig. Solch ausgestattete Geräte lassen sich deshalb in anspruchsvollen Umgebungen einsetzen.

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