The making of a gadget

De World of Technology & Science was nog maar net voorbij of de leden van de elektronicabranche van FHI begonnen al met de voorbereidingen voor hun volgende beurs. Net als op de WOTS wordt op Electronics & Automation weer een gadget – dit keer een ‘wearable’ – aangeboden aan geïnteresseerde bezoekers. Bijzonderheid is dat deze gadget in een echte productielijn ‘live’ op de beurs zal worden geproduceerd.

Slimme armband

De gadget, e-brace gedoopt, is een slimme armband die nauwkeurig bijhoudt hoe vaak de drager een andere bezoeker de hand schudt. Bij het handenschudden ontvangt de bezoeker ook de contactgegevens tijdens het kennismaken, als tenminste de bijbehorende app is gedownload. Thuis zijn de contactgegevens van de nieuwe relaties makkelijk uit te lezen. Daarna verandert de e-brace in een Arduino platform, uitermate geschikt voor wearable elektronica. De gebruiksaanwijzing, software-downloads en libraries zijn beschikbaar.

De e-brace is bedacht door elektronica-ontwikkelbedrijf Metatronics; het eerste model kwam uit de koker van PCB-leverancier Eurocircuits. ‘Wearable’ elektronica is het onderwerp van een van de seminars op de beurs, en de gadget sluit daarbij aan. De e-brace bevat een Bluetooth-module voor communicatie met de telefoon en versnellingsopnemers die de bewegingen van de arm registreren, maar een eventuele combinatie met andere sensoren is ook mogelijk.

De basistechnologie van de e-brace is door Metatronics ontwikkeld voor het Crips platform. De print (flexibel, geproduceerd door Eurocircuits) bestaat uit vijf modules die met elkaar verbonden zijn maar ook los zijn te knippen. Hierdoor kunnen de modules los worden gebruikt en bijvoorbeeld in kleding worden genaaid.

Semi-Flex

Nadat Metatronics het idee van het E&A-gadget had uitgewerkt is er gekeken naar de technische haalbaarheid. De printplaat bleek een grote uitdaging. De print mocht niet te groot zijn en moest ook goed buigbaar zijn. Eurocircuits is met een perfecte oplossing gekomen voor de e-brace en lanceert hiermee ook direct een nieuwe service. De print is een rigid-flex waarbij het flex gedeelte geen traditioneel polymide is maar standaard FR-4 met een speciaal bewerkte koperlaag. Dat definieert de flex als Semi-Flex.

Het aantal buigingen en de radius zijn daardoor beperkt (nominaal: 5 buigingen van 180° over een radius van 5 mm). De functionaliteit biedt wel een goed alternatief voor het verbinden van twee printen, bijvoorbeeld onder een hoek gemonteerd, waarbij men connectoren wil vermijden. Dat kan verschillende redenen hebben, zoals signaalintegriteit, plaatsbeperking of kosten.

Hoe ziet de buildup eruit? In het midden zit een core FR-4 Isola PR370HR 100 micrometer 35/35 micrometer Cu. Dit is het Semi-Flex gedeelte met speciaal behandeld koper waardoor dit zachter blijft, buigt en niet scheurt. Vanwege de mechanische eigenschappen is er gekozen voor 35 micrometer Cu wat de patroonklasse beperkt tot klasse 6.

Aan de buitenzijde zitten twee FR-4 cores 360 micrometer dik en 18 micrometer basiskoper. Hiervan is een laag weggeëtst, zodat er in het totaal vier lagen zijn. Voor de e-brace is er gekozen voor cores van 360 micrometer dik. Voor de Semi-Flex pool-service van Eurocircuits zullen deze cores 510 micrometer dik zijn.

Tussen de cores zitten twee noflow prepreg lagen van 63 micrometer dikte. Nog voor het persen, freest Eurocircuits in deze prepregs het latere Semi-Flex gedeelte vrij. Noflow betekent dat deze prepregs minimaal uitvloeien tijdens het persen.

Na het persen freest Eurocircuits dieptegecontroleerd door de buitenste cores waardoor het Semi-Flex gedeelte vrij komt te liggen. Er zijn veel meer bewerkingen noodzakelijk dan voor het maken van een 4-laags. Eigenlijk wordt hier een 6-laags reverse buildup gemaakt waarvan op voorhand laag 2 en 5 weggeëtst worden. Het verwijderen van laag 2 en 5 maakt de registratie van de andere 4 lagen op elkaar voor het persen iets eenvoudiger.

De componenten en de productie van de armband worden volledig gesponsord door de exposanten en in een aantal besprekingen zijn de wensen van de ontwerpers en het aanbod van de sponsors op één lijn gebracht.

CE-markering

Een prototype van de e-brace  is uitgebreid getest door Dare in Woerden, want hij moet voldoen aan de CE-Markering. Het maakt voor de markering immers niet uit of een product wordt verkocht of gratis wordt weggegeven. Na deze vaststelling bepaalde Dare aan welke richtlijnen het product moet voldoen. Dat blijken er vijf te zijn: de EMC-richtlijn, de R&TTE-richtlijn, de Laagspanningsrichtlijn en de RoHS- (2011-65-EU) en WEEE- (2012/19/EU ) richtlijnen.

De e-brace is getest tegen de emissienorm voor huishoudelijk gebruik (EN 61000-6-3) en de industriële norm (EN 61000-6-4) voor immuniteit. De e-brace bleek te voldoen aan de zware emissie-eisen voor huishoudelijke omgevingen. De gadget blijkt ook te voldoen aan de immuniteitseisen (EN 61000-6-1) voor deze omgevingen. De immuniteitstest (EN 61000-6-2) voor industriële omgevingen bleek echter een brug te ver. Hier werd toch wel ongewenste beïnvloeding waargenomen. Dit houdt in dat de e-brace voldoet aan de essentiële eisen van de EMC-richtlijn maar alleen voor huishoudelijke omgevingen. En daar is het product uiteindelijk ook voor bedoeld.

De R&TTE-testen voor de e-brace zijn niet door Dare uitgevoerd. Dit was ook niet nodig omdat gebruik gemaakt is van een standaard en al goedgekeurde module. Het is dan overdreven om alles opnieuw  te doen.

Productveiligheidsonderzoek

De Laagspanningsrichtlijn is, anders dan de naam doet vermoeden, een brede productveiligheidsrichtlijn. Zo valt niet alleen elektrische veiligheid maar ook thermische, mechanische, chemische en stralingsveiligheid onder deze richtlijn. In het geval van de e-brace liggen de problemen ook niet op het gebied van elektrische veiligheid. Er wordt immers met een veilige spanning (onder de 75 V gelijkspanning) gewerkt. Een ander misverstand is, dat een onderzoek conform de Laagspanningsrichtlijn eenvoudiger is dan bijvoorbeeld een EMC-test. De veiligheid van een product is echter veel lastiger vast te stellen dan het EMC-gedrag. Dit laatste is eenvoudig ‘pass/fail’ maar wanneer is een product veilig? Dare testte de e-brace tegen de geharmoniseerde norm voor ITE, de EN 60950.

Ook in het geval van een schijnbaar eenvoudig product als de e-brace is er toch een aantal ‘bevindingen’ geconstateerd. Deze liggen juist op de andere terreinen dan waar je dit zou verwachten. Zo moest worden vastgesteld of de brandbaarheid van de toegepaste kunststof (de armband) wel aan de vereisten (UL94-HB of beter) voldeed. Gelukkig kon dit via een testrapport worden vastgesteld. Daarnaast bleek de maximale laadstroom van de batterij hoger te kunnen worden dan de toelaatbare laadstroom. Dit is door de ontwerper aangepast. Een lithiumbatterij kan door een te hoge laadstroom namelijk oververhit raken, gaan branden en zelfs exploderen.

Sinds 2013 is ook de EN 62133 geharmoniseerd. Deze is van toepassing op alle batterijen en accu’s gebaseerd op alkaline of andere niet-zuur elektrolyten en dus relevant voor de toegepaste batterij. Op dit moment verzorgt de fabriek de certificering.

Verder is er nog de verplichting dat het CE-merk ook daadwerkelijk op het product wordt aangebracht en tevens dient er een informatielabel te zijn. Formeel moet er ook een handleiding aanwezig zijn.

Essentiële eisen

Er kan worden vastgesteld dat de e-brace aan de essentiële eisen van de EMC- en R&TTE-richtlijnen voldoet. Hopelijk kan het team de bevindingen op het gebied van de productveiligheid nog voor de beurs begint oplossen zodat de CE-Markering dus met recht aangebracht kan worden. Hiervoor moet dan wel eerst een Declaration of Conformity worden ondertekend.

Klaar voor live productie

Om er helemaal zeker van te zijn dat bezoekers een werkende gadget krijgen heeft D&D Mechatronics alvast een kleine serie geproduceerd (10 panelen, elk met 3 gadgets). Deze gadgets worden gebruikt om de software te programmeren maar ook om de test- en programmeerfixtures te maken en de machines van de live productielijn in te stellen. Door alvast een eerste serietje te produceren zorgde D&D Mechatronics ervoor dat er voldoende voorbereidingstijd is. In totaal worden er 2000 beursgadgets geproduceerd waarvan meer dan de helft live op de beursvloer. D&D Mechatronics is gespecialiseerd in de productie van testapparatuur, PCB prototyping, carriers en mechanische onderdelen voor de elektronica-industrie.

Beursbezoekers kunnen een gadget bemachtigen door hun belangstelling ervoor aan te geven bij het aanmelden voor de beurs, via de website http://eabeurs.nl/.

Sponsoren

De onderstaande bedrijven hebben een bijdrage geleverd aan het gadgetproject. Met hun betrokkenheid laten deze bedrijven individueel zien waartoe ze in staat zijn maar tonen ze ook de collectieve kracht van de Nederlandse elektronica-industrie aan.

Hoofdsponsoren

Metatronics (ontwikkeling hardware en software)

A1Electronics (pre-productie)

Eurocircuits (ontwikkeling en productie van de flexibele printplaat)

Sponsoren

Alcom electronics (microcontroller)

Analog Devices (ultra-low power accelerometer)

AppStudio.nl (ontwikkeling app)

Arrow Electronics (LTC power management)

Assembly Partner

CN Rood

Comdes

D&D Mechatronics (elektronica prototyping)

Dare (testen ten behoeve van CE-markering)

Digi-Key

Elektor (manual)

Elincom (LiPo batterij)

Lumberg

MG Products (functioneel testen/programmeren)

Minigrip (ontwerpt en produceert van de armbrand waar de pintplaat ingeschoven wordt)

Elektronica/Engineersonline.nl

National Instruments

NDK (timing kristallen)

Nijkerk Electronics (Murata condensatoren)

Nordic Semiconductor (wireless door multi-protocol Bluetooth Smart/2.4GHz SoC)

Phoenix Contact

RS Components (elektronische componenten)

Rutronik

Salland Electronics

Silica

Top Electronics (magnetic buzzer transducer van CUI)

TTI (Murata condensatoren)

Würth Elektronik (led’s, EMI-filter en connector)