Mikrobauteile auf Fahrradtour

Mikro-Vibrationsschalter aus dem Forschungszentrum Karlsruhe ersetzt Quecksilberschalter bei Fahrrädern

Der Einsatz ba tteriegetriebener Fahrradbeleuchtungen hat in den letzten Jahren stetig zugenommen. Den letzten Stand der technischen Entwicklung stellt ein Rücklicht dar, das automatisch auf die Lichtverhältnisse und Bewegung des Fahrrads reagiert. Ausgestattet ist das Rücklicht mit einem Lichtsensor und einem Vibrationsschalter. Einen völlig neuartigen Mikro-Vibrationsschalter für die Fahrradbeleuchtung hat nun das Forschungszentrum Karlsruhe in Zusammenarbeit mit der Firma RoBo (Hilgertshausen) entwickelt. Mikrosystemtechnik macht den Schalter kostengünstig und zuverlässig. Die Neuentwicklung wurde notwendig, weil die bisherige Technologie, die auf einem quecksilberhaltigen Bauteil beruht, aus Umweltschutzgründen ab 2007 nicht mehr eingesetzt werden darf.

Mit den ersten Sonnenstrahlen und wärmeren Tagen werden sie wieder aus dem Keller geholt: die Fahrräder. Vor der ersten Fahrradtour sollte jedoch eine umfangreiche technische Überprüfung des Fahrrads erfolgen. Insbesondere die Beleuchtung ist dafür bekannt, immer wieder auszufallen. Dynamos, die auf nassen Reifen nicht mehr richtig greifen, oder Glühbirnen, die durchgebrannt sind, haben in den letzten Jahren zur Verbreitung von automatischen batteriegetriebenen Fahrradbeleuchtungen geführt. Bei Dunkelheit schaltet sich das Rücklicht ein, sobald das Fahrrad bewegt wird. Wenn es mehr als eine Minute steht oder ausreichend Tageslicht vorhanden ist, schaltet es wieder aus. Diese Funktionen werden von einem Lichtsensor und einem Vibrationsschalter gesteuert. Der Vibrationsschalter registriert, ob das Fahrrad bewegt wird oder abgestellt ist.

Ein völlig neuartiger Mikro-Vibrationsschalter wurde nun im Institut für Prozessdatenverarbeitung und Elektronik des Forschungszentrums Karlsruhe entwickelt. Herzstück des Vibrationsschalters ist eine Mikrokugel, die einen Stahlkern besitzt und außen wegen der elektrischen Leitfähigkeit mit Gold überzogen ist. Zweite Komponente des Vibrationsschalters ist eine handelsübliche mehrlagige Leiterplatte mit einer Aussparung, in der die Kugel hin und her rollen kann. Durch Vibrationen – verursacht durch Fahren oder Schieben – bewegt sich die Kugel und schließt und öffnet laufend einen Kontakt. Ein speziell für diesen Anwendungszweck entwickelter Elektronikbaustein wertet die Signale aus und schaltet das Rücklicht an, wenn Änderungen des Schaltzustandes passieren, und entsprechend aus, wenn eine Minute lang nichts passiert.

„Das Hauptproblem war, die richtige Klebe- und Oberflächentechnik zu finden, damit der Mikro-Vibrationsschalter in der Leiterplatte vor Umwelteinflüssen dauerhaft geschützt ist und trotzdem zuverlässig elektrischen Kontakt gibt sowie noch preiswert herstellbar ist“, stellt Prof. Hartmut Gemmeke, Leiter des Instituts für Prozessdatenverarbeitung und Elektronik dar. „Dafür war es von großem Vorteil, die diversen Untersuchungsmethoden und das geballte Know-how der Mikrosystemtechnik im Forschungszentrum Karlsruhe nutzen zu können; anders wäre diese Entwicklung in dem kurzen Zeitraum von nur fünf Monaten nicht möglich gewesen.“

Die Verwendung von Materialien, die millionenfach in elektrischen Geräten verwendet werden, sowie die zum Patent angemeldete Aufbautechnik, erlauben den Bau und Test von 1500 Schaltern gleichzeitig, wodurch die Herstellungskosten extrem niedrig gehalten werden können. Neben dem günstigen Preis und der Umweltverträglichkeit bieten die neuen Mikro-Vibrationsschalter gegenüber bisheriger Technik den Vorteil, dass sie vollautomatisch auf handelsüblichen Bestückungsautomaten verarbeitet werden können.

Die bisher eingesetzten Vibrationsschalter enthalten eine Quecksilberperle, die sich in einem kleinen Becher bewegen kann und einen elektrischen Kontakt öffnet oder schließt. Die Verwendung dieser Quecksilberschalter ist aus Umweltgründen in der Europäischen Union nur noch bis Ende 2006 gestattet (Richtlinienvorschläge für Elektro- und Elektronikgeräte). Dies veranlasste den Hersteller der Steuerelektronik für die automatischen Fahrradrücklichter, die Firma RoBo in Hilgertshausen, Bayern, zusammen mit dem Institut für Prozessdatenverarbeitung und Elektronik des Forschungszentrums Karlsruhe einen Mikro-Vibrationsschalter als Ersatz für den Quecksilberschalter zu entwickeln.

In nur drei Monaten nach dem ersten Kontakt mit dem Auftraggeber wurde im Forschungszentrum Karlsruhe das Aufbaukonzept entwickelt. Nach Fertigung einer Kleinserie konnten die essentiellen Produktionsschritte in die Industrie verlagert und innerhalb eines Jahres die ersten 100000 Mikroschalter produziert werden. Neben der Herstellung der Schalter selbst stellen auch die noch im Zentrum verbliebenen Arbeitsschritte Test, Vereinzelung und Umverpackung in maschinengerechte Transportbehälter eine Herausforderung dar. Diese Stufen werden inzwischen zeitsparend von Automaten durchgeführt und im nächsten Schritt ebenfalls in die Industrie verlagert.

Mögliche weitere Anwendungsfelder der Mikro-Vibrationsschalter sind automatisch abschaltende Bügeleisen oder Spielzeuge, die durch leichtes Antippen sprechen, blinken oder sich in Bewegung setzen.